湖南农业大学生物化学-02-核酸的结构与功能-01_PDF转换成word转换器

1、 第三章核酸的结构与功能 第三章核酸的结构与功能第一节核酸通论第二节核酸基本构件单位核苷酸第三节 DNA的分子结构第四节 RNA的分子结构第五节核酸的某些理化性质第六节核酸研究常用技术 第一节核酸通论一、核酸的研究历史和重要性二、核酸的种类和分布三、DNA储存遗传信息的证实Next 核酸的研究历史和重要性1869 Miescher从脓细胞的细胞核中分离出了一种含磷酸的有机物，当时称为核素（nuclein），后称为核酸（nucleic acid）；此后几十年内，弄清了核酸的组成及在细胞中的分布。1944 Avery等成功进行肺炎球菌转化试验； 1952年Hershey等的实验表明32PDNA可进

2、入噬菌体内，证明DNA是遗传物质。1953 Watson和Crick建立DNA结构的双螺旋模型，说明了基因的结构、信息和功能三者间的关系，推动了分子生物学的迅猛发展1958 Crick提出遗传信息传递的中心法则。1960年代 RNA研究取得大发展（操纵子学说，遗传密码，逆转录酶）。 核酸的研究历史和重要性（续）1970年代 建立DNA重组技术，改变了分子生物学的面貌，并导致生物技术的兴起。1980年代 RNA研究出现第二次高潮：ribozyme、反义RNA、“RNA世界”假说等等。1990年代以后实施人类基因组计划（HGP），开辟了生命科学新纪元。生命科学进入后基因组时代：功能基因组学（fun

3、ctional genomics）蛋白质组学（proteomics）结构基因组学（structural genomics）RNA组学（Rnomics）或核糖核酸组学（ribonomics）Back 核酸种类和分布脱氧核糖核酸（ deoxyribonucleic acid, DNA）：遗传信息的贮存和携带者，生物的主要遗传物质。在真核细胞中， DNA主要集中在细胞核内，线粒体和叶绿体中均有各自的DNA。原核细胞没有明显的细胞核结构， DNA存在于称为类核的结构区。每个原核细胞只有一个染色体，每个染色体含一个双链环状DNA。核糖核酸（ribonucleic acid, RNA）：主要参与遗传信息的

4、传递和表达过程，细胞内的RNA主要存在于细胞质中，少量存在于细胞核中，病毒中RNA本身就是遗传信息的储存者。另外在植物中还发现了一类比病毒还小得多的侵染性致病因子称为类病毒，它是不含蛋白质的游离的RNA分子，还发现有些RNA具生物催化作用（ribozyme）。Back 历史的步伐1910年代摩尔根通过果蝇实1865年孟德尔通过豌豆实验科学家发现：染色体主要组成成分是验证明了基因位于染色体 上。证明了生物的性状由遗传因子控制。?蛋白质和DNA1885-1907年间，德国柯塞尔（Kossel）鉴定了核酸的化学成分（1910年Nobel奖）。1912年，其学生Levene认为核酸中含有4种等量的核苷

5、酸。根据这一假说，核酸只是一简单的多聚物，使生物学但他认为决定染色体功能的是蛋白质！ 家失去了对它的关注 Avery肺炎双球菌体外转化实验S型菌株分离提取DNA+DNase多糖 脂类 蛋白质 RNA DNAR菌株 R菌株R菌株R菌株 R菌株 R菌株活活死亡活活活R菌株+S菌株R菌株R菌株R菌株R菌株R菌株 肺炎球菌转化实验图解溶解细胞获得II R型细胞（无毒）DNAIII S型细胞（有毒）DNAase降解后的DNAII R型细胞接受III S型DNA少数II R型细胞被转化产生III S型荚膜大多数仍为II R型只有II R型 Hershey和Chase的T2噬菌体侵染试验上清的放射性很高蛋白

6、质外壳并没有进入到大肠杆菌内短暂保温 离心沉淀物的放射性很低被的噬菌体 体与细菌混合35S标记 被 S标记的噬菌35离心后沉淀含被感染的细菌和新形成的噬菌体搅拌上清的放射性很低短暂保温 离心说明DNA进入到大肠杆菌内去了Back离心后被32P标记 被32P标记的噬的噬菌体 菌体与细菌混合搅拌沉淀物的放射性很高 第二节核酸基本结构单位核苷酸一、核苷酸的化学组成与命名1、碱基、核苷、核苷酸的概念和关系2、常见碱基的结构与命名法3、常见核苷的结构和命名4、常见（脱氧）核苷酸的基本结构与命名5、稀有核苷酸6、细胞内游离核苷酸及其衍生物二、核苷酸的生物学功能Back 1、碱基、核苷、核苷酸的概念和关系C

7、TUAGcytosine thymine uracil胞嘧啶 胸腺嘧啶 尿嘧啶adenine腺嘌呤guanine鸟嘌呤核酸(DNA,RNA)磷酸碱基核苷酸核糖核苷磷酸HOCH2OHHOCH2OH戊糖碱基HHHOHRibose (in RNA) Doxyribose (in DNA)D-核糖D-2-核糖 5-磷酸核苷酸的基本结构O（N = A、G、C、U、T）O P O CH5´ 2N碱基OOH1´磷酸4´HOHH3´2´OH (O)H核糖Back 碱基(base)是含氮的杂环化合物。腺嘌呤A嘌呤鸟嘌呤G存在于DNA和RNA中仅存在于RNA中碱基

8、胞嘧啶C嘧啶尿嘧啶U胸腺嘧啶T 仅存在于DNA中 2、基本碱基结构和命名 3、常见核苷结构和命名321911(uridine)(guanosine)(cytidine)(adenosine)腺苷鸟苷尿苷胞苷 3、常见核苷结构和命名(deoxyadenosine) (deoxyguanosine)(deoxycytidine)(deoxyuridine)脱氧腺苷 脱氧鸟苷 脱氧胞苷脱氧尿苷 4、核苷酸的结构和命名OHH腺嘌呤核苷酸（ AMP，腺苷酸）Adenosine monophosphate脱氧腺嘌呤核苷酸（dAMP,脱氧腺苷酸）Deoxyadenosine monophosphate鸟嘌呤

9、核苷酸（GMP，鸟苷酸） 脱氧鸟嘌呤核苷酸（dGMP,脱氧鸟苷酸）胞嘧啶核苷酸（CMP，胞苷酸） 脱氧胞嘧啶核苷酸（dCMP,脱氧胞苷酸）尿嘧啶核苷酸（UMP，尿苷酸） 脱氧胸腺嘧啶核苷酸（dTMP,脱氧胸苷酸） 常见（脱氧）核苷酸的结构和命名PPPP腺嘌呤核苷酸（AMP）鸟嘌呤核苷酸（GMP）尿嘧啶核苷酸（UMP）胞嘧啶核苷酸（CMP）PPPP脱氧腺嘌呤核苷酸（dAMP）脱氧鸟嘌呤核苷酸（dGMP）脱氧胸腺嘧啶核苷酸（dTMP）脱氧胞嘧啶核苷酸（dCMP） 5、几种稀有核苷H3C CH3HHH5HCH36假尿苷（j） 二氢尿嘧啶核苷（DHU）Amm A2N ,N 二甲基腺苷6 62O甲基腺苷

10、 6、细胞内游离核苷酸及其衍生物p多磷酸核苷酸p环核苷酸p辅酶类核苷酸Back 多磷酸核苷酸5´NMP，核苷一磷酸5´NDP，核苷二磷酸5´NTP，核苷三磷酸N=A、G、C、UAMP AdenosinemonophosphateADP Adenosine5´dNMP，脱氧核苷一磷酸5´dNDP，脱氧核苷二磷酸5´dNTP，脱氧核苷三磷酸N=A、G、C、TdiphosphateATP AdenosinetriphosphateBack 多磷酸核苷酸的功能各种核苷三磷酸和脱氧核苷三磷酸是体内合成RNA和DNA合成的直接原料。在体内能量代谢

11、中的作用：ATP能量“货币”UTP参加糖的互相转化与合成CTP参加磷脂的合成GTP参加蛋白质和嘌呤的合成 命名总结碱基核糖核苷核糖核苷酸 核苷二磷酸核苷三磷酸腺嘌呤核苷腺嘌呤核苷酸腺嘌呤核苷二磷酸（腺苷酸）腺嘌呤腺嘌呤核苷三磷酸（腺苷二磷酸） （腺苷三磷酸）（腺苷）鸟嘌呤核苷鸟嘌呤核苷酸鸟嘌呤核苷二磷酸（苷酸）鸟嘌呤鸟嘌呤核苷三磷酸（鸟苷二磷酸） （鸟苷三磷酸）（尿苷）胞嘧 胞嘧啶核苷胞嘧啶核苷酸胞嘧啶核苷二磷酸胞嘧啶核苷三磷酸（胞苷二磷酸） （胞苷三磷酸）啶（胞苷）（胞苷酸）胸腺 胸腺嘧啶核胸腺嘧啶核苷胸腺嘧啶核苷二磷胸腺嘧啶核苷三磷嘧啶 苷（胸苷）酸（胸苷酸）酸（胸苷二磷酸）酸（胸苷三磷酸

12、）尿嘧 尿嘧啶核苷尿嘧啶核苷酸尿嘧啶核苷二磷酸尿嘧啶核苷三磷酸啶（尿苷）（尿苷酸）（腺苷二磷酸） （腺苷三磷酸） 环核苷酸OA (G)CH2OHHO细胞功能HH的调节分子和信号分子OO POHOH3,5cAMP (3,5 cGMP)的结构 辅酶类的核苷酸NAD 、NADP 、CoA-SH、FAD等都含有 AMP+ +NADP+NAD+ 二、核苷酸的生物学功能1、核酸的结构单位2、细胞中能量的携带者（如ATP、GTP、CTP、TTP）3、酶辅助因子结构成分（如NAD）4、信号传导的载体（如cAMP、cGMP）Back 第三节 DNA的分子结构一、核酸分子中的共价键二、 DNA一级结构三、 DNA

13、的二级结构四、 DNA的三级结构 核苷酸5¢3¢碱基1核酸之分间的子3 ¢ 5 ¢磷酸二酯键共中键5¢碱基2价3¢Back 二、DNA的一级结构定义： DNA分子中各脱氧核苷酸之间的连接方式（3´,5´磷酸二酯键）和排列顺序叫做DNA的一级结构，简称为碱基序列。一级结构的走向的规定为5´3´。不同的DNA分子具有不同的核苷酸排列顺序，因此携带有不同的遗传信息。一级结构的表示法：结构式，线条式，字母式 DNA一级结构的表示法线条式结构式G C A T T5´ P P P P P3

14、0;OH5´5´pGpCpApTpT-OH 3´3´字母式5´ GCATT 3´GCATTBack 三、DNA的二级结构（1） DNA的双螺旋结构 (Watson-Crick模型)（2） DNA双螺旋的多态性（3）DNA的三股螺旋Back （1）DNA的双螺旋结构(Watson-Crick模型)DNA 双链的螺旋型空间结构称DNA的二级结构(secondary structure of DNA)。1953年Watson和Crick提出DNA的双螺旋结构(DNA double helix, duplex)，是20世纪自然科学最重要的发现

15、之一，对生命科学的发展具有划时代的意义。 双螺旋结构的主要实验依据（1）X-射线衍射数据Franklin和Wilkins发现不同来源的DNA纤维具有相似的X-射线衍射图谱，而且延长轴有0.34nm和3.4nm两个重要的周期性变化，说明DNA可能有共同的空间结构。用高度定向的DNA纤维得到的高质量X-光衍射照片 双螺旋结构的主要实验依据（2）DNA碱基组成的Chagaff规则1940年代，Chargaff等应用纸层析及紫外分光广度技术对多种生物DNA的碱基组成进行分析，发现DNA中腺嘌呤和胸腺嘧啶的数目基本相等，胞嘧啶和鸟嘌呤的数目基本相等，这一规律被称作Chargaff规则(Chargaffs

16、 rules)。所有DNA中的碱基组成必定是A=T,C=G，这暗示了A与T，C与G配对的可能性。 1953年Watson和Crick提出DNA的双螺旋结构模型，从此，核酸的研究成了生命科学中最活跃的领域之一。 DNA的双螺旋模型特点1、两条反向平行的多聚核苷酸链沿一个假设的中心轴右旋相互盘绕而形成。2、磷酸和脱氧核糖间隔相连的亲水骨架位于双螺旋外侧，而疏水的碱基对位于螺旋内部，链间碱基按A - T，G - C配对3、螺旋直径2nm，相邻碱基平面垂直距离 0.34nm，螺旋结构每隔 10个碱基对（base pair, bp）重复一次，螺距为3.4nm4、两条链配对偏向一侧，形成一条大沟和一条小沟

17、。 影响DNA双螺旋结构稳定的因素1、氢键2、碱基堆集力（疏水作用和范德华力）3、磷酸基上负电荷：可被胞内组蛋白或阳离子中和而屏蔽4、碱基分子内能：升温可破坏DNA双螺旋结构 DNA的双螺旋结构的意义DNA双螺旋结构模型揭示了 DNA作为遗传物质的稳定性特征，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，是本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。Back （2）DNA 双螺旋构象的多态性螺距 碱基数 螺旋直径 骨架旋向存在条件生理状况(nm) （每圈） （nm） 走行RNA双螺旋及

18、RNA-DNA杂交链2.31110122.5 平滑2.3 平滑75%相对湿度A型 右手B型 右手 3.4Z型 左手 4.592%相对湿度 最常见的DNA构象基因表达调控与基因重组1.8嘌呤嘧啶交替出现锯齿型 （3）DNA 的三股螺旋（triplex）TA*TCG*C+TA*ACG*GDNA的三链结构DNA三链间的碱基配对（Hoogsteen 配对）DNA分子内的三链结构 四、DNA的三级结构1、什么是DNA的三级结构？（定义）2、超螺旋 DNA（Supercoiled DNA）1）超螺旋DNA的形成2）DNA超螺旋状态的定量描述3）DNA超螺旋结构形成的重要意义Back DNA三级结构的定义D

19、NA的三级结构，是指双螺旋DNA分子通过扭曲和折叠所形成的特定构象，包括不同二级结构单元间的相互作用、单链和二级结构单元间的相互作用以及DNA的拓扑特征。超螺旋是DNA三级结构的一种普遍形式，双螺旋DNA处于松驰状态时所形成的超螺旋为负超螺旋，处于拧紧状态时所形成的超螺旋为正超螺旋 。天然的DNA都呈负超螺旋，但在体外人工条件下可得正超螺旋。Back 螺旋和超螺旋电话线螺旋超螺旋Back DNA超螺旋的形成23 15L=25,T=25,W=0201510152025松弛环形10151510152023旋转拧松两匝后的线形DNA1234218131620L=23,T=23,W=0解链环形5123

20、L=23,T=25,W=2负公式L=T+W15超螺旋10Back 超螺旋状态的定量描述超螺旋的拓扑学公式：L = T + WL为连环数（linking number）：DNA双螺旋中一条链以右手螺旋与另一条链缠绕的总次数。T指DNA分子中的扭转数（twisting number）：DNA分子中的WatsonCrick螺旋数。W为超螺旋数或缠绕数（writhing number） DNA超螺旋结构形成的意义·使DNA形成高度致密状态从而得以装入核中；负超螺旋DNA易于解链，DNA的复制、重组和转录都需将两条链解开。因此负超螺旋有利于这些功能的进行。 （一）原核生物DNA的环状超螺旋结构n细菌染色体DNA、质粒DNA和真核生物线粒体、叶绿体中的DNA是共价封闭的环状双螺旋。n在生物体内，绝大多数双链环状DNA(double-strand circular DNA, dcDNA)即共价闭环DNA(covalently closed circular DNA, cccDNA)可进一步扭曲成超螺旋DN