14-15核酸(6)剖析

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1、主要内容： 核酸组成 DNA、RNA的一、二、三级结构 核酸的性质 核酸的研究方法（Exploring genes)-,第 13 章 核酸概论,二十一世纪是,生命科学,的世纪,生命是,生命 = 核酸 + 蛋白质,二十一世纪是核酸、蛋白质的世纪,？,核酸与蛋白质一样，是一切生物有机体不可缺少的组成部分。 核酸是生命遗传信息的携带者和传递者，它不仅对于生命的延续，生物物种遗传特性的保持，生长发育，细胞分化等起着重要的作用，而且与生物变异，如肿瘤、遗传病、代谢病等也密切相关。 因此，核酸的研究是现代生物化学、分子生物学和医学的重要基础之一。,一、核酸的发现和研究工作进展,1868年 Fridrich

2、 Miescher从脓细胞中提取“核素” 1944年 Avery等人证实DNA是遗传物质 1953年 Watson和Crick发现DNA的双螺旋结构 1965年 Nirenberg发现遗传密码 1970年 Temin和Baltimore发现逆转录酶 1981年 Gilbert和Sanger建立DNA 测序方法 1985年 Mullis发明PCR 技术 1990年 美国启动人类基因组计划(HGP) 1994年 中国人类基因组计划启动 2001年 美、英等国完成人类基因组计划基本框架 迄今，随着测序技术及仪器的进步，多数物质基因组已得到测序。,1868年，瑞士青年科学家 F.Miescher,从外

3、科绷带上脓细胞的 细胞核中分离得到一种 含磷较高的酸性物质， 称之为核素（nuclein）,核素实质是一种核糖核蛋白,核酸的发现,1889年，Altmann首先制备了不含蛋白的核酸制品， 并引入“核酸”这一名词。 20世纪20年代测定了核酸的化学组成，并将核酸分为DNA和RNA。 1943年，E .Chargaff的工作：嘌呤：嘧啶=1：1，由此推理出碱基配对的理论。 1944年，Avery的肺炎双球菌转化实验，证明遗传物质即为DNA。 1953年，Watson - Crick建立了DNA的双螺旋结构模型。 遗传密码的阐明、内切核酸酶的发现、核酸的合成与分析技术、基因重组技术等的建立形成了分子

4、生物学的基本完整体系。,核酸研究简史,二、核酸的种类和分布,核 酸,核糖核酸（RNA）,脱氧核糖核酸（DNA）,转移RNA 信使RNA 核糖体RNA 特殊功能RNA,小分子细胞核RNA 染色质RNA 反义RNA 双链RNA 细胞质小RNA 有催化活性的RNA 各种病毒RNA,功能 ：参与遗传信息的表达。,功能：遗传信息的载体，负责遗传信息的贮存和发布。,原核：裸露的DNA分子集中于核区。 真核：细胞核DNA：与组蛋白、非组蛋白形成染色体 细胞器DNA：双链环形，一般裸露。,1、脱氧核糖核酸（DNA）,deoxyribonucleic acid,分 布,1、转移RNA（transfer RNA

5、, tRNA) : 保守性最强 2、核糖体RNA（ribosomal RNA , rRNA) 3、信使RNA（mesenger RNA , mRNA) 4、特殊功能的RNA,2、核糖核酸（RNA）,ribonucleic acid,种 类,小分子细胞核RNA 染色质RNA 反义RNA 双链RNA 细胞质小RNA 有催化活性的RNA 各种病毒RNA,核酸的分布,三、核酸的功能,1、DNA是主要的遗传物质,1928年，英国科学家Griffith 发现肺炎链球菌使小鼠死亡的 原因是引起肺炎。,1952年，美国冷泉港 Hershey-Chase 噬菌体浸染细菌的实验。,转化作用：,感受态的微生物或离体

6、培养的细胞获得外源DNA并产生新的形状特征。,1、参与蛋白质的合成 2、RNA的转录后加工与修饰 3、参与基因表达的调控 4、生物催化作用,2、RNA功能的多样性,一、核酸的元素组成,基本元素：C H O N P 核酸的元素组成有两个特点： 1. 一般不含S。 2. P含量较多，并且恒定（9%-10%）。 因此，实验室中用定磷法进行核酸的定量分析。（DNA9.9% 、RNA9.5%）,第 14 章 核酸的结构,二、核酸的分子组成,核酸（DNA和RNA）是一种线性多聚核苷酸，它的基本结构单元是核苷酸。核苷酸本身由核苷和磷酸组成, 而核苷则由戊糖和碱基形成。,碱 基,嘧啶碱,尿嘧啶,胞嘧啶,胸腺嘧

7、啶,嘧 啶,uracil,cytosine,thymine,N,N,CH3,嘌呤碱,嘌呤,腺嘌呤,鸟嘌呤,A G C T,DNA的碱基组成,RNA的碱基组成,A G C U,稀 有 碱 基,除5种基本碱基外，核酸中还含有一些含量甚少的碱基，称为稀有碱基。稀有碱基的种类极多，大多数都是甲基化碱基。tRNA中含有较多的稀有碱基，可高达10%。,DNA RNA,尿嘧啶 5-羟甲基尿嘧啶 5-甲基胞嘧啶 5-羟甲基胞嘧啶 N6-甲基腺嘌呤,5，6-二氢尿嘧啶 5-甲基尿嘧啶，即胸腺嘧啶 4-硫尿嘧啶 5-甲氧基尿嘧啶 N4-乙酰基胞嘧啶 ,多,稀 有 碱 基,稀 有 碱 基,碱基的结构特征,碱基都具有

8、芳香环的结构特征。嘌呤环和嘧啶环均呈平面或接近于平面的结构。 碱基的芳香环与环外基团可以发生酮式烯醇式或胺式亚胺式互变异构。,胺式 亚胺式互变异构,酮式烯醇式互变异构,组成核酸的戊糖有两种。DNA所含的戊糖为-D-2-脱氧核糖；RNA所含的戊糖则为-D-核糖。,戊糖,核苷与脱氧核苷,核 苷,核苷是一种糖苷，由戊糖和碱基缩合而成，嘌呤的N9或嘧啶的N1与戊糖C-1-OH以C-N糖苷键相连接。,核糖核苷,脱氧核糖核苷,各种常见核苷,腺嘌呤 腺嘌呤核苷 腺嘌呤脱氧核苷 鸟嘌呤 鸟嘌呤核苷 鸟嘌呤脱氧核苷 胞嘧啶 胞嘧啶核苷 胞嘧啶脱氧核苷 尿嘧啶 尿嘧啶核苷 胸腺嘧啶 胸腺嘧啶脱氧核苷,碱基 核糖核

9、苷 脱氧核糖核苷,嘧啶碱： C1 N1，嘌呤碱： C1 N9。 核酸中的核苷与脱氧核苷均为-型。 碱基平面与核糖平面互相垂直。,假尿苷,胸腺嘧啶核糖核苷,稀有核苷（tRNA）,核 苷 酸,核苷酸是核苷的磷酸酯。作为DNA或RNA结构单元的核苷酸分别是5-磷酸-脱氧核糖核苷和5-磷酸-核糖核苷。,B=腺嘌呤，鸟嘌呤，胞嘧啶，尿嘧啶或胸腺嘧啶,核糖核苷酸,脱氧核糖核苷酸,构成DNA的核苷酸,dAMP dGMP dCMP dTMP,AMP GMP CMP UMP,构成RNA的核苷酸,腺嘌呤核苷酸 鸟嘌呤核苷酸 胞嘧啶核苷酸 尿嘧啶核苷酸,腺嘌呤脱氧核苷酸 鸟嘌呤脱氧核苷酸 胞嘧啶脱氧核苷酸 胸腺嘧啶

10、脱氧核苷酸,核苷5-多磷酸化合物 ATP、GTP、CTP、UTP、ppppA、ppppG 在能量代谢和物质代谢及调控中起重要作用。 环核苷酸 3,5-cAMP， 3,5-cGMP 信号分子，cAMP调节细胞的糖代谢、脂代谢。 核苷5多磷酸3多磷酸化合物 ppGpp pppGpp ppApp 核苷酸衍生物 HSCoA、 NAD+、NADP+、FAD等辅助因子。 GDP-半乳糖、GDP-葡萄糖等是糖蛋白生物合成的活性糖基供体。,细胞内的游离核苷酸及其衍生物,图 环核苷酸,3,5-cAMP 信号分子，cAMP调节细胞的糖代谢、脂代谢。,ATP是生物体内分布最广和最重要的一种核苷酸衍生物。,ATP (

11、腺嘌呤核糖核苷三磷酸),细胞内的游离核苷酸,细胞内的核苷酸衍生物,泛酸 (VB3),CoASH (辅酶A),VB5 （尼克酰胺）,NAD+,黄素腺嘌呤二核苷酸（FAD）,VB2 （核黄素）,在糖蛋白生物合成中，GDP-半乳糖、UDP-葡萄糖等是活性的糖基供体。,小结,组成核酸的基本单位 核苷酸的组成、碱基的基本结构 核苷酸的功能,三、 DNA的结构,一级结构：脱氧核苷酸分子间连接方式及排列顺序。 二级结构：DNA的两条多聚核苷酸链间通过氢键 形成的双螺旋结构。 三级结构：DNA双链进一步折叠卷曲形成的构象。,（1）在所有的DNA中，A=T，G=C 即A+G=T+C （2）物种的特异性：DNA的

12、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。 （3） 遗传的稳定性：年龄、营养状况、环境等因素不影响DNA的碱基组成。,定义： 指DNA分子中多个脱氧核苷酸的排列顺序。即数目庞大的四种碱基的排列顺序。,遗传信息： DNA的碱基顺序。 生物界物种的多样性: 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。,DNA的碱基组成（Chargaff 定则）,（一） DNA的一级结构,DNA的一级结构,35磷酸二酯键。,3、5-磷酸二酯键是DNA、RNA的主链结构。,多聚核苷酸的特点,dAMP(AMP)、dGMP(GMP)、dCMP(CMP)

13、、dTMP(TMP)通过3、5-磷酸二酯键连接起来的线形多聚体。 多聚核苷酸链一端的C5带有一个自由磷酸基，称为5-磷酸端（常用5 -P表示）；另一端C3带有自由的羟基，称为3-羟基端（常用3 -OH表示）。 多聚核苷酸链具有方向性，当表示一个多聚核苷酸链时，必须注明它的方向是53或是35。,核酸序列方向的表示：5 3 5-pApCpGpTpA-3或 5-ACGTA-3,(二） DNA的二级结构 1953年，Watson和Crick根据Chargaff 规律和DNA钠盐纤维的X光衍射分析提出了DNA的双螺旋结构模型。,Chargaff 规律（ 1950年） a. 在所有DNA中，A=T，G=C

14、 。（A+G=C+T） b. DNA的碱基组成具有物种的特异性。 c. DNA碱基组成没有组织和器官的特异性。 d. 年龄、营养状况、环境等因素不影响DNA的 碱基组成。,“三库两平台”，三库即生物信息数据库、生物样本资源库、 生物活体库，两平台即数字化平台、合成与基因编辑平台， 这是国家基因库作为一个国际级平台应当具备的功能。,Rosalind Franklin Kings lab, London University, UK,“Double helix found me!” -Watson,1. Watson-Crick双螺旋结构模型(B-DNA), 两条反平行的多核苷酸链绕同一中心轴相缠

15、绕，形成右手双股螺旋，一条53，另一条35。 嘌呤与嘧啶碱位于双螺旋的内侧，磷酸与脱氧核糖在双螺旋外侧; 碱基平面与纵轴垂直，糖环平面与纵轴平行。 磷酸与脱氧核糖彼此通过3 、5 -磷酸二酯键连接，构成DNA分子的骨架。,Watson-Crick双螺旋结构模型(B-DNA), 双螺旋平均直径2nm 每圈螺旋含10个核苷 碱基堆积距离：0.34 nm 螺距：3.4nm 两条核苷酸链，依靠碱基间形成的氢链结合在一起，A=T、G=C 碱基间形成氢键导致链偏向一侧，形成： 大沟（major groove)：宽1.2nm ，深0.85nm。 小沟(minor groove) ：宽0.6nm，深0.75nm。,碱基堆积力（主要因素） 形成疏水环境。 碱基配对的氢键。GC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DNA稳定。 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。,2. 稳定双螺旋结构的因素,1. BDNA 典型的Watson-Crick双螺旋DNA。 右手双股螺旋 每圈螺旋10.4个碱基对 螺旋扭角36 螺距：3.32nm 碱基倾角：1 生物体内DNA均为BDNA。,(三）DNA二级结构的多型性 A、B、Z-DNA的