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1、DNA分子的组成和结构,一、DNA的碱基组成规律-Chargaff规则 1950年，Erwin Chargff（查尔加夫）用纸层析法分析多种生物DNA分子的组成成分，发现所有物种内的DNA的A与T，G与C之比值都接近1.0。他对DNA双螺旋结构模型的提出提供了重要依据。要点如下：碱基当量定律 同一种生物的不同组织或器官的DNA的碱基组成相同，并且，A与T的mol数相等，即A=T；G与C的mol数相等，即G=C，从而，AG=CT，AG/TC=1 不对称比率 不同种生物的DNA碱基组成存在差异。A T AT、均有差异。G C GC,二、DNA分子结构,一、DNA的一级结构（一）核苷酸之间的连接方式
2、：3，5磷酸二酯键：一个核苷酸的3羟基和相邻一个核苷酸的5磷酸基团以酯键相连。,（二）DNA的一级结构 1、DNA的一级结构及表示方法 DNA的一级结构是指DNA分子中脱氧核苷酸的排列顺序，也叫序列。核酸一级结构的表示方法,DNA RNA,简化表示法：竖线表示戊糖碳链，原子编号自上而下，C1连着碱基，A、T、G、C表示DNA中的四种碱基，P代表磷酸残基，磷酸二酯键自竖线中部引出（C3）对角至相邻竖线下段（C5），对角线中间为P。,缩写式：根据简化式从左至右按序写出碱基符号（代表核苷），以P代表磷酸基，P写在碱基符号左边时表示P结合在C5位上，碱基符号右边的P表示与C3 结合。如：PAPCPGP
3、T 或 PACGT 或 PACGT 或 PACGTOH 简化式的读向：从左至右表示的碱基序列是5 3。,二、DNA的二级结构,（一）DNA二级结构的典型双螺旋结构模型 1953年，Jamse.Wstson和Francis.Crick在前人研究的基础上，推导出DNA的双螺旋结构模型及DNA复制机制。,Francis Crick(35y),James Watson(23y),丹麦 哥本哈根,剑桥大学 Cavendish Lab.,1、双螺旋模型要点 两条反向平行的多核苷酸链围绕同一中心轴向右盘旋形成右手双螺旋；双螺旋的骨架是由磷酸和脱氧核糖组成，位于外侧，碱基位于螺旋内侧，配对平行，与轴垂直；双螺
4、旋平均直径为2nm，螺距为3.4nm，螺旋一周包含10个碱基对(bp)，相邻碱基距离为0.34nm，之间旋转角度为36；双螺旋结构上有两条螺形凹槽，大沟和小沟，对于DNA与PRO结合时的相互识别很重要，利于遗传信息的传递与表达。碱基按互补配对原则进行配对，A与T配对，之间形成两个氢键，C与G配对，之间形成三个氢键。,互补配对原则的重要性：A：当一条多核苷酸链的序列被确定以后，即可推知另一条互补链的序列；B：是遗传信息传递的分子基础，DNA的复制、转录、逆转录和翻译都以碱基互补原则为基础进行。,2、稳定DNA双螺旋结构的作用力 有利的：碱基堆积力：主要作用力，包括碱基之间的范德华力和碱基疏水作用
5、。碱基堆积后，在双螺旋结构内部形成一个强大的疏水区，产生疏水作用。碱基对之间的氢键：基本作用力 离子键 不利的：（1）静电斥力：磷酸基团之间；（2）碱基分子内能 平衡的结果。,3、生物学意义 第一次描述了DNA分子的结构，提出了遗传信息的储存方式以及DNA的复制机理，对DNA复制、基因遗传、RNA翻译、基因表达、调控等方面的研究都奠定了基础，揭开了分子生物学研究的序幕，为分子遗传学的研究奠定了基础。,人类基因组计划,人类基因组计划(human genome project,HGP)是由美国科学家于1985年率先提出，于1990年正式启动的。美国、英国、法兰西共和国、德国、日本和我国科学家共同参
6、与了这一价值达30亿美元的人类基因组计划。按照这个计划的设想，在2005年，要把人体内约10万个基因的密码全部解开，同时绘制出人类基因的谱图。换句话说，就是要揭开组成人体10万个基因的30亿个碱基对的秘密。人类基因组计划与曼哈顿原子弹计划和阿波罗并称为三大科学计划。什么是基因组(Genome)?基因组就是一个物种中所有基因的整体组成。人类基因组有两层意义：遗传信息和遗传物质。要揭开生命的奥秘，就需要从整体水平研究基因的存在、基因的结构与功能、基因之间的相互关系。,人类基因组计划的目的 为什么选择人类的基因组进行研究？因为人类是在“进化”历程上最高级的生物，对它的研究有助于认识自身、掌握生老病死
7、规律、疾病的诊断和治疗、了解生命的起源。测出人类基因组DNA的30亿个碱基对的序列，发现所有人类基因，找出它们在染色体上的位置，破译人类全部遗传信息。在人类基因组计划中，还包括对五种生物基因组的研究：大肠杆菌、酵母、线虫、果蝇和小鼠，称之为人类的五种“模式生物”。HGP的目的是解码生命、了解生命的起源、了解生命体生长发育的规律、认识种属之间和个体之间存在差异的起因、认识疾病产生的机制以及长寿与衰老等生命现象、为疾病的诊治提供科学依据。,1994年，我国HGP在吴旻、强伯勤、陈竺、杨焕明的倡导下启动，最初由国家自然科学基金会和863高科技计划的支持下，先后启动了“中华民族基因组中若干位点基因结构
8、的研究”和“重大疾病相关基因的定位、克隆、结构和功能研究”，1998年在国家科技部的领导和牵线下，1998年在上海成立了南方基因中心，1999年在北京成立了北方人类基因组中心，1998年，组建了中科院遗传所。1999年7月在国际人类基因组注册，得到完成人类3号染色体短臂上一个约30Mb区域的测序任务，该区域约占人类整个基因组的1。人类基因组计划（Human genome project）由美国于1987年启动，我国于1999年9月积极参加到这项研究计划中的，承担其中1%的任务，即人类3号染色体上约3000万个碱基对的测序任务。我国因此成为参加这项研究计划的唯一的发展中国家。2000年6月26日
9、人类基因组工作草图完成。由于人类基因测序和基因专利可能会带来巨大的商业价值，各国政府和一些企业都在积极地投入该项研究，如1997年AMGE公司转让了一个与中枢神经疾病有关的基因而获利3.92亿美元。,(二)DNA二级结构的多态性,指在不同提取条件下得到的同种DNA分子的二级结构亦不一定相同。,当DNA钠盐纤维相对湿度和盐的种类改变时，DNA的构象发生改变。,不同DNA纤维的空间结构,双螺旋DNA的结构参数,三、DNA的三级结构-超螺旋结构,1、双螺旋DNA分子在二级结构基础上进一步扭曲折叠形成的特定构象。2、环形双链DNA分子可以进一步扭曲成超螺旋结构，首尾可共价连接成环状，分为负超螺旋、正超
10、螺旋。,当将处于松弛状态的双螺旋向左捻动时（即沿右手螺旋相反方向捻动），等于解旋（所谓的“卸劲”）。处于这样状态的DNA分子相对于它的松弛状态是一种没有达到原有旋转状态的状态，所以称之欠旋。反之称为过旋。由于DNA分子的两端被固定，过旋和欠旋都会给双螺旋DNA分子增加了额外的应力。,当将线性过旋或欠旋的双螺旋DNA连接形成一个环时，都会自动形成额外的超螺旋（supercoils）来抵消过旋或欠旋造成的应力，目的是维持B构象。过旋DNA会自动形成额外左手螺旋，这样的超螺旋称之正超螺旋（positive supercoils）；而欠旋形成额外右手螺旋，称之负超螺旋（negative supercoils）。,四、核小体 由真核细胞的DNA与组蛋白结合成的核蛋白。组蛋白是碱性蛋白，富含Arg 和Lys，约1/4。分为五类：H1、H2a、H2b、H3、H4。核小体由H2a、H2b、H3、H4各两分子组成的八聚体和DNA的160240个碱基对构成。140个DNA碱基对绕组蛋白八聚体外围盘绕1.75圈，剩余DNA连接在相邻核小体核心之间，组蛋白H1结合其上，看起来似一串珠子。一系列的核小体重复单位组成染色质丝，染色质折叠成染色体。,本节结束,
