南京农业大学生物化学4课件

第五章核酸

（Chemistryofnucleicacid）1868年，瑞士科学家F.Miescher从外科绷带上脓细胞中分离出了一种富含磷的有机物质，称为“核素”(nuclein)。他的论文发表在Med.Chem.Unters1872年，他从莱茵河鲑鱼中得到类似物,同时还分离到一种碱性化合物，称为鱼精蛋白（protamine）5.1概述1889年，Altman等人又从酵母和动物的细胞核中得到了不含蛋白质的核酸，并首次使用“核酸”（NucleicAcid）命名。1944年，Avery等人通过细菌转化实验证明核酸就是遗传物质。5.1概述

NucleicAcid(NA)

Polynucleotidechain(polyNt)Nucleotide(Nt)basicunitMono-phosphate(Mp)Nucleoside(Ns)Deoxy-ribose(Ribose)BasePurin(pu)Pyrimidine(py)Adenine(A)Thymine(T)Guanine(G)Uracil(U)

Cytosine(C)

DNA分子的片段

5.1概述5.1.1核酸的种类、分布与功能种类分布功能DNA原核生物：核质区真核生物：95%在细胞核、

5%在线粒体和叶绿体遗传信息的载体RNAtRNA原核生物：细胞质真核生物：75%在细胞质

15%在线粒体和叶绿体

10%在细胞核携带、转移aamRNA肽链合成的模板rRNA核糖体主要成分5.1概述5.1.1核酸的种类、分布与功能l

DNA

与RNA的区别RNA

2'单磷酸核苷酸

3'单磷酸核苷酸

2',3'环式单核苷酸

RNase

pH11.5

l

Ribosel

Basel

D.S.&S.S.l

Numbers&lengthl

Stability

核苷酸磷酸核苷戊糖碱基核糖脱氧核糖嘌呤嘧啶5.1概述5.1.2核酸的化学组成1、

戊糖它们均以呋喃糖态存在

RNA中

DNA中

5.1概述5.1.2核酸的化学组成2、碱基DNA中的4种碱基：腺嘌呤、鸟嘌呤、胞嘧啶、胸腺嘧啶RNA中的4种碱基：腺嘌呤、鸟嘌呤、胞嘧啶、尿嘧啶3、磷酸5.1概述5.1.2核酸的化学组成核苷

戊糖第1位碳原子上的羟基与嘌呤的第9位氮原子或与嘧啶的第1位氮原子形成的N-C糖苷键。腺苷脱氧鸟苷5.1概述5.1.2核酸的化学组成

核苷酸

RNA中的核苷酸腺苷酸AMP鸟苷酸GMP胞苷酸CMP尿苷酸UMPDNA中的核苷酸脱氧腺苷酸dAMP脱氧鸟苷酸dGMP脱氧胞苷酸dCMP脱氧胸苷酸dTMP生物体内存在的核苷酸，多是5核苷酸。'5.1概述5.1.2核酸的化学组成Nucleotide(Nt)basicunitAdenine(A)Guanine(G)Thymine(T)NH3OONH3ONH3Uracil(U)Cytosine(C)5.2DNA的分子结构

DNA分子中各种脱氧核苷酸之间的连接方式和排列顺序。四种脱氧核苷酸通过3’,5’-磷酸二酯键连接起来的多核苷酸链的排列顺序。1.定义5.2DNA的分子结构5.2.1DNA的一级结构DNA单链的延伸5’3’端5.2.1DNA的一级结构5.2DNA的分子结构3、一级结构的表示方法1）线条法5.2.1DNA的一级结构5.2DNA的分子结构5'pGpCpTpTpAOH3'5'pGCTTAOH3'pGCTTAOHGCTTA2）文字式5.2.1DNA的一级结构5.2DNA的分子结构

DNA的二级结构是指DNA的双螺旋结构。双螺旋结构是DNA的两条链围着同一中心轴旋绕而成的一种空间结构。DNA的双螺旋模型是由Watson和Crick两位科学家于1953年提出的。1.二级结构的概念5.2DNA的分子结构5.2.2DNA的二级结构2.双螺旋结构模型提出的依据A.DNA的X-射线衍射图：(1)衍射斑点呈交叉状分布(2)衍射点之间的距离与层次表明有0.34nm和3.4nm的周期性(3)图的顶上和底部是最强的衍射斑点，呈带状5.2.2DNA的二级结构5.2DNA的分子结构M.H.F.Wilkins&RosalindFrankin

X~rayphotographofDNAwithhighquality

1952年5.2.2DNA的二级结构5.2DNA的分子结构C、DNA的碱基物化数据如碱基的几何大小、键长键角数据、酸碱滴定等。5.2.2DNA的二级结构5.2DNA的分子结构3.双螺旋结构模型的基本特征(1)反向平行的双链沿中心轴盘绕成右手螺旋。DNA的双螺旋结构5.2.2DNA的二级结构5.2DNA的分子结构(2)双螺旋表面形成两种凹槽：较浅的叫小沟，另一条叫大沟。l

碱基顶部基团裸露在DNA

大沟内

l

蛋白质因子与DNA的特异结合依赖于

氨基酸与DNA间的氢键的形成l

蛋白质因子沿大沟与DNA形成专一性结合的机率与多样性高于沿小沟的结合l

大沟的空间更有利于与蛋白质的结合

5.2.2DNA的二级结构5.2DNA的分子结构(3)由糖-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。RighthandedB-formDNADoublehelixModel

5.2.2DNA的二级结构5.2DNA的分子结构(4)双螺旋内部的碱基按规则配对：A与T配对，形成2个氢键；G与C配对，形成3个氢键，称为碱基互补配对，双螺旋的两条链也呈互补关系。5.2.2DNA的二级结构5.2DNA的分子结构A

=

TGC5.2.2DNA的二级结构5.2DNA的分子结构(5)双螺旋直径为2nm，每对脱氧核苷酸残基沿纵轴旋转36°，上升0.34nm。所以每10个碱基对形成一个螺旋，螺距3.4nm。5.2.2DNA的二级结构5.2DNA的分子结构4.影响双螺旋结构稳定性的因素

互补碱基之间的氢键(Hydrogenbond)

弱键,可加热解链氢键堆积,有序排列(线性,方向)

5.2.2DNA的二级结构5.2DNA的分子结构碱基堆集力(Basestackingforces)：碱基堆集成非极性的区域，相互间产生疏水作用和范德华力

☆疏水作用力(Hydrophobicinteraction)

☆

Vandewaalsforce

(1.7A°/嘌呤环与嘧啶环作用半径)3.4A°4.影响双螺旋结构稳定性的因素

5.2.2DNA的二级结构5.2DNA的分子结构离子键

磷酸酯键(phosphoesterbond)强键,需酶促解链消除DNA单链上磷酸基团间的静电斥力

l

0.2mol/LNa+

生理盐条件

4.影响双螺旋结构稳定性的因素

5.2.2DNA的二级结构5.2DNA的分子结构

在生理状态及在溶液中，DNA一般为B型(含水量90％以上，NaCl浓度为2.5M）。当水合的DNA脱水时，转变为A型(含水量75％)。还有Z型的DNA(左手螺旋，0.7MMgCl2)。5.DNA双螺旋构象的多态性5.2.2DNA的二级结构5.2DNA的分子结构DNA的分子构型(B,Z,A)比较

Z-DNAZ-DNAA-DNAB-DNADNA的分子构型(B,Z,A)比较

FormBZAHelixDirectionRightLeftRightbp/circle101210.7Distance/bp~0.34nm~0.38nm~0.25nmDistance/helix3.4nm4.46nm2.8nmDiameter/helix2.0nm1.8nm1.9nmSequenceAnyPolyG-CAnyPolyC-APolyT-GPolyT-A

0.2MNaclZ-DNA趋于稳定

rabbit

AntibodyofZ-DNA

B-DNA

Z-DNA

Z-DNA

4MNacl

Br+

Z-DNA的检测羊抗兔二级抗体

goatAntibodyofZ-DNA

偶联荧光标记

免疫反应

果蝇唾液腺染色体

细胞学制片

Z-DNAinDrosophilachromosomeprovedbyanti-Zantibody

ImmunoligicaslidCytologicalslid可能的功能

基因表达调控

Z-DNA

(小沟,信息少)

基因关闭

B-DNA

(大沟,信息多)

基因表达

●二级结构的形态LinearDNA.LOpenCircleDNAOCSupercoiledcircleCovalentClosedCircleCCCD.S.L1.00D.S.OC1.14S.S.L1.30D.S.CCC1.41Collapsed3.00SvedbergUnit(S)polymerOCLCCC核酸分子的二级结构(分别出现在DNA复制，转录，重组等阶段)核酸分子的二级结构分别出现在DNA复制，转录，重组等阶段(knot)6.三股螺旋DNA

(TribleHelixDNA,T.SDNA)

※T.SDNA的发现与证实

l

1953年以前Pauling(Chemist)

提出T.SDNA存在的可能性

l

1953年Watson&CrickD.SDNAmodel

证明沿大沟存在多余的氢键给体与受体潜在的专一与DNA(蛋白质)

结合的能力形成T.SDNA可能性

5.2.2DNA的二级结构5.2DNA的分子结构l

1957年Davis,Felsenfeld,Rich发现

poly(U)+poly(U)+poly(A)T.SRNA

T.SDNA的概念l

1966年Miller&Sobell

实现RNA+D.SDNATriblepolyNt

asRepressor

关闭基因

但由于D.SDNA的提出而被忽视但因证明LacI产物为Repressor而被忽视

●

1975年Perlgut

人工合成T.SDNA并证明其

Tm值,沉降系数(S)

l

1987年Mirkin.S.M

Nature330(495)

证明plasmidDNA在pH=4.3的溶液中,有T.SDNA的存在

●1987年Dervan.MoserScience238(645)

合成S.SDNA+D.SDNA→T.SDNA

实现DNA的定点切割研究X-rayphotograph

核磁共振→结构功能

继Davis（1957）后30年第一次证明T.SDNA在生物体内的存在

PolyT/ATTTTTTTTTTTAAAAAAAAAAPolyT/ATTTTTTTTTTTAAAAAAAAAATTTTTTTTTTTAAAAAAAAAATTTTTTTTTTTAAAAAAAAAA●D.S.DNA+D.S.DNAT.S.DNA+S.S.DNA6.三链DNA(T.S.DNA)

5.2.2DNA的二级结构5.2DNA的分子结构

●

HomologouspalindromicsequenceinaD.S.DNA-------TTCCCTCTTTCCC------CCCTTTCTCCCTT-------------AAGGGAGAAAGGG---GGGAAAGAGGGAA----

Mirkin(1987)pGG332plasmidDNA

--------TTCCCTCTTTCCC--------

--------AAGGGAGAAAGGG--------

-------TTCCCTCTTTCCC---------

--------AAGGGAGAAAGGG-------

NoduleDNA

HingedDNA

freeDNA

l

S.S.DNA+D.S.DNAT.S.DNA☆

PU+PU/PY(偏碱性介质中稳定)☆

PY

+PU/PY(偏酸性介质中稳定)常见类型

第三条链位于B-DNA的

Majorgroove中与D.S.DNA一起旋转T.S.DNA可能的功能

a)T.S.DNA可阻止调节蛋白与DNA结合,关闭基因转录过程

b)T.S.DNA与基因重组,交换有关

加入第三条S.S.DNA作为分子剪刀(molecularscissors),

定点切割DNA分子

d)加入反义的第三条链(anti-sencepolydNt)终止基因的表达

e)相反的观点----T.S.DNA与基因表达呈正相关!?

四股螺旋DNA

(tetraplexDNA,TetrableHelixDNA)

发现

1958.Poly(I)

X-rayphotograph

碱基形成环状氢键连接结构TetrableHelixDNA均有形成四股螺旋DNA的可能

5’---TTAGGGTTAGGGTTAGGG-3’3’---AATCCCAATCCC-5’

Poly(G),4(dG)

染色体端粒高度重复的DNA序列(TG)着丝点附近的高度重复序列

结构特点LinkedbyHoogsteenBondingGGGG2×d(T4G4)2×d(G4C4)

结构特点可能的功能

A稳定真核生物染色体结构

B保证DNA末端准确复制

C与DNA分子的组装有关

D与染色体的meiosis(减数分裂)&mitosis(有丝分裂)有关

HoogsteenBonding

5-----TTAGGGTTAGGGTTAGGGT

3-----AATCCCAATCCC

GGG

TA超螺旋:双螺旋进一步扭曲形成的更高层次的空间结构，包括DNA扭曲、超螺旋、多重螺旋和连环等。1.DNA超螺旋的概述

DNA正常的双螺旋结构处于能量最低状态，双螺旋中没有张力而处于松弛状态。如果这种正常双螺旋额外增加或减少螺旋圈数，就会使双螺旋内的原子偏离正常的位置而产生张力，这样正常的双螺旋就发生扭曲而形成超螺旋。超螺旋总是向着抵消初级螺旋改变的方向发展。5.2DNA的分子结构5.2.3DNA的三级结构2.DNA超螺旋的特点1）线状DNA分子

双螺旋与蛋白质结合后扭曲盘绕而形成螺旋的螺旋结构。5.2.3DNA的三级结构5.2DNA的分子结构positivesupercoiled2）环状DNA分子双螺旋扭曲而形成麻花状的超螺旋结构5.2.3DNA的三级结构5.2DNA的分子结构所有生物的DNA几乎有5%为NegativeSuperhelix

NegativeSupercoiled

5.2.3DNA的三级结构5.2DNA的分子结构负超螺旋：当螺旋旋转360⁰时，其相应碱基对数小于10，二级结构处于松缠状态。正超螺旋：当螺旋旋转360⁰时，其相应碱基对数大于10，二级结构处于紧缠状态。5.2.3DNA的三级结构5.2DNA的分子结构InvitroEBinsertedNeg.→Pos.SuperhelixchangeL(linkingNumber)不变T(TwistingNumber)减少

L=T+WW=L-T=正值

DNA向紧缩方向发展

base

base3.4埃EB7.0埃

base

basebasebase局部DNA的紧缩00.050.1EB/bp16s21sNeg.Pos.

00.050.1l

B-DNA是力学上稳定的结构（10bp/helix）l

虽交叉数减少，但需转换为一种应力，以维持10bp/helix的螺旋数，l

应力的重新分配或在B-DNA状态中保留一单链区或螺旋力将维持B-DNA的右旋结构,形成超螺旋

420bpL=42T=42W=0无应力状态应力的分配松开6圈螺旋△L=－6L=36T=36W=0L=36T=42W=-6360o/helix360o-26o/helix/0neofEBinsertedNeg.Superhelix

OC,L,DNA

Po