生物化学核酸dna的结构和功能培训课件

生物化学核酸dna的结构和功能三核酸的结构（一）核酸的一级结构核酸分子的基本构成单位是核苷酸，核酸分子是核苷酸的多聚体，是无分支的直线形或环形多核苷酸长链。（与蛋白质进行比较）定义：核酸的一级结构指组成核酸的各核苷酸之间连接键的性质及各核苷酸残基沿多核苷酸链排列的顺序。DNA的碱基顺序本身就是遗传信息存储的分子形式。生物界物种的多样性即寓于DNA分子中四种脱氧核苷酸千变万化的不同排列组合之中。2生物化学核酸dna的结构和功能DNA的碱基组成（Chargaff定则）：（1）在所有的DNA中，A=T，G=C即A+G=T+C（2）DNA的碱基组成具有种的特异性，即不同生物物种的DNA具有自己独特的碱基组成，但没有组织和器官的特异性。三核酸的一级结构3生物化学核酸dna的结构和功能三核酸的一级结构1、核苷酸的连接方式许多单核苷酸通过3`、5`-磷酸二酯键就连成了多核苷酸链，核苷酸的戊糖和磷酸通过3`、5`-二酯键构成了多核苷酸链的主链（结构骨架），并在主链上不断重复。多核苷酸的碱基作为侧链从主链向外伸出。4生物化学核酸dna的结构和功能三核酸的一级结构1、核苷酸的连接方式核酸分子非常象一串念珠，每个念珠叫核苷酸，由三个小分子组成：一个糖分子，一个磷酸分子，一个碱基分子。在碱基上，更正确地说，在碱基的序列上，携带着信息，复制的秘诀就在于此。

核酸分子或一段多核苷酸链都有两个末端。3`-羟基不再参与构成磷酸二酯键的一端叫3`-末端，C5`-磷酸基不再参与构成磷酸二酯键的一端叫5`-末端。5生物化学核酸dna的结构和功能2.DNA一级结构的表示方法（1）结构式表示法：（2）线条式表示法：（3）字母式表示法：书与文献中6生物化学核酸dna的结构和功能2.DNA一级结构的表示方法注意：碱基顺序是从5`→3`，代表特定的化合物，不允许颠倒，各简化式的书写或读，从左到右应与碱基的从5`→3`的顺序一致。7生物化学核酸dna的结构和功能DNA测序的生物学意义

DNA是遗传信息的储存者和发布者，遗传信息是由碱基序列体现的，碱基序列略有改变，即可引起遗传信息的显著改变。所以DNA测序是研究DNA功能的基础，非常重要。DNA测序的实验方法（20世纪70年代三大进展促进了DNA的测序工作——限制性核酸内切酶的发现；改进多核苷酸片段的电泳分离法；DNA的克隆技术）酶法和化学法（Sanger和Gilbert法）3.核酸一级结构的研究方法：8生物化学核酸dna的结构和功能1、DNA的空间结构DNA的空间结构：指DNA多核苷酸链内或链与链之间通过氢键折叠卷曲而成的构象。包括二级结构与三级结构。9生物化学核酸dna的结构和功能1、DNA的二级结构DNA的二级结构指DNA的双螺旋结构。10生物化学核酸dna的结构和功能1、DNA的二级结构（1）、关于DNA结构的发现

1953年，J.Watson和F.Crick在前人研究工作的基础上，根据DNA纤维和DNA结晶的X-衍射图谱分析及DNA碱基组成的定量分析以及DNA中碱基的物化数据测定，提出了著名的DNA双螺旋结构模型，并对模型的生物学意义作出了科学的解释和预测。由于这一科学成果，沃森、克里克和威尔金斯共同获得1962年度诺贝尔医学和生理学奖。1953年沃森25岁，克里克37岁。沃森和克里克1953年提出的DNA分子结构模可以与达尔文的进化论、孟德尔的遗传定律相媲美，为探讨遗传学的化学基础开辟了一个新纪元，引起了生物学的一场伟大革命。11生物化学核酸dna的结构和功能（2）．DNA双螺旋结构的要点1、DNA的二级结构①DNA分子由两条多聚脱氧核糖核苷酸链(简称DNA单链)组成。两条链沿着同一根轴平行盘绕，形成右手双螺旋结构。螺旋中的两条链方向相反，即其中一条链的方向为5′→3′，而另一条链的方向为3′→5′，螺旋结构上有大沟和小沟。12生物化学核酸dna的结构和功能②嘌呤碱和嘧啶碱基位于螺旋的内侧，磷酸和脱氧核糖基位于螺旋外侧，彼此以3′-5′磷酸二酯键连接，形成DNA分子的骨架。碱基环平面与螺旋轴垂直，糖基环平面与碱基环平面成90°角。（2）.DNA双螺旋结构的要点各个碱基对之间保持相等的距离，并以平行钻台互相重叠，重叠的碱基对之间由于纵向的范德华力（碱基堆积力）使螺旋更加稳定。13生物化学核酸dna的结构和功能③螺旋横截面的直径约为2nm，每条链相邻两个碱基平面之间的距离为0.34nm，每10个核苷酸形成一个螺旋，其螺矩（即螺旋旋转一圈）高度为3.4nm。2.DNA双螺旋结构的要点14生物化学核酸dna的结构和功能2.DNA双螺旋结构的要点④双螺旋内部的碱基按规则配对，碱基的相互结合具有严格的配对规律，即腺嘌呤（A）与胸腺嘧啶（T）结合，鸟嘌呤（G）与胞嘧啶（C）结合，这种配对关系，称为碱基互补。A和T之间形成两个氢键，G与C之间形成三个氢键。

双螺旋的两条链是互补关系。15生物化学核酸dna的结构和功能DNA的双螺旋结构的形成5´3´5´3´5´3´5´3´磷酸核糖碱基T-A碱基对C-G碱基对16生物化学核酸dna的结构和功能DNA双螺旋结构提出的生物学意义第一次阐述了遗传信息的储存方式及DNA复制的机理，以准确的语言回答了DNA是如何成为遗传物质的。大大推动了分子生物学和分子遗传学的发展，被誉为20世纪最伟大的发现之一。17生物化学核酸dna的结构和功能（3）．DNA双螺旋的稳定因素DNA双螺旋结构在生理条件下是很稳定的。维持这种稳定性的主要因素包括：两条DNA链之间碱基配对形成的氢键和碱基堆积力；另外，存在于DNA分子中的一些弱键在维持双螺旋结构的稳定性上也起一定的作用。即磷酸基团上的负电荷与介质中的阳离子间形成的离子键及范德华力。改变介质条件和环境温度，将影响双螺旋的稳定性。18生物化学核酸dna的结构和功能（4）．DNA双螺旋结构的几种构象几种DNA螺旋结构的参数类

型

碱基倾角

碱基间距（nm）

每圈碱基数

螺

距(nm)螺旋直径（nm）

B-DNA

Z-DNA

0-119-209

0.34

0.23

0.37

10

11

123.32-3.4

2.46-2.53

4.56

2.0-2.37

2.55

1.8-1.84C-DNAD-DNAtsDNA

A-DNAB-DNA：在相对湿度为92%时的DNA钠盐。接近DNA在细胞中的构象。A-DNA：在相对湿度为75%以下时的DNA纤维。Z-DNA：左手螺旋（A.Rich的工作）.ts-DNA：三股螺旋(在分子内或分子间形成,分子内形成时需要低pH下胞嘧啶质子化,故称H-DNA)19生物化学核酸dna的结构和功能

Z-DNAB-DNAP原子走向锯齿形、左手螺旋平滑、右手螺旋每圈碱基数1210碱基对平面间距离0.37nm0.34nm直径1.8nm2nm碱基对平面倾角20000形态中心轴不穿过碱基对平面穿过碱基对在螺旋外侧靠近中心只有一条小沟一大沟、一小沟G上的C8、N7外露、易受攻击否20生物化学核酸dna的结构和功能21生物化学核酸dna的结构和功能（三）DNA的三级结构定义：DNA的三级结构指DNA分子（双螺旋）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、单链与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三级结构的一种类型。超螺旋即DNA双螺旋的螺旋。负超螺旋松弛形解链环形22生物化学核酸dna的结构和功能解链环形L=23T=23W=0松弛环形L=25T=25W=0负超螺旋L=23T25W=-223生物化学核酸dna的结构和功能螺旋和超螺旋电话线螺旋超螺旋24生物化学核酸dna的结构和功能真核生物染色体的形成过程：DNA双链以左手螺旋缠绕在组蛋白形成的八聚体核心上即核小体螺线体超螺线体染单体。①、核小体：压缩7倍②、螺线体：压缩6倍③、超螺线体：压缩40倍④、染色体：压缩6倍

25生物化学核酸dna的结构和功能真核生物的染色质丝组蛋白八聚体：H2AH2BH3H4各2个分子从DNA到染色质丝，DNA压缩了近100倍，若从DNA到最后凝缩成染色体，DNA压缩了近万倍。26生物化学核酸dna的结构和功能核小体27生物化学核酸dna的结构和功能四、DNA和基因组织（自学）28生物化学核酸dna的结构和功能（一）RNA一级结构的特点

RNA一级结构研究最多的是tRNA、rRNA以及一些小分子的RNA。组成RNA的核苷酸也是以3′-5′磷酸二酯键连接。其中1.tRNA一级结构具有以下特点：分子量25000左右，大约由70－90个核苷酸组成，沉降系数为4S左右。分子中含有较多的修饰成分。3′-末端都具有CpCpAOH的结构。5′端多为pG,也有pC。五、RNA的结构与功能29生物化学核酸dna的结构和功能tRNA概述约占总RNA的10-15%。它在蛋白质生物合成中起翻译氨基酸信息，并将相应的氨基酸转运到核糖核蛋白体的作用。已知每一个氨基酸至少有一个相应的tRNA。tRNA分子的大小很相似，链长一般在73-93个核苷酸之间。30生物化学核酸dna的结构和功能mRNA概述约占总RNA的5%。不同细胞的mRNA的链长和分子量差异很大。它的功能是将DNA的遗传信息传递到蛋白质，指导蛋白质的合成。31生物化学核酸dna的结构和功能mRNA一级结构真核：单顺反子、5’-末端有“帽子”、3’-末端有polyA片段和非编码区和非编码区原核：多顺反子5’-末端无“帽子”、3’-末端无polyA片段（病毒除外）有非编码区有非编码区顺反子：mRNA上具有翻译功能的核苷酸顺序。polyA片段：指20-250个多聚腺苷酸。“帽子”结构：5’-末端的G被甲基化，通过焦磷酸与另一个发生了核糖上甲基化的核苷酸以5’、5’-磷酸二酯键相连。32生物化学核酸dna的结构和功能mRNA5’-末端的“帽子”结构

可能功能：抗核酸酶的水解；与蛋白质合成起始有关；作为mRNA与核糖体40S亚基结合的信号。34生物化学核酸dna的结构和功能rRNA(核糖体RNA)概述约占全部RNA的80%，是核糖核蛋白体的主要组成部分。rRNA的功能与蛋白质生物合成相关，可分别与mRNA、tRNA作用，催化肽键的形成。35生物化学核酸dna的结构和功能rRNA动物细胞核糖体rRNA有四类：5SrRNA，5.8SrRNA，18SrRNA，28SRNA。许多rRNA的一级结构及由一级结构推导出来的二级结构都已阐明，但是对许多rRNA的功能迄今仍不十分清楚。与tRNA不同，rRNA的甲基化多发生在核糖上。真核生物的rRNA中修饰核苷比原核生物多。36生物化学核酸dna的结构和功能(二)RNA的高级结构RNA是单链分子，因此，在RNA分子中，并不遵守碱基种类的数量比例关系，即分子中的嘌呤碱基总数不一定等于嘧啶碱基的总数。RNA分子中，部分区域也能形成双螺旋结构（类似A-DNA双螺旋结构），不能形成双螺旋的部分，则形成突环。这种结构可以形象地称为“发夹型”结构或茎环结构。37生物化学核酸dna的结构和功能在RNA的双螺旋结构中，碱基的配对情况不象DNA中严格。G除了可以和C配对外，也可以和U配对。G-U配对形成的氢键较弱。不同类型的RNA,其二级结构有明显的差异。tRNA中除了常见的碱基外，还存在一些稀有碱基，这类碱基大部分位于突环部分.(二)RNA的高级结构38生物化学核酸dna的结构和功能tRNA的高级结构1、tRNA的二级结构tRNA的结构的共同点：①、分子量在25，000d，由70～90个核苷酸组成，沉降系数都在4S左右。②、碱基组成中，有较多的稀有碱基。③、在已知的tRNA种，90%的都含有-GTψC-系列，构成特殊的突环，对tRNA的结构和功能很重要，特别是维持三级结构与核糖体结合有重要作用。④、3`-末端皆为……CpCpAOH⑤、5`-末端大多数为pG……，也有pC……。⑥、二级结构都呈三叶草型。由氨基酸臂，二氢尿嘧啶环，反密码环，可变环（额外环）和TψC环五部分组成。39生物化学核酸dna的结构和功能1、tRNA的二级结构tRNA的二级结构大都呈“三叶草”形状，在结构上具有某些共同之处，一般可将其分为四臂四环：包括氨基酸接受臂、反密码（环）臂、二氢尿嘧啶（环）臂、TC（环）臂和可变环。除了氨基酸接受区外，其余每个区均含有一个突环和一个臂。

40生物化学核酸dna的结构和功能(1)氨基酸接受区

包含有tRNA的3’-末端和5’-末端，3’-末端的最后3个核苷酸残基都是CCA，A为腺苷酸。氨基酸可与其成酯，该区在蛋白质合成中起携带氨基酸的作用。

(2)反密码区

与氨基酸接受区相对，一般环