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1、,第二章 核 酸 (Chemistry of nucleic acid),1868年,瑞士科学家F. Miescher 从外科绷带上脓细胞中分离出了一种富含磷的有机物质,称为“核素” (nuclein)。他的论文发表在Med.Chem.Unters 1872年,他从莱茵河鲑鱼中得到类似物, 同时还分离到一种碱性化合物,称为鱼精蛋白(protamine),核酸的发现,1889年,Altman等人又从酵母和动物的细胞核中得到了不含蛋白质的核酸,并首次使用“核酸” (Nucleic Acid)命名。 1944年,Avery等人通过细菌转化实验证明核酸就是遗传物质。,核酸的发现,噬菌体转化试验,核酸的
2、发现,1944年由 Avery等完成的,它证明了生物遗传特性发生改变的转化因子是DNA,而不是蛋白质。,(核酸) Nucleic Acid,Mono-phosphate (磷酸),Nucleoside (核苷),Deoxy-ribose ( Ribose ),Base(碱基),DNA分子的片段,第一节 概 述,1.1 核酸的种类,核酸(Nucleic Acid),脱氧核糖核酸(DNA),核糖核酸(RNA),信使RNA(mRNA),转移RNA(tRNA),核糖体RNA(rRNA),小分子细胞核RNA(snRNA)、染色质RNA(chRNA),1.2 核酸的分布,1.3核酸的功能,DNA是遗传物质
3、,是遗传信息的载体。,1、DNA 分布在染色体内,是染色体的主要成分,而染色体是直接与遗传有关的。 2、体细胞DNA含量为生殖细胞DNA含量的两倍,且含量十分稳定。 3、DNA在代谢上较稳定不受营养条件、年龄等因素的影响。 4、作用于DNA的理化因素可引起遗传特性的改变。 由Avery在1953年用细菌转化试验证明。,(二)RNA的生物学功能,RNA参与蛋白质的生物合成。 1、控制蛋白质的合成; 2、作用于RNA转录后加工与修饰; 3、基因表达与细胞功能的调节; 4、生物催化与其他细胞持家功能; 5、遗传信息的加工与进化。,第二节 核酸的化学组成,核酸是一种线形多聚核苷酸(polynucleo
4、tide), 其基本结构单位是核苷酸(nucleotide)。,核苷酸 的基 本结构,一 碱基 嘌呤碱和嘧啶碱,嘌呤碱(purine):由嘌呤衍生而来,Adenine(A),Guanine(G),嘧啶碱(pyrimidine):是嘧啶的衍生物,尿嘧啶 (uracil,U),胸腺嘧啶 (thymine, T),胞嘧啶 (cytosine,C),在生理pH下,在生物体内,碱基多以亚氨基、酮基础形式存在。,二 核酸中的戊糖,D-核糖(D-ribose) D-脱氧核糖 (D-deoxyribose) 核酸据此分类: 脱氧核糖DNA; 核糖RNA; 核酸中的戊糖均为 -D-型,它们均以呋喃糖态存在,三
5、磷酸,磷酸根,带负电荷,可与多种阳离子、组蛋白等结合结合。其参与形成磷酸二酯键。,四 核苷(nucleoside),戊糖第1位碳原子上的羟基与嘌呤的第9位氮原子或与嘧啶的第1位氮原子形成的N-C糖苷键。,腺苷,脱氧鸟苷,核苷的表示: 核苷: A、G、 C 、U 脱氧核苷:dA,dG,dC,dT 修饰核苷: 如5-甲基 胞嘧啶,m5dC。,五 核苷酸,核苷与磷酸生成的核苷磷酸酯核苷酸(nucleiotide),种类: 1)按酯化位点:可在核糖的2- , 3-, 5-; 2)按核糖类型: 核苷酸、 脱氧核苷酸,与一个磷酸结合MP:(d)AMP、(d)GMP、(d)CMP、(d)TMP、UMP 与二
6、个磷酸结合DP:如:ADP 与三个磷酸结合TP: 如:ATP,六 特殊核苷酸,环核苷酸: 核糖3-, 5- 成环。 cAMP、 cGMP 功能: 第二信使,激素、一些药物、神经递质通过其发挥生理作用。,ATP是生物体内分布最广和最重要的一种核苷酸衍生物。它的结构如下:,ATP 腺嘌呤核糖核苷三磷酸,碱 基,第三节 核酸的分子结构,DNA分子中各种脱氧核苷酸之间的连接方式和排列顺序。 四种脱氧核苷酸通过3,5-磷酸二酯键连接起来的多核苷酸链的排列顺序。,1. 定义,一 DNA的一级结构,无分枝的长链,2. 多聚脱氧核苷酸链的结构特点,由糖-磷酸相互间隔连接,构成主链;碱基连接在主链的核糖上,形成
7、侧链。,具有方向性。两个末端分别为5端和3端。,在天然DNA中,5端常为磷酸,3端为游离羟基。,3、一级结构的表示方法,1)线条法,5 pGpCpTpTpAOH 3 5 pGCTTAOH 3 pGCTTAOH GCTTA,2)文字式,DNA的二级结构是指DNA的双螺旋结构。 双螺旋结构是DNA的两条链围着同一中心轴旋绕而成的一种空间结构。 DNA的双螺旋模型是由Watson和Crick两位科学家于1953年提出的。,1. 二级结构的概念,二 DNA的二级结构,1953年 Watsosn & Crick,Right handed B-form DNA Double helix Model,2.
8、双螺旋结构模型提出的依据,A.DNA的X-射线衍射图: (1) 衍射斑点呈交叉状分布 (2) 衍射点之间的距离与层次表明有0.34nm和3.4nm的周期性 (3) 图的顶上和底部是最强的衍射斑点,呈带状,M. H. F. Wilkins & Rosalind Frankin,Xray photograph of DNA with high quality,1952年,B. DNA的碱基组成分析:(Chargaff定则) (1) 所有DNA分子中A=T,G=C (2) 同一种生物的所有体细胞DNA的碱基组成相同,与年龄、健康状况、外界环境无关,可作为该物种的特征,用不对称比率 (A+T)/(G+
9、C) 来衡量。 (3) 亲缘越近的生物,其DNA的碱基组成越近,即不对称比率越相近。,C、DNA的碱基物化数据 如碱基的几何大小、键长键角数据、酸碱滴定等。,3. 双螺旋结构模型的基本特征,(1) 反向平行 的双链沿中心轴盘绕成右手螺旋。,DNA的双螺旋结构,(2) 双螺旋表面形成两种凹槽:较浅的叫小沟,另一条叫大沟。,(3) 由糖-磷酸相互间隔连接构成的主链处于螺旋外侧;碱基则伸向螺旋内部,与中轴垂直。,Right handed B-form DNA Double helix Model,(4) 双螺旋内部的碱基按规则配对:A与T配对,形成2个氢键;G与C配对,形成3个氢键,称为碱基互补配对
10、,双螺旋的两条链也呈互补关系。,A = T,(5) 双螺旋直径为2nm,每对脱氧核苷酸残基沿纵轴旋转36,上升0.34nm。所以每10个碱基对形成一个螺旋,螺距3.4nm。,4. 影响双螺旋结构稳定性的因素,互补碱基之间的氢键 (Hydrogen bond),弱键, 可加热解链,氢键堆积, 有序排列(线性, 方向),碱基堆集力(Base stacking forces):碱基堆集成非极性的区域,相互间产生疏水作用和范德华力, 疏水作用力 (Hydrophobic interaction), Van de waals force (1.7A/ 嘌呤环与嘧啶环作用半径),4. 影响双螺旋结构稳定性
11、的因素,离子键,磷酸酯键 (phosphoester bond) 强键, 需酶促解链,4. 影响双螺旋结构稳定性的因素,在生理状态及在溶液中,DNA一般为B型(含水量90以上,NaCl浓度为2.5 M)。 当水合的DNA脱水时,转变为A型(含水量75)。 还有Z型的DNA(左手螺旋,0.7 M MgCl2)。,5.DNA双螺旋构象的多态性,DNA的分子构型 ( B, Z, A ) 比较,0.2 M Nacl Z-DNA 趋于稳定,rabbit,Antibody of Z-DNA,B-DNA,Z-DNA,Z-DNA,4M Nacl,Br+,Z-DNA 的检测,羊抗兔二级抗体,goat,Antib
12、ody of Z-DNA,偶联荧光标记,免疫反应,果蝇唾液腺染色体,细胞学制片,Z-DNA in Drosophila chromosome proved by anti-Z antibody,Immunoligicaslid,Cytological slid,可能的功能,基因表达调控,基因关闭,基因表达, 二级结构的形态,Linear DNA. L,Open Circle DNA OC,Supercoiled circle Covalent Closed Circle CCC,核酸分子的二级结构(分别出现在DNA复制, 转录,重组等阶段),核酸分子的二级结构 分别出现在DNA复制, 转录,重
13、组等阶段,(knot),6. 三股螺旋DNA (Trible Helix DNA, T.S DNA), T.S DNA 的发现与证实,l 1953 年以前Pauling (Chemist) 提出 T.S DNA 存在的可能性,l 1953 年 Watson & Crick D.S DNA model 证明沿大沟存在多余的氢键给体与受体,潜在的专一与DNA (蛋白质) 结合的能力,形成T.S DNA 可能性,l 1957年Davis , Felsenfeld , Rich 发现,T.S DNA的概念,l 1966年Miller & Sobell,实现 RNA + D.S DNA,Trible p
14、olyNt,as Repressor 关闭基因,但由于D.S DNA的提出而被忽视,但因证明 LacI 产物为 Repressor 而被忽视, 1975年 Perlgut 人工 合成T.S DNA并证明其 Tm 值, 沉降系数(S),l 1987 年 Mirkin . S . M Nature 330 (495) 证明plasmid DNA 在 pH= 4.3的溶液中, 有T.S DNA的存在, 1987年 Dervan . Moser Science 238 (645) 合成S.S DNA + D.S DNA T.S DNA,实现DNA的定点切割 研究X-ray photograph 核磁共
15、振 结构功能,继Davis(1957)后 30年 第一次证明T.S DNA 在生物体内的存在, D.S. DNA + D.S.DNA,T.S. DNA + S.S. DNA,6.三链 DNA (T.S. DNA), Homologous palindromic sequence in a D. S. DNA,Mirkin (1987) pGG332 plasmid DNA,l S. S. DNA + D. S. DNA T. S. DNA PU + PU/PY (偏碱性介质中稳定) PY + PU/PY (偏酸性介质中稳定) 常见类型,第三条链位于B-DNA的 Major groove中 与D
16、. S. DNA一起旋转,T. S. DNA可能的功能,a) T. S. DNA可阻止调节蛋白与 DNA结合, 关闭基因转录过程,b) T. S. DNA 与基因重组, 交换有关,加入第三条S. S. DNA 作为分子剪刀(molecular scissors), 定点切割DNA分子,d) 加入反义的第三条链(anti-sence polydNt) 终止基因的表达,e) 相反的观点-T. S. DNA 与基因表达呈正相关 !?,四股螺旋DNA ( tetraplex DNA, Tetrable Helix DNA ),发现,1958. Poly(I) X-ray photograph,碱基形成环状氢键连接结构,Tetrable Helix DNA,均有形成 四股螺旋DNA 的可能,结 构 特 点,Li