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1、第 二 章 核酸的结构与功能,Structure and Function of Nucleic Acid,The biochemistry and molecular biology department of JMU,The biochemistry and molecular biology department of LMU,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。,Friedrich Miescher (1844-1895),Friedrich Miescher worked at the Physiological Labora
2、tory of the University of Basel and in Tbingen and is most well known for his discovery of the nucleic acids. (DNA Pioneers and Their Legacy by Ulf Lagerkvist, 1998, Yale University Press, ISBN 0-300-07184-1). To read excerpts from this book, click DNA Pioneers .,米歇尔Friedrich Miescher（18441895） 米歇尔，
3、瑞士生物学家，生前工作于巴塞尔大学的生理学研究室。以发现核酸而闻名世界。 米歇尔小时候有严重的听力障碍，因此在童年时代，尽管他非常聪明，但总是害羞并很内向。他酷爱音乐，与其父亲一样是一个天才歌手，在学校的学习成绩很好。1865年米歇尔成为一名医学生，1868年获医学博士学位。但听力问题是他成为临床医生的障碍。 1868年，米歇尔感兴趣研究白细胞。为了得到足够的白细胞，他从医院的外科绷带中洗脱脓液的白细胞，分离细胞核，得到一些粘稠的物质，并经实验证明含有含磷和氮，称为核素。随后的研究证明这一物质具有酸性，故称为核酸。这是米歇尔首次发现了重要的生命物质之一 核酸。,Reichard, P. J.
4、Biol. Chem. 2002;277:13355-13362,Oswald T. Avery (1877-1955).,埃弗里，O.T. Oswald Theodore Avery (18771955) 美国细菌学家。1877年10月21日生于加拿大新斯科舍哈利法克斯。1904年毕 业于哥伦比亚大学医学院，后到布鲁克林的霍格兰实验室研究并讲授细菌学和免疫学。1913年转到纽约的洛克菲勒研究所附属医院工作，直到1948年退休。他和C.麦克劳德、M.麦卡锡于1944年共同发现不同型的肺炎双球菌的转化因子是 DNA。这项实验第一次证明了遗传物质是DNA而不是蛋白质。 虽然这一发现，曾引起争论和怀
5、疑，但的确推动了DNA的研究，直至1953年DNA双螺旋结构的发现。他还通过对肺炎双球菌的免疫性研究，提出肺炎双球菌可根据其免疫的专一性来进行分类，而这种免疫专一性是由于不同菌型的荚膜中所含的多糖引起的。由此他建立起对不同型肺炎双球菌的灵敏检验法。1955年2月20日卒于美国田纳西州纳什维尔。,一、核酸的发现和研究工作进展,1868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
6、酶 1981年 Gilbert和Sanger建立DNA 测序方法 1985年 Mullis发明PCR 技术 1990年 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,核酸的分类及分布,存在于细胞核和线粒体,分布于细胞核、细胞质、线粒体,(deoxyribonucleic acid, DNA),(ribonucleic acid, RNA),脱氧核糖核酸,核糖核酸,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
7、组成,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),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,五种碱基都能形成酮式-烯醇式或氨基-亚氨基的互变异构。这两种异构体的平衡关系受介质酸碱环境的影响。,戊糖,脱氧核苷,嘌呤N-9 或嘧啶N-1与脱氧核糖
8、C-1通过-N-糖苷键相连形成脱氧核苷(deoxyribonucleoside)。,嘌呤N-9或嘧啶N-1与核糖C-1通过-N-糖苷键相连形成核苷(ribonucleoside)。,核苷,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)。,核苷酸(ribonucleotide),多磷酸核苷酸,RNA和DNA的基本结构单位,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,含核苷
9、酸的生物活性物质： NAD+、NADP+、CoA-SH、FAD 等都含有 AMP,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,一个脱氧核苷酸3的羟基与另一个核苷酸5的-磷酸基团缩合形成磷酸二酯键(phosphodiester bond)。 多个脱氧核苷酸通过磷酸二酯键构成了具有方向性的线性分子，称为多聚脱氧核苷酸(polydeoxynucleotide)，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也是多个核苷酸分子通过酯化反应形成的线性大分子，并且具
10、有方向性；,RNA的戊糖是核糖； RNA的嘧啶是胞嘧啶和尿嘧啶。,定义 核酸中核苷酸的排列顺序。 由于核苷酸间的差异主要是碱基不同，所以也称为碱基序列。,四、核酸的一级结构是核苷酸的排列顺序,书写方法：,5 pApCpTpGpCpT-OH 3,5 A C T G C T 3,线条式,文字式,核酸分子的大小常用碱基(base或kilobase)数目来表示。 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。,DNA和RNA的基本化学组成,第二节 DNA的空间结构与功能Dimensional Structure and
11、Function of DNA,DNA的空间结构又分为二级结构(secondary structure)和高级结构。,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。,一、DNA的二级结构是双螺旋结构,Chargaff 规则,（一）DNA双螺旋结构的研究背景,获得了高质量的DNA分子的X射线衍射照片。,提出了DNA分子双螺旋结构(double helix)模型。,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 = T，GC,罗莎林德弗兰克林Rosalind Franklin,（1920-195
12、8）,罗莎林德弗兰克林Rosalind Franklin（1920-1958） 英国物理化学家。1920年生于伦敦，15岁就立志要当科学家。她早年毕业于剑桥大学，专业是物理化学。1945年，获得博士学位之后，她前往法国学习X射线衍射技术。1951年，她回到英国，在伦敦大学国王学院取得了一个职位。此后，弗兰克林加入到了研究DNA结构的行列并加盟到威尔金斯小组。她凭着独特的思维，设计了更能从多方面了解物质不同现象的实验方法，获取了在不同温度下的DNA的X射线衍射图。她把这些各种局部的结构形状汇总，使得DNA的衍射图片越来越全面。1952年5月她终于获得了一张清晰的DNA的X光衍射照片。因此，弗兰克
13、林与威尔金斯提出了DNA的结构可能是双螺旋结构的假设。为Crick和Watson进一步论证DNA的双螺旋结构奠定了基础。,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,两条多聚核苷酸链在空间的走向呈反向平行(anti-parallel)。两条链围绕着同一个螺旋轴形成右手螺旋(right-handed)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(major groove)和一个小沟(minor groove)。,（二） DNA双螺旋结构模型要点
14、,1.DNA是反向平行、右手螺旋的双链结构,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,碱基配对关系称为互补碱基对(complementary base pair)。 DNA的两条链则互为互补链(complementary strand)。 碱基对平面与螺旋轴垂直。,碱基互补配对: 鸟嘌呤/胞嘧啶,GC,碱基互补配对: 腺嘌呤/胸腺嘧啶,A=T,大沟与小沟,相邻两个碱基对会有重叠，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。,3.疏水作用
15、力和氢键共同维系着DNA双螺旋结构的稳定。,碱基堆积作用力,DNA二级结构,DNA右双螺旋结构模型要点总结 （Watson, Crick, 1953）,1、右双螺旋，反向平行,2、碱基在内，主链在外,3、碱基互补，AT，GC,4、螺旋一圈，十对碱基,5、结构稳定，副键维系,6、大沟小沟，调节关键,（三）DNA双螺旋结构的多样性,A-DNA is favored when DNA is dehydrated. Major and minor grooves are similar in width.,B-DNA is the conformation normally found inside
16、cells.,Z-DNA is favored in certain G/C-rich sequences. No grooves left handed helix,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，不破坏Watson-Crick氢键，由此形成了CGC的三链结构(triplex)。,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。,DNA分子间的三链结构,DNA三链间 的碱基配对,DNA分子内 的三链结构,二、DNA的
