分子遗传学1

四、DNA的三级结构
所谓DNA的三级结构，是指在一二结构基础上 的多聚核苷酸链上的卷曲。在一定意义上，是 指双螺旋基础上的卷曲。
三级结构包括链的扭结和超螺旋或者是单链形 成的环或是环状DNA中的连环体
超螺旋（Supercoied）
松驰型DNA （relax form）。 超螺旋（Supercoied） DNA， 负超螺旋 正超螺旋 检测DNA三级结构的方法：
(二)生物学意义
(1) 可能提供某些调节蛋白的识别。啮齿类动物病毒的复制 起始部位有d（GC）有交替顺序的存在。 (2) 在SV40的增强子中有三段8bp的Z-DNA存在。 (3) 原生动物纤毛虫，它有大、小两个核，大核有转录活性， 小核和繁殖有关。 Z-DNA 抗体以萤光标记后，显示仅和 大核DNA 结合，而不和小核的 DNA 结合，说明大核 DNA 有 Z-DNA的存在，可能和转录有关。
A ) 距(
2.56 3.38 3.32 3.71

直径 （ nm ）
存在的条件
沟
型
相 对 湿度 2.3 1.9 1.9 1.8 75% 92% 66% 43%
盐的种类
大沟
小沟
11 10 9.33 12
34.7° (右 旋 ) 34.0° (右 旋 ) 38.6° (右 旋 ) -30° (左 旋 )




内部条件
GC含量及分子类型 当GC的含量上升1%，则Tm上升0.4℃ 马默多蒂（Marmur-Doty）关系式：

1952年，Hershey 和 Chase 完成噬菌体感染实验
35
S
32
P
二. Hershey-Chase 的噬菌体实验 Waring
10’ blender 离心
离心
图 9-
Hershey
Leabharlann Baidu和 Chase 的 T2 渗震实验
二、RNA也是遗传物质
1956年A.Gierer和G.Schraman发现 烟草花叶病毒（tobacco mosaic virus,TMV），其遗传物质是RNA。 1957年美国的Heinz Fraenkel-Conrat和 B.Singre用重建实验证实了这一结论。
二、双螺旋结构的构象变异
DNA的构象现已知有： A，B，C，D，E，T，Z 7种。 引起DNA双链构象改变有以下因素： （1）核苷酸顺序； （2）碱基组成； （3）盐的种类； （4）相对湿度。
双 螺 旋 类 型 A B C Z
每 旋 碱 对
螺 内 基 数
每 对 碱 基 的 转 角
每 碱 基 对 的 间
Na+,K+, Cs+ Na+低盐 Li+ Na+, Mg++高 盐
窄深 宽中等 深 宽中等 深 平 浅
宽深 窄中 等深 窄中 等深 窄深
Z-DNA的发现： 1972年 Pohl et al 发现 poly(dG-dC)在高盐 下旋光性发生改变； 1979年 Wang A.H-J(王惠君), A.Rich对 d(CGCGCG)单晶作X衍射分析提 出Z－DNA模型
密度梯度离心 凝胶电泳 电镜观察
DNA的超螺旋结构

原核生物 DNA 的三 级结构： 绝大多数原核生 物的 DNA 都是共价 封闭的环状双螺 旋。如果再进一 步盘绕则形成麻 花状的超螺旋三 级结构。
类 型 Ⅰ Ⅰ° Ⅱ Ⅲ
表 9-2 不同类型 DNA 的三级结构及性质 形态 拓扑结构 沉 淀 系 电泳迁移率 数 闭合环 超螺旋 1.41 最快 闭合环 松弛形 1.41 最慢 开环 松弛形 1.14 同Ⅰ°型 线形 松弛形 1.00 中等速度

双 链 DNA 的 A260=1.00 （ 浓 度 为 50μg/ml 时 ， 对 波 长 260nm紫外线的吸收能力）； 单链DNA的A260=1.37； 游离碱基或核苷酸的A260=1.60。 解链温度（melting temperature, Tm）或熔点，Tm是 A260的升高达到极大值一半时的温度。即是变性温度范 围的中点。 影响变性的因素： 外部条件如温度和正离子的浓度。 浓度低于0.4mol/L，单价阳离子增高10倍， Tm增加16.6°
三 、左旋DNA
（一）Z-DNA的结构特点： （1）糖磷骨架呈“之”字形（Zigzag）走向。 （2）左旋。 (3) G的糖苷键呈顺式，使G残基位 于分子表面。 （4）分子外形呈波形。 (5) 大沟消失，小沟窄而深。 (6) 每个螺旋有12bp。

目前已知DNA双 螺旋结构可分 为A、B、C、D 及Z型等数种， 除Z型为左手双 螺旋外，其余 均为右手双螺 旋。
RⅡ
RⅡ
RⅡ
RⅡ +SⅢ
RⅡ
图 9-2 O.Avery 等的体外转化实验
人们仍不相信DNA是遗传物质, 这是由于：
（1）因认为蛋白分子量大，结构复杂，二十种氨基 酸的排列组合将是个天文数字，可作为一种遗传 信息。而DNA分子量小，只含4种不同的碱基， 人们一度认为不同种的有机体的核酸只有微小的 差异。 （2）认为转化实验中DNA并未能提得很纯，还附 有其它物质。 （3）即使转化因子确实是DNA，但也可能DNA只 是对荚膜形成起着直接的化学效应，而不是充当 遗传信息的载体。
1869年，F.Miescher 从脓细胞中提取到 一种富含磷元素的 酸性化合物。

1885—1900年间， Kossel、Johnew、 Levene
证实核酸由不同的碱基 组成。其最简单的单体 结构是碱基-核糖-磷酸 构成的核苷酸。1929年 又确定了核酸有两种， 一种是脱氧核糖核酸 (DNA)，另一种是核糖 核酸(RNA)。
Z-DNA
B-DNA
Z－DNA存在的条件：
(1) 高盐：NaCl>2Mol/L, MgCl2>0.7 Mol/L (2) Pu,Py相间排列： (3)在活细胞中如果m5C,则无需嘌呤-嘧啶相间排 列，在生理盐水的浓度下可产生Z型。 (4)在体内多胺化合物，如精胺和亚胺及亚精胺和阳离 子一样， 可和磷酸基因结合，使B-DNA转变成 Z-DNA。 (5)某些蛋白质如Z-DNA结合蛋白带有正电荷，可使DNA周围形 成局部的高盐浓度和微环境。 (6)负超螺旋的存在

一、 遗传物质的发现

1928年Frederick Griffith 转化实验

1944年，Avery在离 体条件下完成转化。
SⅢ 杀死细菌 分离提取
多糖
脂类
RNA
蛋白质
DNA
DNA+DNase
RⅡ
RⅡ
RⅡ
RⅡ
RⅡ
RⅡ
不杀死 小鼠
不杀死 小鼠
不杀死 小鼠
不杀死 小鼠
可杀死 小鼠
不杀死 小鼠
RⅡ

1952年， Wilkins和 Franklin用高度定向 的DNA纤维作出高质 量的X-光衍射照片

1953年，Watson和Crick 提出DNA的反向平行双螺旋模型
1962年， Wilkins、 Watson和Crick 共获诺贝尔化学奖。
三 、双螺旋模型 (double helix model)
J. watson , 1987 USA
绪论
一、分子遗传学的定义和研究对象
分子遗传学：分子水平研究生物遗传和变异分子机理的科学 蛋白质 研究对象：生物信息大分子 DNA 核酸 RNA * 建立在经典遗传规律基础上，了解生物信息大分子在遗传 和变异中的作用及相互关系，从中寻找规律性的东西
aa
排列千变万化 碱基
第二节 DNA和RNA的化学 组成及双螺旋模型
一、DNA和RNA的化学组成 四核苷酸假说：不同 DNA 的成分都是相同的。 1950[英]Chargaff，发现DNA的“ 当量规 律 ”。 Alfred Mirsky, Hars Ris＄R.Vendrely,A.Boivin 两组学者分别发现不同的生物体细胞中DNA 的含量都是其配子中的两倍。
双螺旋模型有以下特点： (1) DNA分子由两条反向平行的多核苷酸链组成， 形成 右手双螺旋。 (3) 两条链反向平行，即两条链的方向相反； (4) 糖一磷酸键是在双螺旋的外侧，碱基对与轴线垂直。 (5) 糖与附着在糖上的碱基近于垂直。 (6) 碱基配对时，必须一个是嘌呤，另一个是嘧啶。 (7) DNA 双螺旋有大沟（ major or wide groove ）和小沟 （minor or narrow groove）的存在。


四、研究内容
遗传物质的基本结构 遗传物质的复制 遗传物质的翻译与表达 遗传物质的变异 遗传物质的调控 实际应用（生物技术）
围绕中心法则
第一章 遗传物质的分子结构和性质
1868年 J.T.Miescher 发现核素（muclein）
第一节 核酸是遗传物质 遗传物质必须具备哪些特点？ 1）在体细胞中含量稳定； 2) 在生殖细胞中含量减半； 3) 能携带遗传信息； 4) 能精确地自我复制； 5) 能发生变异；
二、DNA双螺旋模型的诞生
Watson & Crick建立双螺旋模型主要是受到 4个方面的影响： （1）1938年W.T.Astbury & Bell用x衍射技术研 究DNA。1947年拍摄了第一张DNA的衍射 照片，并推断DNA分子的结构是： ① 柱状； ② 多核苷酸是一叠扁平的核苷酸； ③ 核酸残基取向和分子长轴垂直,间距为3.4nm。
分子遗传学（molecular genetics）
教学参考书： 分子遗传学 孙乃恩 1990 南京大学出版社 分子遗传学 盛祖嘉 1998 复旦大学出版社 分子遗传学 张玉静 2000 科学出版社 分子遗传学 李振明 2001 科学出版社 Molecular Biology of the gene

起始：本世纪40～50年代 证明DNA是遗传物质基础: (1) 1944，转化试验（Avery）研究核酸的结构; (2)DNA双螺旋结构，1953（Watson Crick）; (3)遗传密码的破译，60年代，操纵子; (4)基因的分离，应用。
三、研究方向(侧重面不同，产生不同学派)

生化学派：基因到蛋白质功能如何实现 核酸、酶蛋白的结构研究，酶参与的生化过程 信息学派：信息分子的储存、编码、复制、传递和表达 生命的本质、起源，基因芯片技术 结构学派：核酸、蛋白质的结构，结构和功能的关系
（2）1951年Pauling和Corey运用化学的 定律来推理，而不做具体的实验， 建立了蛋白质的α-螺旋模型；
（3）晶体学者[美]J. Donoh & Chargaff 的指点。 （4）R.Franklin & Wilkins在1952年底拍 得了DNA结晶X衍射照片。
1951年， Pauling提 出了蛋白质 的α-螺旋结 构。

信息流向
中心法则：
transcription translation
DNA
replication reverse transcription
RNA
Protein
信息模板
信息源
信息流向
产物（功能、性状、结构）
二、分子遗传学的由来和发展

产生基础：遗传学 1990年后建立 遗传学的基础是1864年孟得尔遗传规律
B型双螺旋DNA的结构特征
B型DNA仅仅是众多 DNA双螺旋构象中的 一种。在外界条件的 改变下，双螺旋的构 象也会改变。
模型中的碱基配对有何重要性？
①A-T,G-C配对可形成很好的线性氢键；
②A-T对和G-C对的几何形状一样，使双链距离相近， 使双螺旋保持均一； ③碱基对处在同一平面内。不论核苷酸的顺序如何， 都不影响双螺旋的结构； ④为DNA半保留复制奠定了基础。
第四节 DNA的变性与复性
变性（denaturation）或解链（melting〕 复性（renaturation）或退火（annealing）
DNA的复性对片段有两个要求： (1) 互补顺序的碰撞和排列； (2) 碱基的正确配对和氢键的形成。
下列因素可导致DNA变性： 高温、 酸、 碱、 尿素、 甲酰胺 DNA变性后物理性质发生的变化： （1）流体力学的性质发生改变：粘度下 降，而沉降速度增加； （2）提高了对紫外线的吸收能力，此称为 增色效应（hyperchromic effect）。
第三节 DNA的结构和性质




一．DNA二级结构的稳定因素 (1)碱基对之间的氢键。 (2)碱基的堆集力。 它包括： ① 疏水作用； ② 范德华力； ③ 磷酸基的负电荷斥力；
碱 基 配 对 及 氢 键 形 成
水解 核酸 单核苷酸
磷酸基团 戊核糖 核苷 碱基
脱氧核糖(DNA 中) 核糖 (RNA 中) T A DNA 中 G C RNA 中 U