第二章 遗传物质

第一节 遗传物质的分子本质

大多数生物体的遗传物质是DNA

• 遗传物质必需具备的性质
  • 理化性质的稳定性：
  • 能够忠实地复制并传递；
  • 一定程度的可遗传的变异；
• 如何证明DNA是遗传物质
  • 经典实验1:肺炎双球菌转化实验
  • 经典实验2:噬菌体转染实验，用硫和磷的同位素标记
  • 经典实验3:Chargaff规则，
    • 结论一：DNA碱基组成具有种属特异性而没有组织特异性
    • 结论二：A=T,G=C
  • 经典实验4:双螺旋结构

有些生物体的遗传物质是RNA

• 一些病毒的遗传物质是RNA
• 病毒的种类;
• RNA病毒(HIV， SARS,禽流感病毒）：
• 逆转录病毒/致癌RNA病毒：
• 放线菌素D；
• 前病毒学说和逆转录酶：

蛋白质能否充当遗传物质

• 朊病毒
• 异常型才会有遗传性质，其空间结构发生了改变
• 
• PrPsc作用需要PrPC 的参与
• PrPSc蛋白的错误折叠形式可以催化天然PrPC
  分子从正常的可溶性的Q螺旋构象向不溶性的p
  折叠构象转化，最终导致疾病和感染：
• 至于其能否复制、转录、翻译，这些还没有研究明白，所以对其是否是遗传物质目前还存在争议

第二节 核酸的结构

1 DNA双螺旋结构的特征

DNA双螺旋，两条链反向互补配对。大拇指朝向螺旋上升方向，其整体是右手螺旋

2 影响DNA双螺旋结构稳定性的因素

• 氢键（稳定）

  • A-T:两对氢键，G-C：三对氢键
  • 虽然氢键是弱相互作用，但是量堆积起来还是比较大的。所以DNA中具有G-C键更多的，更稳定

• 碱基堆集力（稳定）

  • 主要是两种弱相互作用力，疏水作用力和分子与分子之间的范得华作用力。

• 静电作用力（破坏）

  • 磷酸核糖主链上有大量带负电荷的磷酸基团，负电荷间相互排斥，所以DNA要保存在盐水中，中和

• 碱基分子内能（破坏）

  • 温度高，DNA分子内能会增加，导致结构破坏

3 DNA结构的多态性

三种比较重要的，这三种在天然的生物体中都有存在，且有不同的意义

• 区别：

  • 螺距：胖瘦不一样，B看起来是比较标准的。细长的大一些，矮胖的小一些
  • 方向：A、B是右手螺旋，Z是左手螺旋（碱基更为暴露，更容易被接触到DNA）
  • B是大多数情况、A 是DNA-RNA、Z是嘌呤嘧啶间隔排列的（Z刚开始是人工合成的，后来也在自然界中发现了）

• Z有较强的免疫原性，适合引发免疫反应。一定条件下，B能转变为Z型

  

• 既然Z在自然界中存在，且会由B转化而来，那么说明其存在意义，可能有：

  • Z-DNA在热力学上不稳定，容易解链：复制、转录起始阶段
  • Z-DNA遗传信息暴露在螺旋表面，容易被调控蛋白识别：所以有人推测，B转换成Z就是更基因的调控有关

4 DNA多链结构

富含TC的链跟富含AG的链之间容易形成多链条

H型DNA，通常我们不知道的原因都会归为基因调控，因为基因调控是我们最搞不清楚的事

• 还有四链结构
  • 与DNA双螺旋结构比较，G-四链体螺旋的热力学和
    动力学性质都很稳定。
  • 富G-DNA序列多见于一些在功能上及进化上都相当保守的基因组区域，富G-DNA链所形成的四链体结构可能是作为分子之间相互识别的元件之一，在生物体
    中起着一些特殊作用。

5 DNA的超螺旋结构

共价、闭合、环状的CCCDNA（covalently closed circularDNA），也只有这样的才会形成超螺旋结构

左手超螺旋是正超螺旋，因为正常的DNA是右手螺旋，超螺旋是在其上叠加了左螺旋，所以左手超螺旋可以理解为正的

• 负超螺旋
• 有一个loop，碱基会暴露，比较重要

负超螺旋往往更重要，因为其可以跟有loop的DNA互相转化，因为有loop结构的很有用

• DNA在水溶液中，构型偏B型状态
• DNA以10.5 bp/helix为最稳定构型
• 小于10.5bp/helix向正超螺旋发展（紧缩态）
• 大于10.5bp/helix向负超螺旋发展（松弛态）
• 所有生物的DNA几乎有5%为负超螺旋(DNA几乎都有一定的负超螺旋)

CCCDNA示意图

如果其中的一条链，被核酸酶切开了一道切口，我们将其称为OCDNA（open circle）。断开的那条链就会围绕完整的那条进行旋转，就会释放掉那些张力，就会回复到双螺旋结构，相对来讲就是比较刚性的环状结构

如果两条都被切了，就会变成线性

所以双链环状DNA的状态有超螺旋、环状、线性

左下第一张图：形状不一样，理化性质不一样，电泳的时候不一样

左下第二张图：密度梯度离心，提纯

6 RNA的二级结构

• dsRNA： 应该为A型双螺旋结构；
• SSRNA： 局部双螺旋仍为A型结构；其他为突起、各种loop结构；
• 特殊的碱基配对：GU形成二对氢键；

这些都会影响稳定性和功能

第三节 核酸的变复性

1 核酸的变性

DNA melting/denaturation

• 核酸在理化因素的影响下，维持双螺旋结
  构的作用力受到破坏，稳定的双螺旋结构松散无规则的单链结构。

• 变性导致核酸理化性质的改变，最重要的
  是增色效应(紫外吸收改变)（$O{D}_{260}$增加）

• 影响变性的因素

  • 凡破坏有利于维持DNA双螺旋结构的作用力
    （氢键、碱基堆集力）的因素，
  • 增强不利于维持DNA双螺旋结构的作用力（静电斥力、分子内能）的因素，
  • 都可以促进核酸变性。

• 热变性，变性温度可以反应问题

• 溶解温度（Tm）

• 哪些因素会影响到Tm

  • GC对含量
  • 盐离子浓度的影响
    • 盐离子浓度低，屏蔽作用减弱，Tm降低；
    • 盐离子浓度高，疏水作用增强，Tm升高；

2 核酸的复性

DNA annealing/renaturation

• 复性：变性DNA在适当条件下，恢复形成双螺旋结构的现象，称为复性。
• 退火：热变性DNA在缓慢冷却的条件下，可以复性，称为退火（比如PCR里面的退货温度）。
• 复性的条件：
  • 变性的两条单链DNA能够相互碰撞；
  • 发生碰撞的两条单链DNA有互补序列；
• 复性的因素：
  • 温度：促进碰撞；太高导致变性；
  • DNA浓度：浓度越高，碰撞机会越高；
  • DNA序列复杂性：复杂性越高，互补越困难；
• 复性动力学

• 从化学入手

$C_0{t}_{\frac{1}{2}}$就是衡量复性的很重要的物理量。跟tm是衡量变性一样。

• DNA序列复杂性越高，复性需要时间越长，复性也越难，$C_0{t}_{\frac{1}{2}}$越大
• 所以$C_0{t}_{\frac{1}{2}}$可以反应序列复杂性
• 可以看出一些东西

快复性一般就是碱基重复性高的序列

3 核酸的杂交

hybridization

• 在了解变性、复性之后，我们有了杂交这一概念

• 具有互补配对碱基的任意两条单链DNA或者RNA之间形成稳定的双螺旋结构，称为核酸杂交。

• 也就是说，可以有不同来源的DNA，形成双螺旋

• 一些方法

1. 
2. Northern Blotting
3. 
4. 
5. Colony HybridizationColony Hybridization