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1、第二章 核酸的结构与功能,Structure and Function of Nucleic Acid,目的要求,掌握,1.核酸的分类、生物学功能、分子组成、化学结构特点。 2核酸一级结构的概念及连接键。 3. DNA的碱基组成及Chargaff规则、DNA的双螺旋结构的要点。 4. RNA的分类、mRNA的结构特点、tRNA一级结构及二级结构的特点、rRNA的功能。 5. DNA的变性、DNA的复性及分子杂交。,熟悉,DNA的超螺旋结构、核小体的组成。,了解,1.DNA双螺旋结构的多样性 2. DNA的多螺旋结构。 3.其他小分子RNA及RNA组学。 4.核酸的一般理化性质。 5.核酸酶的概
2、念、分类及作用。,一、核 酸(nucleic acid) 的概念,是以核苷酸为基本组成单位的生物大分子，是细胞的重要组成成分，由于其携带和传递遗传信息，故称为信息大分子。,一、概述,二、核酸的分类及分布,第一节核酸的化学组成及其一级结构The Chemical Component and Primary Structure of Nucleic Acid,核酸组成,核酸酶,一、核苷酸是构成核酸的基本组成单位,碱基(base)是含氮的杂环化合物。,碱基,嘌呤,嘧啶,腺嘌呤,鸟嘌呤,尿嘧啶,胸腺嘧啶,胞嘧啶,存在于DNA和RNA中,仅存在于RNA中,仅存在于DNA中,碱基,嘌呤(purine，Pu
3、),腺嘌呤(adenine, A),鸟嘌呤(guanine, G),嘧啶(pyrimidine，Py),胞嘧啶(cytosine, C),尿嘧啶(uracil, U),胸腺嘧啶(thymine, T),碱基的互变异构体,五种碱基的酮基或氨基受介质pH的影响可形成酮-稀醇互变异构体或氨基-亚氨基互变异构体。,戊糖,核苷(ribonucleoside)的形成,碱基和核糖（脱氧核糖）通过糖苷键连接形成核苷（脱氧核苷）。连接方式：核糖或脱氧核糖C-1与嘌呤环N9或嘧啶环N1之间形成糖苷键。,N,N,N,N,9,N,H,2,O,O,H,O,H,H,H,H,C,H,2,O,H,H,1,2,糖苷键,核苷酸(
4、ribonucleotide)的形成,核苷或脱氧核苷与磷酸通过酯键结合构成核苷酸(ribonucleotide)或脱氧核苷酸(deoxyribonucleotide)连接方式：核糖的C-2、C-3 、C-5 、及脱氧核糖的C-3 、C-5 游离羟基均能与磷酸形成酯键，但体内多为5 -核苷酸。,主要的核苷（脱氧核苷）及单磷酸核苷酸（脱氧核苷酸）,腺嘌呤A 腺苷 脱氧腺苷 腺苷一磷酸(AMP) 脱氧腺苷一磷酸(dAMP) 鸟嘌呤G 鸟苷 脱氧鸟苷 鸟苷一磷酸(GMP) 脱氧鸟苷一磷酸(dGMP) 胞嘧啶C 胞苷 脱氧胞苷 胞苷一磷酸(CMP) 脱氧胞苷一磷酸(dCMP) 尿嘧啶U 尿苷 尿苷一磷酸
5、 (UMP) 胸嘧啶T 脱氧胸苷 脱氧胸苷一磷酸(dTMP),碱基 核苷 脱氧核苷 核苷酸 脱氧核苷酸,多磷酸核苷酸,根据连接的磷酸基团数目不同，核苷酸可分为：核苷一磷酸（NMP）、核苷二磷酸（NDP）、核苷三磷酸（NTP）。,环化核苷酸：cAMP、cGMP，是细胞信号转导中的第二信使。,cAMP,核苷酸衍生物,二、DNA是脱氧核苷酸通过3 ,5 -磷酸二酯键连接形成的大分子,磷酸二酯键的形成:是由一个脱氧核苷酸3的羟基与另一个脱氧核苷酸5的-磷酸基团缩合形成酯键，即3, 5-磷酸二酯键(phosphodiester bond)。,DNA分子中4种脱氧核苷酸是按一定的排列顺序通过3，5-磷酸二
6、酯键连接起来形成多聚脱氧核苷酸链。,多个脱氧核苷酸通过磷酸二酯键连接构成了具有方向性的线性分子，称为多聚脱氧核苷酸(polydeoxynucleotide)链，即DNA链。,C,G,A,交替的磷酸基团和戊糖构成了DNA的骨架 (backbone)。,DNA链的方向是5 3,三、RNA也是具有3, 5-磷酸二酯键的线性大分子,RNA也是由多个核苷酸分子通过酯化反应形成的线性大分子，并且具有方向性；,RNA与DNA的区别在于：RNA的戊糖是核糖；RNA的嘧啶是胞嘧啶和尿嘧啶。 构成RNA的4种核苷酸是：AMP、GMP、CMP、UMP。,1.定义： 核酸中核苷酸或脱氧核苷酸的排列顺序称为核酸的一级结
7、构 。 由于核苷酸间的差异主要是碱基不同，所以核酸的一级结构又称为碱基排列顺序或碱基序列。,四、核酸的一级结构是核苷酸的排列顺序,2.化学键：3, 5-磷酸二 酯键。,3.多核苷酸链的两端：,3端和5端。,4.核苷酸链书写方法：,5 pApCpTpGpCpT-OH 3,5 A C T G C T 3,单链DNA和RNA用碱基数目表示。 双链DNA和RNA用碱基对数目表示（bp或Kbp）。 小的核酸片段(50bp)常被称为寡核苷酸(oligonucleotide)。 自然界中的DNA和RNA的长度可以高达几十万个碱基。能携带和传递大量的遗传信息。,5.核酸分子大小的表示法：,DNA和RNA的区别
8、,第二节DNA的空间结构与功能Dimensional Structure and Function of DNA,DNA的空间结构又分为二级结构(secondary structure)和高级结构。二级结构为双螺旋结构；高级结构为超螺旋结构。,DNA的空间结构(spatial structure),构成DNA的所有原子在三维空间具有确定的相对位置关系。,DNA的分子结构包括DNA的基本结构和空间结构，基本结构即一级结构，即DNA脱氧多核苷酸链上脱氧核苷酸的排列顺序。,一、DNA的二级结构是双螺旋结构,不同生物种属的DNA的碱基组成不同； 同一个体的不同器官或组织的DNA碱基组成相同。 A =
9、T，G = C 并提出DNA分子中A-T,G-C相互配对。,首先Chargaff等人用层析和紫外吸收研究了DNA的碱基组成。提出了Chargaff 规则：,（一）DNA双螺旋结构的研究背景,此后，Franklin用X线衍射法获得DNA分子三维空间照片，提出DNA分子是双螺旋。,再后， Watson和Crik在总结前人试验认识和数据的基础上提出了DNA的双螺旋结构模型。又叫Watson和Crik结构模型。,不同生物来源DNA碱基组分和相对比例,（二） DNA双螺旋结构模型要点,2.4nm,3.54nm,1.DNA是反向平行、右手螺旋的双链结构。两条多聚核苷酸链的空间走向呈反向平行。按53方向，一
10、条由上而下；另一条由下而上。两条链围绕着同一个螺旋轴形成右手螺旋的结构。双螺旋结构的直径为2.37nm，螺距为3.54nm。脱氧核糖和磷酸基团组成的亲水性骨架位于双螺旋结构的外侧，疏水的碱基位于内侧。双螺旋结构的表面形成了一个大沟和一个小沟。,亲水性的骨架位于双链的外侧。 疏水性的碱基位于双链的内侧。,骨架与碱基,2.DNA双链之间形成了互补碱基对。两条链的碱基处于同一平面，与对側碱基形成氢键配对（互补配对形式：A=T; GC）。这种碱基配对关系称为互补碱基对。DNA的两条链则互为互补链。碱基对平面与螺旋轴垂直。碱基平面间距为0.34nm，每10.5个碱基对旋转一圈，螺距为3.54nm。,2.
11、4nm,3.54nm,碱基互补配对,T,A,G,C,3.疏水作用力和氢键共同维系着DNA双螺旋结构的稳定。相邻两个碱基对平面在旋转过程中会发生重叠，从而产生了疏水性的碱基堆积力(base stacking interaction)。碱基堆积力和互补碱基对的氢键共同维系着DNA结构的稳定。,2.4nm,3.54nm,碱基堆积作用力,（三）DNA双螺旋结构的多样性,以上由Watson和Crick提出的右手螺旋DNA，被称为B-DNA，是生理条件下最稳定的结构形式。后来发现DNA结构不是一成不变的，在溶液的离子强度或相对湿度改变时，DNA双螺旋结构的螺距、直径、旋转角及沟的深浅等都会发生一些变化。于
12、是，Rich等人发现了左手螺旋DNA，被称为Z-DNA。此外还有A-DNA。因此，右手双螺旋结构不是自然界DNA的唯一存在形式。不同构象形式的DNA在功能上可能有所不同。,DNA双螺旋结构的多样性,三种DNA构型的比较,（四）DNA的多链螺旋结构,在酸性的溶液中，胞嘧啶的N-3原子被质子化，可与鸟嘌呤的N-7原子形成氢键；同时，胞嘧啶的N-4的氢原子也可与鸟嘌呤的O-6形成氢键，这种氢键被称为Hoogsteen氢键。,Hoogsteen氢键,Hoogsteen氢键的形成不破坏Watson-Crick氢键，由此形成了CGC的三链结构(triplex)。 GC双链之间是Watson-Crick氢键
13、， CG双链之间是Hoogsteen氢键。,三链结构,鸟嘌呤之间通过Hoogsteen氢键形成特殊的四链结构(tetraplex)。,四链结构,真核生物DNA3-末端是富含GT的多次重复序列，因而自身形成了折叠的四链结构。,二、DNA的高级结构是超螺旋结构,超螺旋结构(superhelix 或supercoil) DNA双螺旋链再盘绕即形成超螺旋结构。,正超螺旋(positive supercoil) 盘绕方向与DNA双螺旋方同相同。,负超螺旋(negative supercoil) 盘绕方向与DNA双螺旋方向相反。,闭环双链DNA主要是负超螺旋。,（一）原核生物DNA的环状超螺旋结构,大肠杆
14、菌DNA以负超螺旋的形式存在，平均每200碱基就有一个超螺旋形成。,原核生物DNA绝大部分为闭环状双螺旋分子。在此基础上再进一步盘绕形成麻花状或螺旋管状超螺旋结构，又称类核结构，其中DNA占80%，蛋白质占20%。,DNA超螺旋结构的电镜图象,（二）真核生物DNA的高度有序和高度致密的结构,真核生物DNA以非常有序的形式存在于细胞核内。 在细胞周期的大部分时间里，DNA以松散的染色质(chromatin)形式存在。 在细胞分裂期， DNA则形成高度致密的染色体(chromosome)。随时完成其复制、转录等功能，并进行自身监测和修复。,DNA染色质呈现出的串珠样结构。 染色质的基本单位是核小体
15、(nucleosome)。,DNA染色质的电镜图像,DNA：约200bp 组蛋白：H1 H2A，H2B H3 H4,核小体的组成,组蛋白H2A、H2B、H3、H4各两分子构成八聚体，称为核心组蛋白。由长度约150bp的DNA双链在组蛋白八聚体上盘绕1.75圈形成核小体的核心颗粒。,核小体串珠样的结构,核心颗粒之间再由约60bp的DNA和组蛋白H1构成连接区连接起来构成串珠状结构，这就是染色质细丝。是DNA在核内形成致密结构的第一层次折叠，使DNA的体积压缩67倍。,染色质细丝进一步盘绕成外径为30nm、内径为10nm的空心螺旋管。,每圈螺旋由6个核小体组成，组蛋白H1位于螺旋管的内侧。空心螺旋管的形成是第二层次的折叠，使DNA体积又减少6倍。,空心螺旋管再进一步盘曲和折叠形成直径为400nm的超螺旋管，从而将染色体的体积又压缩40倍。之后，染色质纤维再进一步压缩形成染色单体，最终在核内组装成染色体。,DNA在形成染色体的过程中被反复压缩。在细胞分裂期形成染色体的过程中，DNA被压缩了800010000倍，从而将近2米长的DNA有效的组装在直径只有数毫微米的细胞核中。,
