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1、 第二章 核酸化学 主要内容 介绍核酸的分类和化学组成 重点讨论DNA和RNA的结构特征 初步认识核酸 的结构特征与其功能的相关性 介绍核酸的主 要理化性质和核酸研究的一般方法 思考 核酸的结构与功能 第一节 核酸通论 第二节 核酸基本构件单位 核苷酸 第三节 DNA的分子结构 第四节 RNA的分子结构 第五节 核酸的某些理化性质及核酸研究常用技术 第六节 人类基因组计划简介 第一节 核酸通论 一 核酸的研究历史和重要性 二 核酸的种类和分布 三 DNA储存遗传信息的证实 核酸的研究历史和重要性 1869 Miescher从脓细胞的细胞核中分离出了一 种含磷酸的有 机物 当时称为核素 nucl
2、ein 后称为核酸 nucleic acid 此后几十年内 弄清了核酸的组成及在细胞中的分布 1944 Avery 等成功进行肺炎球菌转化试验 1952年Hershey等 的实验表明32P DNA可进入噬菌体内 证明DNA是遗传物质 1953 Watson和Crick建立了DNA结构的双螺旋模型 说明了 基因的结构 信息和功能三者间的关系 推动了分子生物学的 迅猛发展 1958 Crick提出遗传信息传递的中心法则 60年代 RNA研究取得大发展 操纵子学说 遗传密码 逆转 录酶 核酸的研究历史和重要性 续 历史 70年代 建立DNA重组技术 改变了分子生物学的面貌 并导 致生物技术的兴起 8
3、0年代 RNA研究出现第二次高潮 ribozyme 反义RNA RNA世界 假说等等 90年代以后 实施人类基因组计划 HGP 开辟了生命科学 新纪元 生命科学进入后基因时代 功能基因组学 functional genomics 蛋白质组学 proteomics 结构基因组学 structural genomics RNA组学 Rnomics 或核糖核酸组学 ribonomics 核酸分类和分布 脱氧核糖核酸 deoxyribonucleic acid DNA 遗传信息的 贮存和携带者 生物的主要遗传物质 在真核细胞中 DNA主 要集中在细胞核内 线粒体和叶绿体中均有各自的DNA 原核 细胞没
4、有明显的细胞核结构 DNA存在于称为类核的结构区 每个原核细胞只有一个染色体 每个染色体含一个双链环状 DNA 核糖核酸 ribonucleic acid RNA 主要参与遗传信息的 传递和表达过程 细胞内的RNA主要存在于细胞质中 少量存 在于细胞核中 病毒中RNA本身就是遗传信息的储存者 另外 在植物中还发现了一类比病毒还小得多的侵染性致病因子称为 类病毒 它是不含蛋白质的游离的RNA分子 还发现有些RNA 具生物催化作用 ribozyme 肺炎球菌转化实验图解 III S型细胞 有毒 II R型细胞 无毒 破碎细胞 DNAase降 解后的DNA II R型细胞接受 III S型DNA 只
5、有II R型 大多数仍 为II R型 少数II R型细胞被转化 产生III S型荚膜 S 光滑 S R R R 粗糙 DNA 第二节 核酸的基本结构单位 核苷酸 一 核苷酸的化学组成与命名 1 碱基 核苷 核苷酸的概念和关系 2 常见碱基的结构与命名法 3 常见 脱氧 核苷酸的基本结构与命名 4 稀有核苷酸 5 细胞内游离核苷酸及其衍生物 二 核苷酸的生物学功能 5 磷酸核苷酸的基本结构 O O N A G C U T H H O H 1 2 N OH CH2 H H 5 4 3 PO O O O 核糖 磷酸 碱基 碱基 核苷 核苷酸的概念和关系 Nitrogenous base Pentos
6、e sugar HOCH2 H OH Doxyribose in DNA HOCH2 HO OH Ribose in RNA Phosphate Pyrimidines CytosineThymineUracil CUT Purihes AdenineGuanine AG 核酸 磷酸核苷 戊糖碱基 基本碱基结构和命名 嘌呤 嘧啶 Adenine A Guanine G Cytosine C Uracil U Thymine T 核苷酸的结构和命名 腺嘌呤核苷酸 AMP Adenosine monophosphate 脱氧腺嘌呤核苷酸 dAMP Deoxyadenosine monophosph
7、ate 鸟嘌呤核苷酸 GMP 胞嘧啶核苷酸 CMP 尿嘧啶核苷酸 UMP 脱氧鸟嘌呤核苷酸 dGMP 脱氧胞嘧啶核苷酸 dCMP 脱氧胸腺嘧啶核苷酸 dTMP H OH P PP P P P P P 常见 脱氧 核苷酸的结构和命名 鸟嘌呤核苷酸 GMP 尿嘧啶核苷酸 UMP 胞嘧啶核苷酸 CMP 腺嘌呤核苷酸 AMP 脱氧腺嘌呤核苷酸 dAMP 脱氧鸟嘌呤核苷酸 dGMP 脱氧胞嘧啶核苷酸 dCMP 脱氧胸腺嘧啶核苷酸 dTMP 几种稀有核苷 假尿苷 二氢尿嘧啶 DHU Am CH3 CH3H3C m26G H H 5 H H 几种稀有核苷酸 假尿苷 二氢尿嘧啶 DHU Am CH3 CH3H
8、3C m26G H H5 H H 细胞内游离核苷酸及其衍生物 多磷酸核苷酸 环核苷酸 辅酶类核苷酸 5 NMP 5 NDP 5 NTP N A G C U 5 dNMP 5 dNDP 5 dNTP N A G C T 腺苷酸及其多磷酸化合物 AMP Adenosine monophosphate ADP Adenosine diphosphate ATP Adenosine triphosphate O PO OH O A G O OOH CH2 HH H H cAMP cGMP 的结构 Cyclic adenylie Guanine acid 二 核苷酸的生物学功能 作为核酸的单体 细胞中的
9、携能物质 如ATP GTP CTP GTP 酶的辅助因子的结构成分 如NAD 细胞通讯的媒介 如cAMP cGMP 第二节 DNA的分子结构 一 核酸分子中的共价键 二 DNA 一级结构 三 DNA碱基组成的Chargaff规则 四 DNA的二级结构 五 DNA的三级结构 六 DNA与蛋白质复合物的结构 5 5 3 3 核酸分子中核苷酸之间 的共价键 3 5 磷酸二酯键 二 DNA 的一级结构 DNA分子中各脱氧核苷酸 之间的连接方式 3 5 磷酸二酯 键 和排列顺序叫做DNA的一 级结构 简称为碱基序列 一级 结构的走向的规定为5 3 不 同的DNA分子具有不同的核苷 酸排列顺序 因此携带有
10、不同的 遗传信息 一级结构的表示法 结构式 线条式 字母式 5 3 DNA一级结构的表示法 5 3 结构式 5 3 p p p p OH 3 ACTG 1 线条式 5 ACTGCATAGCTCGA 3 字母式 三 DNA碱基组成的Chargaff规则 Chargaff首先注意到DNA碱基组成的某些规律性 在 年总结出DNA碱基组成的规律 腺嘌呤和胸腺嘧啶的摩尔数相等 即 A T 鸟嘌呤和胞腺嘧啶的摩尔数也相等 即G C 含氨基的碱基总数等于含酮基碱基总数 即 A C G T 嘌呤的总数等于嘧啶的总数 即A G C T DNA RNA的一级结构 DNA一级结构 5 3 OH OH OH 5 3
11、RNA一级结构 四 DNA的二级结构 1 DNA的双螺旋结构 Watson Crick模型 2 DNA双螺旋结构特征及意义 3 DNA双螺旋的多态性 4 DNA的三股螺旋 tripkex 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 DNA的双螺旋模型特点 a 两条反向平行的多聚核苷酸链沿一个假 设的中心轴右旋相互盘绕而形成 b 磷酸和脱氧核糖单位作为不变的骨架组 成位于外侧 作为可变成分的碱基位于内侧 链间碱基按A T G C配对 碱基配对 原则 Chargaff定律 c 螺旋直径2nm 相邻碱基平面垂直距离 0 34nm 螺旋结构每
12、隔10个碱基对 base pair bp 重复一次 间隔为3 4nm 氢键 碱基堆集力 磷酸基上负电荷被胞内 组蛋白或正离子中和 碱基处于疏水环境中 DNA的双螺旋结构稳定因素 DNA的双螺旋结构的意义 该模型揭示了DNA作为遗传物质的稳定性 特征 最有价值的是确认了碱基配对原则 这 是是DNA复制 转录和反转录的分子基础 亦 是遗传信息传递和表达的分子基础 该模型的 提出是本世纪生命科学的重大突破之一 它奠 定了生物化学和分子生物学乃至整个生命科学 飞速发展的基石 DNA双螺旋的不同构象 三种DNA双螺旋构象比较 A DNA Z DNA B DNA A B Z 外型 粗短 适中 细长 螺旋方
13、向 右手 右手 左手 螺旋直径 2 55nm 2 37nm 1 84nm 碱基直升 0 23nm 0 34nm 0 38nm 碱基夹角 32 70 34 60 60 00 每圈碱基数 11 10 4 12 轴心与碱 基对关系 2 46nm 3 32nm 4 56nm 碱基倾角 190 10 90 糖苷键构象 反式 反式 C T反式 G顺式 大沟 很窄很深 很宽较深 平坦 小沟 很宽 浅 窄 深 较窄很深 DNA分子内 的三链结构 多聚嘌呤 多聚嘧啶 DNA分子间 的三链结构 DNA三链间 的碱基配对 T A T C G C 五 DNA的三级结构 1 超螺旋DNA supercoiled DNA
14、 2 拓朴异构酶 topoisomerase 1 超螺旋DNA的形成 2 超螺旋状态的定量描述 DNA超螺旋结构形成的重要意义 1 两类拓朴异构酶 2 拓朴异构酶作用机理 DNA的三 级结构指双螺 旋DNA分子通 过扭曲和折叠 所形成的特定 构象 包括不 同二级结构单 元间的相互作 用 单链和二 级结构单元间 的相互作用以 及DNA的拓扑 特征 螺 旋 和 超 螺 旋 电 话 线 螺旋 超螺旋 L 25 T 25 W 0 松弛环形 1 15 20 10 5 23 L 23 T 23 W 0 解链环形 1 5 10 15 20 23 1510152025 L 23 T 25 W 2 负超螺旋 1
15、 214 823 16 13 1510152023 右手旋转拧松两匝后的线形DNA DNA超螺旋的形成 超螺旋的拓 扑学公式 L T W 或 超螺旋状态的定量描述 公式1 L T W L 连环数 linking number DNA双螺旋中一 条链以右手螺旋与另一条链缠绕的次数 T DNA分子中的螺旋数 twisting number W 超螺旋数或缠绕数 writhing number 公式2 L L0 L0 超螺旋度 degree of supercoiling L0 松驰态DNA连环数 L 25 T 25 W 0 松弛环形 1 15 20 10 5 23 L 23 T 25 W 2 负超
16、螺旋 1 214 823 16 13 DNA超螺旋结构形成的意义 使DNA形成高度致密状态从而得以装入核中 推动DNA结构的转化以满足功能上的需要 如负 超螺旋分子所受张力会引起互补链分开导致局部 变性 利于复制和转录 原核生物两类拓扑异构酶 除连环数 L 不同外其他性质均相同的DNA分子称为拓扑异 构体 topoisomerase DNA拓扑异构酶通过改变DNA的L值而 影响其拓扑结构 拓扑异构酶I通过使DNA的一条链发生断裂和再连接 能使超 螺旋DNA转变成松弛型环状DNA 每催化一次可消除一个负超螺 旋 即使L增加 反应无需供给能量 拓扑异构酶II则刚好相反 可使松弛型环状DNA转变成负超螺 旋DNA 每催化一次 L 减少 可引入负超螺旋 拓扑异构酶 II亦称促旋酶 它可以使DNA的两条链同时断裂和再连接 当它 引入超螺旋时需要ATP提供能量 细胞内两类拓扑异构酶的含量受严格的控制 使细胞内DNA 保持在一定的超螺旋水平 原核拓扑异构酶I的作用机制 连接数 n 连接数 n 1 穿越断口和 使两端连接 切割 abcd DNA 双链重新连接 DNA 双链穿过 DNA 的释放 重复起始
