DNA的二级结构.docx
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DNA的二级结构
DNA的二级结构
∙DNA双螺旋结构的主要依据
∙DNA双螺旋结构的要点
∙DNA双螺旋结构与DNA复制
1944年Avery等的重要发现,首次严密地证实了DNA就是遗传物质的事实。
随后，一些研究逐步肯定了核酸作为遗传物质在生物界的普遍意义。
至50年代初,已经对DNA和RNA中的化学成分,碱基的比例关系及核苷酸之间的连接键等重要问题有了明确的认识。
在此背景下,研究者们面临着一个揭示生命奥秘的十分关键且诱人的命题:
作为遗传载体的DNA分子,应该具有怎样的结构?
1953年,Watson和Crick以非凡的洞察力,得出了正确的答案。
他们以立体化学上的最适构型建立了一个与DNAX射线衍射资料相符的分子模型-DNA双螺旋结构模型。
这是一个能够在分子水平上阐述遗传（基因复制）的基本特征的DNA二级结构。
它使长期以来神秘的基因成为了真实的分子实体,是分子遗传学诞生的标志,并且开拓了分子生物学发展的未来。
DNA双螺旋结构的主要依据：
50年代初的核酸研究现状已经使人们普遍接受了这样的观点：
多核苷酸的特定序列是遗传信息所在。
尽管当时还没有任何能直接说明这一点及其它基因作用原理的实验依据，但这一概念无疑对设想DNA结构是非常重要的。
可以说,Watson和Crick提出的模型是在人们意识到核酸重要性的历史条件下,集各项DNA研究成果于一体的产物。
但对建立DNA双螺旋结构有直接影响的主要是以下两方面的依据：
（1）Chatgaff对DNA碱基组成的研究结果：
1949-1951年间，Chatgaff应用紫外分光光度法结合纸层析等技术,对不同来源的DNA进行了碱基定量分析,得出了组成DNA的四种碱基的比例关系（见下表）。
从中可发现碱基组成的下列共同规律：
（1）以摩尔含量表示，不同来源的DNA都存在着这种关系，即[A]=[T]和[C]=[G]；
（2）不同物种组织DNA在总的碱基组成上有很大的变化，表现在A+T/G+C比值的不同,但同种生物的不同组织DNA碱基组成相同；（3）嘌呤碱基的总和与嘧啶碱基的总和相等。
这些发现不仅为DNA能携带遗传信息的论点提供了依据，而且为DNA结构模型中的碱基配对原则奠定了基础。
DNA来源
腺嘌呤
胸腺嘧啶
鸟嘌呤
胞嘧啶
（A+T）/（G+C）
大肠杆菌
24.8
小麦
鼠
22,8
猪:
肝
胸腺
脾
29.4
3
29.7
20.5
20.5
酵母
（2）Wilkins及其同事Franklin等用X射线衍射方法获得的DNA结构资料：
X射线衍射技术是一种在原子水平上间接观测晶体物质的分子结构的方法。
这个研究小组制备的高度定向的DNA纤维晶体能够得到精确反映DNA某些结构特征的X射线衍射图片,其影像表明了DNA结构的螺旋周期性,碱基的空间取向等。
这些资料对Watson和Crick构建DNA双螺旋结构模型起了关键性作用。
DNA双螺旋结构的要点
（1）主链（backbone）：
由脱氧核糖和磷酸基通过酯键交替连接而成。
主链有二条,它们似"麻花状绕一共同轴心以右手方向盘旋,相互平行而走向相反形成双螺旋构型。
主链处于螺旋的外则,这正好解释了由糖和磷酸构成的主链的亲水性。
所谓双螺旋就是针对二条主链的形状而言的。
（2）碱基对（basepair）：
碱基位于螺旋的内则,它们以垂直于螺旋轴的取向通过糖苷键与主链糖基相连。
同一平面的碱基在二条主链间形成碱基对。
配对碱基总是A与T和G与C。
碱基对以氢键维系，A与T间形成两个氢键。
DNA结构中的碱基对与Chatgaff的发现正好相符。
从立体化学的角度看,只有嘌呤与嘧啶间配对才能满足螺旋对于碱基对空间的要求,而这二种碱基对的几何大小又十分相近,具备了形成氢键的适宜键长和键角条件。
每对碱基处于各自自身的平面上，但螺旋周期内的各碱基对平面的取向均不同。
碱基对具有二次旋转对称性的特征，即碱基旋转180°并不影响双螺旋的对称性。
也就是说双螺旋结构在满足二条链碱基互补的前提下，DNA的一级结构产并不受限制。
这一特征能很好的阐明DNA作为遗传信息载体在生物界的普遍意义。
（3）大沟和小沟：
大沟和小沟分别指双螺旋表面凹下去的较大沟槽和较小沟槽。
小沟位于双螺旋的互补链之间,而大沟位于相毗邻的双股之间。
这是由于连接于两条主链糖基上的配对碱基并非直接相对,从而使得在主链间沿螺旋形成空隙不等的大沟和小沟。
在大沟和小沟内的碱基对中的N和O原子朝向分子表面。
（4）结构参数：
螺旋直径2nm；螺旋周期包含10对碱基；螺距3.4nm；相邻碱基对平面的间距0.34nm。
DNA双螺旋结构与DNA复制：
双螺旋结构模型的成功之处除与X射线衍射图谱及核酸化学的研究资料相符外,另一个重要方面是它能够圆满地解释作为遗传功能分子的DNA是如何进行复制的。
Watson和Crick这样设想DNA结构中的二条链看成是一对互补的模板（亲本）,复制时碱基对间的氢键断开,两条链分开,每条链都作为模板指导合成与自身互补的新链（复本）,最后从原有的两条链得到两对链而完成复制。
在严格碱基配对基础上的互补合成保证了复制的高度保真性,也就是将亲链的碱基序列复制给了子链。
因为复制得到的每对链中只有一条链是亲链,即保留了一半亲链，故这种复制方式又称为半保留复制（semi-conservativereplication）。
双螺旋结构建立时，复制原理只是设想，不久这一设想被实验证实是正确的。
现已明确：
半保留复制是生物体遗传信息传递的最基本方式
在分裂方式中，无丝分裂发现得最早。
1841年科学家在鸡胚血细胞中观察到无丝分裂，后来又在各种动植物细胞中见到。
无丝分裂在低等动物细胞中比较常见，如原生动物的纤毛虫类和其他一些原生动物，而在哺乳动物包括人类等高等动物细胞中比较少见。
但是近年来，也陆续在动物上皮组织、结缔组织和肌肉组织以及肝、肾等器官的细胞中发现了无丝分裂现象。
在植物的各种器官的薄壁组织、表皮、生长点、根尖细胞靠近表皮的部分、木质部、毡绒层和胚乳细胞中也都看到了无丝分裂。
因此，无丝分裂是普遍存在于各类动植物组织中的。
无丝分裂（amitosis）是指处于间期的细胞核不经过任何有丝分裂时期，而分裂为大小大致相等的两部分的细胞分裂方式。
细胞无丝分裂的过程比较简单，一般是细胞核先延长，从核的中部向内凹进，缢裂成为两个细胞核；接着，整个细胞从中部缢裂成两部分，形成两个子细胞。
因为在分裂过程中没有出现纺锤丝和染色体的变化，所以叫做无丝分裂。
例如，蛙的红细胞的无丝分裂。
关于动植物细胞无丝分裂的知识已经积累了很多，但是对无丝分裂地位的看法，人们的认识还有争议。
由于无丝分裂后遗传物质不能平均分配，涉及到遗传的稳定性，有人认为无丝分裂大部分出现在不健康的细胞中。
但是事实似乎不是这样，无丝分裂在正常组织中也还是比较常见的。
第二节有丝分裂
一、细胞分裂的类型
细胞分裂（celldivision）可分为无丝分裂（amitosis）、有丝分裂（mitosis）和减数分裂（meiosis）三种类型。
无丝分裂又称为直接分裂，由R.Remark（1841）首次发现于鸡胚血细胞。
表现为细胞核伸长，从中部缢缩，然后细胞质分裂，其间不涉及纺锤体形成及染色体变化，故称为无丝分裂。
无丝分裂不仅发现于原核生物，同时也发现于高等动植物，如植物的胚乳细胞、动物的胎膜，间充组织及肌肉细胞等等。
有丝分裂，又称为间接分裂，由W.Fleming（1882）年首次发现于动物及E.Strasburger（1880）年发现于植物。
特点是有纺锤体染色体出现，子染色体被平均分配到子细胞，这种分裂方式普遍见于高等动植物。
减数分裂是指染色体复制一次而细胞连续分裂两次的分裂方式，是高等动植物配子体形成的分裂方式。
二、有丝分裂
有丝分裂过程是一个连续的过程，为了便于描述人为的划分为六个时期：
间期（interphase）、前期（prophase）、前中期（premetaphase）、中期（metaphase）、后期（anaphase）和末期（telophase）。
其中间期包括G1期、S期和G2期，主要进行DNA复制等准备工作。
（一）前期
前期（图13-3）的主要事件是：
①染色质凝缩，②分裂极确立与纺锤体开始形成，③核仁解体，④核膜消失。
前期最显著的特征是染色质通过螺旋化和折叠，变短变粗，形成光学显微镜下可以分辨的染色体，每条染色体包含2个染色单体。
图13-3前期两个中心体向两极移动（图片来自）
早在S期两个中心粒已完成复制，在前期移向两极，两对中心粒之间形成纺锤体微管，当核膜解体时，两对中心粒已到达两极，并在两者之间形成纺锤体，纺锤体微管包括（图13-8）：
①着丝点微管（kinetochoremt）：
由中心体发出，连接在着丝点上，负责将染色体牵引到纺锤体上，着丝点上具有马达蛋白。
②星体微管（astralmt）：
由中心体向外放射出，末端结合有分子马达，负责两极的分离，同时确定纺锤体纵轴的方向。
③极体微管（polarmt或overlapmt）：
由中心体发出，在纺锤体中部重叠，重叠部位结合有分子马达，负责将两极推开。
有两类马达蛋白参与染色体、分裂极的分离，一类是dynein，另一类是kinesin。
植物没有中心粒和星体，其纺锤体叫作无星纺锤体，分裂极的确定机理尚不明确。
（二）前中期
指由核膜解体到染色体排列到赤道面（equatorialplane）这一阶段（图13-4）。
纺锤体微管向细胞内部侵入，与染色体的着丝点结合。
着丝点处的分子马达使染色体向微管的负端移动。
在光镜下可以看到，此时染色体也就是既向一极移动也向另一极移动，是以振荡的方式移向纺锤体中部的。
其原因是姊妹染色单体的着丝点都结合有微管和分子马达。
图13-4左，前中期；右，中期（图片来自）
（三）中期
指从染色体排列到赤道面上（图13-4右、13-5），到姊妹染色单体开始分向两极的一段时间，纵向观动物染色体呈辐射状排列。
染色体两边的牵引力就像拔河一样达到平衡。
图13-5中期，右图显示与染色体联接的微管（图片来自）
（四）后期
指姊妹染色单体分开并移向两极的时期，当子染色体到达两极后，标志这一时期结束（图13-6）。
图13-6后期姊妹染色单体分离（图片来自）
后期可以分为两个方面（图13-7）：
①后期A，指染色体向两极移动的过程。
这是因为染色体着丝点微管在着丝点处去组装而缩短，在分子马达的作用下染色体向两极移动，体外实验证明即使在不存在ATP的情况下，染色体着丝点也有连接到正在去组装的微管上的能力，使染色体发生移动。
②后期B，指两极间距离拉大的过程。
这是因为一方面极体微管延长，结合在极体微管重叠部分的马达蛋白提供动力，推动两极分离，另一方面星体微管去组装而缩短，结合在星体微管正极的马达蛋白牵引两极距离加大。
可见染色体的分离是在微管与分子马达的共同作用下实现的（图13-8）。
后期A，B是用药物鉴定出来的，如紫杉酚（taxol）能结合在微管的（+）端，抑制微管（+）端去组装，从而抑制后期A。
动物中通常先发生后期A，再后期B，但也有些只发生后期A，还有的后期A、B同时发生。
植物细胞没有后期B。
图13-7后其A染色体分离，后期B两极延伸
图13-8马达蛋白和微管系统共同协作，使染色体分离
（五）末期
末期（图13-9）是从子染色体到达两极，至形成两个新细胞为止的时期。
末期涉及子核的形成和胞质分裂两个方面。
图13-9末期
1、子核的形成
末期子核的形成，大体经历了与前期相反的过程，即染色体解聚缩，核仁出现和核膜重新形成。
核仁由染色体上的核仁组织中心形成（NORs），几个NORS共同组成一个大的核仁，因此核仁的数目通常比NORs的数目要少。
前期核膜解体后，核纤层蛋白B与核膜残余小泡结合，末期核纤层蛋白B去磷酸化，介导核膜的重新装配。
2、胞质分裂
虽然核分裂与胞质分裂（cytokinesis）是相继发生的，但属于两个分离的过程，例如大多数昆虫的卵，核可进行多次分裂而无胞质分裂，某些藻类的多核细胞可长达数尺，以后胞质才分裂形成单核细胞。
动物细胞的胞质分裂是以形成收缩环的方式完成的（图13-10），收缩环在后期形成，由大量平行排列的肌动蛋白和结合在上面的myosinII等成分组成，用细胞松驰素及肌动蛋白和肌球蛋白抗体处理均能抑制收缩环的形成。
不难想象胞质收缩环工作原理和肌肉收缩时一样的。
图13-10动细胞的胞质收缩环
动物胞质分裂的另一特点是形成中体。
末期纺锤体开始瓦解消失，但在纺锤体的中部微管数量增加，其中掺杂有高电子密度物质和囊状物，这一结构称为中体。
在胞质分裂中的作用尚不清楚。
植物胞质分裂的机制不同于动物，后期或末期两极处微管消失，中间微管保留，并数量增加，形成桶状的成膜体（phragmoplast）。
来自于高尔基体的囊泡沿微管转运到成膜体中间，融合形成细胞板。
囊泡内的物质沉积为初生壁和中胶层，囊泡膜形成新的质膜，由于两侧质膜来源于共同的囊泡，因而膜间有许多连通的管道，形成胞间连丝。
源源不断运送来的囊泡向细胞板融合，使细胞板扩展，形成完整的细胞壁，将子细胞一分为二（图13-11）。
常见遗传病总结
常染色体显性遗传
软骨发育不全上臂、大腿短小畸形，腹部隆起；臀部后凸；身材矮小致病基因导致长骨两端软骨细胞形成出现障碍
常染色体隐性遗传
白化病患者皮肤、毛发、虹膜中缺乏黑色素，怕光，视力较差缺乏酪氨酸的正常基因，无法将酪氨酸转变成黑色素
先天性聋哑听不到声音，不能学说话，成为哑巴缺乏听觉正常的基因，听觉发育障碍
苯丙酮尿症智力低下缺乏苯丙氨酸羟化酶的正常基因，苯丙氨酸不能转化成酪氨酸而不能变成苯丙酮酸，中枢神经受损
X染色体显性遗传
抗维生素D佝偻病X型腿（O型），骨骼发育畸形，生长缓慢致病基因使钙磷吸收不良没，导致骨骼发育障碍
X染色体隐性遗传
红绿色盲不能分辨红色和绿色缺乏正常基因，不能合成正常视蛋白引起色盲
血友病受伤后流血不止缺乏凝血因子合成基因，导致凝血障碍
进行性肌营养不良患者肌无力或萎缩，行走困难正常基因缺乏，进行性肌肉发育障碍
染色体数目异常
常染色体21三体综合症智力低下，身体发育缓慢，面容特殊，眼间距宽，口常开，舌伸出第21号染色体多一条
性染色体性腺发育不良（XO）身材矮小，肘外翻，颈部皮肤松弛，外观女性无生育能力少一X染色体
XYY个体男性，身材高大，具有反社会行为多一Y染色体
八、人类几种遗传病及显隐性关系：
类别名称
单基因遗传病
常染色体遗传
隐性白化病、先天性聋哑、苯丙酮尿症
显性多指、并指、短指、软骨发育不全
性（X）染色体遗传
隐性红绿色盲、血友病、果蝇白眼、进行性肌营养不良
显性抗维生素D佝偻病
多基因遗传病唇裂、无脑儿、原发性高血压、青少年型糖尿病
染色体异常遗传病
常染色体病数目改变21三体综合症（先天愚型）结构改变猫叫综合症
性染色体病性腺发育不良
1、遗传基因的显隐性及在染色体上的位置：
常染色体隐性：
先天性聋哑、苯丙酮尿症、镰刀型细胞贫血症、白化病。
常染色体显性：
软骨发育不全、多指、并指、短指。
伴X隐性遗传：
进行性肌营养不良、红绿色盲、血友病、果蝇白眼。
伴X显性遗传：
果蝇红眼、抗VD性佝偻病、钟摆型眼球震颤。
伴Y遗传：
鸭蹼病、人类印第安毛耳、外耳廓多毛症。
遗传病的判断是中学生物学考察的一个重要内容，掌握遗传病的判断方法和对常见遗传病进行归类是解决这类问题的重要手段。
下面结合本人的教学实际并汇总K12网的部分内容，作如下说明：
一、遗传病的判断方法：
1、常染色体隐性遗传：
一对正常的夫妇生出患病的女儿，一定是常染色体隐性遗传。
说明：
如果子代是儿子患病，只能说明该病是隐性遗传，该致病基因究竟是在常染色体上还是在性染色体上还需要进一步推理。
2、常染色体显性遗传：
一对患病的夫妇生出正常的女儿，一定是常染色体显性遗传。
说明：
如果子代是儿子正常，只能说明该病是显性遗传，该致病基因究竟是在常染色体上还是在性染色体上还需要进一步推理。
3、伴X染色体隐性遗传：
①隔代遗传；②母亲患病，儿子一定患病；③父亲正常，女儿一定正常；④女儿患病，父亲一定患病；⑤女性患者多于男性。
说明：
父亲的致病基因只能传给女儿，儿子的致病基因一定来自母亲；母亲的致病基因可以通过女儿传递给外孙。
4、伴X染色体显性遗传：
①连续遗传②母亲正常，儿子一定正常；③父亲患病，女儿一定患病；④儿子患病，母亲一定患病；⑤男性患者多于女性。
5、伴Y染色体遗传：
全男性遗传，即父传子，子传孙，子子孙孙无穷尽。
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