生物化学课件核酸的结构和功能

第 二 章核酸的结构和功能核酸的结构和功能Structure and Function of Nucleic AcidStructure and Function of Nucleic Acid张思张思 核核 酸酸(nucleic acid)是以核苷酸为基本组成单位的生物大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。分子，携带和传递遗传信息。一、核酸的发现和研究工作进展一、核酸的发现和研究工作进展 1868年年 Fridrich Miescher从脓细胞中提取从脓细胞中提取“核素核素”1944年年 Avery等人证实等人证实DNA是遗传物质是遗传物质1953年年 Watson和和Crick发现发现DNA的双螺旋结构的双螺旋结构1965年年 Nirenberg发现遗传密码发现遗传密码1970年年 Temin和和Baltimore发发现逆转录酶现逆转录酶1981年年 Gilbert和和Sanger建建立立DNA 测序方法测序方法1985年年 Mullis发明发明PCR 技术技术1990年年 美国启动人类基因组计划美国启动人类基因组计划(HGP)1994年年 中国人类基因组计划启动中国人类基因组计划启动2001年年 美、英等国完成人类基因组计划基本框架美、英等国完成人类基因组计划基本框架二、核酸的分类及分布二、核酸的分类及分布 90%90%以以上上分分布布于于细细胞胞核核，其其余余分分布布于于核外核外如线粒体，叶绿体，质粒等。如线粒体，叶绿体，质粒等。分布于胞核、胞液。分布于胞核、胞液。(deoxyribonucleic acid,DNA)(ribonucleic acid,RNA)脱氧核糖核酸脱氧核糖核酸 核糖核酸核糖核酸携带遗传信息，决定细胞和个携带遗传信息，决定细胞和个体的基因型体的基因型(genotype)。参与细胞内参与细胞内DNA遗传信息的表遗传信息的表达。某些病毒达。某些病毒RNA也可作为遗也可作为遗传信息的载体。传信息的载体。第一节第一节核酸的化学组成及其一级结构核酸的化学组成及其一级结构The Chemical Component and Primary Structure of Nucleic Acid一、核苷酸是构成核酸的基本组成单位一、核苷酸是构成核酸的基本组成单位1.元素组成元素组成C、H、O、N、P（910%）2.分子组成分子组成 碱基碱基(base)：嘌呤碱，嘧啶碱：嘌呤碱，嘧啶碱 戊糖戊糖(ribose)：核糖，脱氧核糖：核糖，脱氧核糖 磷酸磷酸(phosphate)核酸核酸(DNA和和RNA)核苷酸核苷酸核苷和脱氧核苷核苷和脱氧核苷磷酸磷酸戊糖戊糖碱基碱基嘌呤嘌呤嘧啶嘧啶核糖核糖脱氧核糖脱氧核糖n核酸组成核酸组成 碱基碱基(base)是含氮的杂环化合物。是含氮的杂环化合物。碱基碱基嘌呤嘌呤嘧啶嘧啶腺嘌呤腺嘌呤鸟嘌呤鸟嘌呤尿嘧啶尿嘧啶胸腺嘧啶胸腺嘧啶胞嘧啶胞嘧啶存在于存在于DNA和和RNA中中仅存在于仅存在于RNA中中仅存在于仅存在于DNA中中n碱基碱基嘌呤嘌呤(purine)腺嘌呤腺嘌呤(adenine,A)鸟嘌呤鸟嘌呤(guanine,G)碱碱 基基嘧啶嘧啶(pyrimidine)胞嘧啶胞嘧啶(cytosine,C)尿嘧啶尿嘧啶(uracil,U)胸腺嘧啶胸腺嘧啶(thymine,T)碱基的互变异构碱基的互变异构受介质pH影响 Purine和pyrimidine构成核酸分子DNADNA和和RNARNA都含有都含有2 2种嘌呤：种嘌呤：A,GA,GDNADNA和和RNARNA也含有同也含有同1 1种嘧啶种嘧啶:C:CT in DNAT in DNAU in RNAU in RNA少数情况例外少数情况例外戊戊 糖糖（构成（构成RNA）12345核糖核糖(ribose)（构成（构成DNA）脱氧核糖脱氧核糖(deoxyribose)Hn脱氧核苷脱氧核苷嘌呤嘌呤N-9 或或嘧啶嘧啶N-1与脱氧核糖与脱氧核糖C-1 通过通过-N-糖糖苷键苷键相连形成相连形成脱氧核苷脱氧核苷(deoxyribonucleoside)。嘌呤嘌呤N-9-9或或嘧啶嘧啶N-1-1与核糖与核糖C-1C-1 通过通过-N-糖苷糖苷键键相连形成相连形成核苷核苷(ribonucleoside)。n核苷核苷NNNN9N H2OOHOHHHHCH2OHH12糖苷键糖苷键核苷或脱氧核苷与磷酸通过核苷或脱氧核苷与磷酸通过酯键酯键结合构成结合构成核苷酸核苷酸(ribonucleotide)或或脱氧核苷酸脱氧核苷酸(deoxyribonucleotide)。n核苷酸核苷酸(ribonucleotide)NNNN9NH2OO HO HHHHCH2H1 2OPO-HOO糖苷键糖苷键酯键酯键 电电 脑脑 模模 型图型图 简化式简化式 酯键酯键糖苷键糖苷键磷酸的数量环化核苷酸：环化核苷酸：cAMP、cGMP，是细胞信号，是细胞信号转导中的第二信使。转导中的第二信使。cAMPn核苷酸衍生物核苷酸衍生物二、二、DNA是脱氧核苷酸通过是脱氧核苷酸通过3,5-磷酸二酯键磷酸二酯键连接形成的大分子连接形成的大分子一一个个脱脱氧氧核核苷苷酸酸3 3 的的羟羟基基与与另另一一个个核核苷苷酸酸5 5 的的-磷磷酸酸基基团团缩缩合合形形成成磷磷酸酸二二酯酯键键(phosphodiester bond)。多多个个脱脱氧氧核核苷苷酸酸通通过过磷磷酸酸二二酯酯键键构构成成了了具具有有方方向向性性的的线线性性分分子子，称称为为多多聚聚脱脱氧氧核核苷苷酸酸(polydeoxynucleotide)，即即DNA链链。5-末端末端3-末端末端CGA磷酸二酯键磷酸二酯键磷酸二酯键磷酸二酯键交交替替的的磷磷酸酸基基团团和和戊戊糖糖 构构 成成 了了 DNA的的 骨骨 架架 (backbone)。DNA链的方向是链的方向是5 5 3 3 DNA和RNA的大小单链单链DNA,RNA:核苷酸（核苷酸（nucleotide,nt)双链双链DNA:碱基对（碱基对（base pair,bp)或或kbOligonucleotide VS polynucleotide50 bp polynucleotide三、三、RNA也是具有也是具有3,5-磷酸二酯键的磷酸二酯键的线性大分子线性大分子RNA也也是是多多个个核核苷苷酸酸分分子子通通过过酯酯化化反反应应形形成的线性大分子，并且具有方向性；成的线性大分子，并且具有方向性；RNA的戊糖是核糖；的戊糖是核糖；RNA的嘧啶是胞嘧啶和尿嘧啶。的嘧啶是胞嘧啶和尿嘧啶。n定义定义核酸中核苷酸的排列顺序。核酸中核苷酸的排列顺序。由于核苷酸间的差异主要是由于核苷酸间的差异主要是碱基不同，所以也称为碱基不同，所以也称为碱基序列碱基序列。55端端3端端CGA四、核酸的一级结构是四、核酸的一级结构是核苷酸的排列顺序核苷酸的排列顺序A G P5 P T PG PC PT P OH 3 n书写方法：书写方法：5 pApGpTpGpCpT-OH 3 5 A G T G C T 3 核酸与蛋白质的比较proteinnucleic acid组成单位氨基酸核苷酸组成单位种类205连接方式肽键磷酸二酯键一级结构氨基酸序列碱基序列空间结构二，三，四级结构二级结构和高级结构功能执行者信息储存第二节第二节DNA的空间结构与功能的空间结构与功能Dimensional Structure and Function of DNA一、一、DNA的二级结构的二级结构双螺旋结构双螺旋结构（一）（一）DNA双螺旋结构的研究背景和历史意义双螺旋结构的研究背景和历史意义 碱基组成分析碱基组成分析Chargaff 规则规则：A=TG C 碱基的理化数据分析碱基的理化数据分析A-T、G-C以以氢键氢键配对较合理配对较合理 DNA纤维的纤维的X-线衍射图谱分析线衍射图谱分析 目目 录录（二）（二）DNA双螺旋结构模型要点双螺旋结构模型要点（Watson,Crick,1953）两两条条相相互互平平行行但但走走向向相相反反的的脱氧多核苷酸链组成。脱氧多核苷酸链组成。右手螺旋右手螺旋方式。方式。螺螺旋旋直直径径为为2.4 2.4 nm，形形成成大大沟沟(major groove)及及 小小 沟沟(minor groove)相间。相间。目目 录录（二）（二）DNA双螺旋结构模型要点双螺旋结构模型要点 （Watson,Crick,1953）u碱碱基基垂垂直直螺螺旋旋轴轴居居双双螺螺旋旋内内側側，与与对对側側碱碱基基形形成成氢氢键键配配对对（互互补补配配对对形形式式：A=T;G C）。u相邻碱基平面距离相邻碱基平面距离0.34nm，内侧外侧基团不同，内侧外侧基团不同，螺旋一螺旋一圈螺距圈螺距3.6nm，一圈，一圈10.5对碱对碱基。基。氢键和碱基堆积力。氢键和碱基堆积力。碱基互补配对碱基互补配对 TAGC1,63,42,3,42,1,6（三）（三）DNA双螺旋结构的多样性双螺旋结构的多样性目目 录录B-A型DNAB型DNAZ型DNA旋向旋向螺距螺距(nm)碱基数碱基数（每圈）（每圈）螺旋直径螺旋直径（nm）骨架骨架走行走行存在条件存在条件A型型 右手右手2.3112.6平滑平滑体外脱水体外脱水B型型右手右手3.410.52.0平滑平滑DNA生理条件生理条件Z型型左手左手4.5121.8锯齿型锯齿型CG序列序列n三种三种DNA构型的比较构型的比较（四）（四）DNA的多链螺旋结构的多链螺旋结构在在酸酸性性的的溶溶液液中中，胞胞嘧嘧啶啶的的N-3原原子子被被质质子子化化，可可与与鸟鸟嘌嘌呤呤的的N-7原原子子形形成成氢氢键键；同同时时，胞胞嘧嘧啶啶的的N-4的的氢氢原原子子也也可可与与鸟鸟嘌嘌呤呤的的O-6形形成成氢氢键键，这种氢键被称为这种氢键被称为Hoogsteen氢键。氢键。nHoogsteen氢键氢键Hoogsteen氢氢键键，不不破破坏坏Watson-Crick氢氢键键，由由此形成了此形成了CGC的三链结构的三链结构(triplex)。n三链结构三链结构鸟嘌呤之间通过鸟嘌呤之间通过Hoogsteen氢键形成特殊氢键形成特殊的的四链结构四链结构(tetraplex)。n四链结构四链结构真核生物真核生物DNA3 3-末末端是端是富含富含GT的多次重复序的多次重复序列，因而自身形成了折叠列，因而自身形成了折叠的四链结构。的四链结构。二、二、DNA的超螺旋结构及其在染色质的超螺旋结构及其在染色质中的组装中的组装（一）（一）DNA的超螺旋结构的超螺旋结构超螺旋结构超螺旋结构(superhelix 或或supercoil)DNA双螺旋链再盘绕即形成超螺旋结构。双螺旋链再盘绕即形成超螺旋结构。正超螺旋正超螺旋(positive supercoil)盘绕方向与盘绕方向与DNA双螺旋方同相同双螺旋方同相同 负超螺旋负超螺旋(negative supercoil)盘绕方向与盘绕方向与DNA双螺旋方向相反双螺旋方向相反 原核生物原核生物DNA多为环状，以负超螺旋的形式多为环状，以负超螺旋的形式存在，平均每存在，平均每200200碱基就有一个超螺旋形成。碱基就有一个超螺旋形成。nDNA超螺旋结构的电镜图象超螺旋结构的电镜图象（一）（一）DNA在真核生物细胞核内的组装在真核生物细胞核内的组装真真核核生生物物染染色色体体由由DNA和和蛋蛋白白质质构构成成，其基本单位是其基本单位是 核小体核小体(nucleosome)。核小体的组成核小体的组成DNA：约约210bp 组蛋白：组蛋白：H1H2A，H2BH3H4DNA：约约150bp,1.75圈圈 组蛋白：组蛋白：H2A，H2BH3H4n核小体的组成核小体的组成（核心颗粒）（核心颗粒）60bpDNA染色质呈现出的串珠样结构。染色质呈现出的串珠样结构。染色质的基本单位是核小体染色质的基本单位是核小体(nucleosome)。nDNA染色质的电镜图像染色质的电镜图像（二二）真核生物）真核生物DNA的高度有序和高度致密的高度有序和高度致密的结构的结构真真核核生生物物DNA以以非非常常有有序序的