第04章_核酸之3-5.ppt

1、第四章核酸,4.3DNA的分子结构,一、DNA一级结构,1、概念：构成DNA的脱氧核苷酸按照一定的排列顺序，通过3,5-磷酸二酯键相连形成的线形结构。,（2）字母式书写 5 -pApCpGpTpAOH-3 5 -ACGTA-3,2、阅读和书写均由5 3 （1）线条式书写,3、一级结构的测定(测序),Sanger提出用双脱氧核苷酸测定DNA一级结构的双脱氧末端终止法使他于1980年第二次获得了Nobel化学奖。,双脱氧末端终止法测序原理如下图：,二、DNA的二级结构,上世纪20年代，Levene研究了核酸的化学结构并提出四核苷酸假说； 40年代末，Avery, Hershey和Chase的实验严

2、密地证实了DNA就是遗传物质； 50年代初，Chargaff应用紫外分光光度法结合纸层析等简单技术，对多种生物DNA作碱基定量分析，发现DNA碱基组成有如下规律：,（一）DNA的碱基组成（Chargaff法则）,不同生物来源的DNA四种碱基比例关系,同一生物的不同组织的DNA碱基组成相同； 同一种生物DNA碱基组成不随生物体的年龄、营养状态或者环境变化而改变； 几乎所有的DNA，无论种属来源如何，其腺嘌呤摩尔含量与胸腺嘧啶摩尔含量相同A = T，鸟嘌呤摩尔含量与胞嘧啶摩尔含量相同G = C，总的嘌呤摩尔含量与总的嘧啶摩尔含量相同AG=CT。 不同生物来源的DNA碱基组成不同，表现在AT/GC比

3、值的不同。这些结果后来为DNA的双螺旋结构模型提供了一个有力的佐证。,DNA碱基组成规律 Chargaff规则,（二）DNA的二级结构双螺旋结构,Watson, Crick （1953年）在Chargaff法则及Wilkins, Franklin的X线衍射工作基础上提出DNA的双螺旋（double helix）结构模型,James Watson，Francis Crick 以及 Maurice Wilkins三人因此发现共同获得了1962年Nobel医学和生理学奖,两条反向平行的多核苷酸链围绕同一中心轴相互缠绕进行右手螺旋。 碱基位于双螺旋内侧，磷酸和戊糖相间排列组成骨架，位于外侧。 螺旋平均

4、 d2 nm，碱基堆积距离0.34 nm，相邻核苷酸之间夹角为36，每旋转一周包含10碱基对(base pair，bp)，每周高度3.4 nm。,1、DNA双螺旋的基本特征,两条链的碱基之间互补配对方式为：AT, CG。 双螺旋表面有大沟（major groove）和小沟（minor groove）： 大沟：宽1.2 nm，深0.85 nm 小沟：宽0.6 nm，深0.75 nm,碱基配对的结构,DNA结构双螺旋结构的提出，被认为是本世纪生命科学史最重要的贡献之一，同时也是自然科学史上的重大贡献。它直接解释了生物遗传信息的传递与表达的规律，使生命科学从此进入一个崭新的时代即分子生物学时代。,2

5、、DNA双螺旋结构的稳定因素,碱基堆积力 链间氢键 疏水作用 其它次级键：离子键，范德华力,(三) DNA二级结构的多态性,所谓DNA二级结构的多态性，是指DNA不仅具有多种形式的双螺旋结构，而且还能形成三链、四链结构，说明DNA的结构是动态的，而不是静态的。 核酸的构型多样性是由于核酸主干链上各键和碱基的旋转造成的，而多链的DNA是特定的碱基序列导致的结果。,1. DNA双螺旋的不同构型,B-DNA螺旋：标准的Watson, Crick双螺旋，细胞常状态下DNA存在的构型。 (2) A-DNA螺旋：DNA在75%相对湿度的钠盐中的构型。 (3) C-DNA螺旋：DNA在66%相对湿度的锂盐中

6、的构型。 (4) Z-DNA螺旋：左手的DNA螺旋，这种螺旋可能在基因表达或遗传重组中起作用。, 与DNA碱基顺序相关的特殊二级结构,(1) 回文序列 指DNA某一片段旋转180 后,顺序不变的序列，回文序列中的单链可形成发夹结构。双链可形成十字架结构。这种发夹结构或十字架结构在大肠杆菌细胞DNA中已有发现。,核酸分子中的回文序列,单链的回文序列可形成发卡结构,双链回文序列可形成十字架结构,（2） 镜象结构,指DNA某一片段在一条链上出现颠倒重复的序列。,多嘌呤-多嘧啶的镜象序列可形成三螺旋结构(H-螺旋或 Hoogsteen 螺旋)：该螺旋常处在许多真核细胞基因的表达调节区。可能与基因表达的

7、调节有关。,3、三链与四链DNA,可能存在于真核细胞染色体特殊部位和结构，如端粒。,三、DNA的三级结构和真核细胞DNA的组装,(一) DNA的三级结构: 超螺旋,双螺旋DNA进一步扭曲盘绕则形成其三级结构，超螺旋是DNA三级结构的主要形式。 自从1965年Vinograd等人发现多瘤病毒的环形DNA的超螺旋以来，现已知道绝大多数原核生物都是共价封闭环(covalently closed circle, CCC)分子，这种双螺旋环状分子再度螺旋化成为超螺旋结构 (superhelix或supercoil)。,有些单链环形染色体(如174)或双链线形染色体(如噬菌体 )，在其生活周期的某一阶段，

8、也必将其染色体变为超螺旋形式。 对于真核生物来说，虽然其染色体多为线形分子但其DNA均与蛋白质相结合，两个结合点之间的 DNA 形成一个突环(loop)结构，类似于CCC分子，同样具有超螺旋形式。,超螺旋按其方向分为正超螺旋和负超螺旋两种。真核生物中，DNA与组蛋白八聚体形成核小体结构时，存在着负超螺旋。研究发现，所有的DNA超螺旋都是由DNA拓扑异构酶产生的。,(二) 真核细胞染色体的组装,染色体的基本结构单位是核小体。核小体是由DNA和组蛋白组成的。, 组蛋白有五种，H2A, H2B, H3, H4 各两分子构成一个八聚体，其外再由双螺旋DNA绕其旋转1.75圈(为DNA的三级结构)，约含

9、140 bp 。称为核小体的核心颗粒 (core particle)。,核小体结构, 由6个核小体念珠绕成 30 nm 纤维 (fiber),染色体组装的层次,第四章核酸,4.4RNA的分子结构,四、RNA的分子结构,(一) RNA的一级结构,定义：组成RNA的核苷酸按特定序列通过 3, 5-磷酸二酯键连接的线性结构。 (2) RNA共同的分子结构特点,均为单链RNA (single-strand RNA)。 碱基组成均包含 A、G、C、U 四种碱基。 成键方式均为3, 5 - 磷酸二酯键。 局部区域会形成发夹结构 (hairpin) 或称为茎环结构 (stem-loop)。,结构特点： 分子

10、大小约为25 kD，4 S，70 - 90 bp。 5 端多为pG，3端均为CCA-OH，用来接受活化的氨基酸。,(二) tRNA的结构,tRNA的三级结构： 倒L形,所有的tRNA折叠后形成大小相似及三维构象相似的三级结构，这有利于携带的氨基酸的tRNA进入核糖体的特定部位。,(三) rRNA的分子结构 1、含量最丰富，约占总RNA的80%。 2、rRNA的种类与大小,3、rRNA的二级结构与三级结构没有固定的模式,4、rRNA的功能是构成核糖体，在蛋白质的合成中起着催化肽键形成的作用。,(四) mRNA的分子结构特点,1、原核生物 原核生物的mRNA是多顺反子结构 顺反子(cistron)

11、：通过顺式与反式测验鉴定的遗传功能单位，也就是一个多肽链的基因，相应于一个多肽链的DNA顺序加上翻译的起始和终止信号。 多顺反子即一条mRNA可以翻译几条不同的多肽链。 转录的方式为共转录，即边转录边翻译 没有修饰成分,2、真核生物,真核生物的mRNA是单顺反子结构。 5 端有m7G5ppp5(m)N的帽子结构，3端有polyA尾巴。,编码区两端存在非编码区，即其基因是外显子(exon)和内含子(intron)相间排列的结构。,核苷酸上存在修饰成分，例如甲基化，磷酸化等。 转录方式为后转录，即翻译在转录之后进行，两者是独立分开,第四章核酸,4.5核酸的性质,一、物理性质 形态：DNA结晶为白色

12、纤维状，RNA结晶为白色粉末状。 溶解性：DNA，RNA都微溶于水，不溶于有机溶剂，例如乙醇 大小：DNA约为 51031.2108 bp，分子量约为3.310381010 kD；RNA约为几十到上千bp，分子量约为几万到几十万道尔顿。 等电点：DNA pI2.02.8，RNA pI44.5,三、变性与复性,1、变性 (denaturation） 由于某些因素，如温度升高，酸碱度改变，尿素等的影响，核酸双螺旋区的多聚核苷酸链间的氢键发生断裂，变成单链结构的过程。 变性之后的DNA其物理性质和化学性质都将发生改变。,(1) 增色效应 (hyperchromic effect)：DNA 变性之后，碱基堆积不复存在，藏于螺旋内部的碱基暴露出来，这样DNA对260nm的吸收值 (即A260) 比变性前明显增加。 (2) DNA的热变性与解链温度：通常把 DNA 的变性达到50%、即增色效应达到一半时的温度称为该 DNA的解链温度(melting temperature, Tm)。,Tm: 87 C,2、复性 (renaturation) 概念：变性DNA的两条互补单链，在适当的条件下，重新缔合形成双螺旋结构，其物理性质合化学性质随之恢复的过程。热变性的DNA复性又称为退火 (