第三章核酸的结构与功能分子生物学.ppt

第第3 3章章 核酸的结构与功能核酸的结构与功能 3.1 3.1 细胞内的遗传物质细胞内的遗传物质 3.2 3.2 核酸的化学组成与共价结构核酸的化学组成与共价结构 3.3 3.3 DNA DNA的二级结构（双螺旋模型）的二级结构（双螺旋模型） 3.4 3.4 DNA DNA分子的高级结构分子的高级结构 3.5 3.5 真核生物的染色体及其组装真核生物的染色体及其组装 3.6 3.6 RNA RNA的结构与功能的结构与功能 3.7 3.7 核酸的变性、复性与分子杂交核酸的变性、复性与分子杂交第一页，共七十五页3.1 3.1 细胞内的遗传物质细胞内的遗传物质3.1.1 DNA3.1.1 DNA是主要的遗传物质是主要的遗传物质 18691869年，年，瑞士的内科医生瑞士的内科医生Friedrich Friedrich MiescherMiescher从外科医院包扎伤口的绷带上的从外科医院包扎伤口的绷带上的脓细胞核中提取到一种富含磷元素的酸性脓细胞核中提取到一种富含磷元素的酸性化合物，将其称为核质化合物，将其称为核质(nuclein)(nuclein)； 后来他又从鲭鱼精子中分离出类似的物后来他又从鲭鱼精子中分离出类似的物质，并指出它是由一种碱性蛋白质与一种酸质，并指出它是由一种碱性蛋白质与一种酸性物质组成的，此酸性物质即是现在所知的性物质组成的，此酸性物质即是现在所知的核酸核酸( (nucleic acid) )。

第二页，共七十五页n n18851900188519001885190018851900年间，年间，年间，年间，KosselKosselKosselKossel、JohnewJohnewJohnewJohnew、LeveneLeveneLeveneLevene证实核酸由证实核酸由证实核酸由证实核酸由不同的碱基组成其最简单不同的碱基组成其最简单不同的碱基组成其最简单不同的碱基组成其最简单的单体结构是碱基的单体结构是碱基的单体结构是碱基的单体结构是碱基- - - -核糖核糖核糖核糖- - - -磷磷磷磷酸构成的核苷酸酸构成的核苷酸酸构成的核苷酸酸构成的核苷酸1929192919291929年又年又年又年又确定了核酸有两种，一种是确定了核酸有两种，一种是确定了核酸有两种，一种是确定了核酸有两种，一种是脱氧核糖核酸脱氧核糖核酸脱氧核糖核酸脱氧核糖核酸(DNA)(DNA)(DNA)(DNA)，另一，另一，另一，另一种是核糖核酸种是核糖核酸种是核糖核酸种是核糖核酸(RNA)(RNA)(RNA)(RNA)第三页，共七十五页 1928 1928年年英国科学家英国科学家GriffithGriffith进行了著名的肺炎双球进行了著名的肺炎双球菌转化实验。

菌转化实验 但但转化源转化源（transforming principletransforming principle）的化学本质仍）的化学本质仍是一个谜是一个谜分离出活的分离出活的S S型细菌型细菌第四页，共七十五页 16 16年之后年之后首先用实验证首先用实验证明基因就是明基因就是DNADNA分子的是分子的是美国著名的微美国著名的微生物学家生物学家AveryAvery（19441944）第五页，共七十五页 9 9年之后年之后19521952年年D.HersheryD.Hershery和和M.ChaseM.Chase 再次用再次用T2T2噬菌体标记实验证噬菌体标记实验证实了实了DNADNA是遗传物质是遗传物质的本质第六页，共七十五页 20 20世纪世纪5050年代年代WatsonWatson和和CrickCrick发现了发现了DNADNA分子的双螺旋结构，最分子的双螺旋结构，最终确立终确立DNADNA是遗传信息的载体是遗传信息的载体 作为遗传物质的作为遗传物质的DNADNA具有以下具有以下特性特性: : 储存并表达遗传信息；储存并表达遗传信息； 能把遗传信息传递给子代；能把遗传信息传递给子代； 物理和化学性质稳定；物理和化学性质稳定； 有遗传变异的能力。

有遗传变异的能力第七页，共七十五页3.1.2 RNA3.1.2 RNA也是遗传物质也是遗传物质 1956 1956年美国的两位科学家年美国的两位科学家A.GiererA.Gierer和和G.SchramanG.Schraman发现烟草花叶病毒（发现烟草花叶病毒（tobacco mosaic virus,TMVtobacco mosaic virus,TMV），），其遗传物质是其遗传物质是RNARNA 1957 1957年美国的年美国的Heinz Fraenkel-ConratHeinz Fraenkel-Conrat和和B.SingreB.Singre用重建实验证实了这一结论用重建实验证实了这一结论第八页，共七十五页第九页，共七十五页 一些病毒采用一些病毒采用RNARNA作为遗传物质作为遗传物质 类病毒类病毒只由只由RNARNA组成类病毒，无壳病毒：一种病毒组成类病毒，无壳病毒：一种病毒样感染颗粒，含单链、共价闭环样感染颗粒，含单链、共价闭环RNARNA，无蛋白质外壳类，无蛋白质外壳类病毒结构上与一些内含子近似，可能代表逃逸的内含子病毒结构上与一些内含子近似，可能代表逃逸的内含子第十页，共七十五页。

3.2 3.2 核酸的化学组成与共价结构核酸的化学组成与共价结构 3.2.1 3.2.1 核酸的化学组成核酸的化学组成 核酸核酸（ nucleic acid，多核苷酸）多核苷酸） 核苷酸核苷酸（nucleotide，单核苷酸）单核苷酸） 磷酸磷酸（phosphate） 核苷核苷（nucleoside） 戊糖戊糖（amyl sugar ）含氮碱基含氮碱基（base）第十一页，共七十五页1.1.碱基碱基(base)(base)第十二页，共七十五页2. 2. 核苷（核苷（nucleosidesnucleosides） 戊糖与嘧啶或嘌呤碱以糖苷键连接就称为核苷戊糖与嘧啶或嘌呤碱以糖苷键连接就称为核苷第十三页，共七十五页1122334455(OH)1122334455(OH)嘧啶的嘧啶的1 1位位N N原子、嘌呤的原子、嘌呤的9 9位位N N原子与戊糖原子与戊糖1 1所所连的羟基形成连的羟基形成糖苷键第十四页，共七十五页3.3.核苷酸（核苷酸（nucleotide acidnucleotide acid）脱氧脱氧核糖核糖碱基碱基磷酸磷酸A G C T第十五页，共七十五页3.2.2 3.2.2 核酸的共价结构核酸的共价结构1.1.DNADNA的一级结构与功能的一级结构与功能 DNADNA的一级结构是指的一级结构是指DNADNA分子中核苷酸的排列顺序，简称分子中核苷酸的排列顺序，简称为为DNADNA顺序（或序列）。

顺序（或序列）由于核苷酸之间的差异仅仅是碱基的由于核苷酸之间的差异仅仅是碱基的不同，故可称为碱基顺序不同，故可称为碱基顺序 第十六页，共七十五页DNADNA一级结构的表示法一级结构的表示法53结构式结构式53 p p p pOH3ACTG1线条式线条式5ACTGCATAGCTCGA 3字母式字母式第十七页，共七十五页2. RNA2. RNA的一级结构与功能的一级结构与功能 RNA分分子子中中核核苷苷酸酸的的排排列列顺序叫做顺序叫做RNA的一级结构的一级结构OHOHOH53 RNA与与DNA的差异的差异 DNA RNA糖糖 脱氧核糖脱氧核糖 核糖核糖碱基碱基 AGCT AGCU 不含稀有碱基不含稀有碱基 含稀有碱基含稀有碱基第十八页，共七十五页3.3 DNA3.3 DNA的二级结构的二级结构( (双螺旋模型双螺旋模型) )Watson & CrickWatson & Crick建立双螺旋模型主要是受到建立双螺旋模型主要是受到4 4个方面个方面的影响：的影响：1 1、DNADNA的的X X射线衍射分析结果；射线衍射分析结果；2 2、蛋白质的蛋白质的螺旋模型；螺旋模型；3 3、氢键理论；氢键理论；4 4、19501950英英ChargaffChargaff 规则规则（当量定律）。

当量定律）第十九页，共七十五页3.3.1 3.3.1 双螺旋模型（双螺旋模型（double helix double helix modelmodel）特征）特征 (1)(1) DNADNA分子由两条反向平行的多分子由两条反向平行的多核苷酸链组成，形成右手双螺旋核苷酸链组成，形成右手双螺旋 (2) (2) 两条链反向平行，两条链反向平行，即两条链的方向相反即两条链的方向相反5353磷酸磷酸核糖核糖碱基碱基第二十页，共七十五页 (3) (3) 糖一磷酸键是在双螺旋的外侧，糖一磷酸键是在双螺旋的外侧，碱基对与轴线垂直碱基对与轴线垂直 (4) (4) 糖与附着在糖上的碱基近于糖与附着在糖上的碱基近于垂直 (5) (5) 碱基配对时，必须一个是嘌呤，碱基配对时，必须一个是嘌呤，另一个是嘧啶另一个是嘧啶 (6) (6) DNA DNA双螺旋有大沟（双螺旋有大沟（major or major or wide groovewide groove）和小沟（）和小沟（minor or minor or narrow groovenarrow groove）的存在 T-A碱基对碱基对C-G碱基对碱基对第二十一页，共七十五页。

（1 1）碱基对之间的氢键）碱基对之间的氢键 （2 2）碱基堆集力碱基堆集力 它包括：它包括： 疏水作用疏水作用 范德华力范德华力 （3 3）磷酸基的负电荷斥力磷酸基的负电荷斥力3.3.2 3.3.2 维持维持DNADNA双螺旋的作用力双螺旋的作用力第二十二页，共七十五页3.3.3 DNA3.3.3 DNA二级结构的其他形式二级结构的其他形式( (双螺旋结构的多态性双螺旋结构的多态性) ) 在双螺旋的总体特征之下，能产生各种二级结构的变化，这称在双螺旋的总体特征之下，能产生各种二级结构的变化，这称为为DNADNA二级结构的多样性或多态性二级结构的多样性或多态性(polymorphism) DNA DNA结构产生多态性的原因在于核苷酸链的骨架含许多结构产生多态性的原因在于核苷酸链的骨架含许多可转动的单键，从而使可转动的单键，从而使糖环可采取不同的折叠形糖环可采取不同的折叠形式和苷键采取不同构象式和苷键采取不同构象 DNA DNA的构象现已知有的构象现已知有A A，B B，C C，D D，E E，T T，Z 7Z 7种第二十三页，共七十五页1 1）B-DNAB-DNA的构象的构象 WatsonWatson和和CrickCrick提出的提出的DNADNA双螺双螺旋结构模型。

旋结构模型 相对湿度相对湿度92%92%的的DNADNA钠盐 是大多数是大多数DNADNA在细胞中的构象在细胞中的构象 右手双螺旋右手双螺旋 第二十四页，共七十五页2 2）A-DNAA-DNA的结构的结构 右手螺旋右手螺旋 相对湿度为相对湿度为75%75%的的DNADNA钠盐 螺旋体短粗，大沟变得窄而深，小螺旋体短粗，大沟变得窄而深，小沟变得宽而浅沟变得宽而浅 结晶的结晶的A A型型-DNA-DNA纤维在吸收了水分纤维在吸收了水分后能够变长，并转变为后能够变长，并转变为B B型型-DNA-DNA A-DNA A-DNA比较常见在比较常见在RNARNA分子的双股发夹螺分子的双股发夹螺旋区域、旋区域、RNA-DNARNA-DNA杂交双链中杂交双链中第二十五页，共七十五页3 3）Z-DNAZ-DNA的结构的结构1972197219721972年年年年 Pohl Pohl Pohl Pohl et al et al et al et al 发现发现 poly(dG-dC) poly(dG-dC)在高盐下旋光性发在高盐下旋光性发在高盐下旋光性发在高盐下旋光性发生改变；生改变；生改变。