生物化学：7-核酸1

1 1第七章第七章核核酸酸生物化学 2 2 2第一节第一节概述概述第二节第二节单糖单糖第三节第三节寡糖寡糖第四节第四节多糖多糖第五节第五节结合糖结合糖本本章章提提纲纲第一节第一节概述概述第二节第二节单糖单糖第三节第三节寡糖寡糖第四节第四节多糖多糖第五节第五节结合糖结合糖第一节第一节概述概述第二节第二节单糖单糖第三节第三节寡糖寡糖第四节第四节多糖多糖第五节第五节结合糖结合糖第一节第一节核酸概论核酸概论第二节第二节核酸的结构单元核酸的结构单元核苷酸核苷酸第三节第三节核酸的结构核酸的结构第四节第四节核酸的性质核酸的性质第五节第五节核酸研究技术核酸研究技术3 3第一节 核酸概论（P470）4 4一、核酸的发现和研究简史一、核酸的发现和研究简史 p470p470第一节 核酸概论基因是片段因子基因是片段因子染色体是遗传单位染色体是遗传单位基因位于染色体上基因位于染色体上染色体上包含线状排列的基因染色体上包含线状排列的基因突变是基因的物理变化突变是基因的物理变化交换导致重组交换导致重组DNADNA是遗传物质是遗传物质一个基因编码一个蛋白质一个基因编码一个蛋白质DNADNA是双螺旋的是双螺旋的DNADNA复制是半保留的复制是半保留的遗传的密码是三联体的遗传的密码是三联体的DNADNA是可以测序的是可以测序的基因组是可以测序的基因组是可以测序的. .5 5第一节 核酸概论6 6第一节 核酸概论7 7第一节 核酸概论n 从小牛胸腺里提取了核酸从小牛胸腺里提取了核酸动物核酸动物核酸DNADNAn 从酵母中也提出一种核酸从酵母中也提出一种核酸植物核酸植物核酸RNARNAn 细胞核里的核酸与小牛胸腺的核酸相似细胞核里的核酸与小牛胸腺的核酸相似, ,而细胞质里的核酸而细胞质里的核酸与植物核酸相似与植物核酸相似. .n 经过一系列的研究经过一系列的研究, ,到核酸的化学组成到核酸的化学组成, ,由四种核苷酸组成。由四种核苷酸组成。两者的差别主要是核糖的不同，两者的差别主要是核糖的不同，DNADNA是脱氧核糖，是脱氧核糖，RNARNA是是核糖核糖( Hammars,1894)( Hammars,1894)。n细胞核里的核酸称为脱氧核糖核酸（细胞核里的核酸称为脱氧核糖核酸（DNADNA）n细胞质里的核酸称为核糖核酸（细胞质里的核酸称为核糖核酸（RNARNA）8 8四核苷酸假说四核苷酸假说 PhoebusLevene(Russian-American,（1869-1940)第一节 核酸概论贡献：核酸的化学结构及核酸中糖的鉴定贡献：核酸的化学结构及核酸中糖的鉴定9 9第一节 核酸概论S：荚膜致病肺炎球菌：荚膜致病肺炎球菌R：无荚膜非致病肺炎球菌：无荚膜非致病肺炎球菌 19281928，格里菲斯，格里菲斯(Griffith) (Griffith) 肺炎双球菌转化实验肺炎双球菌转化实验 - - 死菌复活之谜死菌复活之谜1010第一节 核酸概论只有只有DNA能使一部分能使一部分R细胞转化成细胞转化成S细胞细胞 1944 1944 ， 艾弗里艾弗里(Avery) (Avery) 格里菲斯之谜格里菲斯之谜1111第一节 核酸概论1952 1952 ， A.D Hershey A.D Hershey 和和M. Chase M. Chase 噬菌体感噬菌体感染实验染实验1212查格夫 (Chargaff) 定律 (1950s):Edwin Chagraff (1905-2002)第一节 核酸概论来自不同种属的来自不同种属的DNA的的4种碱基组成不种碱基组成不同同，例如：来自人、猪、羊、牛、细菌和，例如：来自人、猪、羊、牛、细菌和酵母菌的酵母菌的DNA的碱基的数量和相对比例很的碱基的数量和相对比例很不相同，即不相同，即DNA的碱基组成具有的碱基组成具有种属的特种属的特异性异性。但但来自同一种属不同组织的来自同一种属不同组织的DNA样品样品具有相同的碱基组成，即碱基组成没有组具有相同的碱基组成，即碱基组成没有组织和器官的特异性。织和器官的特异性。对于一个给定种属的对于一个给定种属的DNA碱基组成不会随有机体的年龄、营养碱基组成不会随有机体的年龄、营养状态和环境变化而改变。状态和环境变化而改变。1313查格夫查格夫 (Chargaff) (Chargaff) 定律定律 (1950s):(1950s):DNADNA中嘌呤碱基等于嘧啶碱基。中嘌呤碱基等于嘧啶碱基。% A+ % G= % T+ % C% A+ % G= % T+ % C%A=%T and %G=%C%A=%T and %G=%C 所有所有DNADNA中碱基组成必定是中碱基组成必定是A=TA=T，G=CG=C，这一规律暗示，这一规律暗示A A与与T T，C C与与G G相互配对的可能性，为相互配对的可能性，为WatsonWatson和和CrickCrick提出提出DNADNA双螺旋结双螺旋结构提供了重要依据。构提供了重要依据。Edwin Chagraff (1905-2002)第一节 核酸概论1414 JamesWatson(American,1928-) FrancisCrick(British,1916-2004)第一节 核酸概论RosalindFranklin(1920-1958)andMauriceWilkins(1916-)15151960年年1973年年u发现了逆转录酶发现了逆转录酶.u发现了基因工程的工具发现了基因工程的工具酶酶.u1972年由年由Con实现了实现了DNA的体外重组的体外重组.1973年以后年以后u明确了基因的概念明确了基因的概念.u基因工程的兴起基因工程的兴起.u一级结构的顺序测定的一级结构的顺序测定的发展发展.u高级结构的测定高级结构的测定.u核酸的人工合成核酸的人工合成.u人类基因组人类基因组1616二、核酸的种类和分布二、核酸的种类和分布第一节 核酸概论1717（一）脱氧核糖核酸（一）脱氧核糖核酸(deoxyribonucleic acid , DNA)(deoxyribonucleic acid , DNA)原核：裸露的原核：裸露的DNADNA分子集中于核区分子集中于核区真核：细胞核真核：细胞核DNADNA：与组蛋白、非组蛋白形成染色体：与组蛋白、非组蛋白形成染色体 细胞器细胞器DNADNA：双链环形，一般裸露：双链环形，一般裸露二、核酸的种类和分布二、核酸的种类和分布第一节 核酸概论1818（二）核糖核酸（二）核糖核酸（ribonucleic acid , RNA)ribonucleic acid , RNA)1 1、转移、转移RNARNA（transfer RNA , tRNA)transfer RNA , tRNA)2 2、核糖体、核糖体RNARNA（ribosomal RNA , rRNA)ribosomal RNA , rRNA)3 3、信使、信使RNARNA（messenger RNA , mRNA)messenger RNA , mRNA)第一节 核酸概论原核真核都原核真核都有：参与蛋有：参与蛋白质合成白质合成tRNA：保守性最强，占总RNA的15%左右，起携带氨基酸并识别密码子的作用；rRNA：占总RNA的80%左右，构成核糖体，蛋白质的装配机器，能催化肽键的形成（核酶）；mRNA：占总RNA的5%左右，在蛋白质合成中起模板作用，它将DNA的遗传信息传递给蛋白质。1919第一节 核酸概论2020第一节 核酸概论2121第一节 核酸概论22 20 20世纪世纪4040年代年代DNADNA和和RNARNA都是细胞的重要组成物质，都是细胞的重要组成物质，前者可引起遗传性状的转化，后者可能参与蛋白质的生前者可引起遗传性状的转化，后者可能参与蛋白质的生物合成。物合成。（一）（一）DNADNA是主要的遗传物质是主要的遗传物质第一节 核酸概论三、核酸的生物功能三、核酸的生物功能2323第一节 核酸概论基因与基因与DNA的关系：基因是的关系：基因是DNA的一个片段的一个片段2424第一节 核酸概论2525（二）（二）RNARNA参与蛋白质的生物合成参与蛋白质的生物合成 证据：显微紫外分光光法，组织化学法，化学分析方证据：显微紫外分光光法，组织化学法，化学分析方法测法测生长和分泌旺盛进行蛋白质生物合成的细胞中生长和分泌旺盛进行蛋白质生物合成的细胞中RNARNA含量特别丰富含量特别丰富。（三）（三）RNARNA功能的多样性功能的多样性1 1、参与蛋白质的合成、参与蛋白质的合成 2 2、RNARNA的转录后加工与修饰的转录后加工与修饰3 3、参与基因表达的调控、参与基因表达的调控4 4、生物催化作用、生物催化作用5 5、遗传信息的加工与进化、遗传信息的加工与进化第一节 核酸概论三、核酸的生物功能三、核酸的生物功能2626第二节 核酸的结构单元核苷酸 P478核核 酸（酸（nucleic acid)nucleic acid)核苷酸核苷酸(nucleotide)(nucleotide) 磷酸磷酸 (phosphoric acid)(phosphoric acid)核苷核苷(nucleoside)(nucleoside) 戊糖戊糖(pentose)(pentose)碱 基碱 基(base)(base)一、核酸的化学组成一、核酸的化学组成2727第二节 核酸的结构单元核苷酸2828两类核酸的基本化学组成两类核酸的基本化学组成P479 P479 表表13-113-1第二节 核酸的结构单元核苷酸2929BaseSugarAcid核苷酸的基本构造MonophosphateDiphosphateTriphosphateAdenineGuanineThymineCytosineUracilNucleoside (Adenosine)Nucleotide (Adenosine monophosphate, AMP)PurinePyrimidine核苷核核苷苷酸酸磷 酸五碳糖 Ribose, Deoxyribose碱 基12345Juang RH (2004) BCbasics3030 核苷酸中的碱基均为核苷酸中的碱基均为含氮杂环含氮杂环化合物化合物，它们分别属于嘌呤衍生，它们分别属于嘌呤衍生物和嘧啶衍生物。核苷酸中的嘌物和嘧啶衍生物。核苷酸中的嘌呤 碱呤 碱 ( p u r i n e )( p u r i n e ) 主 要 是主 要 是 鸟 嘌 呤鸟 嘌 呤(guanine, G)(guanine, G)和和腺嘌呤腺嘌呤(adenine, A)(adenine, A)，嘧啶碱嘧啶碱(pyrimidine)(pyrimidine)主要是主要是胞嘧啶胞嘧啶(cytosine, C)(cytosine, C)、尿嘧啶尿嘧啶(uracil, U)(uracil, U)和和胸腺嘧啶胸腺嘧啶(thymine, T)(thymine, T)。 第二节 核酸的结构单元核苷酸P479 结构式NNNNH嘌呤嘌呤嘧啶嘧啶NN（一）碱基（一）碱基二、核酸组成部分的化学结构二、核酸组成部分的化学结构3131第二节 核酸的结构单元核苷酸（一）碱基（一）碱基 嘌呤和嘧啶环中含有嘌呤和嘧啶环中含有共轭双键共轭双键，对，对260nm260nm左右波长的左右波长的紫外光有较强的吸收。碱基的这一特性常被用来对碱紫外光有较强的吸收。碱基的这一特性常被用来对碱基、核苷、核苷酸和核酸进行定性和定量分析基、核苷、核苷酸和核酸进行定性和定量分析. .嘌呤嘌呤嘧啶嘧啶3232嘧啶嘧啶NN第二节 核酸的结构单元核苷酸1、嘧啶、嘧啶NHNONH2胞嘧啶胞嘧啶CNHNHOO尿嘧啶尿嘧啶UNHNHOOCH3胸腺嘧啶胸腺嘧啶TNHNONH2CH35-甲基胞嘧啶甲基胞嘧啶NHNONH2CH2OH5-羟甲基胞嘧啶羟甲基胞嘧啶3333NNNNHNH2NHNNNHOH2NNNNNH第二节 核酸的结构单元核苷酸2、嘌呤、嘌呤 嘌呤嘌呤腺嘌呤腺嘌呤鸟嘌呤鸟嘌呤六元环是实际上是嘧啶环，五元环部分是咪唑环。六元环是实际上是嘧啶环，五元环部分是咪唑环。嘌呤的定位与嘧啶不同，嘧啶从底边开始定，而嘌嘌呤的定位与嘧啶不同，嘧啶从底边开始定，而嘌呤从侧面开始定位。呤从侧面开始定位。34第二节 核酸的结构单元核苷酸3、稀有碱基（修饰碱基）、稀有碱基（修饰碱基）修饰主要是甲基化，修饰主要是甲基化，RNA中以中以tRNA含修饰碱基最多。含修饰碱基最多。NHNHOOHH二氢尿嘧啶NNNNHNHCH36-甲基腺嘌呤3535第二节 核酸的结构单元核苷酸4、碱基互变异构、碱基互变异构核酸中五种碱基中的核酸中五种碱基中的酮基酮基和和氨基氨基，均位于碱基环，均位于碱基环中氮原子的邻位，可以发生中氮原子的邻位，可以发生酮式酮式-烯醇式烯醇式或或氨基氨基-亚氨亚氨基基之间的结构互变。这种之间的结构互变。这种互变异构互变异构在基因的突变和生在基因的突变和生物的进化中具有重要作用。物的进化中具有重要作用。3636第二节 核酸的结构单元核苷酸（二）戊糖（二）戊糖核酸中的戊糖是D型的，有核糖(ribose)和脱氧核糖(deoxyribose)两种，分别存在于核糖核苷酸和脱氧核糖核苷酸中。为了与碱基标号相区别，通常将戊糖的C原子编号都加上撇“ ”，而碱基中原子的标号不加撇，以示区别。OHOHHHHCH2OHHOHOOHOHHHHCH2OHHOH无氧无氧1核糖核糖脱氧核糖脱氧核糖37373838第二节 核酸的结构单元核苷酸三、核苷三、核苷 (nucleoside)戊糖与嘧啶或嘌呤碱以C-N糖苷键糖苷键连接就称为核苷核苷，通常是戊糖的C1与嘌呤碱的N9或嘧啶碱的N1相连接。 OHOHHHHCH2OHHOHOOHOHHHHCH2OHHOHNNNNHNH2OOHOHHHHCH2OHHNNNNNH291NHNONH2OHOHHHHCH2OHHNNONH211腺嘌呤核苷腺嘌呤核苷胞嘧啶脱氧核苷胞嘧啶脱氧核苷b型糖苷键,碱基与糖环平面互相垂直3939第二节 核酸的结构单元核苷酸1、常见核苷、常见核苷各种常见核苷碱基 核糖核苷 脱氧核糖核苷嘌呤腺嘌呤鸟嘌呤腺嘌呤核苷鸟嘌呤核苷腺嘌呤脱氧核苷鸟嘌呤脱氧核苷嘧啶胞嘧啶尿嘧啶胸腺嘧啶胞嘧啶核苷尿嘧啶核苷-胞嘧啶脱氧核苷-胸腺嘧啶核苷4040第二节 核酸的结构单元核苷酸2、稀有核苷、稀有核苷次黄(嘌呤核)苷假尿嘧啶核苷7-甲基鸟苷4-硫代尿苷 u 稀有碱基稀有碱基+正正常的糖常的糖u 正常碱基正常碱基+修修饰糖或其它糖饰糖或其它糖u 正常碱基正常碱基+正正常糖，但是非常糖，但是非正常的糖苷糖正常的糖苷糖(假尿嘧啶核假尿嘧啶核苷苷)4141第二节 核酸的结构单元核苷酸5-甲基胞嘧啶核苷甲基胞嘧啶核苷5-羟甲基胞嘧啶核苷羟甲基胞嘧啶核苷6-甲基腺嘌呤核苷甲基腺嘌呤核苷2-甲基鸟嘌呤核苷甲基鸟嘌呤核苷4242核苷中戊糖核苷中戊糖C2、C3、C5羟基被磷酸酯化羟基被磷酸酯化,就形成核苷酸。就形成核苷酸。核苷酸分成核糖核苷酸与脱氧核糖核苷酸核苷酸分成核糖核苷酸与脱氧核糖核苷酸P481结构式：结构式：5-AMP(5腺嘌呤核苷酸）腺嘌呤核苷酸）3-dCMP（3胞嘧啶脱氧核苷酸）胞嘧啶脱氧核苷酸）第二节 核酸的结构单元核苷酸四、核苷酸四、核苷酸p4815-AMP2-AMP3-AMP腺嘌呤核苷腺嘌呤核苷-n-磷酸酯磷酸酯4343碱 基五碳糖磷 酸核 苷 酸Juang RH (2004) BCbasics第二节 核酸的结构单元核苷酸全称：腺嘌呤核苷（一磷）酸全称：腺嘌呤核苷（一磷）酸简称：碱基的简称简称：碱基的简称+苷苷+酸酸如：如：腺腺苷苷酸酸4444第二节 核酸的结构单元核苷酸u 由于自然界中的核苷酸主要是由于自然界中的核苷酸主要是5-核苷酸核苷酸，所以如果不是，所以如果不是特指，以上的表示都是特指，以上的表示都是5核苷酸，都是指一磷酸。核苷酸，都是指一磷酸。u 如果是一个脱氧核糖的核苷酸，则它的名称（无论是全如果是一个脱氧核糖的核苷酸，则它的名称（无论是全称还是简称）都是在核糖核苷酸的前面加上脱氧二字。称还是简称）都是在核糖核苷酸的前面加上脱氧二字。u 如脱氧腺嘌呤核苷酸，脱氧腺苷酸。如脱氧腺嘌呤核苷酸，脱氧腺苷酸。符号简称：符号简称：腺嘌呤核苷一磷酸腺嘌呤核苷一磷酸AMP脱氧腺嘌呤核苷一磷酸脱氧腺嘌呤核苷一磷酸dAMP核苷酸通式：核苷酸通式：5-NMP5-dNMP如不特指如不特指5-可以省略。可以省略。N：A、T、G、C、U4545RNA：AMP、 GMP、 UMP、 CMP第二节 核酸的结构单元核苷酸1、构成构成DNA、RNA的核苷酸的核苷酸P481表表13-4DNA：dAMP、 dGMP、 dTMP、 dCMP46462、细胞内的游离核苷酸及其衍生物细胞内的游离核苷酸及其衍生物第二节 核酸的结构单元核苷酸(脱氧脱氧)核苷二磷酸、核苷二磷酸、(脱氧脱氧)核苷三磷酸核苷三磷酸,在在能量代谢和物质代谢能量代谢和物质代谢及调控中起重要作用。及调控中起重要作用。双脱氧核苷酸的结双脱氧核苷酸的结构构在在DNA的序列测的序列测定中使用定中使用。NMPNDPNTPdNTPddNTP核苷5-多磷酸化合物4747环化核苷酸环化核苷酸3,5-cAMP，3,5-cGMP信号分子，信号分子，cAMP调节细胞的糖代谢、脂代谢。调节细胞的糖代谢、脂代谢。2、细胞内的游离核苷酸及其衍生物细胞内的游离核苷酸及其衍生物第二节 核酸的结构单元核苷酸3,5-cAMP3,5-cGMP4848其它多磷酸核苷酸其它多磷酸核苷酸核苷核苷5多磷酸多磷酸3多磷酸化合物多磷酸化合物uppGpppppGppppAppu多磷酸化合物中多磷酸化合物中5，3通常省通常省略。略。ppNpp,在碱基在碱基N的左侧为的左侧为5，在，在N右侧的为右侧的为3.2、细胞内的游离核苷酸及其衍生物细胞内的游离核苷酸及其衍生物第二节 核酸的结构单元核苷酸4949辅酶核苷酸辅酶核苷酸核苷酸衍生物核苷酸衍生物CoA、NAD+、NADP+、FAD等辅助因子。等辅助因子。GDP-半乳糖、半乳糖、GDP-葡萄糖等是糖蛋白生物合成的活葡萄糖等是糖蛋白生物合成的活性糖基供体（性糖基供体（衍生基团一般都是连在磷酸基团上衍生基团一般都是连在磷酸基团上）。）。2、细胞内的游离核苷酸及其衍生物细胞内的游离核苷酸及其衍生物第二节 核酸的结构单元核苷酸腺腺苷苷酸酸5050腺腺苷苷酸酸腺腺苷苷酸酸5151一、一、DNADNA的结构的结构一级结构：一级结构：脱氧核苷酸分子间连接方式及排列顺序、无分脱氧核苷酸分子间连接方式及排列顺序、无分支的脱氧核苷酸序列。支的脱氧核苷酸序列。二级结构：二级结构：DNA的两条多聚核苷酸链间通过氢键形成的两条多聚核苷酸链间通过氢键形成的双螺旋结构。的双螺旋结构。三级结构：三级结构：DNA双链进一步折叠卷曲形成的构象双链进一步折叠卷曲形成的构象（超螺旋）。（超螺旋）。第三节 核酸的结构（P482）5252DNA的一级结构(一一).DNA的分子大小与形状的分子大小与形状碱基对数目碱基对数目总长度总长度(mm) 形态形态多瘤病毒多瘤病毒SV40M13FdP4T7T2,T4,T6枝原体枝原体大肠杆菌大肠杆菌酵母酵母果蝇果蝇人人南美肺鱼南美肺鱼5.11035226640764081.51043.5104485021.81057.610541061.351071.651082.91091.0210110.00170.00180.00190.00190.00511.0120.0160.0610.261.364.65699034,700环状环状环状环状环状环状环状环状线状线状线状线状线状线状线状线状环状环状环状环状7对染色体对染色体4对染色体对染色体23对染色体对染色体19对染色体对染色体5353DNA的一级结构查格夫查格夫Chargaff规则规则（P485）1.在所有的生物在所有的生物DNA中中,A=T,G=C或或A+G=T+C,这这就是就是DNA碱基的当量定律碱基的当量定律,即即Chargaff规则规则.2.DNA的碱基组成有种的特异性的碱基组成有种的特异性,但在同一生物体但在同一生物体内无组织特异性内无组织特异性.3.DNA的碱基不随年龄的碱基不随年龄,营养状态的变化而变化营养状态的变化而变化,即即稳定性稳定性. (二二).DNA的碱基组成的碱基组成5454NNNNNH2OHOHHHHHOPO-OONNH2ONOHOHHHHHOPOH-OODNA的一级结构535NNNNNH2OHHHHHOPO-OONNH2ONOHOHHHHHOPO-OO3,5-磷酸二酯键磷酸二酯键53核酸是核酸是核苷酸核苷酸以磷酯以磷酯键连结键连结成的长链分子成的长链分子P R P R P R P R P R P R5123456（三）（三）DNA的一级结构的一级结构5555核酸长链书写（竖线式和文字式）PRB3251ATCGATCGPOH535 pApTpCpGpApTpCpG-OH 35 pATCGATCG-OH3ATCGATCGJuang RH (2004) BCbasicsDNA中多核苷酸的一个片段及缩写符号 P483 竖线式竖线式文字式文字式5656两股核酸的方向相反5 pCpGpApTpCpGpApT-OH 35 pApTpCpGpApTpCpG-OH 35335Juang RH (2004) BCbasicsATCGATCGGCTAGCTA是不同的序列.5757DNA的一级结构DNA一级结构如何确定的？一级结构如何确定的？5-AMP2-AMP3-AMP（三）（三）DNA的一级结构的一级结构5858蛇毒磷酸二酯酶水解蛇毒磷酸二酯酶水解DNA（RNA）得）得5-核苷酸核苷酸DNA的一级结构ATCGATCGPOH53P482PPPPPPP蛇毒磷酸二酯酶蛇毒磷酸二酯酶牛脾磷酸二酯酶牛脾磷酸二酯酶牛脾磷酸二酯酶水解牛脾磷酸二酯酶水解DNA（RNA）得）得3-核苷酸核苷酸3-AMP5-AMP59蛇毒磷酸二酯酶水解蛇毒磷酸二酯酶水解DNA（RNA）得）得5-核苷酸核苷酸DNA的一级结构ATCGATCGPOH53P482PPPPPPP蛇毒磷酸二酯酶蛇毒磷酸二酯酶牛脾磷酸二酯酶牛脾磷酸二酯酶DNA是是dAMP、dGMP、dCMP、dTMP通过通过3、5-磷酸二酯磷酸二酯键连接起来的线形或环形多聚体。键连接起来的线形或环形多聚体。牛脾磷酸二酯酶水解牛脾磷酸二酯酶水解DNA（RNA）得）得3-核苷酸核苷酸6060Judson (1996) The Eighth Day of Creation19621953年，年，Watson和和Crick根据根据Chargaff规律和规律和DNANa盐纤维盐纤维的的X光衍射分析提出了光衍射分析提出了DNA的的双螺旋结构模型。双螺旋结构模型。DNA的二级结构双螺旋结构DNA的的Na盐纤维盐纤维的的X光衍射分析光衍射分析Franklin1、二级结构的阐明、二级结构的阐明6161、两条反平行的多核苷酸链绕同一中心、两条反平行的多核苷酸链绕同一中心轴相缠绕，形成右手双股螺旋，一条轴相缠绕，形成右手双股螺旋，一条53，另一条，另一条35Watson-Crick双螺旋结构双螺旋结构模型要点模型要点(B-DNA)P486图图13-56262、磷酸与脱氧核糖、磷酸与脱氧核糖彼此通过彼此通过3、5-磷酸磷酸二酯键相连接，构成二酯键相连接，构成DNA分子的骨架。分子的骨架。、磷酸与脱氧核糖、磷酸与脱氧核糖在双螺旋外侧，嘌呤在双螺旋外侧，嘌呤与嘧啶碱位于双螺旋与嘧啶碱位于双螺旋的内侧。的内侧。6363、两条核苷、两条核苷酸链之间依靠酸链之间依靠碱基间的氢键碱基间的氢键结合在一起，结合在一起，A与与T相配以，相配以，形成形成2个氢键；个氢键；G与与C相配对，相配对，形成形成3个氢键。个氢键。6464、碱基平面与纵轴垂直，糖环平面与纵轴平行、碱基平面与纵轴垂直，糖环平面与纵轴平行6565、每圈螺旋有、每圈螺旋有10个个核苷酸核苷酸，碱基堆积距离碱基堆积距离0.34nm，双螺，双螺旋平均直径旋平均直径2nm、由于碱基对的堆积和糖、由于碱基对的堆积和糖-磷磷酸骨架的扭转，导致螺旋的酸骨架的扭转，导致螺旋的表面形成二条不等宽的沟。表面形成二条不等宽的沟。宽的、深的沟叫大沟；窄的、宽的、深的沟叫大沟；窄的、浅的称之小沟。浅的称之小沟。大沟：宽大沟：宽1.2nm，深，深0.85nm；小沟小沟：宽：宽0.6nm，深，深0.75nm6666、碱基在一条链上、碱基在一条链上的排列顺序不受任何的排列顺序不受任何限制。当一条多核苷限制。当一条多核苷酸链的序列被确定后，酸链的序列被确定后，互补链的序列确定。互补链的序列确定。这表明，遗传信息由这表明，遗传信息由碱基的序列所携带。碱基的序列所携带。6767双螺旋结构模型遗传学意义双螺旋结构模型遗传学意义1953年年5月月30日，日，Nature上又上又发表了发表了Watson和和Crick的的“脱氧脱氧核糖核酸结构的遗传学意义核糖核酸结构的遗传学意义”的的文章。其重要意义在于双螺旋结文章。其重要意义在于双螺旋结构模型直接地解释了遗传物质自构模型直接地解释了遗传物质自我复制的机制。我复制的机制。模型是：模型是：互补的两条互补的两条DNA链链在复制之前，氢键断裂，两条链在复制之前，氢键断裂，两条链彼此分开，每条链都作为一个模彼此分开，每条链都作为一个模板复制出一条新的互补链，这样板复制出一条新的互补链，这样就得到了两对链。就得到了两对链。这样，这样，DNA双双螺旋结构就为遗传复制中的样板螺旋结构就为遗传复制中的样板提供了分子基础（左图）。提供了分子基础（左图）。6868 DNA DNA结构双螺旋结构的提出，被认为是本世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进入一个崭新的时代即分子生物学时代。分子生物学时代。DNA的二级结构双螺旋结构69692、稳定双螺旋结构的因素（课本没有）、稳定双螺旋结构的因素（课本没有）碱基堆积力碱基堆积力形成疏水环境（主要因素）形成疏水环境（主要因素）。碱基配对的碱基配对的氢键氢键。GC含量越多，越稳定。含量越多，越稳定。磷酸基上的负电荷与介质中的阳离子或组磷酸基上的负电荷与介质中的阳离子或组蛋白的正离子之间形成离子键，中和了磷蛋白的正离子之间形成离子键，中和了磷酸基上的负电荷间的斥力，有助于酸基上的负电荷间的斥力，有助于DNA稳稳定（定（不能存放于离子强度低的溶液中不能存放于离子强度低的溶液中）。）。碱基处于双螺旋内部的疏水环境中，可免碱基处于双螺旋内部的疏水环境中，可免受水溶性活性小分子的攻击。受水溶性活性小分子的攻击。DNA的二级结构双螺旋结构在在DNA双螺旋结双螺旋结构中，碱基对平构中，碱基对平面垂直于中心轴，面垂直于中心轴，层叠于双螺旋的层叠于双螺旋的内侧，相邻疏水内侧，相邻疏水性碱基在旋进中性碱基在旋进中彼此堆积在一起彼此堆积在一起相互吸引形成的相互吸引形成的作用力。作用力。 7070 核酸骨架的自由度比蛋白质高 Nelson & Cox (2000) Lehninger Principles of Biochemistry (3e) p.337Juang RH (2004) BCbasics71713、DNA二级结构的多型性二级结构的多型性P489 DNA的二级结构双螺旋结构DNA双螺旋的不同类型双螺旋的不同类型类型类型旋转旋转方向方向螺旋螺旋直径直径(nm)螺距螺距(nm)每匝碱每匝碱基对数基对数目目碱基对碱基对间垂直间垂直距离距离碱基对碱基对与水平与水平夹角夹角A-DNA右右2.552.46110.23190B-DNA右右2.373.3210.40.3410Z-DNA左左1.844.56120.3890727273734、三股螺旋、三股螺旋DNAP490K.Hoogsteen1963通常是一条同型寡核苷酸与寡嘧啶核苷酸通常是一条同型寡核苷酸与寡嘧啶核苷酸-寡嘌呤核苷酸双寡嘌呤核苷酸双螺旋的大沟结合：螺旋的大沟结合：oligo(Py):oligo(Pu)oligo(Py/Pu)7474第一股是寡嘧啶，中间是寡嘌呤，第三股可以是寡嘧啶或寡嘌呤第一股是寡嘧啶，中间是寡嘌呤，第三股可以是寡嘧啶或寡嘌呤第三股可以来自分子外，也可第三股可以来自分子外，也可以来自分子内以来自分子内-H-DNA：绞链：绞链DNA是一种分是一种分子内折叠形成的三股螺旋子内折叠形成的三股螺旋p490第三股7575T=A:A,CG：C+T=A:TCG：G三股螺旋三股螺旋DNA中的中的Hoogsteen-bondingP489-490 第三股与寡嘌呤之间同向平行，并按第三股与寡嘌呤之间同向平行，并按Hoogsteen模型配对模型配对7676uDNA三股螺旋结构常出三股螺旋结构常出现在现在DNA复制、转录、复制、转录、重组的起始位点或调节重组的起始位点或调节位点，如启动子区。位点，如启动子区。u第三股链的存在可能使第三股链的存在可能使一些调控蛋白或一些调控蛋白或RNA聚聚合酶等难以与该区段结合酶等难以与该区段结合，从而阻遏有关遗传合，从而阻遏有关遗传信息的表达。信息的表达。三股螺旋三股螺旋DNA7777u DNA的三级结构是指的三级结构是指DNA分子在分子在双螺旋双螺旋的基的基础础上通过上通过扭曲扭曲和和折叠折叠形成的特定构象。形成的特定构象。u 包括不同二级结构单元间的包括不同二级结构单元间的相互作用相互作用、单链、单链与二级结构单元间的相互作用以及与二级结构单元间的相互作用以及DNA的拓的拓扑扑特征。特征。u 超螺旋超螺旋是是DNA三级结构的主要形式。三级结构的主要形式。DNA的三级结构 p49078DNA的三级结构79791、环状、环状DNA的三种典型构象的三种典型构象P491（1）松弛环形）松弛环形DNA：线形线形DNA直接环化直接环化（2）解链环形）解链环形DNA：线形线形DNA拧松后再环化的一种形式拧松后再环化的一种形式（3）负超螺旋）负超螺旋DNA：线形：线形DNA拧松后再环化的另一种形式拧松后再环化的另一种形式正超螺旋正超螺旋DNA：线形：线形DNA拧紧后再环化拧紧后再环化DNA的三级结构8080三种环状三种环状DNA分子（松弛环状、解链环状、负超螺旋）具分子（松弛环状、解链环状、负超螺旋）具有相同的结构，但是拓扑构象不同，称它们为有相同的结构，但是拓扑构象不同，称它们为拓扑异构体拓扑异构体。8181连环数（连环数（linkingnumber,L）DNA双螺旋中，一条链以右手螺旋绕另一条链缠绕的次数双螺旋中，一条链以右手螺旋绕另一条链缠绕的次数扭转数（扭转数（twistingnumber,T）DNA分子中的分子中的Watson-Crick螺旋数目，以螺旋数目，以T表示表示超螺旋数（缠绕数超螺旋数（缠绕数,writhingnumber,W）连环数（连环数（L）扭转数（扭转数（T）超螺旋数超螺旋数W松驰环松驰环20200解链环解链环18180超螺旋超螺旋1820-2L=T+W2、三种环形、三种环形DNA的拓扑学特性的拓扑学特性(P491)DNA的三级结构82823、拓扑异构酶、拓扑异构酶改变改变DNA拓扑异构体的拓扑异构体的L值。值。拓扑异构酶酶拓扑异构酶酶I（解旋酶）（解旋酶）能使双链负超螺旋能使双链负超螺旋DNA转变成松驰形环状转变成松驰形环状DNA，每次，每次催化使催化使L值增加值增加1。拓扑异构酶酶拓扑异构酶酶II（促旋酶）（促旋酶）能使松驰环状能使松驰环状DNA转变成负超螺旋形转变成负超螺旋形DNA，每次催化，每次催化使使L减少减少2。DNA的三级结构8383基因组基因组DNA与蛋白质结合形成与蛋白质结合形成染色体（染色质）染色体（染色质）（1）整个病毒可以看成游离的染色体）整个病毒可以看成游离的染色体组成：组成：核酸、蛋白、脂类、糖类核酸、蛋白、脂类、糖类基因组：基因组：单链或双链的单链或双链的DNA（或（或RNA），多数环状），多数环状形状：形状：丝状、多面体状、丝状、多面体状、（2）细菌染色体的结构）细菌染色体的结构拟核，拟核，nucleoid细菌基因组多数为双链环状细菌基因组多数为双链环状DNA，与碱性蛋白、，与碱性蛋白、RNA结合，形成带有无数突环的刷状染色体。结合，形成带有无数突环的刷状染色体。p494DNA与蛋白质复合物的结构 p49284848585（3）真核生物染色体的结构）真核生物染色体的结构u 染色体的基本结构单位是染色体的基本结构单位是核小体核小体。核小体是由。核小体是由DNADNA和和组蛋白组蛋白组成的。组成的。p4948686（3）真核生物染色体的结构）真核生物染色体的结构(P494)DNA与蛋白质复合物的结构6个核小体念个核小体念珠绕成珠绕成30nm纤丝（纤丝（fiber)8787（3）真核生物染色体的结构）真核生物染色体的结构DNA与蛋白质复合物的结构纤丝扭曲变成纤丝扭曲变成突环突环（loop)，约，约75000bp。六个突环一个六个突环一个玫瑰花结玫瑰花结（rosette)。进而组装成进而组装成螺旋圈螺旋圈(coil)，由螺旋圈，由螺旋圈再组装成再组装成染色单体（染色单体（chromatid)。8888 染色体的结构层次 从双螺旋从双螺旋DNA到染到染色体，色体，DNA总共总共压缩了约压缩了约800010000倍倍.8989第三节 核酸的结构二、RNA的结构（一）（一）RNA的碱基组成的碱基组成1.由由A,U,G,C四种碱基组成四种碱基组成.2.含有较多的稀有碱基含有较多的稀有碱基.3.大部分的大部分的RNA中中,A U;G C.（单链分子）（单链分子）4.mRNA的碱基组成与的碱基组成与DNA非常相似非常相似(U代替代替T).5.在在tRNA中中,由于双螺旋结构较多由于双螺旋结构较多,基本上基本上A=U;G=C.在一些双链在一些双链RNA病毒病毒中中,A=U;G=C.9090（二）（二）RNA的一级结构的一级结构P483AMP、GMP、CMP、UMP通过通过3、5磷酸二磷酸二酯键形成的线形多聚体。酯键形成的线形多聚体。组成组成RNA的戊糖是核糖。的戊糖是核糖。天然天然RNA分子都是单链线形分子，只有部分分子都是单链线形分子，只有部分区域是双螺旋结构。区域是双螺旋结构。第三节 核酸的结构二、RNA的结构9191 RNA 很容易被水解而很容易被水解而断断裂裂 断断 裂裂RNaseStryer (1995) Biochemistry (4e) p.35微微碱碱92921、原核、原核mRNA的结构的结构原核：多顺反子原核：多顺反子,即一条即一条mRNA链上有多个编码区。链上有多个编码区。第三节 核酸的结构非翻译区非翻译区（UTR）2、真核、真核mRNA的结构的结构真核：单顺反子真核：单顺反子课本课本484页页93第三节 核酸的结构5帽子 5非编码区编码区3非编码区 3poly(A)m7G5ppp5Nm(Nm)甲基化鸟苷酸甲基化鸟苷酸经焦磷酸与经焦磷酸与mRNA5末端核苷酸相连。末端核苷酸相连。翻译起始控制翻译起始控制抑制因子结合抑制因子结合AUG起点UGA终点UAAUAG抑制因子结合抑制因子结合定位信号定位信号AAAAA-OH课本课本484页页94945-帽子帽子：m7G 5-ppp5-Nm（ Nm ）p-O型：型：m7G5-ppp5-Np-:核糖未甲基化核糖未甲基化I：m7G5-ppp5-Nmp-Np-：一个核苷酸甲基化：一个核苷酸甲基化II:m7G5-ppp5-Nmp-Nmp-Np-：二个核苷酸甲基化：二个核苷酸甲基化甲基鸟苷甲基鸟苷5，5-三磷酸三磷酸m表示甲基化表示甲基化核糖核糖2位位95953-端端有一段约有一段约30-300核苷酸的聚腺苷酸核苷酸的聚腺苷酸polyA。 转录后由转录后由poly(A)聚合酶催化加尾（该酶只作用于聚合酶催化加尾（该酶只作用于mRNA）PolyA是是mRNA由核进入胞质所必需的形式。由核进入胞质所必需的形式。polyA与与mRNA半寿期有关，半寿期有关，PolyA大大提高大大提高mRNA在胞质中的稳定性。在胞质中的稳定性。9696第三节 核酸的结构（三）（三）RNA的高级结构（的高级结构（tRNA和和rRNA）p496单链单链RNA自行盘绕形成局部双螺旋的自行盘绕形成局部双螺旋的多多“茎茎”多多“环环”结结构构，螺旋部分称为螺旋部分称为“茎茎”或或“臂臂”，非螺旋部分称为，非螺旋部分称为“环环”，在螺旋区，在螺旋区，A与与U配对，配对，G与与C配对。配对。97971、tRNA的二级结构（三叶草形）的二级结构（三叶草形）TC环（假尿嘧啶环）环（假尿嘧啶环）氨基酸臂氨基酸臂二氢尿嘧啶环二氢尿嘧啶环反密码环反密码环额外环额外环9899100101102额外环额外环1031032、tRNA的的三级结构：三级结构：倒倒L形形104104tRNA的功能：的功能：转运氨基酸识别密码子参与翻译起始参与DNA的反转录参与基因表达调控所有的所有的tRNAtRNA折叠后形成大小相似及三维构象相似的三级结构，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这有利于携带的氨基酸的tRNAtRNA进入核糖体的特定部位。进入核糖体的特定部位。 1051053、rRNA的结构的结构第三节 核酸的结构rRNA：核糖体：核糖体RNA在核糖体中，催化肽键合成的在核糖体中，催化肽键合成的是是rRNA，蛋白质只是维持，蛋白质只是维持rRNA的构象，起辅助作用。的构象，起辅助作用。核糖体核糖体RNA是一种核酶。是一种核酶。10610616S rRNA的结构