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1、第 六 章 核苷酸与核酸 Nucleotides and Nucleic Acids,核 酸(nucleic acid),是以核苷酸为基本组成单位的生物大分子，携带和传递遗传信息。,核酸的发现和研究工作进展,1869年 Fridrich 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 1968年 Nirenberg发现遗传密码 1975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
2、 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,第一节 核酸概述 The Generality of Nucleic Acids,一、核酸的基本结构单位是核苷酸,核酸在核酸酶的作用下水解成核苷酸。,二、核苷酸由碱基、戊糖、磷酸组成,核苷酸由碱基(base)、戊糖(pentose)和磷酸3种成分以共价键依次连接而成。,核酸的化学组成,元素组成 C、H、O、N、P（9%10%）,分子组成, 碱基(base)：嘌呤碱，嘧啶碱 戊糖(pentose)：核糖，脱氧核糖 磷酸(phosphate),（一）核酸中的碱基分为嘧啶碱和嘌呤
3、碱两类,1核酸中常见的5种碱基,嘧啶(pyrimidine),胞嘧啶(cytosine, C),尿嘧啶(uracil, U),胸腺嘧啶(thymine, T),2核酸中存在稀有碱基,核酸中还有一些含量甚少的碱基，称为稀有碱基(rare base)。稀有碱基种类很多，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%。,核酸中部分稀有碱基,（二）核苷酸中的戊糖有核糖和脱氧核糖两类,核糖核苷酸：-D-核糖脱氧核糖核苷酸： -D-2-脱氧核糖,戊 糖,H,（三）碱基和和戊糖缩合成核苷酸,1. 碱基和戊糖缩合成核苷 -N-糖苷键 2. 糖苷键是可以旋转碱基位置存在顺式和反式结构,顺式鸟嘌
4、呤核苷,反式鸟嘌呤核苷,反式胞嘧啶核苷,反式胞嘧啶脱氧核苷,核苷酸： AMP, GMP, UMP, CMP 脱氧核苷酸： dAMP, dGMP, dTMP, dCMP,（四）核苷与磷酸以酯键连接成核苷酸,腺嘌呤核苷三磷酸 ATP,腺嘌呤脱氧核苷一磷酸 dAMP,环式腺苷一磷酸cAMP,环式鸟苷一磷酸cGMP,鸟苷四磷酸 ppGpp,体内重要的游离核苷酸及其衍生物,含核苷酸的生物活性物质： NAD+、NADP+、CoA-SH、FAD 等都含有 AMP,多磷酸核苷酸：NMP，NDP，NTP,环化核苷酸: cAMP，cGMP,cAMP,三、核苷酸通过3,5-磷酸二酯键连接成多聚核苷酸,（一）3, 5
5、-磷酸二酯键是核酸的基本结构键,3, 5-磷酸二酯键,（二）多聚核苷酸链有方向性,书写方法,5 pApCpTpGpCpT-OH 3,5 A C T G C T 3,目 录,四、核酸分为核糖核酸和脱氧核糖核酸两类,（一）RNA是单链多聚核糖核苷酸 （二）DNA是单链或双链多聚脱氧核糖核酸（三）组成DNA和RNA成分不同（四）多聚核苷酸中核苷酸的排列顺序是核苷酸的基本结构,五、核苷酸还有其他功能,脱氧核苷酸主要的作用是DNA的组成成分，为数不多的参与代谢的调节。核糖核苷酸除了是RNA的组成成分外，还以多种方式参与细胞内的生理和生化过程。,第二节DNA的三维结构 The Three Dimensio
6、nal Structure of DNA,DNA的二级结构是双螺旋结构 DNA双螺旋结构的研究背景和历史意义 DNA双螺旋结构模型要点DNA的超螺旋结构及其在染色质中的组装 DNA的超螺旋结构 原核生物DNA的高级结构 DNA在真核生物细胞核内的组装DNA的功能,基本内容,一、 DNA的二级结构是双螺旋结构,（一）Waston和Crick提出DNA双螺旋结构模型,目 录,不同生物来源的DNA碱基组成(摩尔，mole)与碱基比（mole比）, 包括5-甲基胞嘧啶 比值偏离1 ：1是实验误差所致,DNA分子由两条相互平行但走向相反的脱氧多核苷酸链组成，两链以-脱氧核糖-磷酸-为骨架，以右手螺旋方式
7、绕同一公共轴盘。螺旋直径为2nm，形成大沟(major groove)及小沟(minor groove)相间。,（二） DNA双螺旋结构具有特征性 （Watson, Crick, 1953）,碱基垂直螺旋轴居双螺旋内側，与对側碱基形成氢键配对（互补配对形式：A=T; GC） 。 相邻碱基平面距离0.34nm，螺旋一圈螺距3.4nm，一圈10对碱基。,DNA双链模型,碱基互补配对,T,A,G,C,氢键维持双链横向稳定性，碱基堆积力维持双链纵向稳定性。,Watson-Grick和Hoogsteen DNA螺旋中碱基对间氢键的位置,（三）DNA双螺旋结构具有多样性,目 录,不同类型的DNA双螺旋结构
8、,A、B和Z型DNA分子的比较,（四）某些DNA 具有更复杂的螺旋结构,1. Hoogsteen碱基配对 形成三股螺旋DNA,H-DNA的结构,2 4条多聚鸟嘌呤核苷酸链形成四螺旋DNA,碱基序列依赖性的局部DNA 可形成发夹形或十字形结构,3.在特异碱基序列基础上DNA局部可形成特殊结构,二、DNA的三级结构是超螺旋结构,DNA的超螺旋结构,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
9、向相反,意义 DNA超螺旋结构整体或局部的拓扑学变化及其调控对于DNA复制和RNA转录过程具有关键作用。,（一）原核生物DNA的是环状超螺旋结构,（二）真核生物的线粒体、叶绿体DNA也是环状超螺旋结构,真核细胞中含有核外遗传物质的细胞器。线粒体DNA(mtDNA)是一个封闭的双链环状分子。人mtDNA全长16,569个碱基对，共计37个基因, 分别编码13个蛋白质、2个rRNA、22个tRNA。,（三）拓扑异构酶改变超螺旋的数量和类型,环状DNA的三种拓扑异构体示意图,1核酸分子具有拓扑同分异构体,比超螺旋（specific superhelix），也称为超螺旋密度（superhelical
10、density）。以符号表示：（LkTw）/Tw，或Lk/Lk0,可用于比较DNA拓扑同分异构体的超螺旋的方向和多少,2拓扑连环数可定量和定性地描述DNA拓扑同分异构体,Lk Tw + Wr,Lk为拓扑连环数(linking number)，即闭合环状DNA双链的互绕数(interwinding number)；Tw为DNA某种构象双螺旋应有的双螺旋周数或扭曲数(twisting number)，此值只与DNA的碱基对数及构象有关，B型DNA的Tw值等于碱基对数除以10；Wr为超螺旋数或缠绕数(writhing number)。对B型DNA来说，Tw和Wr的正负表示螺旋的方向，右手螺旋为正，左
11、手螺旋为负。,3拓扑异构酶（Topoisomerase）催化DNA连环数的改变,概念：能够引起拓扑异构反应的酶。 作用：对DNA分子的作用是既能切开又能连接磷酸二酯键，使DNA不至于打结，适当时候又把切口封闭，使DNA的拓扑异构体发生改变。 类型：大肠杆菌至少有2型4种拓扑异构酶。型拓扑异构酶包括拓扑异构酶和拓扑异构酶 ，其功能是去除负超螺旋而松弛DNA ；型拓扑异构酶包括拓扑异构酶和拓扑异构酶，其功能是引入负超螺旋 。 真核生物细胞同样有I型拓扑异构酶和II型拓扑异构酶。I型拓扑异构酶，包括拓扑异构酶I 和III；II型拓扑异构酶，包括拓扑异构酶II和II。与原核生物的拓扑异构酶不同，真核生
12、物的拓扑异构酶I能消除负超螺旋也能消除正超螺旋，拓扑异构酶III只消除负螺旋，但活性较低。,三、真核生物DNA与组蛋白组成高度有序的染色体,（一）核小体(nucleosome)是染色质的基本组成单位，由DNA和蛋白质构成 。,1 双链DNA缠绕在组蛋白核心上构成核小体 DNA：约200bp 组蛋白：H1、H2A、H2B、H3、H4,核小体的结构示意图,a 组蛋白八聚体核心 b 核小体 c 直径30nm纤维的剖面图显示H1的位置 d 核小体组成串珠样的染色质,a,c,b,d,2组蛋白是小分子量的碱性蛋白质,组蛋白分子质量在11kD到21kD之间，组蛋白中富含精氨酸和赖氨酸。各种真核细胞都有5种组
13、蛋白，但分子质量和氨基酸的顺序有些差异。在所有真核生物中H3，H4组蛋白氨基酸序列高度保守，提示功能是相同的。但是各种生物的H1、H2A、H2B的相似性很少。,（二）核小体进一步组装成染色质/染色体,1核小体组成30nm纤维,2螺线管进一步折叠、包装为染色质和染色体,端粒,着丝粒,端粒,端粒和着丝粒的结构示意图,基因，分散的重复序列和多重复制起点,（三）真核生物染色体有端粒和着丝粒两个功能区,端粒酶,端粒酶RNA,模板DNA结合蛋白,TRF1和TRF2,端粒结构,a 端粒末端DNA序列和端粒酶及端粒酶中的RNA序列 b 端粒末端结构示意图,1端粒是染色体末端的结构,图 a,图 b,2着丝粒是连
14、接两个染色单体的中心部位,着丝粒（centromere）在有丝分裂时，使染色体均等有序地进入子代细胞。着丝粒是一段DNA序列，富含AT碱基对。酵母着丝粒长130bp，序列简单，而高等真核生物细胞的着丝粒很长，含有上千个串联的短序列拷贝，短序列的方向是相同的。着丝粒中的重复DNA序列在不同的物种间变化很大，说明这些序列的进化速率很快。着丝粒中这种比较简单的DNA的确切功能依然不清楚。,四、DNA是遗传的物质基础,DNA的基本功能是以基因的形式荷载遗传信息，并作为基因复制和转录的模板。它是生命遗传的物质基础，也是个体生命活动的信息基础。,基因从结构上定义，是指DNA分子中的特定区段，其中的核苷酸排
15、列顺序决定了基因的功能。,（一）肺炎球菌转化证明DNA传递遗传信息,（二）细胞中全部遗传信息称为基因组,基因组（genome）就是一个细胞或病毒的全部遗传信息。绝大多数生物个体的基因组是DNA，但有些病毒的基因组是RNA。,（三）常染色质与异染色质的DNA活性不同,常染色质（euchromatin），相对比较伸展，是基因表达活跃区域。对DNase敏感。 异染色质（heterochromatin），折叠压缩程度较高，是转录不活跃的区段，占染色质的10%，如着丝粒、端粒等。,第三节 RNA的结构与功能 RNA Structure and Function,一、动物细胞内有4大类RNA,动物细胞内主
16、要的RNA种类及功能,二、信使RNA具有共同的基本结构框 架和编码功能,内含子 (intron),* mRNA成熟过程,外显子 (exon),目 录,（一）5-端具有共同的帽结构大多数真核mRNA的5末端均在转录后加上一个7-甲基鸟苷，同时第一个核苷酸的C2也是甲基化，形成帽子结构：m7GpppNm-。mRNA的帽结构可以与一类称为帽结合蛋白（cap binding proteins, CBPs）的分子结合。这种mRNA和CBPs复合物对于mRNA从细胞核向细胞质的转运、与核蛋白体的结合、与翻译起始因子的结合以及mRNA稳定性的维持等均有重要作用。,帽子结构,真核mRNA的5-末端7-甲基鸟嘌呤核苷帽状结构及核糖甲基化,真核mRNA的5-末端7-甲基鸟嘌呤核苷帽状结构及核糖甲基化,
