生物化学与分子生物学第二章核酸的结构和功能-1

1、第二章 核酸的结构和功能,Structure and Function of Nucleic Acid,1868年脓细胞中提取核素。 1944年 Avery等人证实DNA是遗传物质。 1953年 Watson和Crick发现DNA的双螺旋结构。 1968年 Nirenberg发现遗传密码。 1975年 Temin和Baltimore发现逆转录酶。 1981年 Gilbert和Sanger建立DNA测序方法。 1985年 Mullis发明PCR技术。 1990年 美国启动人类基因组计划(HGP)。 1994年 中国人类基因组计划启动。 2001年 美英等国完成人类基因组计划。,核酸研究简史,核酸是以核苷酸为基本组成单位的生物大分子，储存、携带和传递遗传信息。,核酸的分类及分布,存在于细胞核和线粒体,分布于细胞核、细胞质、线粒体,(deoxyribonucleic acid, DNA),(ribonucleic acid, RNA),脱氧核糖核酸,核糖核酸,第一节 核酸的化学组成以及一级结构The Chemical Component and Primary Structure of Nu

2、cleic Acid,DNA的组成单位是脱氧核糖核苷酸（deoxyribonucleotide） RNA的组成单位是核糖核苷酸（ribonucleotide）。,一、核酸的基本组成单位核苷酸,C、H、O、N、P（9%10%）,元素组成,碱基(base)是含氮的杂环化合物。,碱基,嘌呤,嘧啶,腺嘌呤,鸟嘌呤,尿嘧啶,胸腺嘧啶,胞嘧啶,存在于DNA和RNA中,仅存在于RNA中,仅存在于DNA中,碱基,嘌呤(purine，Pu),腺嘌呤(adenine, A),鸟嘌呤(guanine, G),嘧啶(pyrimidine，Py),胞嘧啶(cytosine, C),尿嘧啶(uracil, U),胸腺嘧啶(thymine, T),碱基的互变异构体,戊糖,脱氧核苷,嘌呤N-9 或嘧啶N-1与脱氧核糖C-1通过-N-糖苷键相连形成脱氧核苷(deoxyribonucleoside)。,嘧啶N-1与核糖C-1通过-N-糖苷键相连形成核苷(ribonucleoside)。,核苷,N,N,N,N,9,N,H,2,O,O,H,O,H,H,H,H,C,H,2,O,H,H,1,2,糖苷键,核苷或脱氧核苷与磷酸通过酯

3、键结合构成核苷酸(ribonucleotide)或脱氧核苷酸(deoxyribonucleotide)。,核苷酸(ribonucleotide),多磷酸核苷酸,环化核苷酸：cAMP、cGMP，是细胞信号转导中的第二信使。,cAMP,核苷酸衍生物,生物氧化体系的重要成分，在传递质子或电子的过程中具有重要的作用。,烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（nicotinamide adenine dinucleotide, NAD+）,核苷酸的主要功能：,核苷三磷酸是合成核酸原料，又能提供能量。 核苷二磷酸活化中间代谢物,如UDP-葡萄糖等。 核苷一磷酸是核酸的组分,还是一些辅酶的成分。 核苷环磷酸在细胞信号转导中起重要作用。,构成RNA的碱基、核苷以及核苷酸,构成DNA的碱基、核苷、核苷酸,二、脱氧核苷酸通过3,5-磷酸二酯键连接 形成DNA,一个脱氧核苷酸3的羟基与另一个核苷酸5的-磷酸基团缩合形成磷酸二酯键(phosphodiester bond)。 多个脱氧核苷酸通过磷酸二酯键构成了具有方向性的线性分子，称为多聚脱氧核苷酸(polydeoxynucleotide)，即DNA链。,C,G,A,交替的磷酸

4、基团和戊糖构成了DNA的骨架 (backbone)。,DNA链的方向是5 3,三、RNA也是具有3, 5-磷酸二酯键的线性大分子,RNA也是多个核苷酸分子通过3,5-磷酸二酯键连接形成的线性大分子，也具有53方向性 RNA的戊糖是核糖 RNA的嘧啶是胞嘧啶和尿嘧啶 构成RNA的四种基本核苷酸是AMP、GMP、CMP和UMP,定义 核酸中核苷酸的排列顺序。 由于核苷酸间的差异主要是碱基不同，所以也称为碱基序列。,四、核酸的一级结构: 核苷酸的排列顺序,书写方法：,5 pApCpTpGpCpT-OH 3,5 A C T G C T 3,简化：,再简化：,规定DNA和RNA链核苷酸的排列顺序和书写规则，方向为5 3,单链DNA和RNA分子的大小常用核苷酸数目（nucleotide，nt）表示；双链核酸分子的大小常用碱基对(base pair，bp）或千碱基对（kilobase pair，kbp)的数目来表示。 小的核酸片段(50bp)常被称为寡核苷酸(oligonucleotide)。自然界中的DNA和RNA的长度可以高达几十万个碱基。,DNA和RNA的区别,DNA的空间结构又分为二级结构(

5、secondary structure)和高级结构。,DNA的空间结构(spatial structure),构成DNA的所有原子在三维空间的相对位置关系。,第二节 DNA的空间结构与功能Dimensional Structure and Function of DNA,一、DNA的二级结构：双螺旋结构,不同生物种属的DNA的碱基组成不同 同一个体的不同器官或组织的DNA碱基组成相同 对于一特定组织的DNA，其碱基组分不随年龄、营养状态和环境而变化 A = T，G = C,Chargaff 规则,（一）DNA双螺旋结构的实验基础,获得了高质量的DNA分子的X射线衍射照片。,提出了DNA分子双螺旋结构(double helix)模型。,碱基的理化数据分析 A-T、G-C以氢键配对较合理,两条多聚核苷酸链在空间的走向呈反向平行(anti-parallel)。两条链围绕着同一个螺旋轴形成右手螺旋(right-handed)的结构。双螺旋结构的直径为2.37nm，螺距为3.54nm。 脱氧核糖和磷酸基团组成的亲水性骨架位于双螺旋结构的外侧，疏水的碱基位于内侧。 双螺旋结构的表面形成了一个大沟(

6、major groove)和一个小沟(minor groove)。,（二） DNA双螺旋结构模型要点,1.DNA是反向平行、右手螺旋的双链结构,亲水性的骨架位于双链的外侧。 疏水性的碱基位于双链的内侧。,骨架与碱基,大沟与小沟,2.DNA双链之间形成了互补碱基对,碱基配对关系称为互补碱基对(complementary base pair)。 DNA的两条链则互为互补链(complementary strand)。 碱基对平面与螺旋轴垂直。,碱基互补配对: 鸟嘌呤/胞嘧啶,碱基互补配对: 腺嘌呤/胸腺嘧啶,相邻两个碱基对会有重叠，产生了疏水性的碱基堆积力(base stacking interaction)。 碱基堆积力和互补碱基对的氢键共同维系着DNA结构的稳定。 氢键维系螺旋的横向稳定,碱基堆积力维系螺旋的纵向稳定。,3.疏水作用力和氢键共同维系着DNA双螺旋结构的稳定。,碱基堆积作用力,（三）DNA双螺旋结构的多样性,三种DNA构型的比较,（四）DNA的多链结构,在酸性的溶液中，胞嘧啶的N-3原子被质子化，可与鸟嘌呤的N-7原子形成氢键；同时，胞嘧啶的N-4的氢原子也可与鸟嘌呤的O

7、-6形成氢键，这种氢键被称为Hoogsteen氢键。,Hoogsteen氢键,Hoogsteen氢键，不破坏Watson-Crick氢键，由此形成了CGC的三链结构(triplex)。,三链结构,鸟嘌呤之间通过8个Hoogsteen氢键形成特殊的四链结构(tetraplex)。,四链结构,真核生物DNA3-末端是富含GT的多次重复序列，因而自身形成了折叠的四链结构。,二、DNA的高级结构：超螺旋结构,超螺旋结构(superhelix 或supercoil) DNA双螺旋链再盘绕即形成超螺旋结构。,正超螺旋(positive supercoil) 盘绕方向与DNA双螺旋方同相同。,负超螺旋(negative supercoil) 盘绕方向与DNA双螺旋方向相反。,（一）原核生物DNA的环状超螺旋结构,原核生物DNA多为环状的双螺旋分子 ，以负超螺旋的形式存在，平均每200碱基就有一个超螺旋形成。,DNA超螺旋结构的电镜图象,（二）真核生物DNA以核小体为单位形成高度有序致密结构,真核生物DNA以非常有序的形式存在于细胞核内。 在细胞周期的大部分时间里，DNA以松散的染色质(chromat

8、in)形式存在，在细胞分裂期，则形成高度致密的染色体(chromosome)。,DNA染色质呈现出的串珠样结构。 染色质的基本单位是核小体(nucleosome)。,DNA染色质的电镜图像,DNA在真核生物细胞核内的组装,核小体(nucleosome),由DNA和蛋白质构成 是真核生物染色体的 基本单位,核小体的构成,核心颗粒,连接区,核心组蛋白：,组蛋白八聚体H2A、H2B、H3 、H4各2分子,DNA双螺旋分子(140bp)在核心组蛋白缠绕 1.75圈,DNA（60bp）,组蛋白H1,核小体结构图,核小体的折叠及染色体组装,逐级盘曲折叠,核小体串珠样的结构,双链DNA的折叠和组装,DNA经过多次折叠，被压缩了800010000倍，组装在直径只有为数微米的细胞核内。,DNA：约200bp 组蛋白：H1 H2A，H2B H3 H4,核小体的组成,核小体串珠样的结构,双链DNA的折叠和组装,DNA经过多次折叠，被压缩了800010000倍，组装在直径只有数微米的细胞核内。,真核生物的染色体,两个功能区：,端粒(telomeres):染色体末端膨大的粒状结构，由染色体末端DNA（端粒DNA

9、）与DNA结合蛋白构成。与染色体结构的稳定性、完整性以及衰老和肿瘤的发生发展相关。 着丝粒（centromere）:两个染色单体的连接位点，富含A、T序列。细胞分裂时，着丝粒可分开使染色体均等有序地进入子代细胞。,DNA是生物遗传信息的载体，并为基因复制和转录提供了模板。它是生命遗传的物质基础，也是个体生命活动的信息基础。 基因从结构上定义 ：是携带遗传信息的DNA片段，其核苷酸排列顺序决定了基因的功能。 DNA具有高度稳定性的特点，用来保持生物体系遗传的相对稳定性。同时，DNA又表现出高度复杂性的特点，它可以发生各种重组和突变，适应环境的变迁，为自然选择提供机会。,三、DNA是遗传信息的物质基础,DNA携带两类不同的遗传信息,1. 遗传物质必须具有的特性,DNA的特征,a、贮存并表达遗传信息,各异的碱基序列储存大量的遗传信息,b、能把信息传递给子代,DNA的复制是其表达和传递遗传信息的基础,c、物理和化学性质稳定,生理状态下物理、化学性质 稳定,d、具有遗传变化的能力,有突变和修复能力，可稳定遗 传是生物进化的基础,2. DNA携带两种遗传信息,a. 编码蛋白质和RNA的信息(编码tRNA、 rRNA),64个三联体密码子 3个终止密码子 编码氨基酸的61个密码子有简并性、通用性,b. 编码基因选择性表达的信息,基因选择性表达表现在： 细胞周期的不同时相中 个体发育不同阶段 不同的器官和组织 不同的外界环境下基因的表达与否以及量的差异,* 原核生物的结构基因占Genome的比例很大,x174phage 5386bp 结构基因用去5169bp 比例达96,* 真核生物的结构基因占Genome的比例很小,哺乳动物中结构基因只占1015,其余80以上的DNA起什么作用目前还无法精确解释，但可以肯定其中大部分DNA序列是编码基因选择性表达的遗传信息,调控序列,RNA也可作为遗传物质,* RNA病毒 传染媒介是病毒颗粒（病毒基因组RNA、蛋白质外壳） 如: 烟草花叶病毒（Tobacco Mosaic

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