第五章 核酸.ppt

1、第 五 章,核 酸,核 酸 通 论一、核酸的发现和研究简史,一）核酸的发现,1869年瑞士青年科学家F. Miescher由脓细胞分离得到细胞核，并从中提出一种含磷量很高的酸性化合物，称为核素。他的导师F. Hoppe-Seyler对其十分惊讶，经过反复验证后才于1871年将原文很证明与补充的论文一起发表在Med.chem.Unters.上。 Miescher转向研究鲑鱼精子头部的物质，除分离到高相对分子量含磷酸性化合物外，还提取了一种碱性化合物，称为鱼精蛋白。 Miescher被认为是细胞核化学的创始人和DNA的发现者。 O. Hammars 于1894年证明酵母核酸中的糖是戊糖。 P. A

2、. Jacobs鉴定是D-核糖。当时曾认为胸腺核酸中的糖是己糖，直至1929年才由Levene和Jacobs确定为2-脱氧-D-核糖,核 酸 通 论一、核酸的发现和研究简史,二）核酸的早期研究,核酸的碱基大部分是由Kossel及其同事所鉴定。1910年因其在核酸化学中的成就而授予他诺贝尔医学奖，但他却认为决定染色体功能的是蛋白质，因而在获奖后转而研究染色体蛋白质。 Levene在鉴定核酸中的糖以及阐明核苷酸的化学键中作出了重要的贡献，但他的“四核苷酸假说”曾严重阻碍了核酸研究达30年之久。 20世纪40年代T. Caspersson的显微紫外分光光度研究；J. Brachet的组织化学实验；A

3、. L. Dounce的亚细胞部分的分离以及J. N. Davidson的化学分析结果都有力的证明DNA存在于细胞核，RNA存在于细胞质，它们都是动物、植物和细菌共同的重要组分。碱基成分的精确测定推翻了“四核苷酸假说”，并证明了核酸的高度特异性,核 酸 通 论一、核酸的发现和研究简史,三）DNA双螺旋结构模型的建立,1953年J. D. Watson和F. Crick提出DNA双螺旋结构模型。 该模型的提出被认为是20世纪自然科学中最伟大的成就之一，它给生命科学带来了深远的影响，并为分子生物学的发展奠定了基础。 1961年F. Jacob和J. Monod提出操纵子学说并假设了mRNA功能。

4、1965年R. W. Holley等测定了酵母丙氨酸tRNA序列。 1966年由M. W. Nirenberg等的多个实验室共同破译了遗传密码。 所有这些成果都是在“中心法则”的框架内取得的。 逆转录是对“中心法则”的补充，并没有从根本上动摇“中心法则”的基础,核 酸 通 论一、核酸的发现和研究简史,四）生物技术的兴起,20世纪70年代前期诞生了DNA重组技术。这一技术系统是在三项关键技术的基础上建立起来的；即DNA切割技术、分子克隆和快速测序。 80年代RNA研究出现了第二个高潮，取得了一系列生命科学研究领域最富挑战性的成果。1981年T. Cech发现四膜虫rRNA前体能够通过自我拼接切除

5、内含子，表明RNA也具有催化功能，称为核酶(Ribozyme)。 1983年R. Simons等以及T. Mizuno等分别发现反义RNA（antisense RNA），表明RNA还具有调节功能。 其后发现一个基因转录产物通过选择性拼接可以形成多种同源异形体蛋白质，这是对“一个基因一条多肽链”的传统观念也受到冲击。1986年R. Benne等发现锥虫线粒体mRNA的序列可以改变，称为编辑，于是基因与其产物蛋白质的共线性关系也被打破,核 酸 通 论二、核酸的种类和分布,一）脱氧核糖核酸（DNA,原核细胞中DNA集中在核区。 真核细胞中DNA分布在核内，组成染色体（染色质）。 原核生物染色体DNA

6、、质粒DNA、真核生物细胞器DNA都是环状双链DNA。 质粒：染色体的外基因，它们能够自主复制，并给出附加的性状。 真核生物染色体是线型双链DNA，末端具有高度重复序列形成的端粒（telomere）结构,核 酸 通 论二、核酸的种类和分布,二）核糖核酸（RNA,参与蛋白质合成的RNA有三类：转移RNA(transfer RNA, tRNA)，核糖体RNA(ribosomal RNA, rRNA)和信使RNA(mRNA)。无论是原核生物或是真核生物都有这三类RNA。两者rRNA的大小和结构基本相同， rRNA和mRNA却有明显的差异,核 酸 通 论三、核酸的生物功能,一）DNA是主要的遗传物质,

7、1944年O. Avery等人首次证明DNA是遗传物质。他们从有荚膜、菌落光滑的型肺炎球菌（ S）细胞中提取纯化的DNA，加到无荚膜、菌落粗糙的型细菌（R）培养物中，结果发现DNA能使R型细胞获得合成S型细胞特有的荚膜多糖能力。蛋白质及多糖物质没有这种转化能力。若将DNA事先用脱氧核糖核酸酶降解，也就失去转化能力,核 酸 通 论三、核酸的生物功能,一）DNA是主要的遗传物质,核 酸 通 论三、核酸的生物功能,一）DNA是主要的遗传物质,核 酸 通 论三、核酸的生物功能,一）DNA是主要的遗传物质,核 酸 通 论三、核酸的生物功能,一）DNA是主要的遗传物质,核 酸 通 论三、核酸的生物功能,一

8、）DNA是主要的遗传物质,核 酸 通 论三、核酸的生物功能,一）DNA是主要的遗传物质,1952年A. D. Hershey和M. Chase用35S和32P标记的噬菌体T2感染大肠杆菌，结果发现只有32P标记的DNA进入大肠杆菌细胞内，而35S标记的蛋白质仍留在细胞内。 Hershey和M. Chase的实验证明，噬菌体DNA携带了噬菌体的全部遗传信息,核 酸 通 论三、核酸的生物功能,一）DNA是主要的遗传物质,核 酸 通 论三、核酸的生物功能,二）RNA参与蛋白质的生物合成,实验表明：为生长和分泌而旺盛进行蛋白质生物合成的细胞中RNA含量特别丰富。暗示RNA可能参与蛋白质的合成。 195

9、8年Crick提出“转换器”假说，认为在蛋白质合成过程中信息由核酸到蛋白质必定有信号转换的中介物。 实验表明：由3类RNA共同控制着蛋白质的生物合成,核 酸 通 论三、核酸的生物功能,三）RNA功能的多样性,控制蛋白质的合成； 作用于RNA转录后加工与修饰； 基因表达与细胞功能的调节； 生物催化与其他细胞持家功能； 遗传信息的加工与进化,第一节 核苷酸与核酸的共价结构,一、核苷酸由碱基、戊糖和磷酸组成 核苷酸经水解可以得到含氮碱、戊糖和磷酸。 （一）含氮碱 核酸中的含氮碱有嘧啶碱和嘌呤碱。 嘧啶碱：胞嘧啶、尿嘧啶和胸腺嘧啶； 嘌呤碱：腺嘌呤、鸟嘌呤。DNA和RNA共有,含有酮基的嘧啶碱和嘌呤碱

10、在溶液中可以出现酮式和烯醇式的互变异构现象。在细胞内，一般是以较为稳定的酮式存在。这对于核酸分子中氢键的形成是十分重要的。如果发生互变异构，则会产生碱基替换作用，引起DNA分子的突变,二）核苷,核苷是一种N糖苷，由戊糖的苷羟基脱水缩合而成。核苷中的戊糖有两种类型。 来自RNA中的核苷，其戊糖组分是D核糖； 来自DNA中的核苷，其戊糖组分是D2脱氧核糖,核苷中的糖苷键是型的C-N键。在嘧啶核苷中，它由戊糖的苷羟基（C1上的羟基）与嘧啶环的第1位的亚氨基脱水缩合而成；在嘌呤核苷中，由戊糖C1上的苷羟基和嘌呤环上的第9位的亚氨基脱水缩合而成。 由于在DNA中含有脱氧核糖，在RNA中含有核糖，所以核苷

11、有脱氧核糖核苷和核糖核苷之分。由于碱基种类不同，可将核苷分为嘧啶核苷和嘌呤核苷。 X射线衍射研究表明，核苷中的碱基垂直于糖环平面,与稀有碱基相对应，在某些种类的核酸中发现了一些稀有核苷。 在tRNA中有一种核苷，叫做假尿嘧啶核苷（，5D核糖苷尿嘧啶），它的核糖是与尿嘧啶的第5位碳原子相连。这种C-C键比一般的C-N键稳定，不易被酸水解,二、DNA和RNA中的核苷酸,核苷酸是由核苷和磷酸脱水缩合而成的，是核苷的磷酸酯。 （一）核酸中的核苷酸类别 和核苷一样，由于戊糖和碱基的不同，核苷酸也有不同的类别。 含有核糖的称为核糖核苷酸； 含有脱氧核糖的称为脱氧核糖核苷酸。 根据碱基的不同，又可分为嘌呤核

12、苷酸和嘧啶核苷酸。 用碱法或酶法水解RNA可以得到四种主要的核糖核苷酸,由于核糖核苷的糖环上有2、3 和5 三个自由的醇羟基，所以可以和磷酸形成三种不同的核苷酸，即2核苷酸和5 核苷酸。 脱氧核糖核苷酸的糖环上只有3 和5 两个自由的醇羟基，因而只能形成3 脱氧核苷酸和5 脱氧核苷酸。 生物体内游离存在的是5 核苷酸。构成核酸大分子的核苷酸单位也是5 核苷酸,二）细胞内游离的核苷酸及核苷酸衍生物,在细胞内，除了构成核酸的上述的核苷酸外，还有一些核苷酸自由存在于细胞内，它们具有很重要的生理功能。 5腺苷酸又叫做5腺嘌呤核苷单磷酸（ 5 AMP），在细胞内它可以进一步磷酸化，形成5腺嘌呤核苷二磷酸

13、（ 5 ADP ）和三磷酸（ 5 ATP ）。 由于ATP和ADP特殊的分子结构，使得它们的末端磷酸基被水解时可以释放出很高的自由能。ATP是生物体内与能量利用有关的主要物质，参与许多重要的生物化学反应,生物体内除了ADP和ATP外，还有其他与此类似的多磷酸核苷酸，如GDP和GTP，CDP和CTP，UDP和UTP等，它们在不同的合成代谢反应中，作为相应物质活化的载体。 与上述核苷酸相对应的还有dADP和dATP，dGDP和dGTP，dCDP和dCTP，以及dTDP和dTTP。脱氧的或不脱氧的核苷三磷酸是生物细胞内合成核酸的前体。 前体内还有一些重要的辅酶如烟腺胺腺嘌呤二核苷酸（NAD+）、黄素

14、腺嘌呤二核苷酸（FAD）等，都是核苷酸的重要衍生物。 生物体内还存在环磷酸核苷酸，其中以3，5 环腺苷酸（cAMP）和3，5 环鸟苷酸（cGMP）。 cAMP作为激素作用过程中的第二信使，在调节物质代谢过程中起十分重要的作用,三、紫外吸收特性,核苷酸的碱基具有共轭双键结构，故核苷酸在紫外光区具有强烈的吸收，其最大吸收在260 nm处左右,当定性测定某一未知核苷酸时，可以分别在250 nm、260 nm、和290 nm处测定其吸光度，再计算出相应的比值。 由于各种核苷酸都有特定的紫外吸收标准吸光度比值，故可以将样品测定的比值与已知的标准比值比较，即可鉴定样品属于何种核苷酸,利用摩尔吸收系数法，亦

15、可以对核苷酸进行定量分析。 摩尔吸收系数是指1摩尔浓度的核苷酸溶液在某一波长的吸光度。利用核苷酸的摩尔吸收系数，可以根据下面的公式计算出某种溶液的核苷酸量,各种嘧啶碱和嘌呤碱杂环中的氮（N）原子及其取代基具有结合和释放质子的能力，所以它们具有碱性解离又具酸性解离的性质。 核苷酸中除了碱基的解离外，它的磷酸基的两个解离基团，即第一磷酸基和第二磷酸基也是可以解离的。它们的解离对整个核苷酸的解离所带的净电荷量有着重要的影响,四、核苷酸的解离性质,五、磷酸二酯键与多聚核苷酸链链,核酸（DNA和RNA）是由核苷酸通过3，5磷酸二酯键连接而成的生物大分子。这个结论是经过一系列的试验得出来的。 根据核苷酸的

16、组成和结构，核苷酸单位之间连接的方式有下列几种可能性： 一个核苷酸的磷酸基与另一个核苷酸戊糖上的醇羟基脱水形成酯键； 一个核苷酸的磷酸基和另一个核苷酸碱基上的亚氨基形成磷酸酰胺键； 一个核苷酸磷酸基和另一个核苷酸碱基上的烯醇式羟基之间形成磷酸烯醇式酯键； 核苷酸之间的戊糖以醚键相连； 核苷酸之间磷酸基形成焦磷酸键。 通过对小牛胸腺DNA的酸碱滴定曲线分析，得出了磷酸二酯键是核酸中核苷酸之间的键合方式,核酸是许多核苷酸的聚合物，因此，核酸的共价结构（即它的化学结构或一级结构）常称为多聚核苷酸。多聚核苷酸有两个末端，一端叫做5端，另一端叫做3端,从该模式结构可以看出，核酸链的骨架是由糖和磷酸构成，

17、碱基位于侧链上。 不同DNA和RNA之间的区别实际上就是位于侧链的碱基顺序的不同。 核酸的多聚核苷酸链是有方向的，也就是有极性的。 在核酸链的3端具有游离的羟基，在5 端具有游离的磷酸基。这种方向性以及核酸合成的方向是从5 端向3端进行的事实，给出了书写和阅读多核苷酸顺序的惯例，即5 3,通常将多聚核苷酸写成缩写形式，一般以从5端向3端方向书写多聚核苷酸。 “p”写在碱基的左边，表示“p”在C5 位上，若“p”写在碱基的右边，则表示“p”在C3位上。 在书写多核苷酸链的顺序时，可用更为简便的形式，以pACGU形式表示。这样的表示方法对DNA和RAN都适用。这些不同的表达形式是强调分子的碱基顺序

18、和内容,第二 DNA的结构,一、 DNA分子的碱基组成特征 DNA分子是由两种脱氧嘧啶核苷酸（dCMP和dTMP）和两种脱氧嘌呤核苷酸（dAMP和dGMP）组成。E.Chargaff等人测定了不同来源的DNA分子的碱基组成，揭示了DNA分子组成的规律。 嘌呤碱基（ A和G ）等于嘧啶碱基（C和T），即（A+G）=(T+C)。 腺嘌呤与胸腺嘧啶等量存在，鸟嘌呤与胞嘧啶等量存在,二、DNA的二级结构,一）Watson-Crick双螺旋结构 1953年，J. Watson 和F. Crick根据DNA钠盐晶体的X射线衍射图以及碱基组成的规律，提出了DNA双螺旋结构模型，认为DNA是由两条多核苷酸链构

19、成的双螺旋分子。 两条多核苷酸链以相同的旋转绕同一公共轴形成右手双螺旋，螺旋直径为2.0 nm。 两条多核苷酸链是反方向平行的（两条链的极性相反），即一条链的走向是5 3 ，另一个链的走向是3 5,两条多核苷酸链的糖磷酸骨架位于双螺旋的外侧，碱基平面位于链的内部。沿螺旋轴方向看，双螺旋表面有两个宽度不同的沟槽，一个大沟和一个小沟。这两个沟槽使碱基外露，其大小足够容纳蛋白质分子，因而对DNA和蛋白质的相互作用是很重要的。 相邻碱基对之间的轴向距离为0.34 nm，每个螺旋的轴距为3.4 nm。因此，每个螺旋含有10 bp，每个bp旋转36,二）维持DNA双螺旋结构稳定的作用力,DNA双螺旋结构是

20、很稳定的，主要有三种作用力在其中起作用。 两条多核苷酸链间的互补碱基之间的氢键； 碱基对疏水的芳香环堆积所产生的疏水作用力，以及堆积的碱基对间的范德华力，即所谓碱基堆积力。G.C对间的堆积力大于A.T对。 磷酸基团上的负电荷与介质中的阳离子或阳离子化合物之间所形成的盐键,三) DNA 二级结构的其他形式,四）DNA结构的多样性,DNA双螺旋结构是DNA的二级结构。 细菌、细菌质粒、线粒体和叶绿体以及一些病毒的DNA都是环状的双螺旋。 真核生物染色体DNA是线形的双螺旋。 某些病毒DNA有单股环状和双股环状两种不同形式存在,三、DNA的柔性,DNA的A、B、Z型结构上的差异并不认为在体内是可以自

21、由转换的，因为从一种形式转变成另一种形式需要特定的物理条件。 DNA分子具有某种程度的柔性。这对于DNA分子在细胞内的包装是重要的。DNA螺旋可以从轻微的弧形到明显的弯曲之间改变它们的形状,三、DNA的柔性,一）DNA的构象柔性是受到限制的 一个核苷酸单位的构象可以用糖磷酸骨架上的6个扭角来描述。每个核苷酸的7个可自由旋转的角度应该使得一条多核苷酸链具有高度的柔性。然而，这些扭角受到限制它们自由旋转的内部张力的约束。 戊糖环本身的柔性也受到限制,三、DNA的柔性,三、DNA的柔性,三、DNA的柔性,三、DNA的柔性,二）糖磷酸骨架存在结构张力 如果糖磷酸骨架的扭角和是完全自由旋转的，那么不可能

22、有稳定的核酸结构。但是，这两个扭角实际上受到很大的限制。这是因为受到戊糖环和磷酸基之间的非共价相互作用以及多核苷酸中的残基间的空间干扰等因素的影响。 因此，双螺旋的糖磷酸骨架不是灵活的，即具有一定的刚性,四、DNA的超螺旋结构,一）DNA超螺旋 超螺旋就是螺旋的螺旋。 DNA分子是以双螺旋的形式卷曲的，由于DNA双螺旋结构具有一定的柔性，即DNA轴本身可以扭曲，因此，DNA的超螺旋即是指螺旋轴本身的扭曲。 超螺旋的形成不是一种随机的过程，只有当DNA处在某种结构张力时才出现。因此，DNA超螺旋是DNA结构张力的一种表现形式。 DNA旋转不足或者旋转过度是张力产生的原因。这种张力可以驱使负超螺旋

23、或正超螺旋的形成,四、DNA的超螺旋结构,四、DNA的超螺旋结构,四、DNA的超螺旋结构,四、DNA的超螺旋结构,在BDNA完整松弛型结构中，每轮螺旋包含10.5个bp。但是，如果环状分子的一条链断开，绕另一条完整的链以解链方向（左手）旋转几圈，会造成DNA双螺旋旋转不足。当两个末端重新连接起来时，将形成局部解链的环状结构（图518（a）。 如果一条链断开，那么断开的链就会自发绕完整的链右手旋转25轮，使螺旋数仍保持500轮，从而形成环状DNA的松弛型结构（图518（b）。 如果没有链的断裂，那么因欠旋所产生的张力驱使DNA形成超螺旋（图518（c）。或者在整个分子中改变每个螺旋的碱基对数，从

24、而解除它的旋转不足（图518（ d,四、DNA的超螺旋结构,四、DNA的超螺旋结构,四、DNA的超螺旋结构,由于DNA双螺旋的右手旋转是正向的，因此，因补偿欠旋所造成的影响而形成的超螺旋则是负的超螺旋。 负的超螺旋和欠旋之间的相互转换在蛋白质同DNA结合时可能起到促进作用。在正常生理条件下，所有天然DNA的超螺旋都是负的超螺旋。 如果上面提到的断开的链绕另一条完整链以右手螺旋相同的方向再旋转几圈，会造成DNA双螺旋分子旋转过度。这种结构同样偏离了正常的B-DNA结构。当两个末端重新连接起来时，DNA分子因旋转过度产生的张力促使它以相反方向形成正的超螺旋。这样一种正超螺旋在DNA复制叉的头部和转

25、录时RNA聚合酶的前面都会出现，必须通过拓扑异构酶解除这种超螺旋，才能使DNA的复制和转录继续进行。拓扑异构酶能打断DNA，消除张力并能重新接上断开的链,四、DNA的超螺旋结构,二）DNA拓扑学性质 为了描述DNA超螺旋结构特点，把拓扑学引入到DNA结构的研究中。拓扑学是数学的一个分支，可用来研究两个相互绕在一起的环在几何形态上的相互关系。有三个参数可以用来描述DNA分子的拓扑学性质。 第一个参数称作连环数，用L表示，是指共价闭合的环状DNA分子的两条链相互缠绕的次数。连环数是一种拓扑学上的性质，只要DNA双螺旋保持完整，这个值是不会因双股DNA以任何方式扭曲或变形而发生改变。对于闭合环状DN

26、A来说，它也总是一个整数。 第二参数称为盘绕数，用T表示，是指螺旋的轮数。 第三个参数称为超螺旋用W表示，系指DNA双螺旋绕超螺旋轴的次数。在数值上它与欠旋或过度旋转的圈数相等。在连环数不发生改变的情况下，超螺旋数与盘绕数呈交互关系,四、DNA的超螺旋结构,DNA拓扑学上的关系可以用下述关系式表示： L=T+W 为了描述DNA分子的超螺旋性，于是就引入了超螺旋密度或比链环差的概念。超螺旋密度用符号表示： （L-L0）/L0 细菌染色体DNA是较大的环状分子。在体外一般条件下很难得到完整的分子。但是，采用极为小心的方法也可以分离到超螺旋结构保持良好的大肠杆菌染色体DNA，证明整个分子保持在卷曲的

27、状态。 超螺旋结构并不是环状DNA才能形成。真核生物染色体DNA为线性双螺旋结构。真核生物染色体DNA在核小体结构中的扭曲也是一种超螺旋,四、DNA的超螺旋结构,四、DNA的超螺旋结构,五、DNA结构与功能的关系,一）DNA是遗传物质 O.T.Avery等人于1944年从一种有毒（即致病）的肺炎球菌中提取到DNA。 （二）基因是DNA分子上的一段序列 一个基因一个酶学说； 一个基因一个蛋白质； 一个基因一条多肽链,五、DNA结构与功能的关系,五、DNA结构与功能的关系,三）DNA双螺旋结构提供了遗传信息传递的基础 DNA双螺旋的性质为它的半保留复制提供了结构基础。 当细胞分裂时，按照碱基互补的原则，DNA的每条链都可以作为模板合成与该模板互补的新链。 其结果，每个子代细胞获得了与它的亲代完全相同的DNA分子。这种新合成的DNA分子由一条亲代链和一条子代链组成。 于是，子代细