DNA的发现与结构.ppt

1DNA作为遗传物质的证据 间接和直接证据 2核酸概述 化学成分 种类和分布 3DNA的化学结构 一级 二级和高级结构 4DNA的变性与复性5DNA的精细结构6DNA的超螺旋结构7一些DNA序列的不寻常结构 第二讲DNA的发现与结构 4 DNA通常只存在于细胞核染色体上 但某些能自体复制的细胞器 如线粒体 叶绿体有其自己的DNA 5 在各类生物中能引起DNA结构改变的化学物质都可引起基因突变 在物理诱变中 以紫外线诱发突变时 DNA的吸收光谱 260nm 与最有效的诱发突变的光谱波长一致 赫尔歇 Hershcy 等 1952 在噬菌体感染实验中用放射性同位素35S标记蛋白质 32P标记DNA 把宿主细菌培养在含有35S的培养基中或培养在含32P的培养基中 宿主细菌在生长过程中 就被35S或32P标记上了 DNA是遗传物质的直接证据之一 图2 1 直接证据之二 肺炎链球菌试验 肺炎链球菌有两种不同的类型 一种是光滑型 S型 被一层多糖类的荚膜所保护 具有毒性 在培养基上形成光滑的菌落 另一种是粗糙型 R型 没有荚膜和毒性 在培养基上形成粗糙的菌落 在R型和S型内还可以按血清免疫反应的不同 分为许多抗原型 常用RI RII和SI SII SIII等加以区别 R型与S型的各种抗原型都比较稳定 在一般惰况下不发生互变 DNA的一级结构 就是指4种核昔酸的连接及其排列顺序 图2 3 表示了该DNA分子的化学构成 核苷酸序列对DNA高级结构的形成有很大影响 如B DNA中多聚 G C 区易出现左手螺旋DNA Z DNA 而反向重复的DNA片段易出现发卡式结构等 DNA不仅具有严格的化学组成 还具有特殊的空间结构 二级和高级结构 它主要以有规则的双螺旋形式存在 DNA的一级结构 图2 3 DNA的二级结构 1953年 Watson和Crick根据碱基互补配对的规律以及对DNA分子的互射线衍射研究的成果 提出了著名的DNA双螺旋结构模型 图2 4 这个模型已为以后拍摄的电镜直观形象所证实 这个空间构型满足了分子遗传学需要解答的许多问题 例如 DNA的复制 DNA对于遗传信息的贮存及其改变和传递等 从而奠定了分子遗传学与分子生物学的基础 1 两条多核苷酸链以右手螺旋的形式彼此以一定的空间距离 平行地环绕于同一轴上 2 两条多核苷酸链走向为反向平行 即一条链磷酸二脂键为5 3 方向 而另一条为3 一5 方向 二者刚好相反 DNA双螺旋结构主要内容 3 每条长链的内侧是扁平的盘状碱基 碱基一方面与脱氧核糖相联系 另一方面通过氢键与它互补的碱基相联系 互补碱基对A与T之间形成两对氢键 而C与G之间形成三对氢键 上下碱基对之间的距离为0 34nm 4 每个螺旋为3 4nm长 刚好含有10个碱基对 其直径约为2nm 5 在双螺旋分子的表面大沟和小沟交替出现 维持双螺旋结构稳定性的力 1氢键2疏水作用 碱基堆集力3范德华力4磷酸基的负电荷静电斥力5碱基分子内能 氢键 碱基配对是DNA双螺旋结构的重要特征之一 当氢原子与一些电负性强的原子成键时 电子云偏于负电性强的原子 氢原子带部分正电荷 这种氢部分正电性与另一碱基上电负性强的原子相互吸引而形成氢键 大小一般为15 30kJ mol 现人们已经证实 碱基A T间有2个氢键 而C G间则有3个氢键 疏水作用 疏水作用是指两个不溶于水的分子或基团之间的相互作用 也称疏水键 虽然DNA的主链部分是亲水的 但嘌呤和嘧啶环本身却带有一定程度的疏水性 这些不溶于水的有机基团在水溶液中具有相互聚集缔合的趋势 使有序的水分子壳层减少到最低的限度 从热力学角度来看 DNA倾向于形成的三维结构是使高溶解性的磷酸基团与水的接触增加到最大限度 而使碱基与水接触减少到最低限度 磷酸基的负电荷静电斥力 核苷酸上的磷酸基团都带有一个负电荷 双链之间这种强有力的静电斥力使两条链分开 碱基分子内能 当温度等因素使碱基分子内能增加时 碱基的定向排列遭到破坏 从而削弱碱基的氢键结合力和碱基堆集力 会使DNA双螺旋结构受到破坏 DNA二级结构的多态性 Z DNA结构是1979年由Rich提出的 Rich对d CGCGCG 结晶进行X射线衍射结构分析 提出了Z DNA结构模型 图2 6 该模型的提出曾一度动摇过右手螺旋学说 现已证明 左手螺旋Z DNA只是右手螺旋结构模型的一个补充和发展 DNA二级结构中左螺旋的研究 1 Z DNA是左手螺旋 每个螺旋含12个碱基对 比A DNA拧得更紧 2 双螺旋中不存在深沟 只有浅沟 3 双螺旋的轴心也在碱基对之外 即轴心不再穿过碱基对之间的氢键 而位于氢键之外靠近胞嘧啶碱基一侧 Z DNA轴心所处的方向正好与A DNA相反 Z DNA的结构特点 DNA的高级结构 DNA的高级结构是指DNA双螺旋进一步扭曲盘绕所形成的特定空间结构 超螺旋结构是DNA高级结构的主要形式 可分为正超螺旋与负超螺旋两大类 他们在特殊情况下可以相互转变 如 DNA变性的基本概念就是DNA从双链变成单链的过程 DNA变性的重要性质 增色效应 是指在DNA的变性过程中 它在260nm的吸收值先是缓慢上升 到达某一温度后即骤然上升的效应 图2 7 DNA的超螺旋结构 1 DNA超螺旋结构的发现 2 DNA超螺旋结构的形成 3 DNA超螺旋的生物学意义 4 拓扑异构酶的分类与作用 在活体中 DNA的结构不是一成不变的 DNA的各种构象是互变的 是动态的 DNA的这种结构变化对它的功能具有重要意义 而DNA超螺旋程度的改变介导了这种结构变化 B DNA是一种能热力学上稳定的结构 超螺旋的引入就提高了它的能量水平 负超螺旋的存在会影响DNA结构变化的平衡 具超螺旋的DNA能实现松弛态DNA所不能实现的结构转化 超螺旋的生物学意义 含 TC n和 AG n这样的同型嘧啶和同型嘌呤 并形成镜像重复的序列 图2 24 在低pH条件下能形成分子内的三链DNA 它是由双链DNA拆开后产生的多聚嘧啶链回折并嵌入剩下的双链DNA的大沟中形成的 图2 25 三链DNA结构的形成 图2 25 渗透为负 压力为正 植物吸水的动力 根压蒸腾压力