第一章核酸化学.ppt

第四章 核酸的结构与功能,Nucleic Acids,本章内容,第一节 核酸概述第二节 核苷酸第三节 核酸的分子结构第四节 核酸的性质及分离提取第五节 核酸与蛋白质的复合体,第一节 核酸概述,一、核酸是大分子二、核酸的基本元素组成三、核酸的种类四、分布,核 酸(nucleic acid),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。,一、核酸是大分子,分子量：RNA 几万几百万DNA 1.61062.2109功能：核酸是活细胞中最关键组分；它携带着遗传信息，是遗传的物质基础；它决定蛋白质和酶的结构。因此，它决定每一种生物体的代谢类型及形态。,DNA双螺旋图,DNA俯视图,二、核酸的基本元素组成,C、H、O、N、P（9%10%）可以测定磷含量推算核酸含量,三、核酸的种类,核酸,脱氧核糖核酸,核糖核酸,转运核糖核酸 tRNA,信使核糖核酸 mRNA,核糖体核糖核酸 rRNA,遗传信息的载体,(DNA),(RNA),遗传信息传递或遗传信息的载体,mRNA 半寿期最短，占总RNA5%-10%功能：是蛋白质合成的模板。tRNA 分子量最小，占总RNA10%-15%功能：翻译中携带活化的氨基酸。rRNA 含量最多，占总RNA75%-80%功能：是蛋白质合成的场所。,特 点,四、分布,真核生物 原核生物,细胞质（90%）核仁（少量）线粒体（少量）叶绿体（少量）,DNA,细胞核（98%）细胞质（少量）线粒体（少量）叶绿体（少量）等,细胞质（类核部分）质粒DNA病毒DNA,RNA,细胞质病毒RNA,第二节 核酸的化学组成,一、核酸的化学组成二、核苷、核苷酸的形成三、核苷酸的种类 四、核苷酸的功能,一、核酸的化学组成,核酸可在核酸酶（或酸、碱）作用下降解为核苷酸。,核酸,核苷酸,核苷,磷酸,戊糖,碱基,戊糖,-D-核糖-D-脱氧核糖-D-2-O-甲基核糖,稀 有 碱 基,m5C,DHU,m62A,I,碱基和核糖（或脱氧核糖）通过糖苷键连接形成核苷(nucleoside)（或脱氧核苷）。,二、核苷、核苷酸的形成,（一）核苷的形成,二、核苷、核苷酸的形成,（一）核苷的形成,+戊糖上半缩醛-OH,嘌呤N9-H,嘧啶N1-H,核苷,脱水,（二）稀有核苷的形成,（1）碱基稀有（2）核糖稀有（3）连接方式稀有,（三）核苷酸的形成,核苷（脱氧核苷）和磷酸以酯键连接形成核苷酸（脱氧核苷酸）。自然界中存在的5-核苷酸。,三、核苷酸的种类,核苷一磷酸 核糖核苷一磷酸 AMP、GMP、CMP、UMP脱氧核苷一磷酸 dAMP、dGMP、dCMP、dTMP,核苷二磷酸 核糖核苷二磷酸 ADP、GDP、CDP、UDP脱氧核苷二磷酸 dADP、dGDP、dCDP、dTDP,核苷三磷酸 核糖核苷三磷酸 ATP、GTP、CTP、UTP脱氧核苷三磷酸 dATP、dGTP、dCTP、dTTP,核苷酸 NMP，NDP，NTP,环式核苷酸 cAMP cGMP AP,四、核苷酸的功能,作为核酸的单体细胞中的携能物质（如ATP、GTP）酶的辅助因子的结构成分（如NAD、FMN、FAD）细胞通讯的媒介（如cAMP、cGMP）,第三节 核酸的分子结构,一、核酸的一级结构 二、DNA 的空间结构和功能三、RNA 的结构和功能,一、核酸的一级结构,定义核酸中核苷酸的排列顺序。由于核苷酸间的差异主要是碱基不同，所以也称为碱基序列。,核苷酸之间以3,5-磷酸二酯键连接形成多核苷酸链，即核酸。,C,G,A,一个核苷酸3OH 与另一个核苷酸5H3PO4 脱水形成3，5 磷酸二酯键。核苷酸通过3，5 磷酸二酯键相连形成的大分子称为核苷酸链。,书写方法,DNA 与RNA的区别,二、DNA 的空间结构与功能,（一）DNA的二级结构（二）DNA 的三级结构,一、DNA的二级结构双螺旋结构,它必须能够携带遗传信息能够自我复制传递遗传信息能够让遗传信息得到表达以控制细胞活动并且能够突变并保留突变。这4点，缺一不可，如何建构一个DNA分子模型解释这一切？,DNA应该有什么样的结构，才能担当遗传的重任？,DNA双螺旋结构模型的主要依据 chargaff 规则 AT GC；A/TG/C=1 碱基的理化性质分析 AT GC 配对较为合理 DNA的X衍射分析 DNA分子为线性双螺旋结构,DNA的碱基组成Chargaff规则（1）同一生物体中，DNA 分子中碱基组成AT GC；A/TG/C=1，所以A+G=T+C（包括m5 C），即：嘌呤碱总和=嘧啶碱总和。（2）有种的特异性，同种生物（各组织、器官）DNA 碱基组成相同，异种生物DNA碱基组成差异很大，可用不对称比率A+T/G+C 的相近程度表示种间亲缘关系的远近。（3）DNA 碱基组成不受年龄，营养状况及环境的影响。（对维持物种的稳定性起很重要的作用）。,已知的核酸化学数据,威尔金斯（Maurice Wilkins）,罗莎琳德富兰克林(RosalindFranklin),沃森（James Dewey Watson，1928-）克里克（Francis Harry Compton Crick，19162004）,DNA双螺旋结构的发现,1951年 Watson 23岁丹麦的哥本哈根 Wilkins教授 英国剑桥大学Cavendish实验室 Crick，31岁 女科学家Franklin伦敦大学Kings实验室DNA应该是双螺旋 A与T、C与G巧妙连接 符合X衍射数据 DNA的复制1953年2月28日，Waterson 和Crick用金属线又制出了新的DNA模型，他们为自然科学树立了一座闪闪发光的里程碑。,剑桥的卡文迪什（Cavendish）实验室，在这里，沃森和克里克发现了DNA结构。,DNA的结构，发表于自然171卷(1953)737-738页)上的插图,The Eagle Pub（老鹰酒吧）在这里第一次宣布了他们的发现,（二）DNA双螺旋结构模型要点,1.两条链反向平行，围绕同一中心轴构成右手双螺旋(double helix)。螺旋直径2nm，表面有大沟和小沟。2.磷酸-脱氧核糖骨架位于螺旋外侧，碱基垂直于螺旋轴而伸入内侧。每圈螺旋含10个碱基对(bp)，螺距为3.4nm。,右手性的定义示意图。大姆指指向轴向，其他四指由掌根向指尖方向表示螺旋转动方向。,杭州植物园百草园中一株人为左手性的常青油麻藤(Mucuna sempervirens)，被缠绕的“植物”是一根人造的水泥柱。,北京育新花园一株本来应当是右手性的紫藤，在幼苗期工作人员可能强行以左手螺旋的方式编织使其上爬。但是天性是不容易改变的，等到这棵紫藤长高了，没人管时，它又恢复了右手性的本性。,3.碱基平面与纵轴垂直，糖环平面与纵轴平行,4.两条链通过碱基间的氢键相连，A对T有两个氢键，C对G有三个氢键，这种A-T、C-G配对的规律，称为碱基互补规则。,A、T配对,G、C配对,影响双螺旋结构稳定的因素 1）氢键 互补碱基对之间可形成氢键 2）碱基堆积力 电子云交错而形成的一种力，使双螺旋结构内部形成一个强大的疏水区，与介质中的水分子隔开，有利于互补碱基间形成氢键，稳定双螺旋结构。3）离子键 磷酸基团上的负电荷与介质中的阳离子之间形成离子键（盐键）。4）碱基分子内能 分子内部无规则运动形成的能量，受温度等外部因素的影响。,DNA 双螺旋结构的多态性 在多核苷酸链中，脱氧核糖的五元环能折叠成多种构象，此外，分子还可绕N-C糖苷键以及3,5-磷酸二酯键旋转一定的角度，这就使具有同样碱基配对的DNA双螺旋可以采取另一些构象，DNA构象上这种差异称为多态性。Watson和Crick所描述的DNA双螺旋构象现在称为B型DNA，另外还有A型、C型和Z型等构象类型的DNA，在一定条件下B-DNA可转变为A-DNA或C-DNA。,A-DNA：B型（湿度：92%DNA钠盐纤维的构象）DNA脱水时，就转变为A型（湿度：75%DNA钠盐纤维的构象）。A-DNA也是由反向的两条多核苷酸链组成右手螺旋。每一螺圈含11个碱基对，碱基对与中轴的倾角为20，两个核苷酸之间的夹角为33。RNA、DNA杂交双链以及RNA双螺旋区具有与A-DNA相似的结构。,Z-DNA：Rich在研究CGCGCG寡聚体结构时，发现CGCGCG有左手螺旋的双螺旋结构，称之为左旋DNA。因为磷酸基在多核苷酸骨架上的分布呈“Z”字形，又称为Z-DNA。特点：直径1.8nm，螺距4.5nm，每一螺圈含12个碱基对，整个分子比较细长而伸展，大沟外凸而变得不明显，小沟则窄而深。,四种双螺旋结构的比较,三链DNA（tsDNA),三链DNA 多聚（dA）-多聚（dT）具有类似B-DNA的结构，提高其环境中的盐浓度（或降低相对湿度），它的双螺旋结构就歧化成三链结构和一条多聚脱氧核苷酸链。DNA的三链结构可能与基因表达调控有关。第三股链的存在可能阻碍了一些调控蛋白或RNA聚合酶与DNA的结合。,三、DNA 的三级结构,在细胞中，由于DNA 与其它分子（如蛋白质）的相互作用，使DNA 双螺旋进一步扭曲成环状或麻花状的形态，称为DNA 的三级结构。超螺旋是DNA三级结构的一种类型。,大肠杆菌质粒DNA的三级结构,（一）DNA的超螺旋结构,超螺旋结构(superhelix 或supercoil)DNA双螺旋链再盘绕即形成超螺旋结构。,意义DNA超螺旋结构整体或局部的拓扑学变化及其调控对于DNA复制和RNA转录过程具有关键作用。,正超螺旋(positive supercoil)盘绕方向与DNA双螺旋方同相同,负超螺旋(negative supercoil)盘绕方向与DNA双螺旋方向相反,（二）原核生物DNA的高级结构,（三）DNA在真核生物细胞核内的组装,真核生物染色体由DNA和蛋白质构成，其基本单位是 核小体(nucleosome)。,核小体的组成DNA：约200bp 组蛋白：H1H2A，H2BH3H4,真核生物的DNA与蛋白质结构形成核小体（2分子H2A、H2B、H3、H4和1分子H1）,串珠状核小体结构,串珠状核小体,DNA双螺旋片段,染色质纤维,伸展形染色质片段,密集形染色质片段,整个染色体,核小体,