核酸的结构与功能

目录重点、难点：基本概念:核苷酸,DNA、RNA,Tm等DNA双螺旋结构模型的要点；mRNA、tRNA、rRNA的结构特点及功能；DNA变性与复性等核酸重要的理化性质及其应用。第二章核酸的结构与功能目录•1869MiescherisolatedDNAforthefirsttime.•确定了生物遗传的物质基础是DNA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。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目录核酸的基本结构单位是核苷酸核酸在核酸酶的作用下水解成核苷酸。核苷酸由碱基、戊糖、磷酸组成核苷酸由碱基(base)、戊糖(pentose)和磷酸3种成分以共价键依次连接而成。目录核酸的化学组成元素组成C、H、O、N、P（9%~10%）分子组成——碱基(base)：嘌呤碱，嘧啶碱——戊糖(pentose)：核糖，脱氧核糖——磷酸(phosphate)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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OHOCH2OHOHNNNH2O1´1AR,GR,UR,CR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OHOCH2OHOHNNNH2O1´1HdAR,dGR,dTR,dCR目录“稀有核苷”是由“稀有碱基”所生成的核苷。假尿苷（ψ）β1’,C5-糖苷键β1’C5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)AMP,GMP,UMP,CMPNNNN9NH2OOHOHHHHCH2H1'2'OPO-HOO糖苷键酯键脱氧核苷酸：dAMP,dGMP,dTMP,dCMP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核苷酸衍生物目录体内重要的核苷酸衍生物含核苷酸的生物活性物质：NAD+、NADP+、CoA-SH、FAD等都含有AMPNADP+NAD+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。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。doublehelix：Thenaturalcoiledconformationoftwocomplementary,antiparallelDNAchainsbytheformationofA-TandG-Cbasepairs.一、DNA的二级结构是双螺旋结构WatsonandCrick:1953年提出双螺旋结构模型,TheNobelPrizeinPhysiologyorMedicine1962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目录1953年由Wilkins研究小组的RosalindFranklin获得了高质量的X线衍射照片，显示出DNA是螺旋形分子，从密度上也提示了DNA为双链分子。RosalindFranklin目录WatsonandCrick's1953NaturepaperproposingadoublehelixstructureforDNAStructureforDeoxyriboseNucleicAcid2April1953MOLECULARSTRUCTUREOFNUCLEICACIDS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2nm，螺距为3.4nm。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目录DNA二级结构B-DNAhelix：Aright-handeddoublehelixwiththefollowingcharacteristics:thetwostrandsareantiparallel;thebasesareinsidethehelixandthephosphatesanddeoxyribosesugarsareontheoutside;adenineformshydrogenbondswiththymine,andguanineformsthemwithcytosine;thebasesineachpairarecoplanar;thereare10.4residuesperturn,withapitchof35Å.大沟与小沟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。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。碱基堆积作用力目录Z（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目录右旋，再右旋右旋后，左旋目录目录（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核小体的组成核心颗粒核小体连接区核小体：是真核生物染色体的基本结构单元。目录核小体核