關于遺傳的物質(zhì)基礎教學目的：學習分子遺傳學的基本理論，重點是遺傳物質(zhì)在分子水平上的遺傳信息流向和基因表達調(diào)控。利用分子遺傳學的基本理論指導相關科研工作。教學組織：教師講述和學生自學結(jié)合。成績評價：課程論文（50%）；按指定題目在規(guī)定時間內(nèi)完成。閉卷考試（50%）。參考書籍：分子遺傳學。南京大學分子遺傳學，張玉靜

95年以后出版的分子生物學教材或?qū)Ｖ?頁,共54頁，2024年2月25日，星期天第一章

遺傳的物質(zhì)基礎――DNA

DNAisthegeneticmaterial第3頁,共54頁，2024年2月25日，星期天原核細胞和真核細胞

原核真核細胞結(jié)構多為單細胞,多細胞,含多種細胞器,

無細胞核,無核膜、有完整的核結(jié)構核仁遺傳物質(zhì)一條染色體，一般多條染色體,

裸露核酸分子,核小體結(jié)構,經(jīng)雌雄配子通過質(zhì)粒介導進行進行遺傳物質(zhì)交流單向遺傳物質(zhì)交流其他功能無溶酶體,不能通過有吞噬和胞飲作用,

吞噬和胞飲作用進行電子傳遞在線粒體膜異物的消化，電子傳遞在細胞膜第4頁,共54頁，2024年2月25日，星期天一、DNA所帶的遺傳信息作為遺傳物質(zhì)所應具備的條件多樣性貯存并表達多種遺傳信息連續(xù)性準確傳遞后代穩(wěn)定性物理、化學性質(zhì)穩(wěn)定多變性有遺傳變化的能力第5頁,共54頁，2024年2月25日，星期天DNA是遺傳物質(zhì)的證明1928年Griffith的肺炎球菌對小鼠的轉(zhuǎn)化第6頁,共54頁，2024年2月25日，星期天1944年Avery對肺炎球菌的轉(zhuǎn)化第7頁,共54頁，2024年2月25日，星期天1952Hershey等利用噬菌體的搗碎試驗第8頁,共54頁，2024年2月25日，星期天1952年病毒重組第9頁,共54頁，2024年2月25日，星期天真核細胞的基因轉(zhuǎn)化第10頁,共54頁，2024年2月25日，星期天第11頁,共54頁，2024年2月25日，星期天第12頁,共54頁，2024年2月25日，星期天1953年

Watson和Crick，DNA雙螺旋模型

第13頁,共54頁，2024年2月25日，星期天核酸之外的遺傳物質(zhì)克雅氏?。?913庫魯病（kuru）－－1950羊搔癢病（scrapie）－－1959瘋牛?。?985共同特征：退行性神經(jīng)疾病，影響大腦功能，大腦細胞死亡。過濾性因子，可感染，能被蛋白質(zhì)酶滅活，但不能被核酸酶或UV滅活，朊病毒（prion），即蛋白質(zhì)樣的感染粒子第14頁,共54頁，2024年2月25日，星期天遺傳信息負責蛋白質(zhì)氨基酸組成的信息――結(jié)構基因基因選擇性表達的信息――調(diào)控基因高等生物的結(jié)構基因占基因組的10-15%，占基因組80%以上的DNA有什么作用？無準確的回答。與基因表達的調(diào)控有關。第15頁,共54頁，2024年2月25日，星期天二、DNA的一級結(jié)構DNA分子中的核苷酸排列順序通過測序確定擬南芥，水稻，人類、家蠶一般寫法：5‘pApCpApGpT3’ACAGT第16頁,共54頁，2024年2月25日，星期天AGTC3-5磷酸二脂鍵第17頁,共54頁，2024年2月25日，星期天三、DNA的二級結(jié)構第18頁,共54頁，2024年2月25日，星期天Watson-Crick的DNA雙螺旋的特征主鏈右手雙螺旋，脫氧核糖和P為骨架，位于外側(cè)，反向平行螺旋,直徑￠2nm堿基配對位于內(nèi)側(cè)，嘌呤和嘧啶（A-T,G-C）螺旋參數(shù)任一條鏈繞軸一周的升降的距離。3.4nm，10對核苷酸，相鄰堿基0.34nm。大溝和小溝骨架雙鏈在螺旋軸上的間距不等，在DNA表面形成寬窄不等的大小溝。大溝寬2.2nm，是蛋白質(zhì)識別DNA雙螺旋結(jié)構上的特定信息位點。小溝寬1.2nm。第19頁,共54頁，2024年2月25日，星期天第20頁,共54頁，2024年2月25日，星期天決定雙螺旋穩(wěn)定的因素1、氫鍵結(jié)構的穩(wěn)定性與G+C的含量成正比，G-C>A-T.2、堿基堆積力嘌呤和嘧啶具疏水性,產(chǎn)生疏水區(qū)而與介質(zhì)分開,使堿基與水的接觸為最小。3、其他帶負電荷的磷酸基與介質(zhì)中的陽離子形成離子鍵,可有效地屏蔽磷酸基間的靜電斥力。

第21頁,共54頁，2024年2月25日，星期天四、DNA物理結(jié)構的不均一性富含A+T的序列AT含量在染色體的不同區(qū)域不同，螃蟹衛(wèi)星DNA的AT含量高達97%。AT區(qū)域?qū)椭坪娃D(zhuǎn)錄的起點很重要。嘌呤和嘧啶的排列順序堿基組成相同，但排列不同，雙螺旋的穩(wěn)定性有差別5’GC>5’CG，和堿基堆積力有關，堿基堆聚力是嘌呤向嘧啶方向大于嘧啶向嘌呤方向。Tm值，DNA熔解溫度雙螺旋失去一半時的溫度，GC含量與Tm成正比。Tm值低的雙鏈容易解開，復制起點的核苷酸多為TA第22頁,共54頁，2024年2月25日，星期天反向重復序列回文序列（palindrome）形成發(fā)夾結(jié)構，十字形結(jié)構，是限制酶的酶切位點。第23頁,共54頁，2024年2月25日，星期天A-DNA相對濕度75％以下，右手雙螺旋，雙鏈反向平行，每周螺旋10.9對堿基，螺距0.26nm，堿基平面不與螺旋軸垂直，大溝極深五、DNA雙螺旋結(jié)構的基本形式第24頁,共54頁，2024年2月25日，星期天B－DNA天然狀態(tài)DNA，相對濕度92％。右手雙螺旋，每周螺旋10對堿基(10.4)，螺距3.4nm，堿基平面與螺旋軸垂直，大溝寬而深。第25頁,共54頁，2024年2月25日，星期天Z－DNA左手雙螺旋，每圈螺旋12對堿基，螺距4.6nm，堿基平面與螺旋軸不垂直，無大溝，小溝深而窄

第26頁,共54頁，2024年2月25日，星期天其他形式四鏈DNA第27頁,共54頁，2024年2月25日，星期天三鏈DNA

一條DNA鏈為全嘌呤，另一條鏈為全嘧啶的區(qū)段產(chǎn)生，結(jié)果一條嘌呤鏈和兩條嘧啶鏈構成，H-DNA.

與DNA的復制可能有關。第28頁,共54頁，2024年2月25日，星期天一條嘌呤和兩條嘧啶鏈構成，(YR*Y)CG*C，TA*T星號左邊的堿基正常配對，右邊的堿基異常配對第29頁,共54頁，2024年2月25日，星期天或兩條嘌呤和一條嘧啶鏈構成(YR*R)CG*G，TA*A，CG*A。GGGACAATC第30頁,共54頁，2024年2月25日，星期天六、DNA的變性和復性變性：熱，試劑，氫鍵、堿基堆積力破壞，DNA由雙鏈變成單鏈溫度：80～100℃變性劑：尿素，甲酰胺增色效應（hyperchromicity）正常雙鏈（50μg/ml）A260=1.00完全變性的單鏈DNAA260=1.37單核苷酸A260=1.60DNA雙螺旋結(jié)構失去一半時，A260=1.185第31頁,共54頁，2024年2月25日，星期天Tm值的影響因素：DNA的均一性均一性高，Tm值的范圍小G-C含量G-C含量高，Tm值高經(jīng)驗公式G-C%=(Tm-69.3)×2.44介質(zhì)中的離子強度

低離子強度易熔解變性

DNA保存在高濃度緩沖液中防變性（TE）

第32頁,共54頁，2024年2月25日，星期天復性單鏈重新締合為雙螺旋的過程，一般比Tm低20～25℃下進行復性過程：復性時溶液中單鏈DNA隨機碰撞。GC先配對形成短的雙鏈，然后配對區(qū)域延伸，象拉鏈一樣復性產(chǎn)生的不一定是原有的互補鏈，非原配第33頁,共54頁，2024年2月25日，星期天影響DNA復性的因素：DNA復雜性簡單序列復性快DNA濃度高濃度復性快DNA片斷片斷小復性快，移動碰撞機會多溫度過低溫度減少互補鏈的碰撞機會鹽濃度過低鹽濃度使復性后的DNA又變性第34頁,共54頁，2024年2月25日，星期天雜交：不同來源的單鏈核酸經(jīng)堿基互補配對而形成的雙螺旋，DNA-DNA,DNA-RNADNA雜交可反映不同生物中DNA的共同序列和不同序列，研究生物的進化，

核酸雜交是現(xiàn)代分子生物學的基礎第35頁,共54頁，2024年2月25日，星期天液相雜交第36頁,共54頁，2024年2月25日，星期天濾膜雜交第37頁,共54頁，2024年2月25日，星期天Cot曲線DNA復性時的單鏈消失的速度

1C/Co=――――1+KCotC：單鏈DNA濃度，Co：DNA總濃度，t：時間秒，k：=二級反應常數(shù)復性的分數(shù)C/Co是起始濃度和經(jīng)過時間的乘積（Cot）的函數(shù)。

第38頁,共54頁，2024年2月25日，星期天Cot曲線第39頁,共54頁，2024年2月25日，星期天定義C/Co=1/2時，Cot值定義為Cot1/2；即復性一半時DNA總濃度和時間乘積

11/2=――――――1+Kcot1/21+KCot1/2=2Cot1/2=1/k不同DNA的Cot1/2

值不同，總DNA濃度相同時，片斷越短，Cot1/2

值越小，DNA復雜性越高，復性越慢，基因組大復性慢.第40頁,共54頁，2024年2月25日，星期天第41頁,共54頁，2024年2月25日，星期天DNA復雜性（X）：最長的沒有重復序列的DNA核苷酸對的數(shù)值：ATATAT---,X=2ATGC------,X=4

X=KCot1/2第42頁,共54頁，2024年2月25日，星期天七、DNA超螺旋結(jié)構生物體中大多數(shù)DNA是以超螺旋的形成存在，而缺少超螺旋的DNA則為松弛型DNA原核生物DNA，共價封閉環(huán)，再經(jīng)螺旋就成為超螺旋真核生物DNA為線性，DNA與蛋白質(zhì)結(jié)合之間的DNA可形成一個小“環(huán)”，類似共價封閉環(huán)，從而螺旋成為超螺旋第43頁,共54頁，2024年2月25日，星期天第44頁,共54頁，2024年2月25日，星期天正超螺旋：和DNA內(nèi)部雙螺旋纏繞方向相同的方向纏繞形成的超螺旋，結(jié)構更加緊密。

DNA每圈初級螺旋的堿基對小于10.5，則為正超螺旋。

第45頁,共54頁，2024年2月25日，星期天負超螺旋：DNA繞其軸與右手雙螺旋方向相反的方向纏繞所產(chǎn)生的超螺旋，結(jié)果減少每個堿基對的旋轉(zhuǎn)，每圈初級螺旋的堿基對大于10.5，則為負超螺旋。超螺旋是耗能過程，超螺旋的產(chǎn)生可能為能量的儲存形式第46頁,共54頁，2024年2月25日，星期天拓撲異構酶Ⅰ催化DNA鏈斷裂和重新連接。每次只作用于一條單鏈，無需ATP，功能是松弛DNA，代表：

E.coli拓撲異構酶Ⅰ，對單鏈DNA的親和力比雙鏈高，能識別負超螺旋區(qū)，使負超螺旋擴大化而成松弛狀，該酶不能松弛正超螺旋真核生物拓撲異構酶Ⅰ可結(jié)合15-19核苷酸的雙鏈區(qū)域,其斷裂點在此區(qū)域中間.該酶傾向于結(jié)合超螺旋而不是結(jié)合松弛DNA區(qū)域,對正負超螺旋都有松弛功能.第47頁,共54頁，2024年2月25日，星期天

拓撲異構酶Ⅱ

大腸桿菌拓撲異構酶Ⅱ又稱DNA旋轉(zhuǎn)酶(DNAgyrase)，能催化斷裂和連接雙鏈DNA，需能量ATP參與，無堿基序列特異性，

DNA旋轉(zhuǎn)酶結(jié)合到雙鏈閉環(huán)分子中在ATP的作用下產(chǎn)生負超螺旋。無ATP時只能緩慢松弛負超螺旋而不能松弛正超螺旋。第48頁,共54頁，2024年2月25日，星期天

大腸桿菌拓撲異構酶Ⅱ主要功能是引入負超螺旋以抵消復制叉移動所產(chǎn)生的正超螺旋，還具有形成或拆開雙鏈DNA環(huán)連體的能力。該酶對DNA的結(jié)合順序是正超螺旋>松弛>負超螺旋第49頁,共54頁，2024年2月25日，星期天

拓撲異構酶的生物學功能

恢復細胞過程產(chǎn)生的DNA超螺旋，如復制叉前的正超螺旋、轉(zhuǎn)錄時聚合酶前產(chǎn)生的正超螺旋。防止細胞DNA過度超螺旋，維持超螺旋的穩(wěn)定水平。生物體內(nèi)5％負超螺旋，有利于基因的轉(zhuǎn)錄、基因組穩(wěn)定、促進重組。去連環(huán)活性（大腸桿菌）、染色體凝縮（真核）、解開纏繞DNA雙螺旋

第50頁,共