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1、第五章第五章 核核 酸酸（Chemistry of nucleic acid）l1868年年FridrichMiescher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。l1975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
2、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。核酸研究的发展简史核酸研究的发展简史核酸（Nucleicacid）是以核苷酸核苷酸（NucleotideNucleotide）为基本结构单位，按照一定的顺序，以3,5-磷酸二酯键相连接，并通过折叠、卷曲形成的具有特定生物学功能的线形或环形多聚核苷酸链。核酸组成核酸组成 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
3、组成核酸组成 种种类类分分布布功功能能DNA原核生物：核质区原核生物：核质区真核生物：真核生物：95%95%在细胞核、在细胞核、5%5%在线粒体和叶绿体在线粒体和叶绿体 遗传信息的载体遗传信息的载体RNAtRNA原核生物：细胞质原核生物：细胞质真核生物：真核生物：75%75%在细胞质在细胞质15%15%在线粒体和叶绿体在线粒体和叶绿体10%10%在细胞核在细胞核 携带、转移携带、转移aaaamRNA肽链合成的模板肽链合成的模板rRNA核糖体主要成分核糖体主要成分核酸的种类、分布与功能核酸的化学组成核酸由五种元素组成，即核酸由五种元素组成，即C C、H H、O O、N N、P P。其中。其中P
4、P含量变化不大，（含量变化不大，（DNADNA平均含磷量为平均含磷量为9.9%9.9%，RNARNA平均含磷量为平均含磷量为9.4%9.4%）由测定含磷量可以算出核）由测定含磷量可以算出核酸的含量。酸的含量。 核苷酸核苷酸磷磷酸酸核核苷苷戊戊糖糖碱碱基基核核糖糖脱氧核糖脱氧核糖嘌嘌呤呤嘧嘧啶啶核酸的化学组成DNADNA中的中的4 4种碱基：腺嘌呤、鸟嘌呤、胞嘧啶、种碱基：腺嘌呤、鸟嘌呤、胞嘧啶、胸腺嘧啶胸腺嘧啶RNARNA中的中的4 4种碱基：腺嘌呤、鸟嘌呤、胞嘧啶、种碱基：腺嘌呤、鸟嘌呤、胞嘧啶、尿嘧啶尿嘧啶5-甲基-2,4-二氧嘧啶Thy胸腺嘧啶2,4-二氧嘧啶Ura尿嘧啶2-氨基氨基-6
5、-氧嘌呤氧嘌呤Gue鸟嘌呤鸟嘌呤2-氧-4-氨基嘧啶Cyt胞嘧啶嘧啶6-氨基嘌氨基嘌呤呤Ade腺嘌呤腺嘌呤嘌呤嘌呤124NN3561357NNNNCH24689HNNNNCHNH2HNNNNCHOHH2NNNNH2OHNNOONNOOCH3n戊糖戊糖（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)n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
6、糖C-1C-1 通过通过 - -N- -糖糖苷键苷键相连形成相连形成核苷核苷(ribonucleoside)。n核苷核苷NNNN9NH2OOHO HHHHC H2O HH12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RNARNA中中的的核核苷苷酸酸腺苷酸腺苷酸AMP鸟苷酸鸟苷酸GMP胞苷酸胞苷酸CMP尿苷酸尿苷
7、酸UMPDNADNA中中的的核核苷苷酸酸脱氧腺苷酸脱氧腺苷酸dAMP脱氧鸟苷酸脱氧鸟苷酸dGMP脱氧胞苷酸脱氧胞苷酸dCMP脱氧胸苷酸脱氧胸苷酸dTMP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糖苷键糖苷键(glycosidicbond)一个环状单糖半缩醛（或半缩酮）羟基与另一个分子（例如醇、糖、嘌呤或嘧啶）的羟基、胺基或巯基之间缩合形成的缩醛键或缩酮键，糖苷键是连接提供半缩醛羟基的糖（也称为糖基）和与之缩合的“非糖”部分（也称糖苷
8、配基）的化学键，常见的糖苷键有O-糖苷键和N-糖苷键。稀有核苷（P79)：1、修饰碱基+正常核糖：二氢尿嘧啶核苷（DHU）2、正常碱基+修饰核糖：2-O-甲基腺嘌呤核苷(Am)3、正常碱基+正常核糖，非正常连接：假尿嘧啶核苷（）核苷酸及其衍生物的功能1、作为核酸的单体，是核酸(RNA和DNA）生物合成的主要原料NTP和dNTP2、体内的主要能量物质:ATP，GTP，CTP，UTP3、参与代谢和生理调节:ATP/ADP4、活化代谢物的中间载体：UDPG(尿苷二磷酸葡萄糖)5、作为辅酶的组成部分：NAD+，NADP+，FAD，CoA6、细胞中的第二信使：cAMP，cGMP思考题：思考题：RNA和D
9、NA中核酸的区别？UTP和dGTP的中文名称？核酸的基本单元：核苷酸的主要组成：DNA主要位于：；RNA主要位于：举出几个含有核酸的辅酶：举出几个高能化合物：举出几个信号分子：假尿嘧啶（）：DNA的分子结构的分子结构DNADNA分子中各种脱氧核苷酸之间的连接方式和分子中各种脱氧核苷酸之间的连接方式和排列顺序。排列顺序。四种脱氧核苷酸通过四种脱氧核苷酸通过3,53,5- -磷酸二酯键磷酸二酯键连接连接起来的多核苷酸链的排列顺序。起来的多核苷酸链的排列顺序。1、DNA的一级结构:一、DNA的一级结构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DNA单链的延伸单链的延伸53
10、端端无分枝的长链无分枝的长链具具 有有 方方 向向 性性 。 两两 个个 末末 端端 分分 别别 为为 5 5端端 和和 3 3端端 ； 在天然在天然DNADNA中，中，55端常为磷酸，端常为磷酸，33端为游离羟基。端为游离羟基。由由糖糖- -磷磷酸酸相相互互间间隔隔连连接接，构构成成主主链链；碱碱基基连连接接在在主链的核糖上，形成侧链。主链的核糖上，形成侧链。2、多聚脱氧核苷酸链的结构特点3、一级结构的表示方法1）线条法5 pGpCpTpTpAOH 35 pGCTTAOH 3pGCTTAOHGCTTA2）文字式3）缩写式 DNA的二级结构是指的二级结构是指DNA的的双螺旋结构双螺旋结构。 双
11、螺旋结构是双螺旋结构是DNA的两条链的两条链围着同一中心围着同一中心轴旋绕而成的一种空间结构。轴旋绕而成的一种空间结构。 DNA的双螺旋模型是由的双螺旋模型是由Watson和和Crick两两位科学家于位科学家于1953年年提出的。提出的。1.二级结构的概念二、 DNA的二级结构19531953年年 Watsosn & CrickWatsosn & Crick 2.双螺旋结构模型提出的依据A.DNAA.DNA的的X-X-射线衍射图射线衍射图：(1) (1) 衍射斑点呈交叉状分布衍射斑点呈交叉状分布(2) (2) 衍射点之间的距离与层次表明有衍射点之间的距离与层次表明有0.340.34nmnm和和
12、3.43.4nmnm的的周期性周期性M. H. F. Wilkins & Rosalind Frankin Xray photograph of DNA Xray photograph of DNA with high quality with high quality 1952年年B. DNA的碱基组成分析的碱基组成分析：（：（Chargaff定则定则）(1) 所有所有DNA分子中分子中A=T，G=C(2) 同同一一种种生生物物的的所所有有体体细细胞胞DNA的的碱碱基基组组成成相相同同，与与年年龄龄、健健康康状状况况、外外界界环环境境无无关关，可可作作为为该该物物种种的特征，用的特征，用不对
13、称比率不对称比率 (A+T)/(G+C) 来衡量。来衡量。(3) 亲亲缘缘越越近近的的生生物物，其其DNA的的碱碱基基组组成成越越近近，即即不不对称比率越相近。对称比率越相近。C C、DNADNA的碱基物化数据的碱基物化数据 如碱基的几何大小、键长键角数据、酸碱滴如碱基的几何大小、键长键角数据、酸碱滴定等。定等。3.双螺旋结构模型的基本特征双螺旋结构模型的基本特征(1) (1) 反向平行反向平行 的双链沿中心轴盘绕成的双链沿中心轴盘绕成右手螺旋右手螺旋。DNADNA的的双螺双螺旋结旋结构构(2) (2) 双双螺螺旋旋表表面面形形成成两两种种凹凹槽槽：较较浅浅的的叫叫小小沟沟，另另一一条条叫叫大
14、大沟沟。小沟位于双螺旋的互补链之间,而大沟位于相毗邻的双股之间。这是由于连接于两条主链糖基上的配对碱基并非直接相对,从而使得在主链间沿螺旋形成空隙不等的大沟和小沟。(3) (3) 由糖由糖- -磷酸相互间隔连接构成的主链处于螺旋外侧；磷酸相互间隔连接构成的主链处于螺旋外侧；碱基则伸向螺旋内部，与中轴垂直。碱基则伸向螺旋内部，与中轴垂直。(4) (4) 双双螺螺旋旋内内部部的的碱碱基基按按规规则则配配对对：A A与与T T配配对对，形形成成2 2个个氢氢键键；G G与与C C配配对对，形形成成3 3个个氢氢键键，称称为为碱碱基基互互补补配配对对，双双螺螺旋旋的的两两条条链链也也呈呈互互补补关关系
15、。系。 A A = = T TG CG C(5) (5) 双双螺螺旋旋直直径径为为2 2nmnm，每每对对脱脱氧氧核核苷苷酸酸残残基基沿沿纵纵轴轴旋旋转转3636，上上升升0.340.34nmnm。所所以以每每1010个个碱碱基基对对形形成成一一个个螺螺旋旋，螺距螺距3.43.4nmnm。4.影响双螺旋结构稳定性的因素影响双螺旋结构稳定性的因素（1 1）互互补补碱碱基基之之间间的的氢氢键键 ( (Hydrogen Hydrogen bond)bond) 弱键弱键, 可加热解链可加热解链（2 2） 碱基堆集力碱基堆集力( (Base stacking forces)Base stacking f
16、orces)：碱碱基基堆堆集集成成非非极极性性的的区区域域，相相互互间间产产生生疏疏水水作作用用和和范德华力范德华力 疏水作用力疏水作用力(Hydrophobicinteraction)范德华力范德华力（3 3）离子键）离子键（4）磷酸二酯键磷酸二酯键 在在生生理理状状态态及及在在溶溶液液中中，DNADNA一一般般为为B B型型( (含含水水量量9090以上，以上，NaClNaCl浓度为浓度为2.5 2.5 M M）。 当水合的当水合的DNADNA脱水时，转变为脱水时，转变为A A型型( (含水量含水量7575) )。 还有还有Z Z型型的的DNA(DNA(左手螺旋，左手螺旋，0.7 0.7
17、M MgClM MgCl2 2) )。 5.5.DNADNA双螺旋构象的多态性双螺旋构象的多态性DNA的分子构型的分子构型(B,Z,A)比较比较Z-DNAZ-DNAA-DNAB-DNADNA的分子构型的分子构型(B,Z,A)比较比较Form B Z AHelix Direction Right Left Rightbp/circle 10 12 10.7Distance/bp 0.34nm 0.38nm 0.25nmDistance/helix 3.4nm 4.46nm 2.8nmDiameter/helix 2.0 nm 1.8nm 1.9nmSequence Any Poly G-C An
18、y可能的功能可能的功能 基因表达调控基因表达调控Z-DNA(小沟小沟,信息少信息少)基因关闭基因关闭B-DNA(大沟大沟,信息多信息多)基因表达基因表达PolyT/ATTTTTTTTTTTAAAAAAAAAAPolyT/ATTTTTTTTTTTAAAAAAAAAATTTTTTTTTTTAAAAAAAAAATTTTTTTTTTTAAAAAAAAAAD.S.DNA+D.S.DNAT.S.DNA+S.S.DNA6.三链 DNA (T.S. DNA) T.S.DNA可能的功能可能的功能a)T.S.DNA可阻止调节蛋白与可阻止调节蛋白与DNA结合结合,关闭基因转录过程关闭基因转录过程b)T.S.DNA与
19、基因重组与基因重组,交换有关交换有关c)加入第三条加入第三条S.S.DNA作为分子剪刀作为分子剪刀(molecularscissors),定点切割定点切割DNA分子分子d)加入反义的第三条链加入反义的第三条链(anti-sencepolydNt)终止基因的表终止基因的表达达e)相反的观点相反的观点-T.S.DNA与基因表达呈正相关与基因表达呈正相关!?超超螺螺旋旋: :双双螺螺旋旋进进一一步步扭扭曲曲形形成成的的更更高高层层次次的的空空间间结结构，包括构，包括DNADNA扭曲、超螺旋、多重螺旋扭曲、超螺旋、多重螺旋和和连环连环等。等。1.DNA超螺旋的概述 DNADNA正正常常的的双双螺螺旋旋
20、结结构构处处于于能能量量最最低低状状态态，双双螺螺旋旋中中没没有有张张力力而而处处于于松松弛弛状状态态。如如果果这这种种正正常常双双螺螺旋旋额额外外增增加加或或减减少少螺螺旋旋圈圈数数，就就会会使使双双螺螺旋旋内内的的原原子子偏偏离离正正常常的的位位置置而而产产生生张张力力，这这样样正正常常的的双双螺螺旋旋就就发发生生扭扭曲曲而而形形成成超超螺螺旋旋。超超螺螺旋旋总总是是向向着着抵抵消消初初级螺旋改变的方向发展。级螺旋改变的方向发展。三、DNA的三级结构2.DNA超螺旋的特点1 1）线状）线状DNADNA分子分子 双螺旋与蛋白质双螺旋与蛋白质结合后扭曲盘绕结合后扭曲盘绕而形成螺旋的螺而形成螺旋
21、的螺旋结构。旋结构。positive supercoiled positive supercoiled 2 2）环状）环状DNADNA分子分子 双螺旋扭曲而形成麻花状的超螺旋结构双螺旋扭曲而形成麻花状的超螺旋结构所有生物的所有生物的DNA几乎几乎有有5%为为NegativeSuperhelixNegative Supercoiled 负超螺旋负超螺旋：当螺旋旋转：当螺旋旋转360360时，其相应碱基对时，其相应碱基对数小数小于于1010，二级结构处于，二级结构处于松缠松缠状态。状态。 正超螺旋正超螺旋：当螺旋旋转：当螺旋旋转360360时时，其相应碱基对其相应碱基对数大数大于于1010，二级结
22、构处于，二级结构处于紧缠紧缠状态。状态。 l拓扑异构酶拓扑异构酶( (topoisomerase I, II) topoisomerase I, II) 参与构型的改变参与构型的改变3、DNA超螺旋的生物学意义 DNADNA被压缩和包装，使其体积大大减小被压缩和包装，使其体积大大减小 增加了增加了DNADNA的稳定性的稳定性 可能与复制和转录的调控有关可能与复制和转录的调控有关真核生物真核生物DNADNA的高度有序和高度致密的结构的高度有序和高度致密的结构真真核核生生物物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，DN
23、A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DNA：约约200bp组蛋白：组蛋白：H1H2A，H2BH3H4n核小体的组成核小体的组成n核小体串珠样的结构核小体串珠样的结构RNARNA的分子结构的分子结构RNA的种类、分布、功能的种类、分布、功能RNA的结构特点1. 1. 单链状，但许多区单链状，但许多区
24、域可自身进行碱基配对，域可自身进行碱基配对，形成回折。形成回折。2. 2. 碱基配对规则：碱基配对规则：A-UA-U，G-CG-C，不能配对区不能配对区域形成突起。域形成突起。3. 3. RNARNA分子比分子比DNADNA分子小得多，一般含几分子小得多，一般含几十至几千个核苷酸十至几千个核苷酸4.4.核苷酸之间的连结核苷酸之间的连结方式：方式：3,5-3,5-磷酸二磷酸二酯键酯键1. tRNA功能：在蛋白质合成中负责转运氨基酸和识别密码子；参与翻译起始进程、RNA的反转录及基因表达调控73-9373-93个核苷酸组成个核苷酸组成含稀有核苷和含稀有核苷和修饰成分修饰成分修饰成分修饰成分3 3端
25、端都都为为CCACCA，用用以以接接受受氨氨基基酸酸； 5 5端端都都为为pGpG或者或者pCpC有有十十几几个个恒恒定定的的核核苷苷酸酸，对对于于维维持持其其空空间间结结构构和和实实现现生生物物功功能能起起重重要要作作用用tRNA分子特点三级结构：三级结构：倒倒L L型型倒倒L L型型：一端是一端是CCACCA，另一端是反密码子环。另一端是反密码子环。二级结构：三叶草形二级结构：三叶草形四环四环 二氢尿嘧啶环（二氢尿嘧啶环（D D环）、反密码环、额外环、环）、反密码环、额外环、T T C C环环四臂四臂 氨基酸臂、二氢尿嘧啶臂、反密码臂、氨基酸臂、二氢尿嘧啶臂、反密码臂、T T C C臂臂2
26、. rRNA分子核糖体核糖体rRNArRNA原核生原核生物物7070S S3030S S1616S S5050S S2323S S、5S5S真核生真核生物物8080S S4040S S1818S S6060S S2828S S、5S5S、5.8S5.8Sv占细胞内总占细胞内总RNARNA的的8080左右，由左右，由120-5000120-5000个核苷酸组成，个核苷酸组成，但种类很少，只有但种类很少，只有3-43-4种。种。rRNA分子功能v与蛋白质结合，组成大小亚基。与蛋白质结合，组成大小亚基。v具有酶功能，如核酶。具有酶功能，如核酶。v合成蛋白质的场所。合成蛋白质的场所。大肠杆菌大肠杆菌
27、5 5S rRNA S rRNA 的二级结构模型的二级结构模型rRNA分子二级结构可形成茎环结构二级结构可形成茎环结构3.mRNAv含量少，单链分子大小不一，也能形成茎环结构。含量少，单链分子大小不一，也能形成茎环结构。vmRNAmRNA是蛋白质生物合成的模板。是蛋白质生物合成的模板。v每一种蛋白质都有对应的每一种蛋白质都有对应的mRNAmRNA，种类多，寿命短。种类多，寿命短。原核生物和真核生物的原核生物和真核生物的mRNAmRNA在结构上有所不同：在结构上有所不同：1) 1) 原原核核生生物物的的mRNAmRNA是是多多顺顺反反子子的的，真真核核生生物物的的mRNAmRNA是单顺反子的；是
28、单顺反子的；2) 2) 原原核核mRNA mRNA 55端端无无帽帽子子结结构构，真真核核mRNA mRNA 55端端有一段帽子结构（有一段帽子结构（m m7 7GpppNmpNmpGpppNmpNmp- -）；）；3) 3) 原核原核mRNA 3mRNA 3端无端无PolyAPolyA，真核真核mRNA 3mRNA 3端有端有PolyAPolyA。 hnRNA内含子内含子( (intron) )mRNAnmRNA成熟过程成熟过程 外显子外显子( (exon) )从从AUG开开始始，每每三三个个核核苷苷酸酸为为一一组组编编码码了了一一个个氨氨基酸，称为三联体密码基酸，称为三联体密码(codon)。成熟的成熟的mRNA由氨基酸编码区和非编码区构成。由氨基酸编码区和非编码区构成。5 -末末端端的的帽帽子子(cap)结结构构和和3 -末末端端的的多多聚聚A尾尾(poly-Atail)结构。结构。n成熟的真核生物成熟的真核生物mRNAn帽子结构帽子结构: :m7GpppNm（一）大部分真核细胞（一）大部分真核细胞mRNA的的5末端都以末端都以7-甲甲基鸟嘌呤基鸟嘌呤-三磷酸核苷为起始结构三磷酸核苷为起始结构mRNA的的 帽帽 结结 构构 可可 以以 与与 帽帽 结结 合合 蛋蛋 白白 (capbindingprotein，CBP)结合。结合。 n加帽过程加帽过程
