第3章 核酸的组成与结构

第二章核酸的组成与结构Nucleicacid青山衬托之下，是一片金灿灿的中国水稻梯田。4月5日以中国梯田为封面的«Science»杂志以14页篇幅率先发表了一个重大成果—中国人独立完成的论文《水稻基因组的工作框架序列》，显示对中国科学家成就充分肯定。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。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基本框架核酸的发现和研究工作进展核酸的分类及分布90%以上分布于细胞核，其余分布于核外如线粒体，叶绿体，质粒等。分布于胞核、胞液。(deoxyribonucleicacid,DNA)(ribonucleicacid,RNA)脱氧核糖核酸核糖核酸携带遗传信息，决定细胞和个体的基因型(genotype)。参与细胞内DNA遗传信息的表达。某些病毒RNA也可作为遗传信息的载体。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)§1核酸的组成单位核酸的基本组成单位——核苷酸核酸的一级结构核酸水解水解水解单核苷酸（B-R-P）磷酸（P）戊糖(R,dR）碱基（B）核苷（B-R）图3-1核酸分子的组成知识点1戊糖碱基核苷：核糖或脱氧核糖与碱基生成的糖苷核苷酸：核苷与磷酸形成的磷酸酯核酸的基本组成单位——核苷酸戊糖（构成RNA）1´2´3´4´5´OHOCH2OHOHOH核糖(ribose)（构成DNA）OHOCH2OHOH脱氧核糖(deoxyribose)嘌呤(purine)NNNHN123456789NNNHNNH2腺嘌呤(adenine,A)NNHNHNNH2O鸟嘌呤(guanine,G)碱基NNNHN123456789知识点2NNH132456嘧啶(pyrimidine)胞嘧啶(cytosine,C)NNHNH2O尿嘧啶(uracil,U)NHNHOO胸腺嘧啶(thymine,T)NHNHOOCH3NNH132456知识点3OOH－P－OH=H3PO4OH-=-H2PO3P磷酸戊糖碱基核苷：核糖或脱氧核糖与碱基生成的糖苷核苷酸：核苷与磷酸形成的磷酸酯核酸的基本组成单位——核苷酸核苷：核糖或脱氧核糖与碱基生成的糖苷OHOCH2OHOHNNNH2O1´1戊糖碱基核苷：核糖或脱氧核糖与碱基生成的糖苷核苷酸：核苷与磷酸形成的磷酸酯核酸的基本组成单位——核苷酸POOOHOHOCH2OHOHNNNH2O核苷酸：AMP,GMP,UMP,CMP脱氧核苷酸：dAMP,dGMP,dTMP,dCMP核苷酸：核苷与磷酸形成的磷酸酯知识点4体内重要的游离核苷酸及其衍生物多磷酸核苷酸：NMP、NDP、NTPNOCH2OOHOHNNNNH2POOHOHAMPNOCH2OOHOHNNNNH2POOHOPOOHOHADPNOCH2OOHOHNNNNH2POOHOPOOHOPOOHOHATPATP的性质ATP分子的最显著特点是含有两个高能磷酸键。ATP水解时,可以释放出大量自由能。ATP是生物体内最重要的能量转换中间体。ATP水解释放出来的能量用于推动生物体内各种需能的生化反应。体内重要的游离核苷酸及其衍生物含核苷酸的生物活性物质：NAD+、NADP+、CoA-SH、FAD等都含有AMP多磷酸核苷酸：NMP，NDP，NTP环化核苷酸:cAMP，cGMPNOCH2OOHONNNNH2POOHcAMPNADP+NAD+§1核酸的组成单位核酸的基本组成单位——核苷酸核酸的一级结构核酸的一级结构1.定义：硷基的排列顺序⑴骨架链：糖-磷酸链（R-P)⑵连接键：3’,5’—磷酸二酯键⑶侧链：碱基⑷方向：5’P末端→3’-OH末端2.核苷酸的连接3.核酸分子结构表示法知识点5单核苷酸的连接5´端3´端AOCH2OHPOOO-O5'COCH2POOO-O3'5'TOCH2POOO--O3'5'多个核苷酸5´端到3´端核苷酸/碱基的排列顺序5´端3´端CGA核苷酸之间以磷酸二酯键连接形成多核苷酸链，即核酸。AGP5PTPGPCPTPOH3书写方法5pApCpTpGpCpT-OH35ACTGCT3§2DNA的空间结构一、DNA的二级结构－双螺旋结构模型二、DNA的三级结构一、DNA的二级结构－双螺旋结构模型1.双螺旋结构的主要依据2.结构要点3.DNA结构的多样性ErwinChargaff（1905－1995）Chargaff规则（20世纪40－50年代）不同物种的DNA碱基组成不同；同一生物体的不同组织的DNA的碱基组成相同；[A]=[T]，[G]=[C]，[A]+[G]=[T]+[C]RosalindFranklinWilkins和Franklin发现不同来源的DNA纤维具有相似的X-射线衍射图谱。DNA分子X射线衍射照片Pauling和Corey发现A与T生成2个氢键、C与G生成3个氢键。1953.4.25英国的《自然》杂志刊登了J.Watson(1928-).H.C.Crick(1916)在剑桥合作的成果——DNA双螺旋结构的分子模型，这一成就被誉为是20世纪以来生物学方面最伟大的发现，是分子生物学诞生的标志。JamesWatson&Francisrick一、DNA的二级结构－双螺旋结构模型1.双螺旋结构的主要依据2.结构要点3.DNA结构的多样性直径2.4nm小沟大沟3'5'注意：链的走向主侧链大小沟螺距直径DNAdoublehelix示意图TSSPASTASPPSPSGCGCSPPS螺距3.54nm先分析结构图CGTATATACGCGCGDNAdoublehelix平面图核糖磷酸四种碱基CGTA碱基之间形成的氢键及互补配对1.Doublehelix外观：双股链、反平行、右螺旋、大小沟。直径2.4nm、3.54nm螺距B-DNA结构要点：2.主、侧链：主链—磷酸戊糖、螺旋外侧、戊糖平面平行假想轴。侧链—内侧碱基互补、碱基平面垂直假想轴知识点6要点小结：一、DNA的二级结构－双螺旋结构模型1.双螺旋结构的主要依据2.结构要点3.DNA结构的多样性DNA结构的多样性右手双螺旋（B-DNA）：生理条件下最稳定的结构A-DNA：右手双螺旋、螺旋直径2.6nm、螺距2.5nm，11个碱基/周Z-DNA：左手螺旋、螺旋直径1.8nm、螺距4.5nm、12碱基/周、核酸链骨架显Z字型走行。不同类型的DNA结构某些DNA具有更复杂的螺旋结构1.Hoogsteen碱基配对形成三股螺旋DNAH-DNA的结构2．4条多聚鸟嘌呤核苷酸链形成四螺旋DNA§2DNA的空间结构一、DNA的二级结构－双螺旋结构模型二、DNA的三级结构原核生物DNA的超螺旋结构DNA在真核生物细胞核内的组装二、DNA的三级结构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环状DNA结构示意图原核生物DNA的高级结构:在共价闭环双螺旋基础上进一步扭转盘曲,形成超螺旋(supercoil)体积进一步压缩.知识点7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。原核生物DNA的超螺旋结构DNA在真核生物细胞核内的组装二、DNA的三级结构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知识点8H3H2BH3H2AH4H4H2BH2AH3H2BH3H2AH4H4H2BH2A核小体的结构模式核心颗粒连接区DNAH1、H2A、H2B、H3、H4组蛋白H1H1组蛋白是小分子量的碱性蛋白质组蛋白分子质量在11kD到21kD之间，组蛋白中富含精氨酸和赖氨酸。各种真核细胞都有5种组蛋白，但分子质量和氨基酸的顺序有些差异。在所有真核生物中H3，H4组蛋白氨基酸序列高度保守，提示功能是相同的。但是各种生物的H1、H2A、H2B的相似性很少。核小体的折叠及染色体组装—2nm11nm30nm300nm1400nm700nm逐级盘曲折叠DNA在真核生物细胞核内的组装（动画）§3RNA的空间结构与分类信使RNA(mRNA)转运RNA(tRNA)核蛋白体RNA(rRNA)RNA与DNA分子组成及结构差异RNA与DNA分子组成及结构差异基本成分的差异。结构差异：单链、局部双螺旋、碱基不严格配对。种类较多。较多稀有碱基知识点9两类核酸的基本成分RNADNA磷酸磷酸磷酸戊糖D-核糖D-2-脱氧核糖嘌呤碱腺(A)、鸟(G)腺(A)、鸟(G)嘧啶碱胞(C)、尿(U)胞(C)、胸腺(T)RNA与DNA分子组成及结构差异基本成分的差异。结构差异：单链、局部双螺旋、碱基不严格配对。RNA的结构特点RNA是单链分子，因此，在RNA分子中，并不遵守碱基种类的数量比例关系，即分子中的嘌呤碱基总数不一定等于嘧啶碱基的总数。RNA分子中，部分区域也能形成双螺旋结构，不能形成双螺旋的部分，则形成突环。这种结构可以形象地称为“发夹型”结构。RNA的发夹结构（突环）RNA的结构特点RNA是单链分子，因此，在RNA分子中，并不遵守碱基种类的数量比例关系，即分子中的嘌呤碱基总数不一定等于嘧啶碱基的总数。RNA分子中，部分区域也能形成双螺旋结构，不能形成双螺旋的部分，则形成突环。这种结构可以形象地称为“发夹型”结构。RNA的结构特点在RNA的双螺旋结构中，碱基的配对情况不象DNA中严格。G除了可以和C配对外，也可以和U配对。G-U配对形成的氢键较弱。RNA与DNA分子组成及结构差异基本成分的差异。结构差异：单链、局部双螺旋、碱基配对种类较多较多稀有碱基真核细胞内主要RNA的种类与功能细胞核和胞液线粒体功能核蛋白体RNArRNAmtrRNA核蛋白体的组分信使RNAmRNAmtmRNA蛋白质合成膜板转运RNAtRNAmttRNA转运氨基酸不均一核RNAHnRNAmRNA的前体核内小RNASnRNA参与HnRNA的剪接、转运核仁小RNASnoRNArRNA的加工,修饰小胞质RNAscRNA/7SL-RNA蛋白质内质网定位合成的信号识别体的组分§3RNA的空间结构与分类信使RNA(mRNA)转运RNA(tRNA)核蛋白体RNA(rRNA)RNA与DNA分子组成及结构差异mRNA(信使RNA)MessengerRNA约占总RNA的3%。不同细胞的mRNA的链长和分子量差异很大。半衰期最短知识点10结构特点：原核生物的mRNA是多顺反子，真核生物的mRNA是单顺反子（hnRNAmRNA）真核细胞mRNA的3‘-末端有一段长达200个核苷酸左右的聚腺苷酸(polyA)，称为“尾结构”，5’-末端有一个甲基化的鸟苷酸，称为“帽结构”。真核生物mRNA的结构AAAA……Anm7GpppAUGGUGUAA………………5´3´5´帽子结构密码子3´多聚A尾5´非编码区编码区3´非编码区：帽子结构动画mRNA核内向胞质的转位mRNA的稳定性维系翻译起始的调控帽子结构和多聚A尾的功能结构特点：原核生物的mRNA是多顺反子，真核生物的mRNA是单顺反子（hnRNAmRNA）真核细胞mRNA的3‘-末端有一段长达200个核苷酸左右的聚腺苷酸(polyA)，称为“尾结构”，5’-末端有一个甲基化的鸟苷酸，称为“帽结构”。它的功能是将DNA的