核酸的结构与功能1

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，参与遗传信转录的产物，参与遗传信息的复制与表达。某些病毒息的复制与表达。某些病毒RNARNA也可作为遗传信息的载体也可作为遗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核酸核酸 ( (DNA和和RNA) )核苷酸核苷酸核

4、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 n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)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，

5、Pu) NNNHN123456789NNNHNNH2腺嘌呤腺嘌呤(adenine, A)NNHNHNNH2O鸟嘌呤鸟嘌呤(guanine, G)NNH132456嘧啶嘧啶(pyrimidine，Py)胞嘧啶胞嘧啶(cytosine, C)NNHNH2O尿嘧啶尿嘧啶(uracil, U)NHNHOO胸腺嘧啶胸腺嘧啶(thymine, T)NHNHOOCH3n碱基的互变异构体碱基的互变异构体 HNHNCNH2+O+HNNH2NNH2亚氨式氨式+ H+NCOHNCO- -+ H+酮式烯醇式n戊糖戊糖（构成（构成RNA）1 2 3 4 5 OHOCH2OHOHOH核糖核糖(ribose)（构成（构成D

6、NA）OHOCH2OHOH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NNNN9NH2OOHOHHHHCH2OHH12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

7、)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。NOCH2OOHONNNNH2POOHcAMPn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-磷酸二酯磷酸二酯键连接形成的大分子键连接形成的大分子一个脱氧核苷酸一个脱氧核苷酸3 3 的的羟基羟基与另一个核苷酸与另一个核苷酸5 5 的的

8、- - 磷 酸磷 酸 基 团 缩 合 形 成基 团 缩 合 形 成 磷 酸 二 酯 键磷 酸 二 酯 键(phosphodiester bond)。 多个脱氧核苷酸通过磷酸二酯键构成了多个脱氧核苷酸通过磷酸二酯键构成了具有具有方向性方向性的线性分子，称为的线性分子，称为多聚脱氧核苷多聚脱氧核苷酸酸(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替的磷酸基团和戊交替的磷酸基团和戊糖构成了糖构成了DNA的骨架的骨架 (backbone)。DNA链的方向是链的方向是5 5 3 3 三、三、RNA也是具有也是具有3,5

9、-磷酸二酯键磷酸二酯键的线性大分子的线性大分子 RNA也是多个核苷酸分子通过酯化反应形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核酸中核苷酸的排列顺序。列顺序。由于核苷酸间的差由于核苷酸间的差异主要是碱基不同，所异主要是碱基不同，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

10、方法：5 pApCpTpGpCpT-OH 3 5 A C T G C T 3 核酸分子的大小常用碱基核酸分子的大小常用碱基(base或或kilobase)数目数目来表示。来表示。 小的核酸片段小的核酸片段(50bp)常被称为寡核苷酸常被称为寡核苷酸(oligonucleotide)。自然界中的。自然界中的DNA和和RNA的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 an

11、d Function of DNADNADNA的空间结构又分为二级结构的空间结构又分为二级结构(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的所有原子在三维空间具有确定的相对位置关系。具有确定的相对位置关系。一、一、DNA的二级结构是双螺旋结构的二级结构是双螺旋结构l不同生物种属的不同生物种属的DNA的碱基组成不同的碱基组成不同l同一个体的不同器官或组织的同一个体的不同器官或组织的DNA碱基组碱基组成相同。成相同。lA = T，G = C Chargaff 规则规则（一）（一

12、）DNA双螺旋结构的研究背景双螺旋结构的研究背景 获得了高质量的获得了高质量的DNA分子的分子的X射线衍射照片。射线衍射照片。 提出了提出了DNA分子双螺旋结构分子双螺旋结构(double helix)模型。模型。n不同生物来源不同生物来源DNA碱基组分和相对比例碱基组分和相对比例两条多聚核苷酸链在空间的走向呈两条多聚核苷酸链在空间的走向呈反向平行反向平行(anti-parallel)。两条链围绕着同一个螺旋轴形成两条链围绕着同一个螺旋轴形成右手螺右手螺旋旋(right-handed)的结构。双螺旋结构的直径为的结构。双螺旋结构的直径为2.37nm，螺距为，螺距为3.54nm。脱氧核糖和磷酸基

13、团组成的亲水性骨架位于双螺旋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结构的外侧外侧，疏水的碱基位于，疏水的碱基位于内侧内侧。双螺旋结构的表面形成了一个双螺旋结构的表面形成了一个大沟大沟(major groove)和一个和一个小沟小沟(minor groove)。 （二）（二） DNA双螺旋结构模型要点双螺旋结构模型要点1.1.DNA是反向平行、右手螺旋的双链结构是反向平行、右手螺旋的双链结构亲水性的骨架位于亲水性的骨架位于双链的外侧。双链的外侧。 疏水性的碱基位于疏水性的碱基位于双链的内侧。双链的内侧。n骨架与碱基骨架与碱基2.DNA双链之间形成了互补碱基对双链之间形成了互补碱基对

14、碱 基 配 对 关 系 称 为 互 补 碱 基 对碱 基 配 对 关 系 称 为 互 补 碱 基 对(complementary base pair)。 D N A 的 两 条 链 则 互 为 互 补 链的 两 条 链 则 互 为 互 补 链(complementary strand)。 碱基对平面与螺旋轴垂直。碱基对平面与螺旋轴垂直。n碱基互补配对碱基互补配对: : 鸟嘌呤鸟嘌呤/ /胞嘧啶胞嘧啶n碱基互补配对碱基互补配对: 腺嘌呤腺嘌呤/胸腺嘧啶胸腺嘧啶n大沟与小沟大沟与小沟 相邻两个碱基对会有重叠，产生了疏水性的相邻两个碱基对会有重叠，产生了疏水性的碱基堆积力碱基堆积力(base sta

15、cking interaction)。 碱基堆积力和互补碱基对的氢键共同维系着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。结构的稳定。3.疏水作用力和氢键共同维系着疏水作用力和氢键共同维系着DNA双螺旋双螺旋结构的稳定。结构的稳定。n碱基堆积作用力碱基堆积作用力nDNA二级结构二级结构（三）（三）DNA双螺旋结构的多样性双螺旋结构的多样性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 在酸性的溶液中，胞嘧啶的在酸性的溶液中，胞嘧啶的N-3原子被质子化，原子被质子化，可与鸟嘌呤的可与鸟嘌呤的N-7原子形成氢键；同时，胞嘧原子形成氢键；同时，胞嘧啶的

16、啶的N-4的氢原子也可与鸟嘌呤的的氢原子也可与鸟嘌呤的O-6形成氢形成氢键，这种氢键被称为键，这种氢键被称为Hoogsteen氢键。氢键。 nHoogsteen氢键氢键 Hoogsteen氢键，不破坏氢键，不破坏Watson-Crick氢键，氢键，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四链结构四链结构真核生物真核生物DNA3 3 - -末端末端是是富含富含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

17、构。的四链结构。二、二、DNA的高级结构是超螺旋结构的高级结构是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。 （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

18、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 真核生物真核生物DNA以非常有序的形式存在于细胞以非常有序的形式存在于细胞核内。核内。 在细胞周期的大部分时间里，在细胞周期的大部分时间里，DNA以松散的以松散的染色质染色质(chromatin)形式存在，在细胞分裂期，形式存在，在细胞分裂期，则形成高度致密的染色体则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n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800080001000