生物化學(xué)課件：第五章 核 酸

第五章核酸

（Chemistryofnucleicacid）1868年FridrichMiescher

從膿細(xì)胞中提取核素。1944年

Avery等人證實DNA是遺傳物質(zhì)。1953年

Watson和Crick發(fā)現(xiàn)DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)。1968年Nirenberg發(fā)現(xiàn)遺傳密碼。1975年Temin和Baltimore發(fā)現(xiàn)逆轉(zhuǎn)錄酶。1981年Gilbert和Sanger建立DNA測序方法。1985年Mullis發(fā)明PCR技術(shù)。1990年美國啟動人類基因組計劃(HGP)。1994年中國人類基因組計劃啟動。2001年美英等國完成人類基因組計劃。核酸研究的發(fā)展簡史核酸（Nucleicacid）是以核苷酸（Nucleotide）為基本結(jié)構(gòu)單位，按照一定的順序，以3’,5’-磷酸二酯鍵相連接，并通過折疊、卷曲形成的具有特定生物學(xué)功能的線形或環(huán)形多聚核苷酸鏈。核酸組成核酸(DNA和RNA)核苷酸核苷和脫氧核苷磷酸戊糖堿基嘌呤嘧啶核糖脫氧核糖核酸組成種類分布功能DNA原核生物：核質(zhì)區(qū)真核生物：95%在細(xì)胞核、

5%在線粒體和葉綠體遺傳信息的載體RNAtRNA原核生物：細(xì)胞質(zhì)真核生物：75%在細(xì)胞質(zhì)

15%在線粒體和葉綠體

10%在細(xì)胞核攜帶、轉(zhuǎn)移aamRNA肽鏈合成的模板rRNA核糖體主要成分核酸的種類、分布與功能核酸的化學(xué)組成核酸由五種元素組成，即C、H、O、N、P。其中P含量變化不大，（DNA平均含磷量為9.9%，RNA平均含磷量為9.4%）由測定含磷量可以算出核酸的含量。

核苷酸磷酸核苷戊糖堿基核糖脫氧核糖嘌呤嘧啶核酸的化學(xué)組成堿基DNA中的4種堿基：腺嘌呤、鳥嘌呤、胞嘧啶、胸腺嘧啶RNA中的4種堿基：腺嘌呤、鳥嘌呤、胞嘧啶、尿嘧啶磷酸堿基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-6-氧嘌呤

Gue鳥嘌呤2-氧-4-氨基嘧啶Cyt胞嘧啶嘧啶6-氨基嘌呤Ade腺嘌呤嘌呤124NN3561357NNNNCH24689HNNNNCHNH2HNNNNCHOHH2NNNNH2OHNNOONNOOCH3戊糖（構(gòu)成RNA）1′2′3′4′5′核糖(ribose)（構(gòu)成DNA）脫氧核糖(deoxyribose)脫氧核苷嘌呤N-9

或嘧啶N-1與脫氧核糖C-1

通過β-N-糖苷鍵相連形成脫氧核苷(deoxyribonucleoside)。

嘌呤N-9或嘧啶N-1與核糖C-1

通過β-N-糖苷鍵相連形成核苷(ribonucleoside)。核苷NNNN9NH2OOHOHHHHCH2OHH1'2'糖苷鍵核苷或脫氧核苷與磷酸通過酯鍵結(jié)合構(gòu)成核苷酸(ribonucleotide)或脫氧核苷酸(deoxyribonucleotide)。核苷酸(ribonucleotide)NNNN9NH2OOHOHHHHCH2H1'2'OPO-HOO糖苷鍵酯鍵

核苷酸

RNA中的核苷酸腺苷酸AMP鳥苷酸GMP胞苷酸CMP尿苷酸UMPDNA中的核苷酸脫氧腺苷酸dAMP脫氧鳥苷酸dGMP脫氧胞苷酸dCMP脫氧胸苷酸dTMP環(huán)化核苷酸：cAMP、cGMP，是細(xì)胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo)中的第二信使。cAMP核苷酸衍生物5′-末端3′-末端CGA磷酸二酯鍵磷酸二酯鍵糖苷鍵(glycosidicbond)一個環(huán)狀單糖半縮醛（或半縮酮）羥基與另一個分子（例如醇、糖、嘌呤或嘧啶）的羥基、胺基或巰基之間縮合形成的縮醛鍵或縮酮鍵，糖苷鍵是連接提供半縮醛羥基的糖（也稱為糖基）和與之縮合的“非糖”部分（也稱糖苷配基）的化學(xué)鍵，常見的糖苷鍵有O-糖苷鍵和N-糖苷鍵。稀有核苷（P79)：1、修飾堿基+正常核糖：二氫尿嘧啶核苷（DHU）2、正常堿基+修飾核糖：2‘-O-甲基腺嘌呤核苷(Am)3、正常堿基+正常核糖，非正常連接：假尿嘧啶核苷（Ψ）核苷酸及其衍生物的功能1、作為核酸的單體，是核酸(RNA和DNA）生物合成的主要原料NTP和dNTP2、體內(nèi)的主要能量物質(zhì):ATP，GTP，CTP，UTP3、參與代謝和生理調(diào)節(jié):ATP/ADP4、活化代謝物的中間載體：UDPG(尿苷二磷酸葡萄糖)5、作為輔酶的組成部分：NAD+，NADP+，F(xiàn)AD，CoA6、細(xì)胞中的第二信使：cAMP，cGMP思考題：RNA和DNA中核酸的區(qū)別？UTP和dGTP的中文名稱？核酸的基本單元：——核苷酸的主要組成：——————DNA主要位于：——；RNA主要位于：——舉出幾個含有核酸的輔酶：——————舉出幾個高能化合物：————————舉出幾個信號分子：————假尿嘧啶（Ψ）：

DNA的分子結(jié)構(gòu)DNA分子中各種脫氧核苷酸之間的連接方式和排列順序。四種脫氧核苷酸通過3,5’-磷酸二酯鍵連接起來的多核苷酸鏈的排列順序。1、DNA的一級結(jié)構(gòu):一、DNA的一級結(jié)構(gòu)5′-末端3′-末端CGA磷酸二酯鍵磷酸二酯鍵DNA單鏈的延伸5’3’端無分枝的長鏈具有方向性。兩個末端分別為5‘端和3’端；在天然DNA中，5'端常為磷酸，3'端為游離羥基。由糖-磷酸相互間隔連接，構(gòu)成主鏈；堿基連接在主鏈的核糖上，形成側(cè)鏈。2、多聚脫氧核苷酸鏈的結(jié)構(gòu)特點3、一級結(jié)構(gòu)的表示方法1）線條法5'pGpCpTpTpAOH3'5'pGCTTAOH3'pGCTTAOHGCTTA2）文字式3）縮寫式

DNA的二級結(jié)構(gòu)是指DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)。雙螺旋結(jié)構(gòu)是DNA的兩條鏈圍著同一中心軸旋繞而成的一種空間結(jié)構(gòu)。DNA的雙螺旋模型是由Watson和Crick兩位科學(xué)家于1953年提出的。1.二級結(jié)構(gòu)的概念二、DNA的二級結(jié)構(gòu)1953年Watsosn&Crick

2.雙螺旋結(jié)構(gòu)模型提出的依據(jù)A.DNA的X-射線衍射圖：(1)衍射斑點呈交叉狀分布(2)衍射點之間的距離與層次表明有0.34nm和3.4nm的周期性M.H.F.Wilkins&RosalindFrankin

X~rayphotographofDNAwithhighquality

1952年B.DNA的堿基組成分析：（Chargaff定則）(1)所有DNA分子中A=T，G=C(2)同一種生物的所有體細(xì)胞DNA的堿基組成相同，與年齡、健康狀況、外界環(huán)境無關(guān)，可作為該物種的特征，用不對稱比率(A+T)/(G+C)

來衡量。(3)親緣越近的生物，其DNA的堿基組成越近，即不對稱比率越相近。C、DNA的堿基物化數(shù)據(jù)如堿基的幾何大小、鍵長鍵角數(shù)據(jù)、酸堿滴定等。3.雙螺旋結(jié)構(gòu)模型的基本特征(1)反向平行的雙鏈沿中心軸盤繞成右手螺旋。DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)(2)雙螺旋表面形成兩種凹槽：較淺的叫小溝，另一條叫大溝。小溝位于雙螺旋的互補(bǔ)鏈之間,而大溝位于相毗鄰的雙股之間。這是由于連接于兩條主鏈糖基上的配對堿基并非直接相對,從而使得在主鏈間沿螺旋形成空隙不等的大溝和小溝。(3)由糖-磷酸相互間隔連接構(gòu)成的主鏈處于螺旋外側(cè)；堿基則伸向螺旋內(nèi)部，與中軸垂直。(4)雙螺旋內(nèi)部的堿基按規(guī)則配對：A與T配對，形成2個氫鍵；G與C配對，形成3個氫鍵，稱為堿基互補(bǔ)配對，雙螺旋的兩條鏈也呈互補(bǔ)關(guān)系。A

=

TGC(5)雙螺旋直徑為2nm，每對脫氧核苷酸殘基沿縱軸旋轉(zhuǎn)36°，上升0.34nm。所以每10個堿基對形成一個螺旋，螺距3.4nm。4.影響雙螺旋結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的因素

（1）互補(bǔ)堿基之間的氫鍵(Hydrogenbond)

弱鍵,可加熱解鏈（2）堿基堆集力(Basestackingforces)：堿基堆集成非極性的區(qū)域，相互間產(chǎn)生疏水作用和范德華力

☆疏水作用力(Hydrophobicinteraction)

☆范德華力（3）離子鍵

（4）磷酸二酯鍵

在生理狀態(tài)及在溶液中，DNA一般為B型(含水量90％以上，NaCl濃度為2.5M）。當(dāng)水合的DNA脫水時，轉(zhuǎn)變?yōu)锳型(含水量75％)。還有Z型的DNA(左手螺旋，0.7MMgCl2)。5.DNA雙螺旋構(gòu)象的多態(tài)性DNA的分子構(gòu)型(B,Z,A)比較

Z-DNAZ-DNAA-DNAB-DNADNA的分子構(gòu)型(B,Z,A)比較

FormBZAHelixDirectionRightLeftRightbp/circle101210.7Distance/bp~0.34nm~0.38nm~0.25nmDistance/helix3.4nm4.46nm2.8nmDiameter/helix2.0nm1.8nm1.9nmSequenceAnyPolyG-CAny可能的功能

基因表達(dá)調(diào)控

Z-DNA

(小溝,信息少)

基因關(guān)閉

B-DNA

(大溝,信息多)

基因表達(dá)

PolyT/ATTTTTTTTTTTAAAAAAAAAAPolyT/ATTTTTTTTTTTAAAAAAAAAATTTTTTTTTTTAAAAAAAAAATTTTTTTTTTTAAAAAAAAAA●D.S.DNA+D.S.DNAT.S.DNA+S.S.DNA6.三鏈DNA(T.S.DNA)

T.S.DNA可能的功能

a)T.S.DNA可阻止調(diào)節(jié)蛋白與DNA結(jié)合,關(guān)閉基因轉(zhuǎn)錄過程

b)T.S.DNA與基因重組,交換有關(guān)

加入第三條S.S.DNA作為分子剪刀(molecularscissors),

定點切割DNA分子

d)加入反義的第三條鏈(anti-sencepolydNt)終止基因的表達(dá)

e)相反的觀點----T.S.DNA與基因表達(dá)呈正相關(guān)!?

超螺旋:雙螺旋進(jìn)一步扭曲形成的更高層次的空間結(jié)構(gòu)，包括DNA扭曲、超螺旋、多重螺旋和連環(huán)等。1.DNA超螺旋的概述

DNA正常的雙螺旋結(jié)構(gòu)處于能量最低狀態(tài)，雙螺旋中沒有張力而處于松弛狀態(tài)。如果這種正常雙螺旋額外增加或減少螺旋圈數(shù)，就會使雙螺旋內(nèi)的原子偏離正常的位置而產(chǎn)生張力，這樣正常的雙螺旋就發(fā)生扭曲而形成超螺旋。超螺旋總是向著抵消初級螺旋改變的方向發(fā)展。三、DNA的三級結(jié)構(gòu)2.DNA超螺旋的特點1）線狀DNA分子

雙螺旋與蛋白質(zhì)結(jié)合后扭曲盤繞而形成螺旋的螺旋結(jié)構(gòu)。positivesupercoiled2）環(huán)狀DNA分子雙螺旋扭曲而形成麻花狀的超螺旋結(jié)構(gòu)所有生物的DNA幾乎有5%為NegativeSuperhelix

NegativeSupercoiled

負(fù)超螺旋：當(dāng)螺旋旋轉(zhuǎn)360?時，其相應(yīng)堿基對數(shù)小于10，二級結(jié)構(gòu)處于松纏狀態(tài)。正超螺旋：當(dāng)螺旋旋轉(zhuǎn)360?時，其相應(yīng)堿基對數(shù)大于10，二級結(jié)構(gòu)處于緊纏狀態(tài)。l

拓?fù)洚悩?gòu)酶(topoisomeraseI,II)參與構(gòu)型的改變3、DNA超螺旋的生物學(xué)意義

DNA被壓縮和包裝，使其體積大大減小增加了DNA的穩(wěn)定性可能與復(fù)制和轉(zhuǎn)錄的調(diào)控有關(guān)真核生物DNA的高度有序和高度致密的結(jié)構(gòu)真核生物DNA以非常有序的形式存在于細(xì)胞核內(nèi)。在細(xì)胞周期的大部分時間里，DNA以松散的染色質(zhì)(chromatin)形式存在，在細(xì)胞分裂期，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)的基本單位是核小體(nucleosome)。DNA染色質(zhì)的電鏡圖像DNA：約200bp組蛋白：H1H2A，H2BH3H4核小體的組成核小體串珠樣的結(jié)構(gòu)RNA的分子結(jié)構(gòu)RNA的種類、分布、功能RNA的結(jié)構(gòu)特點1.單鏈狀，但許多區(qū)域可自身進(jìn)行堿基配對，形成回折。2.堿基配對規(guī)則：A-U，G-C，不能配對區(qū)域形成突起。3.RNA分子比DNA分子小得多，一般含幾十至幾千個核苷酸4.核苷酸之間的連結(jié)方式：3',5'-磷酸二酯鍵1.tRNA功能：在蛋白質(zhì)合成中負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)運氨基酸和識別密碼子；

參與翻譯起始進(jìn)程、RNA的反轉(zhuǎn)錄及基因表達(dá)調(diào)控73-93個核苷酸組成含稀有核苷和修飾成分3‘端都為CCA，用以接受氨基酸；5’端都為pG或者pC有十幾個恒定的核苷酸，對于維持其空間結(jié)構(gòu)和實現(xiàn)生物功能起重要作用tRNA分子特點三級結(jié)構(gòu)：倒L型

倒L型：一端是—CCA，另一端是反密碼子環(huán)。二級結(jié)構(gòu)：三葉草形四環(huán)——二氫尿嘧啶環(huán)（D環(huán)）、反密碼環(huán)、額外環(huán)、T

C環(huán)四臂——氨基酸臂、二氫尿嘧啶臂、反密碼臂、T

C臂

2.rRNA分子核糖體rRNA原核生物70S30S16S50S