第二章核酸的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)

第二章核酸的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)

（Structureandcharacterofnucleicacid）當(dāng)前1頁，總共148頁。2023/3/82【主要內(nèi)容】2.1遺傳物質(zhì)的本質(zhì)是什么？2.2DNA的結(jié)構(gòu)類型2.3染色體的結(jié)構(gòu)和組裝2.4核酸的變性、復(fù)性與分子雜交2.5RNA當(dāng)前2頁，總共148頁。2023/3/8三峽大學(xué)李曉玲編寫與制作3【本章學(xué)習(xí)要求與目的】重點(diǎn)掌握：1.掌握DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的要點(diǎn)2.DNA超螺旋結(jié)構(gòu)的生物學(xué)意義3.掌握核酸理化性質(zhì)。3.掌握影響變性和復(fù)性的因素4.掌握DNA分子雜交的概念5.RNA的種類主要及其主要功能6.掌握證明DNA是遺傳物質(zhì)的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)了解：1.了解真核細(xì)胞染色體是如何通過不同的結(jié)構(gòu)層次包裝形成的？2.A,B,Z－DNA的結(jié)構(gòu)各有何特點(diǎn)3.了解RNA與DNA在化學(xué)組成和性質(zhì)上的主要區(qū)別4.RNA的種類主要及其主要功能5.了解染色體的化學(xué)組成成份主要有哪些當(dāng)前3頁，總共148頁。2023/3/8三峽大學(xué)李曉玲編寫與制作42.1遺傳物質(zhì)的本質(zhì)是什么？在孟德爾的成果獲得承認(rèn)后，生物界都知道是遺傳因子（即基因）決定了生物的遺傳。但是，基因究竟在細(xì)胞內(nèi)的什么地方？摩爾根以果蠅為試驗(yàn)對象回答了這一問題，基因在染色體上。

當(dāng)前4頁，總共148頁。2023/3/8三峽大學(xué)李曉玲編寫與制作5摩爾根和他的學(xué)生利用果蠅作了大量的研究。1926年出版《基因論》，建立了著名的基因?qū)W說。

ThomasHuntMorgan

（1866～1945）當(dāng)前5頁，總共148頁。2023/3/8三峽大學(xué)李曉玲編寫與制作6摩爾根在《基因論》中繪制了果蠅基因位置圖，首次完成了當(dāng)時(shí)最新的基因概念的描述：基因是在染色體上呈線性排列的遺傳單位，它不僅是決定性狀的功能單位，也是一個(gè)突變單位和交換單位。至此，人們對基因概念的理解更加具體和豐富了。

當(dāng)前6頁，總共148頁。2023/3/8三峽大學(xué)李曉玲編寫與制作7摩爾根果蠅遺傳實(shí)驗(yàn)具有劃時(shí)代意義

◆人類第一次把基因與染色體聯(lián)系起來，認(rèn)為基因是一種物質(zhì)，是染色體上的一個(gè)特定的區(qū)段?！舸_立并發(fā)展了染色體的遺傳理論。

當(dāng)前7頁，總共148頁。2023/3/8三峽大學(xué)李曉玲編寫與制作8ThomanHuntMorgan（1866～1945）因發(fā)現(xiàn)染色體的遺傳機(jī)制，創(chuàng)立染色體遺傳理論而于1933年獲諾貝爾生理學(xué)醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)當(dāng)前8頁，總共148頁。2023/3/8三峽大學(xué)李曉玲編寫與制作9基因是何物?基因的物質(zhì)結(jié)構(gòu)和化學(xué)組成怎樣?基因是如何決定遺傳性狀的?在摩爾根時(shí)代仍然有些問題是一個(gè)謎當(dāng)前9頁，總共148頁。2023/3/8三峽大學(xué)李曉玲編寫與制作10急需解決兩個(gè)基本問題

摩爾根確定了染色體是基因的載體。基因研究發(fā)展到細(xì)胞學(xué)水平之后，首先急需解決兩個(gè)基本問題：

（1）基因的化學(xué)本性是什么？（2）基因是如何工作的？當(dāng)前10頁，總共148頁。2023/3/8三峽大學(xué)李曉玲編寫與制作11細(xì)胞化學(xué)研究表明，染色體的主要成分是蛋白質(zhì)和核酸。那么，基因究竟是蛋白質(zhì)還是核酸？蛋白質(zhì)作為生命物質(zhì)的主要成分和生命活動(dòng)的體現(xiàn)者，它不僅參與所有的生命過程，而且它的化學(xué)結(jié)構(gòu)也有多樣性和可塑性。細(xì)胞化學(xué)在研究基因的化學(xué)本質(zhì)上起了重要作用當(dāng)前11頁，總共148頁。2023/3/8三峽大學(xué)李曉玲編寫與制作12◆所以在相當(dāng)一段時(shí)間里，學(xué)術(shù)界認(rèn)為基因是蛋白質(zhì)，認(rèn)為只有像蛋白質(zhì)這樣復(fù)雜的大分子才能決定細(xì)胞的特征和遺傳。

細(xì)胞化學(xué)在研究基因的化學(xué)本質(zhì)上起了重要作用當(dāng)前12頁，總共148頁。2023/3/8三峽大學(xué)李曉玲編寫與制作13◆認(rèn)識到基因的化學(xué)本質(zhì)是核酸而不是蛋白質(zhì)，經(jīng)歷了一段漫長的歷史過程。◆發(fā)現(xiàn)DNA的遺傳功能，始于1928年格里菲斯（P．Griffith）所做的用肺炎雙球菌感染小鼠的實(shí)驗(yàn)。

當(dāng)前13頁，總共148頁。2023/3/8三峽大學(xué)李曉玲編寫與制作141928年，英國科學(xué)家格里菲思在肺炎球菌實(shí)驗(yàn)中首次發(fā)現(xiàn)了基因是一類特殊生物分子的證據(jù)。

FredericGriffith1879—1941當(dāng)前14頁，總共148頁。2023/3/8三峽大學(xué)李曉玲編寫與制作15S型菌體包有多糖類莢膜，菌落光滑（smooth），有毒性，可以使人患肺炎或使小鼠患敗血癥R型不具莢膜，菌落粗糙（rough），無毒性，不致病

肺炎雙球菌有兩種類型：當(dāng)前15頁，總共148頁。2023/3/8三峽大學(xué)李曉玲編寫與制作16格里菲斯用肺炎球菌做實(shí)驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)了一個(gè)令人驚異的現(xiàn)象：加熱殺死的能致病的S型菌＋不能致病的R型菌→混合→注射到小鼠體內(nèi)→小鼠病死→從死鼠體內(nèi)分離出大量的S型肺炎球菌，難道S型致病菌復(fù)活了嗎？這就是著名的“格里菲斯之謎”。

“死菌復(fù)活”之謎

當(dāng)前16頁，總共148頁。2023/3/8三峽大學(xué)李曉玲編寫與制作17當(dāng)前17頁，總共148頁。2023/3/8三峽大學(xué)李曉玲編寫與制作18●這是一個(gè)令人困惑的結(jié)果R型活菌或S型死菌分別注入小鼠體內(nèi)，都不會(huì)致病，而兩者混合注入?yún)s致病了?！窠忉專杭訜釟⑺赖腟型菌中存在某種導(dǎo)致細(xì)菌類型發(fā)生轉(zhuǎn)化的物質(zhì)。這種物質(zhì)究竟是什么，人們尚不知道，暫時(shí)叫做“轉(zhuǎn)化因子”（transformingelement）。

R型肺炎球菌轉(zhuǎn)化為S型肺炎球菌的現(xiàn)象，稱為轉(zhuǎn)化（transformation）。

當(dāng)前18頁，總共148頁。2023/3/8三峽大學(xué)李曉玲編寫與制作19導(dǎo)致R型細(xì)菌發(fā)生轉(zhuǎn)化的因子，其化學(xué)本質(zhì)究竟是什么？這個(gè)問題，與遺傳學(xué)家提出的“基因的化學(xué)本質(zhì)是什么？”實(shí)質(zhì)上是同一個(gè)問題。當(dāng)前19頁，總共148頁。2023/3/8三峽大學(xué)李曉玲編寫與制作20格里菲斯發(fā)現(xiàn)的轉(zhuǎn)化現(xiàn)象為以后認(rèn)識到DNA是遺傳物質(zhì)奠定了基礎(chǔ)。在美國紐約洛克菲勒研究所工作的Avery立刻敏感地抓住了這一問題，并在此基礎(chǔ)上繼續(xù)研究，取得了重大突破。當(dāng)前20頁，總共148頁。2023/3/8三峽大學(xué)李曉玲編寫與制作21在格里菲斯發(fā)現(xiàn)肺炎球菌的遺傳轉(zhuǎn)化現(xiàn)象之后不過數(shù)年（30年代初），加拿大生物化學(xué)家艾弗里領(lǐng)導(dǎo)的一個(gè)研究小組便開始探尋轉(zhuǎn)化因子。他們在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)：死去的S型菌并未復(fù)活，而是S型菌的DNA進(jìn)入了R型菌，使其轉(zhuǎn)化為新的S型致病肺炎雙球菌。艾弗里等人的實(shí)驗(yàn)不僅揭開了“格里菲斯之謎”，并且在世界上第一次證明基因就在DNA上。

OswaldTheodoreAvery

（1877～1955）當(dāng)前21頁，總共148頁。2023/3/8三峽大學(xué)李曉玲編寫與制作22分離S型死菌的提取液→分別檢測各分離組分（蛋白質(zhì)、類脂、多糖、RNA和DNA）的轉(zhuǎn)化活性→只有DNA具有轉(zhuǎn)化因子活性

艾弗里等人的實(shí)驗(yàn)證據(jù)：當(dāng)前22頁，總共148頁。2023/3/8三峽大學(xué)李曉玲編寫與制作23當(dāng)前23頁，總共148頁。2023/3/8三峽大學(xué)李曉玲編寫與制作24

用化學(xué)法和酶法↓去除S型死菌抽提物中的蛋白質(zhì)、類脂、多糖和RNA↓

抽提物的剩余物質(zhì)↓

R型→轉(zhuǎn)化→S型

1944年，他們確認(rèn)，“轉(zhuǎn)化因子”就是DNA。艾弗里等人的試驗(yàn)和結(jié)論是對DNA認(rèn)識史上的一次重大突破，徹底改變了DNA在生物體內(nèi)無足輕重的傳統(tǒng)觀念。

進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)：

當(dāng)前24頁，總共148頁。2023/3/8三峽大學(xué)李曉玲編寫與制作25

但當(dāng)時(shí)的主流觀點(diǎn)并不接受艾弗里DNA是遺傳物質(zhì)的觀念，認(rèn)為提取的DNA無論如何純凈，仍然可能有殘余的蛋白質(zhì)，蛋白質(zhì)才是有活性的轉(zhuǎn)化因子。

當(dāng)前25頁，總共148頁。2023/3/8三峽大學(xué)李曉玲編寫與制作26針對學(xué)術(shù)界的否定意見，艾弗里于1946年用蛋白酶、RNA酶和DNA酶分別處理肺炎球菌的細(xì)胞抽提物。結(jié)果:（1）可以破壞、消化蛋白質(zhì)的胰蛋白酶和糜蛋白酶不影響轉(zhuǎn)化活性；（2）分解、消化RNA（而不是消化分解DNA）的RNA酶對轉(zhuǎn)化活性無影響；（3）在加入分解、消化DNA的DNA酶后，轉(zhuǎn)化活性喪失。這些實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步證明了DNA作為遺傳信息載體的功能。當(dāng)前26頁，總共148頁。2023/3/8三峽大學(xué)李曉玲編寫與制作27發(fā)現(xiàn)遺傳物質(zhì)的化學(xué)本質(zhì)是DNA，這是基因研究上一個(gè)重要的里程碑。但在當(dāng)時(shí)，這項(xiàng)重要的發(fā)現(xiàn)并未引起足夠的重視。艾弗里雖曾被提名為諾貝爾獎(jiǎng)的候選人，但當(dāng)時(shí)評獎(jiǎng)委員會(huì)認(rèn)為“最好等到DNA的轉(zhuǎn)化機(jī)理更多地為人們所了解的時(shí)候再說”?？墒?，當(dāng)爭議平息、諾貝爾獎(jiǎng)評選委員會(huì)準(zhǔn)備授獎(jiǎng)之時(shí)，他已經(jīng)去世了。

當(dāng)前27頁，總共148頁。2023/3/8三峽大學(xué)李曉玲編寫與制作281951年，赫里奧特（R·Herriott）提出一個(gè)十分富有魅力和啟發(fā)性的假說：

“病毒的作用可能像一個(gè)充滿著轉(zhuǎn)化因子的注射針。這樣的病毒本身不會(huì)進(jìn)入細(xì)胞，但它不僅用尾部接觸寄生細(xì)胞，并可能通過酶的作用在細(xì)胞外膜上鉆一小孔，然后病毒頭部的DNA就鉆入細(xì)胞?！?/p>

當(dāng)前28頁，總共148頁。2023/3/8三峽大學(xué)李曉玲編寫與制作29當(dāng)人們?yōu)榘ダ锏膶?shí)驗(yàn)而激烈爭論時(shí)，研究噬菌體的美國微生物學(xué)家赫爾希等人在考慮，能否將蛋白質(zhì)和DNA完全分開，單獨(dú)觀察DNA的作用呢？他們受赫里奧特思路的啟發(fā)設(shè)計(jì)了一個(gè)精巧的噬菌體感染實(shí)驗(yàn)。赫爾希與德爾布呂克和盧里亞一起，獲1969年的諾貝爾生理學(xué)醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)獎(jiǎng)。

AlfredDayHershey（1908～1997）當(dāng)前29頁，總共148頁。2023/3/8三峽大學(xué)李曉玲編寫與制作30當(dāng)前30頁，總共148頁。2023/3/8三峽大學(xué)李曉玲編寫與制作31噬菌體感染實(shí)驗(yàn)35S標(biāo)記蛋白質(zhì)外殼的噬菌體感染細(xì)菌細(xì)菌無放射性

32P標(biāo)記DNA內(nèi)芯的噬菌體感染細(xì)菌細(xì)菌有放射性這一結(jié)果確鑿無疑地證明，進(jìn)入寄主細(xì)胞內(nèi)的是噬菌體DNA，而不是蛋白質(zhì)外殼。噬菌體的DNA不但包括噬菌體自我復(fù)制的信息，而且包括合成噬菌體蛋白質(zhì)所需要的全部信息。

當(dāng)前31頁，總共148頁。2023/3/8三峽大學(xué)李曉玲編寫與制作32當(dāng)前32頁，總共148頁。2023/3/8三峽大學(xué)李曉玲編寫與制作33

當(dāng)前33頁，總共148頁。2023/3/8三峽大學(xué)李曉玲編寫與制作34

1952年，赫爾希（A．D．Hershey）和蔡斯（M．Chase）證明了噬菌體DNA能攜帶遺傳信息到后代中去以后，科學(xué)界才終于接受了DNA是遺傳信息載體的理論。

定論：遺傳物質(zhì)的本質(zhì)是DNA當(dāng)前34頁，總共148頁。2023/3/8三峽大學(xué)李曉玲編寫與制作35人們徹底摒棄蛋白質(zhì)是基因的化學(xué)本質(zhì)的概念，是在1953年沃森和克里克提出著名的DNA雙螺旋分子結(jié)構(gòu)模型之后。1953年4月25日英國的《Nature》刊登了沃森和克立克的DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)模型，這一天是分子生物學(xué)的誕生日。

當(dāng)前35頁，總共148頁。2023/3/8三峽大學(xué)李曉玲編寫與制作36JamesDeweyWatson（1928～）

FrancisHarryComptonCrick

（1916～）

1953年，DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型被提出來了，兩位創(chuàng)立者是美國生物化學(xué)家沃森（JamesDeweyWatson，1928～）和英國生物物理學(xué)家克里克（FrancisHarryComptonCrick，1916～）。獲1962年的諾貝爾生理學(xué)醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)。當(dāng)前36頁，總共148頁。2023/3/8三峽大學(xué)李曉玲編寫與制作37富蘭克林拍攝的DNA晶體的X射線衍射照片，這張照片正是發(fā)現(xiàn)DNA結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵

當(dāng)前37頁，總共148頁。2023/3/8三峽大學(xué)李曉玲編寫與制作38DNA雙螺旋模型當(dāng)前38頁，總共148頁。2023/3/8三峽大學(xué)李曉玲編寫與制作3934當(dāng)前39頁，總共148頁。2023/3/8三峽大學(xué)李曉玲編寫與制作40當(dāng)前40頁，總共148頁。2023/3/8三峽大學(xué)李曉玲編寫與制作41DNA分子雙螺旋結(jié)構(gòu)模型的發(fā)現(xiàn)，是生物學(xué)史上的一座里程碑：為DNA復(fù)制提供了構(gòu)型上的解釋，使人們對DNA作為基因的物質(zhì)基礎(chǔ)不再懷疑奠定了分子遺傳學(xué)的基礎(chǔ)。DNA雙螺旋模型在科學(xué)上的影響是深遠(yuǎn)的當(dāng)前41頁，總共148頁。2023/3/8三峽大學(xué)李曉玲編寫與制作42從1857年孟德爾進(jìn)行豌豆雜交實(shí)驗(yàn)算起，經(jīng)過無數(shù)科學(xué)家近百年的探索，蒙在生命遺傳奧秘上的面紗正在一層層地剝?nèi)ァ？茖W(xué)探索的道路是螺旋式的，科學(xué)家們在階梯上不斷攀登，一個(gè)新的螺旋展現(xiàn)在他們的眼前，而這將引起一場新的生命科學(xué)革命。當(dāng)前42頁，總共148頁。2023/3/8三峽大學(xué)李曉玲編寫與制作432.2DNA的結(jié)構(gòu)類型一、DNA的一級結(jié)構(gòu)二、DNA的二級結(jié)構(gòu)三、DNA的超螺旋結(jié)構(gòu)當(dāng)前43頁，總共148頁。2023/3/8三峽大學(xué)李曉玲編寫與制作44一、DNA的一級結(jié)構(gòu)1.定義：

DNA的一級結(jié)構(gòu)是DNA分子中各種脫氧核苷酸之間的連接方式和排列順序。四種脫氧核苷酸通過3’,5’-磷酸二酯鍵連接起來的多核苷酸鏈的排列順序。當(dāng)前44頁，總共148頁。

核酸的基本結(jié)構(gòu)單元核苷酸核酸是由許多核苷酸組成的長鏈Nucleotide當(dāng)前45頁，總共148頁。

核苷酸磷酸核苷戊糖堿基核糖脫氧核糖嘌呤嘧啶核酸的化學(xué)組成當(dāng)前46頁，總共148頁。

1、戊糖它們均以呋喃糖態(tài)存在RNA中

DNA中

核酸的化學(xué)組成當(dāng)前47頁，總共148頁。2種核糖當(dāng)前48頁，總共148頁。2、堿基DNA中的4種堿基：腺嘌呤、鳥嘌呤、胞嘧啶、胸腺嘧啶啶RNA中的4種堿基：腺嘌呤、鳥嘌呤、胞嘧啶、尿嘧啶3、磷酸核酸的化學(xué)組成當(dāng)前49頁，總共148頁。5種含氮堿基當(dāng)前50頁，總共148頁。堿基5-甲基-2,4-二氧嘧啶Thy胸腺嘧啶2,4-二氧嘧啶Ura尿嘧啶2-氨基-6-氧嘌呤

Gue鳥嘌呤2-氧-4-氨基嘧啶Cyt胞嘧啶嘧啶6-氨基嘌呤Ade腺嘌呤嘌呤124NN3561357NNNNCH24689HNNNNCHNH2HNNNNCHOHH2NNNNH2OHNNOONNOOCH3當(dāng)前51頁，總共148頁。

核苷

戊糖第1位碳原子上的羥基與嘌呤的第9位氮原子或與嘧啶的第1位氮原子形成的N-C糖苷鍵。

腺苷

脫氧鳥苷核酸的化學(xué)組成當(dāng)前52頁，總共148頁。兩種核苷當(dāng)前53頁，總共148頁。

核苷酸

RNA中的核苷酸腺苷酸AMP鳥苷酸GMP胞苷酸CMP尿苷酸UMPDNA中的核苷酸脫氧腺苷酸dAMP脫氧鳥苷酸dGMP脫氧胞苷酸dCMP脫氧胸苷酸dTMP生物體內(nèi)存在的核苷酸，多是5核苷酸。'核酸的化學(xué)組成當(dāng)前54頁，總共148頁。核苷酸當(dāng)前55頁，總共148頁。2.1DNA單鏈的延伸5’3’端2.DNA的一級結(jié)構(gòu)的性質(zhì)當(dāng)前56頁，總共148頁。

無分枝的長鏈2.2多聚脫氧核苷酸鏈的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)由糖-磷酸相互間隔連接，構(gòu)成主鏈；堿基連接在主鏈的核糖上，形成側(cè)鏈。

具有方向性。兩個(gè)末端分別為5'端和3'端。

在天然DNA中，5'端常為磷酸，3'端為游離羥基。DNA的一級結(jié)構(gòu)當(dāng)前57頁，總共148頁。3.3一級結(jié)構(gòu)的表示方法1）線條法DNA的一級結(jié)構(gòu)當(dāng)前58頁，總共148頁。5'pGpCpTpTpAOH3'5'pGCTTAOH3'pGCTTAOHGCTTA2）文字式DNA的一級結(jié)構(gòu)當(dāng)前59頁，總共148頁。2023/3/8三峽大學(xué)李曉玲編寫與制作60當(dāng)前60頁，總共148頁。2023/3/8三峽大學(xué)李曉玲編寫與制作61當(dāng)前61頁，總共148頁。反向重復(fù)序列當(dāng)前62頁，總共148頁。2023/3/8三峽大學(xué)李曉玲編寫與制作63當(dāng)前63頁，總共148頁。2023/3/8三峽大學(xué)李曉玲編寫與制作64

二、DNA的二級結(jié)構(gòu)二級結(jié)構(gòu)的概念:DNA的二級結(jié)構(gòu)是指DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)。雙螺旋結(jié)構(gòu)是DNA的兩條鏈圍著同一中心軸旋繞而成的一種空間結(jié)構(gòu)。主要分為兩大類：一類是右手螺旋，如B-DNA和A－DNA;另一類是左手螺旋，即Z-DNA當(dāng)前64頁，總共148頁。2023/3/8三峽大學(xué)李曉玲編寫與制作65DNA構(gòu)型變異生理狀態(tài)：B-DNA（右手螺旋）高鹽狀態(tài)：A-DNA（右手螺旋脫水構(gòu)型，每螺圈含有11個(gè)核苷酸對，A－DNA比較短和密，其平均直徑為23?。大溝深而窄，小溝寬而淺。）Z-DNA：

是B型DNA的另一種變構(gòu)形式，活性明顯降低，富含G-C，嘌呤與嘧啶交替出現(xiàn)，左手螺旋，每個(gè)螺圈含有12個(gè)堿基對。分子直徑為18?，并只有一個(gè)深溝。現(xiàn)在還不知道，Z－DNA在體內(nèi)是否存在。當(dāng)前65頁，總共148頁。2023/3/8三峽大學(xué)李曉玲編寫與制作66ABZMiMaMaMiMiMa

A-DNAB-DNAZ-DNAMaMi當(dāng)前66頁，總共148頁。2023/3/8三峽大學(xué)李曉玲編寫與制作67

A-DNAB-DNAZ-DNA當(dāng)前67頁，總共148頁。2023/3/8三峽大學(xué)李曉玲編寫與制作68B-DNA

B-DNA當(dāng)前68頁，總共148頁。2023/3/8三峽大學(xué)李曉玲編寫與制作69DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型

（DNADoubleHelixModel)1953年Watson和Crick由X射線衍射結(jié)構(gòu)分析提出了DNA分子雙螺旋結(jié)構(gòu)模型。當(dāng)前69頁，總共148頁。2023/3/8三峽大學(xué)李曉玲編寫與制作70雙螺旋結(jié)構(gòu)要點(diǎn)①DNA分子是由兩條互相平行的脫氧核苷酸長鏈盤繞而成的；②DNA分子中的脫氧核糖和磷酸交替連接，排在外側(cè)，構(gòu)成基本骨架，堿基排列在內(nèi)側(cè)；③兩條鏈上的堿基通過氫鍵相結(jié)合，形成堿基對，A=T,G≡C；當(dāng)前70頁，總共148頁。2023/3/8三峽大學(xué)李曉玲編寫與制作71④兩條單鏈反向平行，極性相反，一條是5′3′，另一條是3′5′：⑤兩條鏈以中心為軸，向右盤旋：⑥雙螺旋中存在大溝（2.2nm)和小溝（1.2nm)；⑦每個(gè)雙螺旋含10個(gè)堿對，相鄰堿基對間的距離為0.34nm,螺旋的直徑為2.0nm。當(dāng)前71頁，總共148頁。2023/3/8三峽大學(xué)李曉玲編寫與制作72當(dāng)前72頁，總共148頁。2023/3/8三峽大學(xué)李曉玲編寫與制作73當(dāng)前73頁，總共148頁。2023/3/8三峽大學(xué)李曉玲編寫與制作74當(dāng)前74頁，總共148頁。2023/3/8三峽大學(xué)李曉玲編寫與制作75當(dāng)前75頁，總共148頁。2023/3/8三峽大學(xué)李曉玲編寫與制作76當(dāng)前76頁，總共148頁。2023/3/8三峽大學(xué)李曉玲編寫與制作77模型中的堿基配對有何重要性？①A-T,G-C配對可形成很好的線性氫鍵；②A-T對和G-C對的幾何形狀一樣，使雙鏈距離相近，使雙螺旋保持均一；③堿基對處在同一平面內(nèi)。不論核苷酸的順序如何，都不影響雙螺旋的結(jié)構(gòu)；④為DNA半保留復(fù)制奠定了基礎(chǔ)。當(dāng)前77頁，總共148頁。2023/3/8三峽大學(xué)李曉玲編寫與制作78DNA雙螺旋的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)①堿基頂部基團(tuán)裸露在DNA大溝內(nèi)②蛋白質(zhì)因子與DNA的特異結(jié)合依賴于氨基酸與DNA間的氫鍵形成③蛋白質(zhì)因子沿大溝與DNA形成專一性結(jié)合的幾率與多樣性高于沿小溝的結(jié)合④大溝的空間更有利于與蛋白質(zhì)的結(jié)合當(dāng)前78頁，總共148頁。2023/3/8三峽大學(xué)李曉玲編寫與制作79當(dāng)前79頁，總共148頁。2023/3/8三峽大學(xué)李曉玲編寫與制作80維持DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的因素

（DNA的實(shí)際存在狀況就是堿基堆積的棒狀實(shí)體）氫鍵磷酸酯鍵堿基堆積力（堿基非特異性結(jié)合力）①磷酸骨架、氨基、酮基及周圍水分子間的有序排列②疏水作用力③范德華力0.2mol/LNa+生理鹽條件磷酸基團(tuán)間的靜電斥力堿基內(nèi)能增加后兩者是不穩(wěn)定因素當(dāng)前80頁，總共148頁。2023/3/8三峽大學(xué)李曉玲編寫與制作81當(dāng)前81頁，總共148頁。2023/3/8三峽大學(xué)李曉玲編寫與制作82三、DNA的超螺旋結(jié)構(gòu)當(dāng)前82頁，總共148頁。2023/3/8三峽大學(xué)李曉玲編寫與制作83形成Loop的雙鏈DNA呈超螺旋狀態(tài)當(dāng)前83頁，總共148頁。2023/3/8三峽大學(xué)李曉玲編寫與制作84DNA的超螺旋結(jié)構(gòu)超螺旋（supercoil）：雙螺旋DNA進(jìn)一步扭曲盤繞則形成其三級結(jié)構(gòu)，超螺旋是DNA三級結(jié)構(gòu)的主要形式,超螺旋有正超螺旋和負(fù)超螺旋兩種，負(fù)超螺旋的存在對于轉(zhuǎn)錄和復(fù)制都是必要的。當(dāng)前84頁，總共148頁。2023/3/8三峽大學(xué)李曉玲編寫與制作85●超螺旋結(jié)構(gòu)DNA

leadstoleft-handedsuperhelix

B-DNAOverwinding緊纏

(右旋)

positivesupercoiled當(dāng)前85頁，總共148頁。2023/3/8三峽大學(xué)李曉玲編寫與制作86Leadstoright-handedsuperhelixB-DNAunwinding(左旋)

所有生物的DNA幾乎有5%為NegativeSuperhelix

NegativeSupercoiled

當(dāng)前86頁，總共148頁。負(fù)超螺旋negativesuperhelix對于B-DNA來說，underwinding(松纏)以后，進(jìn)行閉合，所產(chǎn)生的趨右旋的超螺旋，以解除外加的捻轉(zhuǎn)所造成的脅變，天然狀態(tài)下，一般觀察到的都是負(fù)超螺旋，易形成泡狀結(jié)構(gòu)

當(dāng)前87頁，總共148頁。2023/3/8三峽大學(xué)李曉玲編寫與制作88超螺旋形成示意當(dāng)前88頁，總共148頁。2023/3/8三峽大學(xué)李曉玲編寫與制作89InvitroEBinsertedNeg.→Pos.Superhelixchangebasebase3.4埃EB

7.0埃basebasebasebase局部DNA的緊縮00.050.1EB/bp16s21sNeg.Pos.

00.050.1當(dāng)前89頁，總共148頁。2023/3/8三峽大學(xué)李曉玲編寫與制作90360o/helix360o-26o/helix/0neofEBinsertedNeg.Superhelix

OC,L,DNA

Pos.Superhelix

EB對超螺旋結(jié)構(gòu)的影響當(dāng)前90頁，總共148頁。2023/3/8三峽大學(xué)李曉玲編寫與制作91l

DNA在水溶液中,構(gòu)型偏B型狀態(tài)l

DNA以10.5bp/helix為最穩(wěn)定構(gòu)型l

小于10.5bp/helix向正超螺旋發(fā)展(緊縮態(tài))

大于10.5bp/helix向負(fù)超螺旋發(fā)展(松弛態(tài))

conclusion當(dāng)前91頁，總共148頁。2023/3/8三峽大學(xué)李曉玲編寫與制作92變性溫度/溶解溫度（Tm）較高粘度較低、浮力密度較大、沉降速度較快。在凝膠電泳中遷移率最大的是超螺旋DNA，其次是線性DNA，最慢的是開環(huán)DNA超螺旋DNA其中一股DNA鏈被切斷產(chǎn)生缺口，DNA分子恢復(fù)到松弛狀態(tài)超螺旋結(jié)構(gòu)對DNA性質(zhì)的影響當(dāng)前92頁，總共148頁。2023/3/8三峽大學(xué)李曉玲編寫與制作93超螺旋結(jié)構(gòu)的生物學(xué)意義

1.超螺旋形式是DNA分子復(fù)制和轉(zhuǎn)錄的需要：生物體內(nèi)DNA結(jié)構(gòu)是處于動(dòng)態(tài)之中。超螺旋的引入就提高了DNA的能量水平，而超螺旋程度的改變介導(dǎo)了DNA結(jié)構(gòu)的變化。即超螺旋多余的能量可能使DNA雙股鏈分開，或局部熔解。這種結(jié)構(gòu)上的變化對DNA分子復(fù)制和轉(zhuǎn)錄等的啟動(dòng)很重要。2.DNA分子以高度致密的狀態(tài)存在于核內(nèi)，使DNA分子體積縮小當(dāng)前93頁，總共148頁。2023/3/8三峽大學(xué)李曉玲編寫與制作942.3染色體的結(jié)構(gòu)和組裝主要?jiǎng)印⒅参锓N類的染色體數(shù)

擬南芥5小麥2n=6x=42

大豆2n=4x=40棉花2n=4x=52當(dāng)前94頁，總共148頁。2023/3/8三峽大學(xué)李曉玲編寫與制作95染色體的組成染色體的主要化學(xué)成份是脫氧核糖核酸（DNA）和5種稱為組蛋白的蛋白質(zhì)，還有非組蛋白和RNA組蛋白（histones)是指染色體中的堿性蛋白質(zhì)，其特點(diǎn)是富含二種堿性氨基酸（賴氨酸和精氨酸），根據(jù)這兩種氨基酸在蛋白質(zhì)分子中的相對比例（賴．精）又將組蛋白分為五種小類型。

當(dāng)前95頁，總共148頁。2023/3/8三峽大學(xué)李曉玲編寫與制作96組蛋白的類型當(dāng)前96頁，總共148頁。2023/3/8三峽大學(xué)李曉玲編寫與制作97組蛋白的特性所有真核生物染色體中均含有這五種組蛋白。組蛋白的含量與DNA含量之比約為1:1。組蛋白中也含有較多的酸性氨基酸，但在這五種組蛋白中，其含量均低于堿性氨基酸，堿/酸比在之間。組蛋白的等電點(diǎn)(pI)在之間,這些強(qiáng)極性氨基酸使蛋白質(zhì)帶上大量電荷,成為組蛋白與DNA結(jié)合及蛋白質(zhì)之間的相互作用的主要化學(xué)力之一。當(dāng)前97頁，總共148頁。富精氨酸組蛋白（H3和H4），稍富賴氨酸組蛋白（H2A和H2B）及極富賴氨酸組蛋白（H1）三種類型，是根據(jù)所含堿性氨基酸的相對比例劃分的。這五種組蛋白的氨基酸全順序均已確定。在各種物種，H3和H4的序列極少有差異，這種生物進(jìn)行上的高度保守性預(yù)示著其功能的重要性。其它三種組蛋白在不同種屬之間存在著較大的差異。組蛋白對染色體中DNA的包裝有十分重要的作用。組蛋白的特性當(dāng)前98頁，總共148頁。非組蛋白（non-histoneprotein,NHP)是指染色體中組蛋白以外的其它蛋白質(zhì)，它是一大類種類繁雜的各種蛋白質(zhì)的總稱。估計(jì)總數(shù)在300-600之間,分子量范圍為7000-80000D,等電點(diǎn)為。對于其中許多單個(gè)成分的結(jié)構(gòu)和功能，目前還了解甚少。一些非組蛋白與基因表達(dá)及染色體高級結(jié)構(gòu)的維持有關(guān)。參與基因復(fù)制、轉(zhuǎn)錄及核酸修飾的酶類（如各種DNA和RNA聚合酶等)就是一類重要的非組蛋白,它們在核酸代謝中的重要性是不言而喻

非組蛋白的特性當(dāng)前99頁，總共148頁。核小體是染色體結(jié)構(gòu)的最基本單位核小體的核心是由4種組蛋白（H2A、H2B、H3和H4）各兩個(gè)分子構(gòu)成的扁球狀8聚體。一條染色體有一個(gè)DAN分子。一個(gè)DNA分子就像是一條長長的雙螺旋的飄帶。DNA雙螺旋依次在每個(gè)組蛋白8聚體分子的表面盤繞約1.75圈，其長度相當(dāng)于146個(gè)堿基對。組蛋白8聚體與其表面上盤繞的DNA分子共同構(gòu)成核小體在相鄰的兩個(gè)核小體之間，有長約50～60個(gè)堿基對的DNA連接線。在相鄰的連接線之間結(jié)合著一個(gè)第5種組蛋白（H1）的分子。

當(dāng)前100頁，總共148頁。2023/3/8三峽大學(xué)李曉玲編寫與制作101當(dāng)前101頁，總共148頁。核小體（nucleosome）

真核生物染色質(zhì)包裝的基本結(jié)構(gòu)單位，由DNA和組蛋白(histone)構(gòu)成。由4種組蛋白

H2A、H2B、H3和H4各二個(gè)分子形成一個(gè)組蛋白八聚體，約200bp的DNA分子盤繞在組蛋白八聚體構(gòu)成的核心結(jié)構(gòu)外面，形成了一個(gè)核小體。由核小體形成的串珠狀纖維是染色體的一級結(jié)構(gòu)。當(dāng)前102頁，總共148頁。2023/3/8三峽大學(xué)李曉玲編寫與制作103當(dāng)前103頁，總共148頁。2023/3/8三峽大學(xué)李曉玲編寫與制作104染色質(zhì)的高級結(jié)構(gòu)一級包裝：核小體二級包裝：螺線管三級包裝：螺線管環(huán)（超螺線管）四級包裝：染色單體當(dāng)前104頁，總共148頁。

染色體的基本結(jié)構(gòu)單位是核小體。由核小體形成的串珠狀纖維是染色體的一級結(jié)構(gòu)。核小體串聯(lián)成的念珠狀纖維進(jìn)行螺旋盤繞，形成一條較短粗的中空的螺線管，螺線管為染色體的二級結(jié)構(gòu)。螺線管進(jìn)一步盤繞形成超螺線管，這是染色體的三級結(jié)構(gòu)。超螺線管再螺旋化形成一條染色單體，為染色體的四級結(jié)構(gòu)。當(dāng)前105頁，總共148頁。2023/3/8三峽大學(xué)李曉玲編寫與制作106當(dāng)前106頁，總共148頁。2023/3/8三峽大學(xué)李曉玲編寫與制作107當(dāng)前107頁，總共148頁。2023/3/8三峽大學(xué)李曉玲編寫與制作108當(dāng)前108頁，總共148頁。2023/3/8三峽大學(xué)李曉玲編寫與制作109當(dāng)前109頁，總共148頁。2023/3/8三峽大學(xué)李曉玲編寫與制作110當(dāng)前110頁，總共148頁。2023/3/8三峽大學(xué)李曉玲編寫與制作111當(dāng)前111頁，總共148頁。2023/3/8三峽大學(xué)李曉玲編寫與制作112當(dāng)前112頁，總共148頁。2023/3/8三峽大學(xué)李曉玲編寫與制作113從染色體的一級結(jié)構(gòu)到四級結(jié)構(gòu)，DNA分子一共被壓縮了

7×6×40×5=8400倍。當(dāng)前113頁，總共148頁。2.4核酸的變性、復(fù)性與分子雜交

2.4.1核酸的變性概念：DNA變性是指DNA分子在某些條件下（加熱、極端pH、有機(jī)溶劑、尿素及酰胺等）穩(wěn)定的雙螺旋結(jié)構(gòu)受到破壞，雙鏈解開形成無規(guī)則線性結(jié)構(gòu)的現(xiàn)象。當(dāng)前114頁，總共148頁。DNA分子變性(DNAdenaturation)

●

D.S.DNAS.S.DNA

(加溫,極端pH,尿素,酰胺)

變性過程的表現(xiàn)☆S.S.DNA粘度降低

沉降速度加快☆

分子的A260nmUV

值上升

(hyperchromiceffect

)

當(dāng)前115頁，總共148頁。當(dāng)前116頁，總共148頁。A.增色效應(yīng)hyperchromiceffect

概念：DNA變性后使260nm波長處紫外吸光度增加這種作用稱為DNA增色效應(yīng)。為什么260nm處的OD值增加？

當(dāng)前117頁，總共148頁。DNA分子其吸收峰值在260nm。DNA分子中堿基間電子的相互作用是紫外吸收的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ),但雙螺旋結(jié)構(gòu)有序堆積的堿基又“束縛”了這種作用。變性DNA的雙鏈解開,堿基中電子的相互作用更有利于紫外吸收,故而產(chǎn)生增色效應(yīng)。當(dāng)前118頁，總共148頁。1.1851.01.37OD℃Concentration50μg/ml

D.SDNAA260=1S.SDNAA260=1.37dNTPsA260=1.60

Tm

=

℃ofCt=C0/2

=OD增加值的中點(diǎn)溫度(一般為85-95℃)

當(dāng)前119頁，總共148頁。l

增色效應(yīng)的跳躍現(xiàn)象(JumpofHyperchromicity)高分子量的DNA分子在熱變性過程中,富含AT區(qū)域首先發(fā)生變性,然后逐步擴(kuò)展,表現(xiàn)增色效應(yīng)的跳躍現(xiàn)象,使變形過程加快.

richAT

richAT

當(dāng)前120頁，總共148頁。B.解鏈溫度（Tm）

通常將加熱變性使DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)失去一半時(shí)的溫度稱為該DNA的熔點(diǎn)或溶解溫度（meltingtemperature），用Tm表示。當(dāng)達(dá)到Tm時(shí)，DNA分子內(nèi)50%的雙鏈結(jié)構(gòu)被打開，即增色效應(yīng)達(dá)到一半時(shí)的溫度，它在S型曲線上相當(dāng)于吸光率增加的中點(diǎn)處所對應(yīng)的橫坐標(biāo)。

當(dāng)前121頁，總共148頁。當(dāng)前122頁，總共148頁。DNA的解鏈溫度（Tm）是引物的一個(gè)重要參數(shù)，它是當(dāng)50％的引物和互補(bǔ)序列表現(xiàn)為雙鏈DNA分子時(shí)的溫度，一種DNA分子的Tm值大小與其所含堿基中的G＋C比例相關(guān)，G＋C比例越高，Tm值越高。Tm值為PCR反應(yīng)退火溫度的重要參考依據(jù)。Tm值為PCR反應(yīng)退火溫度的重要參考依據(jù)。當(dāng)前123頁，總共148頁。

Marmur-Dotyformula

EvaluationGC%ofDNA

Tm=69.3+0.41×GC%

1xSSCGC%=30-70%(0.15MNacl+0.015MSodiumLimonate)Tm1

＜

Tm2℃1.01.1851.37ODwhatismeaning?當(dāng)前124頁，總共148頁。C.影響Tm值的因素

☆在A,T,C,G隨機(jī)分布的情況下

☆GC%含量相同的情況下GC%愈高→Tm值愈大GC%愈低→Tm值愈小

AT形成變性核心，變性加快，Tm值小堿基排列對Tm值具有明顯影響（除變性核心外）

當(dāng)前125頁，總共148頁。5`CG3`GCn5`GC3`CGn5`TA3`ATn5`AT3`TAn堿基堆積面和堿基積壓程度的差異

例：常溫下，活體內(nèi)D.SDNA分子中富含AT的變性核心區(qū)（promoter,terminatorregion

）常表現(xiàn)氫鍵的斷裂與形成的“DNA呼吸現(xiàn)象”37.6℃57℃

Tm＞＞＜＜☆堿基排列對Tm值具有明顯影響當(dāng)前126頁，總共148頁?！畲笃蜠.SDNA分子之間比較片段長短對Tm值的影響較小,與組成和排列相關(guān)☆小于100bp的D.SDNA分子比較片段愈短，變性愈快，Tm值愈小☆變性液中含有尿素，酰胺等尿素，酰胺與堿基間形成氫鍵改變堿基對間的氫鍵

Tm值可降至40℃左右

當(dāng)前127頁，總共148頁?！铥}濃度的影響

單鏈DNA主鏈的磷酸基團(tuán)負(fù)電荷的靜電斥力兩條單鏈DNA的分離Na+在磷酸基團(tuán)周圍形成的電子云對靜電斥力產(chǎn)生屏蔽作用減弱靜電斥力當(dāng)前128頁，總共148頁。Tm↑當(dāng)Na+濃度低屏蔽作用小斥力加強(qiáng)Tm↓

TmODA260

靜電斥力

熵值（△S）0.01M0.1M1.0MNa+當(dāng)Na+濃度高

屏蔽作用大斥力減弱熵值(△S)上升堿基溶解性降低疏水作用力增加當(dāng)前129頁，總共148頁。

pH~12酮基→烯醇基pH~2-3NH2→NH2+(質(zhì)子化)

改變氫鍵的形成與結(jié)合力☆極端pH條件的影響一切減弱氫鍵，堿基堆積力的因素均將使Tm值降低當(dāng)前130頁，總共148頁。

DNA分子的復(fù)性(annealorrenaturation)

D.SDNAS.SDNADenaturation▲▼Renaturation

復(fù)性過程依賴于單鏈分子間的隨機(jī)碰撞

(DependsonthecollisionofcomplementaryS.S.DNA)

當(dāng)前131頁，總共148頁。DNA的復(fù)性(renaturation)復(fù)性指變性DNA在適當(dāng)?shù)臈l件下，兩條互補(bǔ)鏈全部或部分恢復(fù)到天然雙螺旋結(jié)構(gòu)的過程。退火（annealing）：熱變性的DNA經(jīng)緩慢冷卻的復(fù)性過程。當(dāng)前132頁，總共148頁。

影響DNA復(fù)性過程的因素：

●

陽離子濃度0.18~0.2MNa+

可消除polydNt間的靜電斥力●

復(fù)性反應(yīng)的溫度Tm-25℃(60-65℃)

以消除S.S.DNA分子內(nèi)的部分二級結(jié)構(gòu)●

S.S.DNA的初始濃度C0

單鏈DNA的濃度（C0）C0高則碰撞機(jī)會(huì)大，復(fù)性快●DNA分子中,dNt的排列狀況(隨機(jī)排列,重復(fù)排列)

●S.S.DNA分子的長度S.S.DNA愈長S.S.DNA愈短→分子擴(kuò)散愈慢→復(fù)性愈慢→分子擴(kuò)散愈快→復(fù)性愈快當(dāng)前133頁，總共148頁。3’-ATCTATGCTGTCAT-5’5‘-TAGATACGACAGTA-3’5‘-TAGATACGACAGTA-3’3’-ATCTATGCTGTCAT-5’3’-ATATATATATAT-5’5‘-TATATATATATA-3’3’-ATATATATATAT-5’5‘-TATATATATATA-3’5‘-TATATATATATA-3’3’-ATATATATATAT-5’3’-ATATATATATAT-5’5‘-TATATATATATA-3’DNA分子中的核苷酸的排列重復(fù)程度.重復(fù)程度越高.復(fù)性越快當(dāng)前134