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1、第十二章 核酸通论,Nucleic Acid,一、核酸的发现和研究简史 二、核酸的种类和分布 三、核酸的生物学功能,主要内容,Chapter12 核酸通论,（一）核酸的分类、分布和功能,（一）核酸的分类、分布和功能,脱氧核糖核酸（DNA）,Chapter12 核酸通论,二、核酸的种类和分布,核糖核酸（RNA）,核糖体RNA（rRNA）：构成核糖体的骨架,起装配和催化作用 转移RNA（tRNA）：携带氨基酸并识别密码子 信使RNA（mRNA）：携带DNA的遗传信息并作为蛋白质合成的模板 小RNA（ sRNA ）：与遗传信息的表达和表达调控有关,参与蛋白质的合成,Chapter13 核酸的结构,核
2、酸的基本结构单位是核苷酸,核苷酸,戊糖,碱基,磷酸,RNA与DNA成分的差别仅在于糖和一个嘧啶。在DNA分子中以D-2-脱氧核糖代替了RNA的D-核糖，以胸腺嘧啶代替了RNA的尿嘧啶。,Pyrimidines,Cytosine,Thymine,Uracil,1 五种基本碱基,戊糖,H,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 monophosphate,H,OH,C,（一）、 核酸的一级结构,核苷酸连接方式:磷酸二酯键(35磷酸二酯键) 。 两个末端: C5的磷酸基（ 5-磷酸端,5
3、-P） C3 的羟基（ 3-羟基端、3-OH）。 方向性:53或是35。,脱氧核苷酸之间的连接方式（3-5磷酸二酯键）和排列顺序,C,线条式,字母式,核酸分子中核苷酸之间的共价键,3 -5 磷酸二酯键,（一）、RNA的一级结构和类别,四 RNA的结构,Chapter13 核酸的结构,RNA,1RNA分子中各核苷之间的连接方式（3-5磷酸二酯键）和排列顺序叫做RNA的一级结构,原核生物mRNA特征： 先导区+翻译区（多顺反子）+末端序列 真核生物mRNA特征： “帽子”（m7G-5ppp5-N-3p）+单顺反子 +“尾巴”（Poly A）,mRNA的一级结构,真核生物mRNA的一级结构,N,CH
4、3,CH2,P,P,P,CH2,OH,OH,OCH3,OCH3,CH2,P,7-甲基鸟苷,mRNA 5 端,5 - 5 三 磷酸酯键,帽子结构,（一）、 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53。,RNA 与 DNA 的差异 DNA RNA 糖 脱氧核糖 核糖 碱基 AGCT AGCU 不含稀有碱基 含稀有碱基,原核生物和真核生物染色体DNA结构比较： 基因连续性 操纵子 调控序列 重复序列 所占比例 细菌 连续,无内含子 有 小 很少 真核 断裂,有内含子 无 大 大量 生物,P48
5、3,基因（gene)：是染色体上特定位置的一个遗传单位， 是一段DNA（RNA）片断,（double-helical structure）,1953年Watson和Crick提出了DNA双螺旋结构。,2DNA双螺旋结构模型,（二） DNA的二级结构,三 DNA的结构,Chapter13 核酸的结构,两条反平行链以右手螺旋方向绕同一中心轴缠绕 磷酸与脱氧核糖以3,5磷酸二酯键相连形成DNA外侧骨架；碱基在内，其平面垂直于螺旋轴并以A=T, G=C方式通过氢键互补配对。,DNA双螺旋结构模型,磷酸与脱氧核糖以3,5磷酸二酯键相连形成DNA外侧骨架；碱基在内，其平面垂直于螺旋轴并以A=T, G=C方
6、式通过氢键互补配对。,两条反平行链以右手螺旋方向绕同一中心轴缠绕,DNA双螺旋结构模型,螺旋直径为2nm， 螺距为3.4 nm。 相邻碱基平面距离为0.34 nm 螺旋一圈包含 10 对碱基。,（二） DNA的二级结构,三 DNA的结构,Chapter13 核酸的结构,两条反平行链以右手螺旋方向绕同一中心轴缠绕 磷酸与脱氧核糖以3,5磷酸二酯键相连形成DNA外侧骨架；碱基在内，其平面垂直于螺旋轴并以A=T, G=C方式通过氢键互补配对。,3.4 nm,2nm,DNA双螺旋结构模型,碱基互补原则： 指腺嘌呤（A）与胸腺嘧啶（T）配对， 鸟嘌呤（G）与胞嘧啶（C）配对，这种配对关系 成为碱基互补原
7、则。,两条反平行链以右手螺旋方向绕同一中心轴缠绕 磷酸与脱氧核糖以3,5磷酸二酯键相连形成DNA外侧骨架；碱基在内，其平面垂直于螺旋轴并以A=T, G=C方式通过氢键互补配对。 直径=2nm，螺距=3.4nm，每圈螺旋包含10bp。 碱基堆积力和氢键是维持DNA二级结构的主要作用力, 氢键维持 DNA 双链横向稳定性，碱基堆积力维持双链纵向稳定性。,P486,（二） DNA的二级结构,三 DNA的结构,Chapter13 核酸的结构,DNA双螺旋结构模型,螺旋有大、小沟.,B-DNA双螺旋的结构：,（二） DNA的二级结构,三 DNA的结构,Chapter13 核酸的结构,两条反平行链以右手螺
8、旋方向绕同一中心轴缠绕 磷酸与脱氧核糖以3,5磷酸二酯键相连形成DNA外侧骨架；碱基在内，其平面垂直于螺旋轴并以A=T, G=C方式通过氢键互补配对。 直径=2nm，螺距=3.4nm，每圈螺旋包含10bp。 碱基堆积力和氢键是维持DNA二级结构的主要作用力.,A-DNA：右手螺旋 11 碱基/螺旋 相对湿度为75%时结晶的DNA钠盐 B-DNA：右手螺旋 10 碱基/螺旋 相对湿度为92%时结晶的DNA钠盐 Z-DNA：左手螺旋 12 碱基/螺旋 天然DNA局部区；人工合成寡核苷酸链,3DNA双螺旋的种类,（二） DNA的二级结构,三 DNA的结构,Chapter13 核酸的结构,三种DNA双
9、螺旋构象比较,P489,DNA分子内的三链结构 铰链DNA,DNA分子间的三链结构,5 三螺旋DNA（H-DNA）,常出现在调控区、DNA复制的起点和终点,当DNA的一段多聚嘧啶或嘌呤核苷酸的组成为镜像重复时可回折产生三螺旋DNA 。在形成分子内三股螺旋时胞嘧啶需发生质子化过程，故称为H-DNA。,（二） DNA的二级结构,三 DNA的结构,P490,三 DNA的结构,（二）、 DNA的二级结构,（三）、 DNA的三级结构,（一）、 DNA的一级结构,（四）、 DNA与蛋白质复合物的结构,Chapter13 核酸的结构, DNA的三级结构定义:指DNA分子(双螺旋)通过扭曲和折叠所形成的特定构
10、象。包括不同二级结构单元间的相互作用、单链与二级结构单元间的相互作用以及DNA的拓扑特征。,P490,(三) 、DNA的三级结构,三 DNA的结构,Chapter13 核酸的结构,拓扑学是数学中一个重要的、基础的分支。起初它是几何学的一支，研究几何图形在连续变形下保持不变的性质(所谓连续变形，形象地说就是允许伸缩和扭曲等变形，但不许割断和粘合)；现在已发展成为研究连续性现象的数学分支。,绝大多数DNA是以超螺旋的形式存在的,螺旋和超螺旋电话线,螺旋,DNA超螺旋的形成(环状DNA分子),超螺旋型DNA的形成： 超螺旋（扭紧）、负超螺旋（扭松）,从能量来讲，超螺旋更容易形成 从生物学意义来讲，超
11、螺旋型DNA具有更为致密的结构，可以将DNA分子压缩在一个极小的体积内. 生物体内，天然存在的DNA分子多为负超螺旋。,超螺旋状态的定量描述,T扭转数,DNA分子中的Watson Crick螺旋数 W超螺旋数或缠绕数 L连环数 ，DNA双螺旋中一条链以右手螺旋与另一条链缠绕的次数。 公式: L=T+W,P491,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 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，能使L增加，通过使DNA的一条
12、链发生断裂和再连接，反应无需供给能量。 拓扑异构酶II(促旋酶) 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。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。,P492,三 DNA的结构,（二）、 DNA的二级结构,（三）、 DNA的三级结构,（一）、 DNA的一级结构,（四）、 DNA与蛋白质复合物的结构,Chapter13 核酸的结构,（四）DNA与蛋白质复合物的结构,核蛋白( DNP) 1 病毒：,P492,2 细菌拟核（nucleoid）,细菌
13、染色体DNA为双链环状，结合碱性蛋白和少量RNA。 形成突环结构，组装成致密的小体拟核,P493,三 DNA的结构,Chapter13 核酸的结构,（四）DNA与蛋白质复合物的结构,真核生物的DNA分子在细胞生活周期的大部分时间里都是以染色质的形式存在的。染色质是一种纤维状结构，叫做染色质丝。染色质的基本结构单位是核小体。,3 真核染色体DNA组装,核小体由组蛋白核心和缠绕其上的DNA链组成，组蛋白核心是由组蛋白H2A，H2B，H3和H4各两分子构成的致密八聚体， DNA链以左手螺旋在组蛋白核心上缠绕一又四分之三圈，长度为146bp。 两个核小体之间的连接DNA长度随不同核小体而略有不同，约6
14、0bp。每个核小体重复单位的DNA约为200bp,3 真核染色体DNA组装,P494,DNA链进一步折叠成染色质纤丝，每圈六个核小体， 直径为30nm,细胞间期的染色质主要以这种形式存在.,DNA分子经多级折叠和盘绕，压缩将近一万倍，这样才使每个染色体中几厘米长(如人染色体的DNA分子平均长度为4cm)的DNA分子容纳在直径数微米(如人细胞核的直径为67m)的细胞核中。,真核染色体的折叠原则：在螺旋的基础上形成螺旋，再形成螺旋,四 RNA的高级结构,tRNA的结构,二氢尿嘧啶环,反密码环,TC 环,额外环 (可变的),tRNA 的二级结构 三叶草形,反密码子,氨基酸臂,tRNA 的三级结构 倒 L 形,rRNA的结构特征,rRNA一级结构的一个特征就是甲基化残基的存在，主要的修饰位点在-D-核糖的C2-OH。二级结构的模型也已构建出来，rRNA分子内部局部碱基互补，形成许多“茎环”结构，为核糖体蛋白的结合与组装提供了结构基础。,图1-16 原核生物16S rRNA的二级结构,1DNA分子中核苷酸的连接方式,RNA与DNA的比较,
