第一章核酸的高级结构.

第一章核酸的高级结构第一节概述一、核酸的发现和研究历程1868年，瑞士的一位年轻的科学家FridrichMiescher（1844-1895）从外科绷带上脓细胞的细胞核中分离出一种有机物质，它的含磷量超过了当时发现的任何有机化合物，并有很强的酸性，由于该物质是从细胞核中分离出来的，因此当时就称它为“核素”（nuclein），Miescher所分离到的核素就是我们今天所指的脱氧核糖核蛋白。1889年，Altmann首先制备了不含蛋白质的核酸制品，因为是从细胞核中分离出来的酸性物质，所有叫核酸（nucleicacid）。后来，研究发现细胞质、线粒体、叶绿体、无核结构的细菌和没有细胞结构的病毒都含有核酸，从此“核酸”这一名称保留并一直沿用至今。核酸作为生物体的一种化学物质，早期的研究仅限于它的化学组成。虽然早在20世纪40年代，人们已经知道DNA是由四种核苷酸组成的多聚体长链，但也只是将它看作细胞中的一般化学成分，且由于这四种核苷酸比较相像，化学结构看来也十分简单，因此也没有人注意到它的生物学功能。当时普遍认为，决定遗传特性的物质是蛋白质。1944年，Avery等人著名的肺炎双球菌转化实验证实核酸是主要遗传物质。见图1952年，Hershey等人用同位素标记法研究T2噬菌体的感染作用，他们用32P标记噬菌体的DNA，用35S标记蛋白质，然后感染大肠杆菌。结果发现只有32P-DNA进入细菌细胞，35S蛋白质留在细胞外，进一步肯定了DNA的遗传作用。1953年，Watson和Crick确定了DNA的双螺旋结构，发现碱基互补配对原理，同时提出了DNA半保留复制假说。基础知识野生型肺炎双球菌(Strep-tococcuspneumoniae)菌落为光滑型，一种突变型为粗糙型，两者根本差异在于荚膜形成；荚膜的主要成分是多糖，具特殊的抗原性；不同抗原型是遗传的、稳定的，一般情况下不发生互变。荚膜菌落毒性类型光滑型S发达光滑有I,II,III粗糙型R无粗糙无I,II1944年，Avery的转换转化实验orand可分离1968年，Nirenberg发现遗传密码。1975年，Temin和Baltimore发现逆转录酶。1981年，Gilbert和Sanger建立DNA测序方法。同年，Cech发现四膜虫rRNA前体能够通过自我拼接切除内含子，表明RNA也具有催化功能，称为核酶(ribozyme),这是对“酶一定是蛋白质”传统观点的一次大的冲击。1983年，Simons和Mizuno等分别发现了反义RNA(antisenseRNA)，表明RNA还具有调节功能。1985年，Mullis发明PCR(PolymeraseChainReaction)技术,即聚合酶链式反应。此项技术是模仿DNA在生物体内的自然复制过程,来扩增DNA片段。1986年，Gilbert提出“RNA世界”的假说。这一假说认为，在40亿年前的太古代，地球上就已经诞生了RNA自我复制系统——“RNA世界”。之后，RNA不但能进行有机物合成，而且还能与原始地球上出现的蛋白质相互作用，迎来了它们的共生时代——“RNA-蛋白质世界”，最终逐渐形成原始生命。后来，RNA将大多数催化功能交给更高活性的蛋白质，将遗传信息传递功能交给了在化学性质上更稳定的DNA，久而久之，才演变成现在的生物世界，也就是“DNA世界”。1990年，美国政府出资30亿美元，用15年的时间完成人类基因组计划(humangenomeproject,HGP)。1994年，中国人类基因组计划启动。2001年，美、英等国完成人类基因组计划基本框架。2003年4月14日，人类基因组计划胜利完成。核酸（nucleicacid）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。二、核酸的概念三、核酸的种类与分布根据核酸的化学组成可分为：1.脱氧核糖核酸（Deoxyribonucleicacid，DNA）部位：细胞核（98%）、线粒体、叶绿体功能：是遗传的物质基础。能携带遗传信息，决定C和个体的基因型。2.核糖核酸（ribonucleicacid，RNA）部位：主要细胞质功能：参与C内DNA遗传信息的表达。在少数物种如某些病毒中也可作为遗传信息的载体。RNA又可根据分子大小和生物学功能不同，分为:信使核糖核酸（messengerRNA，mRNA）转运核糖核酸（TransferRNA，tRNA）核糖体核糖核酸（RibosomalRNA，rRNA）rRNAtRNAmRNA比例80～82％15～16％3～5％沉降系数原核：5S、16S、23S；真核：5S、18S、28S、5.8S4S6～25S代谢稳定性稳定稳定不稳定存在形式与多种蛋白质形成核糖核蛋白体，位于粗面内质网上或以单体形式存在与氨基酸结合或以游离状态存在与核糖体结合或单独存在存在部位细胞质细胞质细胞质生理功能蛋白质合成的场所在蛋白质合成过程中运输活化的氨基酸蛋白质合成的模板第二节核酸的化学组成TheChemicalComponentofNucleicAcid戊糖含N碱基一、核酸的水解核酸核苷酸水解磷酸嘧啶碱嘌呤碱核苷核糖（戊糖）脱氧核糖(脱氧戊糖)1、核酸的彻底水解：核酸的基本构成核酸Nucleicacid核苷酸Nucleotide核苷Nucleoside碱基Base核糖Ribose脱氧核糖Deoxyribose嘧啶碱Purinebases胸腺嘧啶thymine胞嘧啶cytosine尿嘧啶uracil嘌呤碱Pyrimidinebases腺嘌呤adenine鸟嘌呤guanine磷酸phosphoricacid戊糖pentose2、核酸的化学组成1）元素组成C、H、O、N、P（9~10%）2）分子组成——碱基(base)：嘌呤碱、嘧啶碱——戊糖(ribose)：核糖、脱氧核糖——磷酸(phosphate)二.戊糖和碱基的结构(一)戊糖DNA：戊糖为β-D-2脱氧核糖RNA：戊糖为β-D-核糖。（构成RNA）1´2´3´4´5´OHOCH2OHOHOH核糖(ribose)（构成DNA）OHOCH2OHOH脱氧核糖(deoxyribose)(二)碱基（base）1.嘌呤(purine)NNNHN123456789NNNHNNH2腺嘌呤(adenine,A)NNHNHNNH2O鸟嘌呤(guanine,G)NNH1324562.嘧啶(pyrimidine)胞嘧啶(cytosine,C)NNHNH2O尿嘧啶(uracil,U)NHNHOO胸腺嘧啶(thymine,T)NHNHOOCH3含氧的碱基有烯醇式和酮式两种互变异构体，在生理pH条件下主要以酮式存在。体内核酸大分子中的碱基也以酮式存在。尿嘧啶的互变异构作用如下：酮式NHNHOO烯醇式NHNHOOOHOH注意：嘌呤和嘧啶中均含有共轭双键，因此对260nm波长的紫外线有特异吸收峰。三、核苷的形成核苷是由戊糖与含氮碱基经脱水缩合而生成的化合物（糖苷）。由碱基和核糖或脱氧核糖通过糖苷键连接而成。连接部位：糖的C-1，嘌呤-N9，嘧啶-N1。核苷：用单字符号（A,G,U,C）表示脱氧核苷：在单字符号前加一小写得d（dA,dG,dT,dC）在大多数情况下，核苷是由核糖或脱氧核糖的C1’β-羟基与嘧啶碱N1或嘌呤碱N9进行缩合，故生成的化学键称为β，N糖苷键由碱基和核糖（脱氧核糖）通过糖苷键连接形成核苷（脱氧核苷）。OHOCH2OHOHNNNH2O1´1•核苷的表示方法★嘧啶碱：C1—N1，嘌呤碱：C1—N9。★核酸中的核苷与脱氧核苷均为β-型★碱基平面与核糖平面互相垂直腺苷(A)脱氧胞苷(dC)β1,N9-糖苷键β1’,N1-糖苷键β1’β1’N-9N-1四、核苷酸的结构与命名POOOHOHOCH2OHOHNNNH2OOHOCH2OHOHNNNH2O1.核苷酸:核苷（脱氧核苷）和磷酸脱水缩合后生成的磷酸酯类化合物，以磷酸酯键连接形成。即核苷的磷酸酯。包括核苷酸和脱氧核苷酸。POOOHOHOCH2OHOHNNNH2OH磷酸＋OHOCH2OHOHNNNH2O脱氧胞苷(dC)＋H2O磷酸酯键核苷酸的分子结构2.生物体内多为5，--核苷酸，即P基团位于糖的C-5，上。3.5’-核苷酸又可按其在5’位缩合的磷酸基的多少，分为一磷酸核苷（核苷酸）、二磷酸核苷和三磷酸核苷。4.有些核酸中还含有稀有碱基，这些碱基大多是在上述嘌呤或嘧啶碱的不同部位甲基化或进行其它的化学修饰而形成的衍生物。，核苷酸与脱氧核苷酸5.核苷酸还有环化的形式。它们主要是3′，5′－环化腺苷酸(cAMP,adenosine3′,5′－cyclicmonophosphate)3′，5′－环化鸟苷酸(cGMP,guanosine3′，5′－cyclicmonophosphate)环化核苷酸在细胞内代谢的调节和跨细胞膜信号中起着十分重要的作用。5´端3´端6、核苷酸的连接核酸是由许多单核苷酸聚合形成的多核苷酸链，没有分支。核苷酸之间以3’，5’－磷酸二酯键连接形成多核苷酸链。核苷酸链的方向是5’－3’。CGA3′，5′-磷酸二酯键3′，5′-磷酸二酯键是由一个核苷酸的5′位磷酸与另一个核苷酸的3′-OH形成的。5′端3′端CGA由相间排列的戊糖和磷酸构成核酸大分子的主链。代表其特性的碱基则可以看成是有次序的链接在其主链上的侧链基团。主链上的磷酸基是酸性的，在细胞的pH条件下带负电荷；而嘌呤和嘧啶碱基相对不溶于水而具有疏水性质。5′端3′端CGA注意：1.由于生物体中主要为游离的5-磷酸核糖(即用于合成核酸的单核苷酸为5′核苷酸)，因此，核苷酸链的合成方向是由5′3′。2.DNA、RNA均构成不分支的线性大分子，其中磷酸基和(脱氧)戊糖基构成DNA、RNA链的骨架，可变部分是碱基排列顺序。5′端3′端CGA5′端3′端CGA第三节DNA的结构StructureofDNADNA的一级结构:基本结构DNA的二级结构空间结构DNA的三级结构一、DNA的一级结构概念：核酸中4种核苷酸的连接及排列顺序。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。(一)基因和基因组基因：DNA分子中的某一区段，经复制可传给子代，经转录和翻译往往可合成蛋白质。基因组（genome）：一个生物体的全部基因序列。人的基因组约有30亿bp。(二)原核生物和真核生物DNA一级结构的比较1.原核生物DNA一级结构的特点(1)原核生物的基因组小；(2)结构相对简单；(3)基因为连续的DNA片段。2.真核生物DNA一级结构的特点(1)大量重复序列：根据重复次数的多少分为：–高度重复序列：可重复几百万次，多数为小于10bp的短序列。一般位于异染色质上，多数不编码蛋白质或RNA，可能与染色体结构的形成及基因表达的调控有关。–中度重复序列：在DNA分子中可重复几十次到几千次，主要rRNA、tRNA基因和某些蛋白质基因属于此类。–单考贝序列：在整个DNA分子中质出现一次或少数几次，主要是编码蛋白质的结构基因，主要转录mRNA。在人体细胞中约占DNA总数的一半。(2)基因的不连续性真核结构基因的两侧，存在一些不被转录的非编码序列，它们多为调控区。而基因内部也有很多非编码序列，称内含子。相应的，编码序列称外显子。断裂基因----真核生物结构基因，由若干个编码区和非编码区互相间隔开但又连续镶嵌而成，去除非编码区再连接后，可翻译出由连续氨基酸组成的完整蛋白质，这些基因称为断裂基因(splitegene)。CABD编码区A、B、C、D(外显子)非编码区(内含子)外显子(exon)和内含子(intron)•外显子在断裂基因及其初级转录产物上出现，并表达为成熟RNA的核酸序列。•内含子隔断基因的线性表达而在剪接过程中被除去的核酸序列。二、DNA的二级结构DNA的二级结构是指两条多核苷酸链反向平行盘绕所生成的双螺旋结构。研究背景:DNA双螺旋结构模型的提出，揭示了生物界遗传性状得以世代相传的分子奥秘，标志着当代分子生物学的诞生，是科学史