核酸的結(jié)構(gòu)與功能1

1、第第2 2章章核酸的結(jié)構(gòu)與功能核酸的結(jié)構(gòu)與功能Structure and Function of Nucleic Acidn核核 酸酸(nucleic acid) 是以核苷酸為基本組成單位的生物大是以核苷酸為基本組成單位的生物大分子，攜帶和傳遞遺傳信息。分子，攜帶和傳遞遺傳信息。l1868年年 Fridrich Miescher 從膿細(xì)胞中提取核素。從膿細(xì)胞中提取核素。 l1944年年 Avery等人證實(shí)等人證實(shí)DNA是遺傳物質(zhì)。是遺傳物質(zhì)。l1953年年 Watson和和Crick發(fā)現(xiàn)發(fā)現(xiàn)DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)。的雙螺旋結(jié)構(gòu)。l1968年年 Nirenberg發(fā)現(xiàn)遺傳密碼。發(fā)現(xiàn)遺傳密碼。l197

2、5年年 Temin和和Baltimore發(fā)發(fā)現(xiàn)逆轉(zhuǎn)錄酶?，F(xiàn)逆轉(zhuǎn)錄酶。l1981年年 Gilbert和和Sanger建建立立DNA測(cè)序方法。測(cè)序方法。l1985年年 Mullis發(fā)明發(fā)明PCR技術(shù)。技術(shù)。l1990年年 美國(guó)啟動(dòng)人類基因組計(jì)劃美國(guó)啟動(dòng)人類基因組計(jì)劃(HGP)。l1994年年 中國(guó)人類基因組計(jì)劃啟動(dòng)。中國(guó)人類基因組計(jì)劃啟動(dòng)。l2001年年 美英等國(guó)完成人類基因組計(jì)劃。美英等國(guó)完成人類基因組計(jì)劃。n核酸研究的發(fā)展簡(jiǎn)史核酸研究的發(fā)展簡(jiǎn)史n核酸的分類及分布核酸的分類及分布存在存在于細(xì)胞核和于細(xì)胞核和線粒體線粒體 分布于細(xì)胞核、細(xì)胞質(zhì)、分布于細(xì)胞核、細(xì)胞質(zhì)、線粒體線粒體(deoxyribo

3、nucleic acid, DNA)(ribonucleic acid, RNA)脫氧核糖核酸脫氧核糖核酸 核糖核酸核糖核酸攜帶遺傳信息，并通過(guò)復(fù)制傳遞攜帶遺傳信息，并通過(guò)復(fù)制傳遞給下一代。給下一代。是是DNADNA轉(zhuǎn)錄的產(chǎn)物，參與遺傳信轉(zhuǎn)錄的產(chǎn)物，參與遺傳信息的復(fù)制與表達(dá)。某些病毒息的復(fù)制與表達(dá)。某些病毒RNARNA也可作為遺傳信息的載體也可作為遺傳信息的載體第一節(jié)第一節(jié)核酸的化學(xué)組成及其一級(jí)結(jié)構(gòu)核酸的化學(xué)組成及其一級(jí)結(jié)構(gòu)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、苷和脫氧核苷核苷和脫氧核苷磷酸磷酸戊糖戊糖堿基堿基嘌呤嘌呤嘧啶嘧啶核糖核糖脫氧核糖脫氧核糖n核酸組成核酸組成 n分子組成分子組成堿基堿基(base)：嘌呤堿，嘧啶堿：嘌呤堿，嘧啶堿戊糖戊糖(ribose)：核糖，脫氧核糖：核糖，脫氧核糖磷酸磷酸(phosphate)一、核苷酸是構(gòu)成核酸的基本組成單位一、核苷酸是構(gòu)成核酸的基本組成單位堿基堿基(base)是含氮的雜環(huán)化合物。是含氮的雜環(huán)化合物。堿基堿基嘌呤嘌呤嘧啶嘧啶腺嘌呤腺嘌呤鳥(niǎo)嘌呤鳥(niǎo)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中中僅存在于僅存在于RNA中中僅存在于僅存在于DNA中中n堿基堿基嘌呤嘌呤(purine，

5、Pu) NNNHN123456789NNNHNNH2腺嘌呤腺嘌呤(adenine, A)NNHNHNNH2O鳥(niǎo)嘌呤鳥(niǎo)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堿基的互變異構(gòu)體堿基的互變異構(gòu)體 HNHNCNH2+O+HNNH2NNH2亞氨式氨式+ H+NCOHNCO- -+ H+酮式烯醇式n戊糖戊糖（構(gòu)成（構(gòu)成RNA）1 2 3 4 5 OHOCH2OHOHOH核糖核糖(ribose)（構(gòu)成（構(gòu)成D

6、NA）OHOCH2OHOH脫氧核糖脫氧核糖(deoxyribose)n脫氧核苷脫氧核苷嘌呤嘌呤N-9 或或嘧啶嘧啶N-1與脫氧核糖與脫氧核糖C-1 通過(guò)通過(guò)-N-糖糖苷鍵苷鍵相連形成相連形成脫氧核苷脫氧核苷(deoxyribonucleoside)。 嘌呤嘌呤N-9 -9或或嘧啶嘧啶N-1 -1與核糖與核糖C-1C-1 通過(guò)通過(guò) - -N- -糖苷糖苷鍵鍵相連形成相連形成核苷核苷(ribonucleoside)。n核苷核苷NNNN9NH2OOHOHHHHCH2OHH12糖苷鍵糖苷鍵核苷或脫氧核苷與磷酸通過(guò)核苷或脫氧核苷與磷酸通過(guò)酯鍵酯鍵結(jié)合構(gòu)成結(jié)合構(gòu)成核苷酸核苷酸(ribonucleotide

7、)或或脫氧核苷酸脫氧核苷酸(deoxyribonucleotide)。n核苷酸核苷酸(ribonucleotide)NNNN9NH2OO HO HHHHCH2H1 2OPO- -HOO糖苷鍵糖苷鍵酯鍵酯鍵n多磷酸核苷酸多磷酸核苷酸環(huán)化核苷酸：環(huán)化核苷酸：cAMP、cGMP，是細(xì)胞信，是細(xì)胞信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)中的第二信使。號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)中的第二信使。NOCH2OOHONNNNH2POOHcAMPn核苷酸衍生物核苷酸衍生物二、二、DNA是脫氧核苷酸通過(guò)是脫氧核苷酸通過(guò)3,5-磷酸二酯磷酸二酯鍵連接形成的大分子鍵連接形成的大分子一個(gè)脫氧核苷酸一個(gè)脫氧核苷酸3 3 的的羥基羥基與另一個(gè)核苷酸與另一個(gè)核苷酸5 5 的的

8、- - 磷 酸磷 酸 基 團(tuán) 縮 合 形 成基 團(tuán) 縮 合 形 成 磷 酸 二 酯 鍵磷 酸 二 酯 鍵(phosphodiester bond)。 多個(gè)脫氧核苷酸通過(guò)磷酸二酯鍵構(gòu)成了多個(gè)脫氧核苷酸通過(guò)磷酸二酯鍵構(gòu)成了具有具有方向性方向性的線性分子，稱為的線性分子，稱為多聚脫氧核苷多聚脫氧核苷酸酸(polydeoxynucleotide)，即即DNA鏈鏈。5-末端末端3-末端末端CGA磷酸二酯鍵磷酸二酯鍵磷酸二酯鍵磷酸二酯鍵交替的磷酸基團(tuán)和戊交替的磷酸基團(tuán)和戊糖構(gòu)成了糖構(gòu)成了DNA的骨架的骨架 (backbone)。DNA鏈的方向是鏈的方向是5 5 3 3 三、三、RNA也是具有也是具有3,5

9、-磷酸二酯鍵磷酸二酯鍵的線性大分子的線性大分子 RNA也是多個(gè)核苷酸分子通過(guò)酯化反應(yīng)形也是多個(gè)核苷酸分子通過(guò)酯化反應(yīng)形成的線性大分子，并且具有方向性；成的線性大分子，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定義定義核酸中核苷酸的排核酸中核苷酸的排列順序。列順序。由于核苷酸間的差由于核苷酸間的差異主要是堿基不同，所異主要是堿基不同，所以也稱為以也稱為堿基序列堿基序列。55端端3端端CGA四、核酸的一級(jí)結(jié)構(gòu)是四、核酸的一級(jí)結(jié)構(gòu)是核苷酸的排列順序核苷酸的排列順序A G P5 P T PG PC PT P OH 3 n書(shū)寫(xiě)方法：書(shū)寫(xiě)

10、方法：5 pApCpTpGpCpT-OH 3 5 A C T G C T 3 核酸分子的大小常用堿基核酸分子的大小常用堿基(base或或kilobase)數(shù)目數(shù)目來(lái)表示。來(lái)表示。 小的核酸片段小的核酸片段(50bp)常被稱為寡核苷酸常被稱為寡核苷酸(oligonucleotide)。自然界中的。自然界中的DNA和和RNA的的長(zhǎng)度可以高達(dá)幾十萬(wàn)個(gè)堿基。長(zhǎng)度可以高達(dá)幾十萬(wàn)個(gè)堿基。 nDNA和和RNA的區(qū)別的區(qū)別核糖核糖 G、C、A、URNA脫氧核糖脫氧核糖 G、C、A、TDNA堿基堿基核糖核糖核酸核酸第二節(jié)第二節(jié)DNA的空間結(jié)構(gòu)與功能的空間結(jié)構(gòu)與功能Dimensional Structure an

11、d Function of DNADNADNA的空間結(jié)構(gòu)又分為二級(jí)結(jié)構(gòu)的空間結(jié)構(gòu)又分為二級(jí)結(jié)構(gòu)(secondary structure)和高級(jí)結(jié)構(gòu)。和高級(jí)結(jié)構(gòu)。nDNA的空間結(jié)構(gòu)的空間結(jié)構(gòu)(spatial structure)構(gòu)成構(gòu)成DNA的所有原子在三維空間的所有原子在三維空間具有確定的相對(duì)位置關(guān)系。具有確定的相對(duì)位置關(guān)系。一、一、DNA的二級(jí)結(jié)構(gòu)是雙螺旋結(jié)構(gòu)的二級(jí)結(jié)構(gòu)是雙螺旋結(jié)構(gòu)l不同生物種屬的不同生物種屬的DNA的堿基組成不同的堿基組成不同l同一個(gè)體的不同器官或組織的同一個(gè)體的不同器官或組織的DNA堿基組堿基組成相同。成相同。lA = T，G = C Chargaff 規(guī)則規(guī)則（一）（一

12、）DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的研究背景雙螺旋結(jié)構(gòu)的研究背景 獲得了高質(zhì)量的獲得了高質(zhì)量的DNA分子的分子的X射線衍射照片。射線衍射照片。 提出了提出了DNA分子雙螺旋結(jié)構(gòu)分子雙螺旋結(jié)構(gòu)(double helix)模型。模型。n不同生物來(lái)源不同生物來(lái)源DNA堿基組分和相對(duì)比例堿基組分和相對(duì)比例兩條多聚核苷酸鏈在空間的走向呈兩條多聚核苷酸鏈在空間的走向呈反向平行反向平行(anti-parallel)。兩條鏈圍繞著同一個(gè)螺旋軸形成兩條鏈圍繞著同一個(gè)螺旋軸形成右手螺右手螺旋旋(right-handed)的結(jié)構(gòu)。雙螺旋結(jié)構(gòu)的直徑為的結(jié)構(gòu)。雙螺旋結(jié)構(gòu)的直徑為2.37nm，螺距為，螺距為3.54nm。脫氧核糖和磷酸基

13、團(tuán)組成的親水性骨架位于雙螺旋脫氧核糖和磷酸基團(tuán)組成的親水性骨架位于雙螺旋結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)的外側(cè)外側(cè)，疏水的堿基位于，疏水的堿基位于內(nèi)側(cè)內(nèi)側(cè)。雙螺旋結(jié)構(gòu)的表面形成了一個(gè)雙螺旋結(jié)構(gòu)的表面形成了一個(gè)大溝大溝(major groove)和一個(gè)和一個(gè)小溝小溝(minor groove)。 （二）（二） DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型要點(diǎn)雙螺旋結(jié)構(gòu)模型要點(diǎn)1.1.DNA是反向平行、右手螺旋的雙鏈結(jié)構(gòu)是反向平行、右手螺旋的雙鏈結(jié)構(gòu)親水性的骨架位于親水性的骨架位于雙鏈的外側(cè)。雙鏈的外側(cè)。 疏水性的堿基位于疏水性的堿基位于雙鏈的內(nèi)側(cè)。雙鏈的內(nèi)側(cè)。n骨架與堿基骨架與堿基2.DNA雙鏈之間形成了互補(bǔ)堿基對(duì)雙鏈之間形成了互補(bǔ)堿基對(duì)

14、堿 基 配 對(duì) 關(guān) 系 稱 為 互 補(bǔ) 堿 基 對(duì)堿 基 配 對(duì) 關(guān) 系 稱 為 互 補(bǔ) 堿 基 對(duì)(complementary base pair)。 D N A 的 兩 條 鏈 則 互 為 互 補(bǔ) 鏈的 兩 條 鏈 則 互 為 互 補(bǔ) 鏈(complementary strand)。 堿基對(duì)平面與螺旋軸垂直。堿基對(duì)平面與螺旋軸垂直。n堿基互補(bǔ)配對(duì)堿基互補(bǔ)配對(duì): : 鳥(niǎo)嘌呤鳥(niǎo)嘌呤/ /胞嘧啶胞嘧啶n堿基互補(bǔ)配對(duì)堿基互補(bǔ)配對(duì): 腺嘌呤腺嘌呤/胸腺嘧啶胸腺嘧啶n大溝與小溝大溝與小溝 相鄰兩個(gè)堿基對(duì)會(huì)有重疊，產(chǎn)生了疏水性的相鄰兩個(gè)堿基對(duì)會(huì)有重疊，產(chǎn)生了疏水性的堿基堆積力堿基堆積力(base sta

15、cking interaction)。 堿基堆積力和互補(bǔ)堿基對(duì)的氫鍵共同維系著堿基堆積力和互補(bǔ)堿基對(duì)的氫鍵共同維系著DNA結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。3.疏水作用力和氫鍵共同維系著疏水作用力和氫鍵共同維系著DNA雙螺旋雙螺旋結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。n堿基堆積作用力堿基堆積作用力nDNA二級(jí)結(jié)構(gòu)二級(jí)結(jié)構(gòu)（三）（三）DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的多樣性雙螺旋結(jié)構(gòu)的多樣性n三種三種DNA構(gòu)型的比較構(gòu)型的比較（四）（四）DNA的多鏈螺旋結(jié)構(gòu)的多鏈螺旋結(jié)構(gòu) 在酸性的溶液中，胞嘧啶的在酸性的溶液中，胞嘧啶的N-3原子被質(zhì)子化，原子被質(zhì)子化，可與鳥(niǎo)嘌呤的可與鳥(niǎo)嘌呤的N-7原子形成氫鍵；同時(shí)，胞嘧原子形成氫鍵；同時(shí)，胞嘧啶的

16、啶的N-4的氫原子也可與鳥(niǎo)嘌呤的的氫原子也可與鳥(niǎo)嘌呤的O-6形成氫形成氫鍵，這種氫鍵被稱為鍵，這種氫鍵被稱為Hoogsteen氫鍵。氫鍵。 nHoogsteen氫鍵氫鍵 Hoogsteen氫鍵，不破壞氫鍵，不破壞Watson-Crick氫鍵，氫鍵，由此形成了由此形成了CGC的三鏈結(jié)構(gòu)的三鏈結(jié)構(gòu)(triplex)。n三鏈結(jié)構(gòu)三鏈結(jié)構(gòu)鳥(niǎo)嘌呤之間通過(guò)鳥(niǎo)嘌呤之間通過(guò)Hoogsteen氫鍵形成特殊氫鍵形成特殊的的四鏈結(jié)構(gòu)四鏈結(jié)構(gòu)(tetraplex)。n四鏈結(jié)構(gòu)四鏈結(jié)構(gòu)真核生物真核生物DNA3 3 - -末端末端是是富含富含GT的多次重復(fù)序的多次重復(fù)序列，因而自身形成了折疊列，因而自身形成了折疊的四鏈結(jié)

17、構(gòu)。的四鏈結(jié)構(gòu)。二、二、DNA的高級(jí)結(jié)構(gòu)是超螺旋結(jié)構(gòu)的高級(jí)結(jié)構(gòu)是超螺旋結(jié)構(gòu)超螺旋結(jié)構(gòu)超螺旋結(jié)構(gòu)(superhelix 或或supercoil)DNA雙螺旋鏈再盤(pán)繞即形成超螺旋結(jié)構(gòu)。雙螺旋鏈再盤(pán)繞即形成超螺旋結(jié)構(gòu)。 正超螺旋正超螺旋(positive supercoil)盤(pán)繞方向與盤(pán)繞方向與DNA雙螺旋方同相同。雙螺旋方同相同。 負(fù)超螺旋負(fù)超螺旋(negative supercoil)盤(pán)繞方向與盤(pán)繞方向與DNA雙螺旋方向相反。雙螺旋方向相反。 （一）原核生物（一）原核生物DNA的環(huán)狀超螺旋結(jié)構(gòu)的環(huán)狀超螺旋結(jié)構(gòu)原核生物原核生物DNA多為環(huán)狀，以負(fù)超螺旋的形多為環(huán)狀，以負(fù)超螺旋的形式存在，平均每式存

18、在，平均每200200堿基就有一個(gè)超螺旋形成。堿基就有一個(gè)超螺旋形成。nDNA超螺旋結(jié)構(gòu)的電鏡圖象超螺旋結(jié)構(gòu)的電鏡圖象（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結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu) 真核生物真核生物DNA以非常有序的形式存在于細(xì)胞以非常有序的形式存在于細(xì)胞核內(nèi)。核內(nèi)。 在細(xì)胞周期的大部分時(shí)間里，在細(xì)胞周期的大部分時(shí)間里，DNA以松散的以松散的染色質(zhì)染色質(zhì)(chromatin)形式存在，在細(xì)胞分裂期，形式存在，在細(xì)胞分裂期，則形成高度致密的染色體則形成高度致密的染色體(chromosome)。 DNA染色質(zhì)呈現(xiàn)出的串珠樣結(jié)構(gòu)。染色質(zhì)呈現(xiàn)出的串珠樣結(jié)構(gòu)。 染色質(zhì)的基本單位是核小體染色質(zhì)的基本單位是核小體(nucleosome)。nDNA染色質(zhì)的電鏡圖像染色質(zhì)的電鏡圖像DNA：約約200bp 組蛋白：組蛋白：H1H2A，H2BH3H4n核小體的組成核小體的組成n核小體串珠樣的結(jié)構(gòu)核小體串珠樣的結(jié)構(gòu)n雙鏈雙鏈DNA的折疊和組裝的折疊和組裝DNA經(jīng)過(guò)多次折疊，被壓縮了經(jīng)過(guò)多次折疊，被壓縮了800080001000