第02章核酸的结构与功能

目录第2章核酸的结构与功能StructureandFunctionofNucleicAcid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。目录1868年FridrichMiescher从脓细胞中提取核素。1944年Avery等人证实DNA是遗传物质。1953年Watson和Crick发现DNA的双螺旋结构。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。1985年Mullis发明PCR技术。1990年美国启动人类基因组计划(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。核酸研究的发展简史核酸的分类及分布存在于细胞核和线粒体分布于细胞核、细胞质、线粒体(deoxyribonucleicacid,DNA)(ribonucleicacid,RNA)脱氧核糖核酸核糖核酸携带遗传信息，并通过复制传递给下一代。是DNA转录的产物，参与遗传信息的复制与表达。某些病毒RNA也可作为遗传信息的载体第一节核酸的化学组成及其一级结构TheChemicalComponentandPrimaryStructureofNucleicAcid目录核酸(DNA和RNA)核苷酸核苷和脱氧核苷磷酸戊糖碱基嘌呤嘧啶核糖脱氧核糖核酸组成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)一、核苷酸是构成核酸的基本组成单位目录碱基(base)是含氮的杂环化合物。碱基嘌呤嘧啶腺嘌呤鸟嘌呤尿嘧啶胸腺嘧啶胞嘧啶存在于DNA和RNA中仅存在于RNA中仅存在于DNA中碱基嘌呤(purine，Pu)NNNHN123456789NNNHNNH2腺嘌呤(adenine,A)NNHNHNNH2O鸟嘌呤(guanine,G)NNH132456嘧啶(pyrimidine，Py)胞嘧啶(cytosine,C)NNHNH2O尿嘧啶(uracil,U)NHNHOO胸腺嘧啶(thymine,T)NHNHOOCH3目录碱基的互变异构体HNHNCNH2+O+HNNH2NNH2亚氨式氨式+H+NCOHNCO-+H+酮式烯醇式戊糖（构成RNA）1´2´3´4´5´OHOCH2OHOHOH核糖(ribose)（构成DNA）OHOCH2OHOH脱氧核糖(deoxyribose)目录脱氧核苷嘌呤N-9或嘧啶N-1与脱氧核糖C-1通过β-N-糖苷键相连形成脱氧核苷(deoxyribonucleoside)。反式脱氧腺苷NNNNNH2OHOHHHHHOH2CH糖苷键目录嘌呤N-9或嘧啶N-1与核糖C-1通过β-N-糖苷键相连形成核苷(ribonucleoside)。核苷NNNN9NH2OOHOHHHHCH2OHH1'2'糖苷键目录核苷或脱氧核苷与磷酸通过酯键结合构成核苷酸(ribonucleotide)或脱氧核苷酸(deoxyribonucleotide)。核苷酸(ribonucleotide)NNNN9NH2OOHOHHHHCH2H1'2'OPO-HOO糖苷键酯键目录P-OO-ONNNNNH2OHOHHHHCH2HOPOO-OPOO-O5′-磷酯键脱氧腺嘌呤二磷酸(dADP)脱氧腺嘌呤三磷酸(dATP)脱氧腺嘌呤核苷脱氧腺嘌呤一磷酸(dAMP)多磷酸核苷酸环化核苷酸：cAMP、cGMP，是细胞信号转导中的第二信使。NOCH2OOHONNNNH2POOHcAMP核苷酸衍生物二、DNA是脱氧核苷酸通过3’,5’-磷酸二酯键连接形成的大分子一个脱氧核苷酸3的羟基与另一个核苷酸5的α-磷酸基团缩合形成磷酸二酯键(phosphodiesterbond)。多个脱氧核苷酸通过磷酸二酯键构成了具有方向性的线性分子，称为多聚脱氧核苷酸(polydeoxynucleotide)，即DNA链。目录5´-末端3´-末端CGA磷酸二酯键磷酸二酯键目录5´-磷酸基团3´,5´-磷酸二酯键碱基碱基碱基3´-羟基O-POO-OOHOHHHHCH2POO-OOHOHHHCH2HPOO-OOHHHHHCH2OPOO-OOHOHHHHHCH2碱基核酸方向交替的磷酸基团和戊糖构成了DNA的骨架(backbone)。DNA链的方向是5→3目录三、RNA也是具有3’,5’-磷酸二酯键的线性大分子RNA也是多个核苷酸分子通过酯化反应形成的线性大分子，并且具有方向性；RNA的戊糖是核糖；RNA的嘧啶是胞嘧啶和尿嘧啶。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。5′端3′端CGA四、核酸的一级结构是核苷酸的排列顺序AGP5PTPGPCPTPOH3书写方法：5pApCpTpGpCpT-OH35ACTGCT3核酸分子的大小常用碱基(base或kilobase)数目来表示。小的核酸片段(50bp)常被称为寡核苷酸(oligonucleotide)。自然界中的DNA和RNA的长度可以高达几十万个碱基。DNA和RNA的区别核糖G、C、A、URNA脱氧核糖G、C、A、TDNA碱基核糖核酸第二节DNA的空间结构与功能DimensionalStructureandFunctionofDNA目录DNA的空间结构又分为二级结构(secondarystructure)和高级结构。DNA的空间结构(spatialstructure)构成DNA的所有原子在三维空间具有确定的相对位置关系。一、DNA的二级结构是双螺旋结构目录不同生物种属的DNA的碱基组成不同同一个体的不同器官或组织的DNA碱基组成相同。[A]=[T]，[G]=[C]Chargaff规则（一）DNA双螺旋结构的研究背景获得了高质量的DNA分子的X射线衍射照片。提出了DNA分子双螺旋结构(doublehelix)模型。目录AGCTA/TG/CG+C嘌呤/嘧啶大肠杆菌26.024.925.223.91.090.9950.11.04结核杆菌15.134.935.414.61.030.9970.31.00酵母31.718.317.432.60.971.0535.71.00牛29.021.221.228.71.011.0042.41.01猪29.820.720.729.11.021.0041.41.01人30.419.919.930.11.011.0039.81.01不同生物来源DNA碱基组分和相对比例两条多聚核苷酸链在空间的走向呈反向平行(anti-parallel)。两条链围绕着同一个螺旋轴形成右手螺旋(right-handed)的结构。双螺旋结构的直径为2.37nm，螺距为3.54nm。脱氧核糖和磷酸基团组成的亲水性骨架位于双螺旋结构的外侧，疏水的碱基位于内侧。双螺旋结构的表面形成了一个大沟(majorgroove)和一个小沟(minorgroove)。（二）DNA双螺旋结构模型要点1.DNA是反向平行、右手螺旋的双链结构亲水性的骨架位于双链的外侧。疏水性的碱基位于双链的内侧。骨架与碱基2.DNA双链之间形成了互补碱基对碱基配对关系称为互补碱基对(complementarybasepair)。DNA的两条链则互为互补链(complementarystrand)。碱基对平面与螺旋轴垂直。碱基互补配对:鸟嘌呤/胞嘧啶碱基互补配对:腺嘌呤/胸腺嘧啶大沟与小沟相邻两个碱基对会有重叠，产生了疏水性的碱基堆积力(basestackinginteraction)。碱基堆积力和互补碱基对的氢键共同维系着DNA结构的稳定。3.疏水作用力和氢键共同维系着DNA双螺旋结构的稳定。碱基堆积作用力碱基互补配对是半保留复制的基础DNA二级结构目录（三）DNA双螺旋结构的多样性目录旋向螺距(nm)碱基数（每圈）螺旋直径（nm）骨架走行存在条件A型右手2.3112.5平滑体外脱水B型右手3.4102.3平滑DNA生理条件Z型左手4.5121.8锯齿型CG序列三种DNA构型的比较目录（四）DNA的多链螺旋结构在酸性的溶液中，胞嘧啶的N-3原子被质子化，可与鸟嘌呤的N-7原子形成氢键；同时，胞嘧啶的N-4的氢原子也可与鸟嘌呤的O-6形成氢键，这种氢键被称为Hoogsteen氢键。Hoogsteen氢键Hoogsteen氢键，不破坏Watson-Crick氢键，由此形成了C＋GC的三链结构(triplex)。目录三链结构目录鸟嘌呤之间通过Hoogsteen氢键形成特殊的四链结构(tetraplex)。GGGGG-四链体NNNNONHHHNNNNONHHHNNNNONHHHNNNNONHHH四链结构目录真核生物DNA3-末端是富含GT的多次重复序列，因而自身形成了折叠的四链结构。GGTTTTTTGTGTTG5'二、DNA的高级结构是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。正超螺旋(positivesupercoil)盘绕方向与DNA双螺旋方同相同。负超螺旋(negativesupercoil)盘绕方向与DNA双螺旋方向相反。（一）原核生物DNA的环状超螺旋结构原核生物DNA多为环状，以负超螺旋的形式存在，平均每200碱基就有一个超螺旋形成。目录DNA超螺旋结构的电镜图象（二）真核生物DNA的高度有序和高度致密的结构真核生物DNA以非常有序的形式存在于细胞核内。在细胞周期的大部分时间里，DNA以松散的染色质(chromatin)形式存在，在细胞分裂期，则形成高度致密的染色体(chromosome)。目录DNA染色质呈现出的串珠样结构。染色质的基本单位是核小体(nucleosome)。DNA染色质的电镜图像目录DNA：约200bp组蛋白：H1H2A，H2BH3H4核小体的组成目录核小体核心颗粒核小体连接区5.5nm11nmH1H3H2BH4H2ADNA双链核小体串珠样的结构目录第一层次折叠第二层次折叠第三层次折叠30nm双链DNA核小体构成截面图染色质纤维空管双链DNA的折叠和组装目录第三层次折叠染色质纤维1.4m核基质第四层次折叠截面图300nm形成染色体DNA经过多次折叠，被压缩了8000～10000倍，组装在直径只有为数微米的细胞核内。目录真核生物的染色体DNA的基本功能是以基因的形式荷载遗传信息，并作为基因复制和转录的模板。它是生命遗传的物质基础，也是个体生命活动的信息基础。基因从结构上定义，是指DNA分子中的特定区段，其中的核苷酸排列顺序决定了基因的功能。三、DNA是遗传信息的物质基础第三节RNA的结构与功能StructureandFunctionofRNA目录RNA与蛋白质共同负责基因的表达和表达过程的调控。RNA通常以单链的形式存在，但有复杂的局部二级结构或三级结构。RNA比DNA小的多。RNA的种类、大小和结构远比DNA表现出多样性。RNA的种类、分布、功能核蛋白体RNA信使RNA转运RNA核内不均一RNA核内小RNA胞浆小RNA细胞核和胞液线粒体功能rRNAmRNAmtrRNAtRNAmtmRNAmttRNAHnRNASnRNASnoRNAscRNA/7SL-RNA核蛋白体组分蛋白质合成模板转运氨基酸成熟mRNA的前体参与hnRNA的剪接、转运rRNA的加工、修饰蛋白质内质网定位合成的信号识别体的组分核仁小RNA核蛋白体RNA信使RNA转运RNA核内不均一RNA核内小RNA胞浆小RNA细胞核和胞液线粒体功能rRNAmRNAmtrRNAtRNAmtmRNAmttRNAHnRNASnRNASnoRNAscRNA/7SL-RNA核蛋白体组分蛋白质合成模板转运氨基酸成熟mRNA的前体参与hnRNA的剪接、转运rRNA的加工、修饰蛋白质内质网定位合成的信号识别体的组分核仁小RNA目录信使RNA(messengerRNA,mRNA)