02第二章 核酸的结构与功能

核酸的结构和功能StructureandFunctionofNucleicAcid-第二章-核酸的结构与功能目录CONTENT01.核酸的化学组成及其一级结构02.DNA的空间结构与功能03.DNA的结构与功能04.核酸的理化性质05.核酸酶（Nuclease）核酸的结构与功能￭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结构与功能核酸(nucleicacid)以核苷酸为基本组成单位生物大分子储存、携带和传递遗传信息核酸的分类、分布及作用：脱氧核糖核酸/DNA(deoxyribonucleicacid,)核糖核酸/RNA(ribonucleicacid,)细胞核、线粒体、叶绿体质粒等胞液、胞核遗传信息、决定基因型DNA遗传信息的表达核酸的结构与功能01核酸的化学组成及其一级结构TheChemicalComponentandPrimaryStructureofNucleicAcid核酸的结构与功能一、核苷酸是构成核酸的基本组成单位元素组成:C、H、O、N、P（9%～10%）碱基(base)：嘌呤碱，嘧啶碱戊糖(ribose)：核糖，脱氧核糖磷酸(phosphate)分子组成—三部分核酸的结构与功能核酸组成核酸(DNA和RNA)核苷酸磷酸核苷和脱氧核苷戊糖碱基核糖脱氧核糖嘌呤嘧啶↓｜｜核酸的结构与功能（一）碱基嘌呤(purine)嘧啶(pyrimidine)NH2H2NNNHNNNNNNNNNNO嘌呤环GA153467892ONH2CH3OONNHHNNHNNO嘧啶环UCTO153462HNNH核酸的结构与功能对碱基的说明：●碱基原子编号：1、2…通常嘌呤9位N、嘧啶1位N和戊糖的C-1ˊ形成N-C糖苷键。●碱基260mn的紫外吸收性质。●碱基酮式烯醇式、氨基亚氨基的互变。●DNA中：A、G、C、T。●RNA中：A、G、C、U。●还有稀有碱基。核酸的结构与功能（二）2种戊糖（RNA成分）核糖(ribose)（DNA成分）OHOCH2OHOH脱氧核糖(deoxyribose)原子编号：1'、2'1´2´3´4´5´OHOCH2OHOHOH核酸的结构与功能（三）核苷(ribonucleoside)核糖核苷（RNA组成成分）HHHH碱基•核苷嘌呤9位N/嘧啶1位N与糖1'C形成糖苷键核糖…核苷…脱氧核苷•种类及名称：1´OHOCH2OHOH1ONNNH2核酸的结构与功能（四）核苷酸(ribonucleotide)结构举例OCH2OHOHPOOOHOHONNNH2核糖核苷酸（RNA组成成分）核苷酸的结构：核苷/脱氧核苷磷酸酯键磷酸核酸的结构与功能010203常见碱基部分可为5种碱基的一种酸的部分可为一磷酸、二磷酸、三磷酸或环磷酸中的一种核糖部分可为核糖或脱氧核糖核苷酸种类和名称：核酸的结构与功能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)多磷酸核苷酸核糖核苷酸（RNA组成成分）常用多磷酸核苷及符号常用多磷酸核苷及符号二磷酸三磷酸ADPGDPCDPUDPdADPdGDPdCDPdTDP腺苷酸鸟苷酸胞苷酸尿苷酸脱氧腺苷酸脱氧鸟苷酸脱氧胞苷酸脱氧胸苷酸ATPGTPCTPUTPdATPdGTPdCTPdTTP核酸的结构与功能核苷酸衍生物环化核苷酸：cAMP、cGMP，是细胞信号转导中的第二信使。NOCH2OOHONNNNH2POOHcAMPNOCH2OOHONNNNH2POOHcAMP核酸的结构与功能活化中间代谢物,如UDP-葡萄糖等核苷二磷酸是合成核酸原料，又能提供能量核苷三磷酸是核酸的组分,还是一些辅酶的成分核苷一磷酸在细胞信号转导中起重要作用核苷环磷酸核苷酸的主要功能：核酸的结构与功能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)小结：两类核酸的基本组成单位核酸的结构与功能小结：两类核酸的基本组成RNADNAAMPGMPCMPUMPdAMPdGMPdCMPdTMP核酸的结构与功能一个脱氧核苷酸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。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核酸的结构与功能三、RNA也是具有3’,5’-磷酸二酯键的线性大分子0102RNA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。03核酸的结构与功能连接键：3'，5'磷酸二酯键方向性：5'→3'定义：核酸中核苷酸的排列顺序/碱基序列四、核酸的一级结构是核苷酸的排列顺序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/碱基的排列顺序核酸的结构与功能AGP5PTPGPCPTPOH3书写方法5pApCpTpGpCpT-OH35ACTGCT3简化：再简化：核酸的结构与功能碱基数目表示base、kilobase、用于单链DNA或RNA核酸分子大小表示法：碱基对数目basepair(bp),kilobasepair(kbp)用于双链DNA或RNA小的核酸片断（小于50bp）称寡核苷酸核酸的结构与功能02DNA的空间结构与功能DimensionalStructureandFunctionofDNA核酸的结构与功能A-T、G-C以氢键配对较合理DNA纤维的X-线衍射图谱分析一、DNA的二级结构——doublehelix（一）DNA双螺旋结构的研究背景Chargaff规则的碱基组成分析[A]=[T]；[G]=[C]碱基的理化数据分析核酸的结构与功能ErwinChargaff(1905－1995)ErwinChargaff(1905－1995)Chargaff’srule1、A与T的摩尔数、G与C的摩尔数总是相等；2、不同生物种属的DNA碱基组成不同；3、同一个体的不同组织、器官的DNA碱基组成相同。核酸的结构与功能OONNCH3HNNNNNHHTAHOHNNNNHNONNNHHGC碱基互补配对形成氢键核酸的结构与功能（二）B-DNA(Watson-Crick)结构要点：先分析结构图直径2.0nm小沟大沟螺距3.4nm3'5'注：链的走向主侧链大小沟螺距直径DNAdoublehelix示意图TSSPASTASPPSPSGCGCSPPSCGTATATACGCGCGDNAdoublehelix平面图核糖磷酸四种碱基CGTA核酸的结构与功能双股链、反平行、右螺旋、大小沟。直径2。37nm、3.54nm螺距（0.34×10.5）。Doubleheli外观：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、碱基平面垂直假象轴。主、侧链：横向氢键A－T两条、G－C三条，纵向碱基堆砌力更重要稳定因素：B-DNA结构要点：B-DNA不是DNA的唯一结构核酸的结构与功能（三）DNA双螺旋结构的多样性B-DNAZ-DNAA-DNA沟沟大沟小沟小沟大沟核酸的结构与功能四链结构三链结构Hoogsteen氢键￭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，不破坏Watson-Crick氢键，由此形成了C＋GC的三链结构(triplex)。（四）DNA的多链螺旋结构核酸的结构与功能三链结构鸟嘌呤之间通过Hoogsteen氢键形成特殊的四链结构(tetraplex)。GGGGG-四链体NNNNONHHHNNNNONHHHNNNNONHHHNNNNONHHH四链结构核酸的结构与功能意义：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。超螺旋结构(superhelix、supercoil)二、DNA的高级结构是超螺旋结构正超螺旋盘绕方向与DNA双螺旋方同相同负超螺旋DNA双螺旋链再盘绕即形成超螺旋结构盘绕方向与DNA双螺旋方向相反自然界闭合双链多数是负超螺旋。核酸的结构与功能（一）原核生物DNA的环状超螺旋结构大多原核生物的DNA是共价封闭的环形DNA双螺旋，在细胞内进一步盘绕成类核。环状和超螺旋DNA结构示意图核酸的结构与功能（二）真核生物DNA的高度有序和高度致密的结构核小体(nucleosome)核小体结构图H3H2BH3H2AH4H4H2BH2AH3H2BH3H2AH4H4H2BH2A核小体的结构模式核心颗粒连接区DNAH1、H2A、H2B、H3、H4组蛋白H1H1由DNA和蛋白质构成是真核生物染色体的基本单位核酸的结构与功能核小体的构成核心颗粒连接区核心组蛋白：组蛋白八聚体H2A、H2B、H3、H4各2分子DNA双螺旋分子(140bp)在核心组蛋白缠绕1.75圈DNA（60bp）组蛋白H1连接核心颗粒核酸的结构与功能2nm11nm30nm300nm1400nm700nm核酸的结构与功能一个遗传体系所有基因总和的一整套遗传信息是DNA分子中特定区段核苷酸的排列顺序，即碱基序列信息，它决定了基因的功能以基因的形式储存、携带和传递遗传信息基因：基因组：三、DNA的功能核酸的结构与功能03DNA的结构与功能StructureandFunctionofRNA核酸的结构与功能RNA与蛋白质共同负责基因的表达和表达过程的调控RNA比DNA小的多RNA特点：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的种类、大小和结构远比DNA表现出多样性核酸的结构与功能RNA的种类、分布、功能核细胞和胞液蛋白质合成模板mtmRNA信使RNAmRNA核蛋白体组分mtrRNArRNA核蛋白体RNA功能线粒体运转RNA核内不均一RNA核内小RNA核仁小RNA胞浆小RNAtRNAHnRNASnRNASnoRNAScRNA/7SL-RNAmttRNA运转氨基酸成熟的mRNA的前体参与HnRNA的剪切，运转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酸的结构与功能一、mRNA是蛋白质合成中的模板1.哺乳类动物mRNA结构示意图：53AUG…………………UAA密码子编码区5非翻译区3非翻译区m7GpppAAA…An帽子结构多聚A尾核酸的结构与功能2.真核细胞mRNA结构特点：hnRNAmRNAmRNA的剪接内含子1(intron)内含子2(intron)外显子2(exon)外显子1(exon)外显子3(exon)5´帽子结构:m7Gpppm2′Npm2′Np—3´末端多聚A尾polyA编码区hnRNA剪掉内含子，外显子拼接。核酸的结构与功能3.mRNA的功能DNA（遗传信息）转录翻译蛋白质(氨基酸序列)把DNA的遗传信息，转录成mRNA的密码、指导蛋白质合成的氨基酸排列顺序。mRNA（密码载体）核酸的结构与功能1.tRNA的二级结构—三叶草形PCUAUGUAAAGDmGGDDDAAGGCCCGGCAAGCACUGUAAAΨφAGADCmGCTCCACUCGGCCGCGCGCGGACCAmGUUCGD