生物化学2核酸结构与功能10.10章节

1、蔡丽希,第二章 核酸的结构与功能,Chapter 2 Structure and Function of Nucleic Acid,核 酸(nucleic acid),是以核苷酸为基本组成单位的生物大分子，携带和传递遗传信息。,1868年 Fridrich Miescher 从脓细胞中提取核素。 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。,核酸研究的发展简史,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,Section 1 The Che

2、mical Component and Primary Structure of Nucleic Acid,第一节 核酸的化学组成 及一级结构,一、 核酸的分类、分布与功能,核糖核酸 （RNA）：,脱氧核糖核酸（DNA）：,m RNA,t RNA,r RNA,（信使 RNA ）,（转运 RNA ）,（核蛋白体 RNA）,细胞质，参与蛋白质的生物合成,5 %，Pr合成的直接模板,15 %，活化与转运AA,80 %，充当装配机，提供场所,核内染色质，遗传的物质基础,基因 DNA分子中的 功能 片段,（决定遗传特性）,（特定的碱基序列）,二 核酸的分子组成,一、核酸的元素组成,C、H、O、N、P,二、组成核酸的基本单位,多核苷酸,A、G,U、C、T,核 酸,A （腺嘌呤）、G （鸟嘌呤）,U （尿嘧啶）、C （胞嘧啶）、T （胸腺嘧啶）,(一)戊糖,核酸中的戊糖有两类：-D-核糖和-D-2-脱氧核糖。,嘌呤(purine),腺嘌呤(adenine, A),鸟嘌呤(guanine, G),(二）碱 基,嘧啶(pyrimidine),胞嘧啶(cytosine, C),尿嘧啶(uracil, U)

3、,胸腺嘧啶(thymine, T),碱基的互变异构体,核酸中也存在一些不常见的稀有碱基。稀有碱基的种类很多，大部分是上述碱基的甲基化产物。,两类 核酸在分子组成上的异同点,RNA,DNA,组 分,磷 酸,磷 酸,戊 糖,核 糖,脱氧核糖,碱 基,嘌 呤,嘧 啶,A G,U,C,磷 酸,A G,c,T,三核苷(nucleoside)：,核苷是由戊糖与含氮碱基经脱水缩合而生成的化合物。 在大多数情况下，核苷是由核糖或脱氧核糖的C1-羟基与嘧啶碱N1或嘌呤碱N9进行缩合，故生成的化学键称为，N糖苷键。,“稀有核苷”是由“稀有碱基”所生成的核苷。,核苷酸 = 核苷 + 磷酸 连接键：磷酸酯键,核苷一 磷酸（NMP）,糖环上的C-5羟基与磷酸发生酯化结合,故称5-核苷酸。,含有1个磷酸基团的核苷酸称为核苷一磷酸(nucleoside monophosphate,NMP)，,四、核苷酸(nucleotide),O,O,3、多核苷酸,糖环C-5含2个磷酸基团称为核苷二磷酸(NDP)，含3个磷酸基团称为核苷三磷酸(NTP),2.环化磷酸化,cAMP,cGMP,3. 辅酶 NAD、NADP、FMN,课后

4、思考？,体内核苷酸只有5的吗？脱氧核苷酸呢？ 环化核苷酸如何形成的？,核苷酸的命名及缩写符号,第二节 DNA的结构,DNA的基本组成单位是脱氧核苷酸,脱氧核苷酸通过3,5-磷酸二酯键连接形成具有方向性的线性DNA大分子，即多聚脱氧核苷酸(polydeoxynucleotide)，常称DNA链。,二个游离末端: 5末端(游离磷酸基), 3末端(游离羟基),核酸是有方向性的： 方向：5 3,磷酸基团和戊糖交替构成了DNA的骨架 (backbone)。,三、RNA的基本组成单位是核苷酸,核苷酸通过3,5-磷酸二酯键连接形成具有方向性的线性RNA大分子。,四、核酸的一级结构,概念：核酸分子中核苷酸或脱氧核苷酸的排 列顺序，即碱基的排列顺序。,连接键：3, 5 -磷酸二酯键,核酸的书写规则:,书写方式从繁到简有多种表示方法。,规定：从左到右为 方向 5 3,核酸分子的大小常用碱基(base或kilobase)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。,三、RNA的基本组成单位是核苷酸,核苷酸通过3

5、,5-磷酸二酯键连接形成具有方向性的线性RNA大分子。,四、核酸的一级结构,概念：核酸分子中核苷酸或脱氧核苷酸的排 列顺序，即碱基的排列顺序。,连接键：3, 5 -磷酸二酯键,第二节 DNA的空间结构与功能Structure and Function of DNA,（2）、Chargaff 规则（20世纪4050年代,1952）,（一）DNA分子的二级结构双螺旋结构,DNA双螺旋结构的研究背景,（1）、Wilkins 和Franklin的高质量的X-衍射图(1951),（3）、Watson 和Crick提出双螺旋模型（1953）, 同种生物：碱基组成相同即A=T G=C；A+G = C+T, 具有个体和种属差异性，亲缘关系越远，差异越大。, 一般不受年龄、生长、营养状况和环境因素等影响。,Franklin, Rosalind Elsie (UK,1920-58), who conducted X-ray diffraction studies on the structure of the DNA molecule, the carrier of hereditary informat

6、ion, while working in the laboratory of Maurice Wilkins. This work enabled American biochemist James Dewey Watson and the British Francis Crick to determine the helical structure of the DNA molecule.,Watson 和Crick提出的DNA双螺旋模型,DNA双螺旋结构模型要点,DNA分子由两条相互平行但走向相反的脱氧多核苷酸链组成，两链以-脱氧核糖-磷酸-为骨架，以右手螺旋方式绕同一公共轴盘。,DNA双螺旋结构模型要点,DNA分子螺旋直径为2nm,螺距为3.54 nm。 10.5对碱基/周，每个碱基平面之间的距离为0.34nm，双螺旋结构表面形成大沟与小沟。,DNA双螺旋结构模型要点,A与T配对形成两个氢鍵，C与G 配对形成三个氢鍵。 氢键维持双链横向稳定性，碱基 堆积力维持双链纵向稳定性。,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,DNA的双螺旋结构的意义,该

7、模型揭示了DNA作为遗传物质的稳定性特征，最有价值的是确认了碱基配对原则，这是DNA复制、转录和反转录的分子基础，亦是遗传信息传递和表达的分子基础。该模型的提出是上个世纪生命科学的重大突破之一，它奠定了生物化学和分子生物学乃至整个生命科学飞速发展的基石。,（三）DNA双螺旋结构的多样性,生理条件下最稳定的结构,（四）DNA的多链螺旋结构,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-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,三、DNA的超螺旋结构,超螺旋结构(superhelix 或supercoil)： DNA在双螺旋的基础上再盘绕折叠而形成更为复杂的结构即 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。,绝大多数原核生物的DN

8、A都是共价封闭的环状双螺旋。进一步盘绕则形成麻花状的超螺旋结构。常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。,（一）原核生物DNA的超螺旋结构,DNA超螺旋结构的电镜图象,（二）真核生物DNA的高度有序和高度致密的结构,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(chromatin)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,真核生物DNA双螺旋围绕一蛋白质八 聚体进行盘绕而形成特殊的串珠状 结构，该结构称核小体(nucleosome) 是真核生物DNA的高级结构。核小体 是染色质的基本单位。,（二）真核生物DNA的超螺旋结构,核小体(nucleosome) ：核小体由DNA和组蛋白共同 构成。组蛋白共有五种，分别称为H1，H2A，H2B，H3和H4。各两分子的H2A，H2B，H3和H4呈两层对称排列，共同构成了核小体的核心，DNA双螺旋分子缠绕在这一核心上构成了核小体。,核小体串

9、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。,真核生物的染色体,DNA的基本功能是以基因的形式荷载遗传信息，并作为基因复制和转录的模板。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，是指DNA分子中的特定区段，其中的核苷酸排列顺序决定了基因的功能。,三、DNA是遗传信息的物质基础,第三节 RNA的结构与功能,Structure and Function of RNA,RNA与蛋白质共同负责基因的表达和表达过程的调控。 RNA通常以单链的形式存在，但有复杂的局部二级结构或三级结构。 RNA比DNA小的多。 RNA的种类、大小和结构远比DNA表现出多样性。,RNA的种类、分布、功能,信使RNA(messenger RNA, mRNA)是合成蛋白质的模板。 不均一核RNA(hnRNA)含有内含子(intron)和外显子(exon)。 外显子是氨基酸的编码序列，而内含子是非编码序列。 hnRNA经过剪切后成为成熟的mRNA。,一、mRNA是蛋白质合成中的模板,内含子 (intron),mRNA成熟过程,外显子 (exon),从AUG 开始，每三个核苷酸为一组编码了一个氨基酸，称为三联体密码(codon)。 成熟的mRNA由氨基酸编码区和非编码区构成。 5-末端的帽子(cap)结构和3-末端的多聚A尾(poly-A tail)结构。,成熟的真核生物mRNA,帽子结构:m7GpppNm,（一）大部分真核细胞mRNA的5末端都以7-甲基鸟嘌呤-三磷酸核苷为起始结构,mRNA的帽结构可以与帽结合蛋白(cap binding protein，CBP)结合。,真核生物的mRNA 的3-末端转录后加上一段长短不一的聚腺苷酸。,（二）在真核生物mRNA的3末端有多聚腺苷酸结构,加尾过程,mRNA核内向胞质的转位 mRNA的稳定性维系 翻译起始的调控,帽子结构和多聚A尾的功能,mRNA的功能,传递DNA所携带的遗传信息，为蛋白质的合 成提供模板(temp

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