遗传物质的结构和类型

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第二章
染色体与DNA
基本内容
一、遗传物质是DNA的证据
二、遗传物质的化学组成 三、遗传物质的空间结构 四、遗传物质的不同存在形态
五、遗传物质的不同类型
• 一、遗传物是DNA的证据 • 1、遗传物质的必备条件

• • • •
1)能储存大量的遗传信息
2)结构相对稳定 3)能够精确复制 4)能够世代传递 5)能表达为其它大分子物质
O
NH
6 1 NH
NH2
NH
O
尿嘧啶(uracil, U)
O H3 C
N
NH
NH
NH
O
O
胞嘧啶(cytosine, C)
胸腺嘧啶(thymine, T)
戊 糖
HO CH2 5´ O OH HO CH2 O OH
4´ 3´
OH
1´ 2´
OH OH
核糖(ribose) (构成RNA)
脱氧核糖(deoxyribose) (构成DNA)
1951年, Pauling提出了 蛋白质的α-螺旋 结构。
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
DNA双螺旋结构的要点
(1)DNA分子由两条多聚脱氧核糖核苷酸链(简 称DNA单链)组成。两条链沿着同一根轴平行盘 绕,形成右手双螺旋结构。螺旋中的两条链方 向相反,即其中一条链的方向为5′端→3′端, 而另一条链的方向为3′端→5′端。
四、遗传物质的空间结构
核苷酸的结构(nucleotide structure)
1. 核苷(ribonucleoside)的形成
碱基和核糖(脱氧核糖)通过糖 苷键连接形成核苷(脱氧核苷)。
HO CH2 NH2 N
1
O N O
核苷:AR, GR, UR, CR
脱氧核苷:dAR, dGR, dTR, dCR
Avery试验的意义:
发现了生命的本质,
为分子遗传学的发展奠定了基础, 让人们知道了应该升入研究什么,
提供了一个巧妙的实验设计方法
我是世界上第一个手拿一试管基因的人。
Avery没有获得诺贝尔奖金的原因:
蛋白质是遗传物质的观念根深蒂固 提取的核酸中仍然有少量蛋白质污染 Avery不善于宣传自己和争辩 Avery去世过早
一样 一样
不一样
不一样 不一样
不同个体
子代与亲代
一样
一样
不一样
不一样
代谢过程中
不被分解
被分解
3、遗传物质是DNA的直接证据
1)肺炎双球菌的转化试验:(Griffith 1928)
两种肺炎双球菌的区别
光滑型(SⅢ) 粗糙型(RⅡ)
荚膜
毒性 保护作用 致病作用 菌落类型

有 有

无 无
有(肺炎、败血症) 无 光滑 粗糙
核苷酸之间以
磷酸二酯键 (phosphodiester bond)连 接形成多核苷酸链, 即核酸。
A 5´端 C
G
3´端
一级结构(primary structure)
一级结构是指核酸分子中核苷酸的排列顺序及 连接方式。核苷酸的排列顺序代表了遗传信息。
2、核酸的基本结构形式:多核苷酸链 信息量:4n 末端: 5 端、 3端 多核苷酸链的方向: 5ˊ端→3ˊ端(由左至右) 1、核苷酸的连接方式: 3, 5磷酸二酯键
Avery的进一步证实:
对猜想物质的超离心,根据分子重量证明是DNA
对猜想物质的电泳,证明是DNA
对猜想物质的紫外线吸收测定(260),证明是DNA
(蛋白质的吸收波长为280)
对猜想物质氮与磷比值较高为1.67,也证明是DNA
对猜想物质用蛋白酶、多糖酶、核糖核酸酶处理, 均不被破坏,只被DNA酶所破坏。
4)烟草花叶病毒重建试验(1957,Fraenkel) 烟草花叶病毒有一圆筒状蛋白质外壳,由2130
个蛋白质亚基组成,内含一个单链RNA分子。把
此病毒放在水和苯酚中震荡可以把蛋白质与RNA 分开。1956年,Gierer 病毒RNA RNAase处理RNA
有病斑 出 现
无病斑
出 现
烟草花叶病毒A:
对试验结果的解释:
Griffith的实验高温(65O C)破坏的是蛋白
质,结果已经说明用高温杀死的S型细菌中
有一种物质能够进入R型细菌,使R细菌转化
为S型细菌。实际上进入R型细菌的是DNA, 是遗传物质,但是,他却指出是一些营养 上的“汁”。得出了非常重要的结果,却没 能科学的解释它
2)Avery的转化试验:(1944年)
3)噬菌体的感染试验:(Hershey Chase 1952)
35S标记细菌 32P标记细菌
噬菌体
离心管上面是噬菌体外壳,具有80%的放射活 性,下面是细菌,具有20%的放射活性(部分 噬菌体还在细菌细胞上面)说明蛋白质外壳 没有进入细菌细胞
离心管上面是噬菌体外壳,具有30%的放射活 性(有部分噬菌体还没有把DNA注入细菌细胞 细胞),下面是细菌,具有70%的放射活性。 说明噬菌体的DNA进入了细菌细胞 说明DNA是遗传物质

6)具有变异能力
1868年,瑞士科学家F.Miescher从外科绷带上的
脓细胞中分离一种有机物质-核素(nuclein)是
人类第一次有了核酸的概念。但到1928年人们仍 然认为遗传物质是蛋白质
蛋白质由20种氨基酸组成,若蛋白分子都为100个氨 基酸,则可形成20100 种蛋白质。
1875年以后,Miescher对核素的热情有所减退,在否 掉核素作为遗传物质的可能后,他猜测遗传信息 也许是
• 带负电荷的磷酸基的静电斥力 DNA溶液中的离子浓度降低时,阳离子在磷酸 基周围形成的屏蔽作用减弱,使得磷酸基地静 电斥力增大,因而Tm值随之降低。所以纯蒸馏 水中的DNA在室温下就会变性。 • 碱基分子内能 温度升高,碱基分子内能增加时,碱基的定向 排列遭受破坏,削弱了碱基的氢键结合力和碱 基的堆集力,会使DNA的双螺旋结构受到破坏 。
定律又称Chargaff原则。
年龄、营养状况、环境的改变不影响DNA的碱基组成。
DNA的二级结构
• (一) Watson—Crick右手双螺旋结构模型 1、实验根据 • X射线衍射方法研究DNA纤维的结构. 1938年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3.4Å。
Watson and Crick's 1953 Nature paper proposing a double helix structure for DNA: A structure for Deoxyribose Nucleic Acid 2 April 1953 MOLECULAR STRUCTURE OF NUCLEIC ACIDS
脱氧核糖核酸(deoxyribonucleic acid,DNA) 核酸
1、元素组成
核糖核酸(ribonucleic acid,RNA)
核酸的组成成分
核酸 nucleic acid 核苷酸 nucleotide
核苷 nucleoside
磷酸 phosphate
嘌呤碱 purine base 或 嘧啶碱 pyrimidine base (碱基 base)
(4)维持两条DNA链相 互结合的力是链间碱基 对形成的氢键。碱基结 合具有严格的配对规 律:A与T结合,G与C结 合,这种配对关系,称 为碱基互补。A和T之间 形成两个氢键,G与C之 间形成三个氢键。 • 在DNA分子中,嘌呤碱 基的总数与嘧啶碱基的 总数相等。
(5)螺旋表面形成大沟 (major groove)及小沟 (minor groove),彼此相间 排列。小沟较浅;大沟较深, 是蛋白质识别DNA碱基序列 的基础。 (6)氢键维持双链横向稳定 性;碱基堆积力维持双链纵 向稳定性(芳香族碱基间的 π电子间相互作用)。
(2)嘌呤和嘧 啶碱基位于 螺旋的内侧, 磷酸和脱氧 核糖基位于 螺旋外侧。 碱基环平面 与螺旋轴垂 直,糖基环 平面与碱基 环 平 面 成 90°角。
(3)螺旋横截面的 直径约为2nm,每 条链相邻两个碱 基平面之间的距 离为0.34 nm,每 10个核苷酸形成 一个螺旋,其螺 矩(即螺旋旋转 一圈的高度)为 3.4 nm。
起着主要作用,它是碱基对之间在垂直方向上的相互 作用。它包括:疏水作用、范德华力等。
疏水作用力使DNA相邻的碱基有相互堆集在一起的 趋势,这是形成碱基堆集力的重要因素之一。
DNA双链中存在大量的嘌呤环和嘧啶环,其累积的 范德华力是相当可观的,这是形成碱基堆集力的另一 个重要因素。
• 已经堆积的碱基更容易发生氢键的键合,相应地已经 被氢键定向的碱基更容易堆集。 两种作用力相互协同,形成一种非常稳定的结构。如 果一种作用力被消除,另一种作用力也大为减弱。
Distance/bp
Distance/helix
~0.34nm
3.4nm
~0.38nm
4.46nm
~0.25nm
2.8nm
Diameter/helix Sequence
2.0 nm Any
1.8nm Poly G-C Poly C-A Poly T-G Poly T-A
1.9nm Any
• B-DNA是活性最高的DNA构象,B-DNA变构成 为A-DNA后,仍有活性,但若局部变构为ZDNA后活性明显降低。B-DNA和Z-DNA之间的 变构是转录调节的一种模式。
维持DNA双螺旋稳定性的因素
• 1、氢键 GC之间有三条氢键,AT之间有两条 氢键,这是DNA双螺旋结构的重要特征之一, DNA的许多物理性质如变性、复性以及Tm值 等都与此有关。
• DNA双螺旋结构中,配对碱基之间的氢 键处于连续不断的断裂和再生的动态平衡 之中。
碱基配 对及氢 键形成
• 2、碱基堆积力 碱基堆积作用对维持DNA的二级结构
• 1950年,Chargaff从大量的不同来源的DNA样品 的分析中发现了DNA组成的当量规律,即A=T, G=C,A+G=C+T。 • 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; • Franklin & Wilkins在1952年底拍得了DNA结晶X 衍射照片。

OH OH
2. 核苷酸(ribonucleotide)的结构与命名
核苷(脱氧核苷)和磷酸以磷酸酯键
连接形成核苷酸(脱氧核苷酸)。
NH2 N
O HO
核苷酸:
P OH
O
CH2
O
N
O
AMP, GMP, UMP, CMP 脱氧核苷酸: dAMP, dGMP, dTMP, dCMP
OH
OH
3. 核苷酸的连接
感染时出现A病斑
烟草花叶病毒B:
感染时出现B病斑
RNA
蛋白质
RNA
蛋白质
蛋白质
蛋白质
RNA
RNA
病 斑
B
病 斑
A
三、核酸的化学组成
含有C.H.O.N外,还有大 量P,个别核酸中还有S 2、1930~40年,Kossel & Levene等确定 核酸的的组分:把核酸水解后会产生嘌呤及 嘧啶的衍生物 戊糖 磷酸
核糖 ribose 或 脱氧核糖 deoxyribose (戊糖 amyl sugar)
碱 基
N
NH2
嘌呤(purine)
NH
N
N 7 8 9 NH
5 4
6 3 N
1N 2
腺嘌呤(adenine, A)
O N
N
NH
NH
鸟嘌呤(guLeabharlann Baidunine, G)
N
NH2
嘧啶(pyrimidine)
5 4 3 2 N
DNA分子的大小
天然存在的DNA分子最显著的特点是很长,分子质量很大,一般 在106-1010 。
DNA的碱基组成有如下特点:
具有种的特异性。 没有器官和组织的特异性。
在同一种DNA中,A=T 、G = C ,即A+G = T+C ,
即嘌呤碱基的总摩尔数与嘧啶碱基的总摩尔数相等——碱基当量
藏在细胞内的哪个大分子的立体构象中——毕竟,一个蛋
白质内只要含有50个手性碳原子,就代表它的立体异构体
能有2的50次方那么多种,那是十万亿 那个数量级。
2、遗传物质是DNA的间接证据
DNA的稳定性:作为遗传物质要有稳定性,要
有世代连续性(种类、数量) DNA 蛋白质
不同细胞
不同组织 不同发育时期
一样
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。
Z-DNA
B-DNA
DNA的分子构型 ( B, Z, A ) 比较
Form Helix Direction bp/circle B Right 10 Z Left 12 A Right 10.7
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