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1、第第2 2章章核酸的结构与功能核酸的结构与功能Structure and Function of Nucleic Acidn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。l1868年年 Fridrich Miescher 从脓细胞中提取核素。从脓细胞中提取核素。 l1944年年 Avery等人证实等人证实DNA是遗传物质。是遗传物质。l1953年年 Watson和和Crick发现发现DNA的双螺旋结构。的双螺旋结构。l1968年年 Nirenberg发现遗传密码。发现遗传密码。l197
2、5年年 Temin和和Baltimore发发现逆转录酶。现逆转录酶。l1981年年 Gilbert和和Sanger建建立立DNA测序方法。测序方法。l1985年年 Mullis发明发明PCR技术。技术。l1990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)。l1994年年 中国人类基因组计划启动。中国人类基因组计划启动。l2001年年 美英等国完成人类基因组计划。美英等国完成人类基因组计划。n核酸研究的发展简史核酸研究的发展简史n核酸的分类及分布核酸的分类及分布存在存在于细胞核和于细胞核和线粒体线粒体 分布于细胞核、细胞质、分布于细胞核、细胞质、线粒体线粒体(deoxyribo
3、nucleic 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，并通过复制传递携带遗传信息，并通过复制传递给下一代。给下一代。是是DNADNA转录的产物，参与遗传信息转录的产物，参与遗传信息的复制与表达。某些病毒的复制与表达。某些病毒RNARNA也可也可作为遗传信息的载体作为遗传信息的载体核酸的化学组成核酸的化学组成 元素组成元素组成C、H、O、N、P（9%10%） 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(pentose)：核糖，脱氧核糖：核糖，脱氧核糖 磷酸磷酸(phospha
4、te)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核酸核酸核苷酸核苷酸磷酸磷酸核苷或核苷或脱脱 氧氧 核核苷苷核酸酶核酸酶水水解解核苷酶核苷酶核糖核糖脱氧核糖脱氧核糖碱基碱基戊糖戊糖嘌呤嘌呤嘧啶嘧啶碱基碱基(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(puri
5、ne，Pu) 腺嘌呤腺嘌呤(adenine, A)鸟嘌呤鸟嘌呤(guanine, G)嘧啶嘧啶(pyrimidine，Py)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)n碱基的互变异构体碱基的互变异构体 稀有碱基稀有碱基 核核酸酸中中还还有有一一些些含含量量甚甚少少的的碱碱基基，称称为为稀稀有有碱碱基基(rare base)。稀稀有有碱碱基基种种类类很很多多，大大多多数数都都是是甲甲基基化化碱碱基。基。tRNA中含有较多的稀有碱基，可高达中含有较多的稀有碱基，可高达10%。 DNARNA嘌呤嘌呤m7G 7-甲基鸟嘌呤甲基鸟嘌呤
6、 N6，N6-2 m6A N6，N6-二甲基腺嘌呤二甲基腺嘌呤N6-m6A N6-甲基腺嘌呤甲基腺嘌呤N6-m6A N6-甲基腺嘌呤甲基腺嘌呤m7G 7-甲基鸟嘌呤甲基鸟嘌呤嘧啶嘧啶m5 C 5-甲基胞嘧啶甲基胞嘧啶DHU 二氢尿嘧啶二氢尿嘧啶hm5 C 5-羟甲基胞嘧啶羟甲基胞嘧啶T 胸腺嘧啶胸腺嘧啶核酸中部分稀有碱基核酸中部分稀有碱基戊戊 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-糖苷键糖苷键相连形成相连形成脱氧核苷脱
7、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- -糖苷键糖苷键相连形成相连形成核苷核苷(ribonucleoside)。n核苷核苷NNNN9NH2OOHOHHHHCH2OHH12糖苷键糖苷键 顺式鸟嘌呤核苷顺式鸟嘌呤核苷反式鸟嘌呤核苷反式鸟嘌呤核苷反式胞嘧啶核苷反式胞嘧啶核苷反式胞嘧啶脱氧核苷反式胞嘧啶脱氧核苷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
8、(ribonucleotide)NNNN9NH2OO HO HHHHCH2H1 2OPO- -HOO糖苷键糖苷键酯键酯键n多磷酸核苷酸多磷酸核苷酸环化核苷酸：环化核苷酸：cAMP、cGMP，是细胞信是细胞信号转导中的第二信使。号转导中的第二信使。cAMPn核苷酸衍生物核苷酸衍生物二、二、DNA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
9、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-末末端端3-末末端端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 三、三、RNARNA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
10、义核核酸酸中中核核苷苷酸酸的的排排列顺序。列顺序。由由于于核核苷苷酸酸间间的的差差异异主主要要是是碱碱基基不不同同，所所以也称为以也称为碱基序列碱基序列。55端端3端端CGA四、核酸的一级结构四、核酸的一级结构A G P5 P T PG PC PT P OH 3 n书写方法：书写方法：5 pApCpTpGpCpT-OH 3 5 A C T G C T 3 核核酸酸分分子子的的大大小小常常用用碱碱基基(base或或kilobase)数数目目来表示。来表示。小小的的核核酸酸片片段段(50bp)常常被被称称为为寡寡核核苷苷酸酸(oligonucleotide)。自自然然界界中中的的DNA和和RNA的
11、的长度可以高达几十万个碱基。长度可以高达几十万个碱基。 nDNA和和RNA的区别的区别核糖核糖 G、C、A、URNA脱氧核糖脱氧核糖 G、C、A、TDNA碱基碱基核糖核糖核酸核酸DNADNA的的空空间间结结构构又又分分为为二二级级结结构构(secondary structure)和高级结构。和高级结构。nDNA的空间结构的空间结构(spatial structure)构成构成DNA的所有原子在三维空间具有确定的所有原子在三维空间具有确定的相对位置关系。的相对位置关系。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
12、DNADNA晶体衍射照片晶体衍射照片罗莎琳德罗莎琳德富兰克林富兰克林 莫里斯莫里斯威尔金斯威尔金斯 n Chargaff规规则则-化化学学成成分分； DNA分分子子X线线衍衍射射照照片片-螺旋、双链螺旋、双链n提出：提出：1953. Watsosn & Crick1953. Watsosn & Crick 右手右手 B- DNA Double helix B- DNA Double helix ModelModel 1953年沃森（右）与克里克 Watson-Crick的的DNA双螺旋双螺旋2.0 nm2.0 nm两两条条相相互互独独立立的的单单链链DNA分分子子以以螺螺旋旋方方式式相相互互缠
13、缠绕绕，形形成成右右手手双双螺螺旋旋；带带有有负负电电的的戊戊糖糖-磷磷酸酸骨骨架在分子的外侧；架在分子的外侧；碱碱基基则则平平面面堆堆积积于于螺螺旋旋的内部；的内部；由由于于骨骨架架双双链链在在螺螺旋旋轴轴上上的的间间距距不不相相等等，从从而而在在分分子子表表面面形形成成大大沟沟和和小沟小沟。双双双双螺螺螺螺旋旋旋旋分分分分子子子子中中中中糖糖糖糖分分分分子子子子与与与与纵纵纵纵轴轴轴轴平平平平行行行行，与与与与碱基平面垂直碱基平面垂直碱基平面垂直碱基平面垂直稳稳稳稳定定定定双双双双螺螺螺螺旋旋旋旋结结结结构构构构的的的的作作作作用用用用力力力力为为为为氢氢氢氢键键键键和和和和碱碱碱碱基基基
14、基堆堆堆堆积积积积力力力力（即即即即疏疏疏疏水水水水作作作作用）用）用）用）双螺旋模型参数双螺旋模型参数2.0 nm2.0 nm直径直径20螺螺距距为为34 (任任一一条条链链绕绕轴轴一一周周所所升升降降的的距距离离)每每圈圈有有10个个核核苷苷酸酸(碱碱基基)两两个个碱碱基基之之间间的的垂垂直直距距离离碱碱基基轴轴升升3.4。螺旋转角螺旋转角36度。度。有有大大沟沟和和小小沟沟，配配对对碱碱基基并并不不充充满满双双螺螺旋旋空空间间，且且碱碱基基对对占占据据的的空空间间不不对称。对称。（三）（三）DNA双螺旋结构的多样性双螺旋结构的多样性旋向旋向螺距螺距(nm)碱基数碱基数（每圈）（每圈）螺旋
15、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2.53112.55平滑平滑体外脱水体外脱水B型型右手右手3.54102.37平滑平滑DNA生理条件生理条件Z型型左手左手4.56121.84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，这种氢键被称为键，这种氢键被称为Hoogsteen氢
16、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，由此形成了由此形成了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四四链结构链结构真核生物真核生物DNA3 3 - -末末端是端是富含富含GT的多次重复的多次重复序列，因而自身形成了折序列，因而自身形成了折叠的四链结构。叠的四链结构。二、二、DNA的高级结构的高级结构超螺旋结构超螺旋结构(superhelix 或或supercoil)DNA双螺旋链再
17、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。 （一）原核生物（一）原核生物DNA的环状超螺旋结构的环状超螺旋结构原核生物原核生物DNA多为环状，以负超螺旋的形多为环状，以负超螺旋的形式存在，平均每式存在，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（二）真核生物（二）真核生物DNA真真核
18、核生生物物DNA以以非非常常有有序序的的形形式式存存在在于于细细胞胞核核内。内。在在细细胞胞周周期期的的大大部部分分时时间间里里，DNA以以松松散散的的染染色色质质(chromatin)形形式式存存在在，在在细细胞胞分分裂裂期期，则则形成高度致密的染色体形成高度致密的染色体(chromosome)。 DNA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n核小体串珠样的结构核小体串珠样的结构DNA：约约200bp 组蛋白：组蛋白：H1H2A，H2BH3H4 核小体的结构示意图核
19、小体的结构示意图a 组蛋白八聚体核心组蛋白八聚体核心 b 核小体核小体 c 直径直径30nm纤维的剖面图显示纤维的剖面图显示H1的位置的位置 d 核小体组成串珠样的染色质核小体组成串珠样的染色质acbdn双链双链DNA的折叠和组装的折叠和组装DNA经过多次折叠，被压缩了经过多次折叠，被压缩了800080001000010000倍，组装在直径只有数微米的细胞核内。倍，组装在直径只有数微米的细胞核内。DNA的的基基本本功功能能是是以以基基因因的的形形式式荷荷载载遗遗传传信信息息，并并作作为为基基因因复复制制和和转转录录的的模模板板。它它是是生生命命遗遗传传的的物物质质基基础础，也也是是个个体体生生命命活活动动的的信信息基础。息基础。基基因因从从结结构构上上定定义义，是是指指DNA分分子子中中的的特特定定区区段段，其其中中的的核核苷苷酸酸排排列列顺顺序序决决定定了了基基因因的的功能。功能。 三、三、DNA是遗传信息的物质基础是遗传信息的物质基础
