中国海洋大学资料-核酸

第十三章核酸(nucleicacid)(nucleicacid)核酸，遗传信息携带者和传递者！中国海洋大学海洋生命学院董文第一节核酸概论„„核酸核酸(nucleicacid)(nucleicacid)以以核苷酸核苷酸为基本组成单位的生物大分子，携带为基本组成单位的生物大分子，携带和传递遗传信息。和传递遗传信息。DNADNA（（DDeoxyriboeoxyribonnucleicucleicaacid)cid)脱氧核糖核酸脱氧核糖核酸RNARNA（（RRiboibonnucleicucleicaacid)cid)核糖核酸核糖核酸中国海洋大学海洋生命学院董文一、核酸的发现和研究简史†1868年FridrichMiescher从脓细胞中提取“核素”†1944年Avery等人证实DNA是遗传物质中国海洋大学海洋生命学院董文†1953年Watson和Crick提出DNA的双螺旋结构模型†1968年Nirenberg发现遗传密码†1970年，发现了DNA限制性内切酶†1972年，DNA重组技术的建立†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)2001年完成人类基因组计划基本框架中国海洋大学海洋生命学院董文98％核中（染色体中）真核线粒体（mDNA）核外叶绿体（ctDNA）DNA拟核原核核外：质粒（plasmid）病毒：DNA病毒1、脱氧核糖核酸(deoxyribonucleicacid,DNA)二、核酸的种类别和分布中国海洋大学海洋生命学院董文2、核糖核酸（ribonucleicacid,RNA)†1）转移RNA（transferRNA,tRNA):保守性最强†2）核糖体RNA（ribosomalRNA,rRNA)†3）信使RNA（messengerRNA,mRNA)†4）特殊功能的RNASmallnuclearRNA,snRNA（核内小RNA）SmallnucleoarRNA,snoRNA（核仁小RNA)SmallcytoplasmicRNA,scRNA(核质小RNA)AntisenseRNA（反义RNA）Ribozyme（核酶）中国海洋大学海洋生命学院董文三、核酸的生物功能†1、DNA是主要的遗传物质，是遗传信息的主要携带者。†2、RNA功能的多样性1）RNA参与细胞内DNA遗传信息的表达：参与蛋白质的生物合成2）某些病毒RNA也可作为遗传信息的载体3）参与基因表达的调控4）生物催化作用。中国海洋大学海洋生命学院董文第二节核酸的结构中国海洋大学海洋生命学院董文一、核苷酸——核酸的结构单元†1、核苷酸的基本构造核苷酸由戊糖、磷酸和含氮碱三部分构成中国海洋大学海洋生命学院董文中国海洋大学海洋生命学院董文2、碱基†嘌呤碱(purine)主要是鸟嘌呤(guanine,G)和腺嘌呤(adenine,A)，†嘧啶碱(pyrimidine)主要是胞嘧啶(cytosine,C)、尿嘧啶(uracil,U)和胸腺嘧啶(thymine,T)。核苷酸中的碱基均为含氮杂环化合物，它们分别属于嘌呤衍生物和嘧啶衍生物。中国海洋大学海洋生命学院董文1）嘧啶碱5-甲基胞嘧啶在植物中有一定的量5-羟甲基胞嘧啶在大肠杆菌噬菌体中代替胞嘧啶中国海洋大学海洋生命学院董文2）嘌呤碱中国海洋大学海洋生命学院董文3）稀有碱基（minorbase）也称修饰碱基（modifiedbase）中国海洋大学海洋生命学院董文3、戊糖（pentose）OHOH2CHOHHOHOHHHOHOH2CHOHHHOHHHOHOH2CHOHHOCH3OHHHβ-D-核糖β-D-2-脱氧核糖β-D-2-O-甲基核糖RNA中核糖偶尔会被甲基化修饰中国海洋大学海洋生命学院董文4、核苷（nucleoside）戊糖与嘧啶或嘌呤碱以C-N糖苷键连接就称为核苷，通常是戊糖的C1′与嘌呤碱的N9或嘧啶碱的N1相连接。β型糖苷键,碱基与糖环平面互相垂直中国海洋大学海洋生命学院董文5、核苷酸（nucleotide）†核苷中戊糖C2、C3、C5羟基被磷酸酯化,就形成核苷酸。核苷酸分成核糖核苷酸与脱氧核糖核苷酸。中国海洋大学海洋生命学院董文6、核苷酸衍生物†1）核苷5’-多磷酸化合物。O-POO-NNNNNH2OHHOHHOHHOCH2O-POO-O-POO-AMPADPATP中国海洋大学海洋生命学院董文2）环化核苷酸†3’,5’-cAMP，3’,5’-cGMP†信号分子，cAMP调节细胞的糖代谢、脂代谢。中国海洋大学海洋生命学院董文3）辅酶核苷酸——核苷酸衍生物†CoA、NAD+、NADP+、FAD等辅助因子。GDP-半乳糖、GDP-葡萄糖等是糖蛋白生物合成的活性糖基供体。中国海洋大学海洋生命学院董文中国海洋大学海洋生命学院董文二、核酸的共价结构†核酸是通过一个核苷酸的C3’-OH与另一分子核苷酸的5’-磷酸基形成3’,5’-磷酸二酯键相连而成的链状聚合物。中国海洋大学海洋生命学院董文中国海洋大学海洋生命学院董文三、DNA的结构1、DNA的结构层次†一级结构：脱氧核苷酸分子间连接方式及排列顺序。†二级结构：DNA的两条多聚核苷酸链间通过氢键形成的双螺旋结构。†三级结构：DNA双链进一步折叠卷曲形成的构象（超螺旋）。†DNA的碱基顺序本身就是遗传信息存储的分子形式。生物界物种的多样性即寓于DNA分子中四种核苷酸千变万化的不同排列组合之中。中国海洋大学海洋生命学院董文2、真核生物DNA的序列特点1）重复序列（1）高度重复序列2-10bp/copy,105-106copies/genome多为串联重复排列分布于着丝点、端粒区、结构基因两侧（2）中度重复序列0.1-1Kb/copy10-104copies/genome多为间隔重复rDNA\tDNA\Histonegenecluster（3）单拷贝序列（singlecopysequence)中国海洋大学海洋生命学院董文2）、真核生物基因的内含子（Intron）与外显子（Exon）中国海洋大学海洋生命学院董文3、DNA的二级结构DNA的双螺旋模型†1953年，Watson和Crick根据是DNA碱基的当量定律和DNANa盐纤维的X光衍射分析提出了DNA的双螺旋结构模型。†DNA碱基的当量定律：在DNA分子中，嘌呤碱基的总数与嘧啶碱基的总数相等。中国海洋大学海洋生命学院董文1）Watson-Crick双螺旋模型(B-DNA)结构要点：（1）、两条反平行的多核苷酸链绕同一中心轴相缠绕，形成右手双股螺旋，一条5’→3’，另一条3’→5’（2）、磷酸与脱氧核糖彼此通过3’、5’-磷酸二酯键相连接，构成DNA分子的骨架。（3）磷酸与脱氧核糖在双螺旋外侧，嘌呤与嘧啶碱位于双螺旋的内侧。中国海洋大学海洋生命学院董文（4）、两条核苷酸链之间依靠碱基间的氢链结合在一起，A与T相配对，形成2个氢键；G与C相配对，形成3个氢键。中国海洋大学海洋生命学院董文中国海洋大学海洋生命学院董文（5）、螺圈之间主要靠碱基平面间的堆积力维持。（6）、碱基平面与纵轴垂直，糖环平面与纵轴平行。中国海洋大学海洋生命学院董文（7）、每圈螺旋有10个核苷酸，碱基堆积距离0.34nm，双螺旋平均直径2nm，（8）、大沟：宽1.2nm，深0.85nm，（9）、小沟：宽0.6nm，深0.75nm中国海洋大学海洋生命学院董文（10）、碱基在一条链上的排列顺序不受任何限制。当一条多核苷酸链的序列被确定后，互补链的序列即确定。遗传信息由碱基的序列所携带。中国海洋大学海洋生命学院董文2）、稳定双螺旋结构的因素①碱基堆积力形成疏水环境（疏水相互作用及范德华力，主要因素）。②碱基配对的氢键。GC含量越多，越稳定。③磷酸基上的负电荷与介质中的阳离子或组蛋白的正离子之间形成离子键，中和了磷酸基上的负电荷间的斥力，有助于DNA稳定。中国海洋大学海洋生命学院董文3）、DNA二级结构的多型†DNA双螺旋的不同类型（P488）中国海洋大学海洋生命学院董文4）、三股螺旋DNAK.Hoogsteen1963通常是一条同型寡核苷酸与寡嘧啶核苷酸－寡嘌呤核苷酸双螺旋的大沟结合：oligo(Py):oligo(Pu)—oligo(Py/Pu)中国海洋大学海洋生命学院董文DNA三股螺旋结构常出现在DNA复制、转录、重组的起始位点或调节位点，如启动子区。第三股链的存在可能使一些调控蛋白或RNA聚合酶等难以与该区段结合，从而阻遏有关遗传信息的表达。中国海洋大学海洋生命学院董文5）、四股DNA可能存在于真核细胞染色体的端粒中中国海洋大学海洋生命学院董文4、DNA的三级结构DNA的三级结构是指DNA分子在双螺旋的基础上通过扭曲和折叠形成的特定构象。包括不同二级结构单元间的相互作用、单链与二级结构单元间的相互作用以及DNA的拓扑特征。超螺旋是DNA三级结构的主要形式。中国海洋大学海洋生命学院董文1)、环状DNA的三种典型构象（P491)（1）松弛环形DNA：线形DNA直接环化（2）解链环形DNA：线形DNA拧松后再环化（3）正超螺旋与负超螺旋DNA三种环状DNA分子具有相同的结构，但是拓扑构象不同，称它们为拓扑异构体。中国海洋大学海洋生命学院董文2)、三种环形DNA的拓扑学特性①连环数（linkingnumber,L）DNA双螺旋中，一条链以右手螺旋绕另一条链缠绕的次数②扭转数（twistingnumber,T）DNA分子中的Watson-Crick螺旋数目，以T表示③超螺旋数（缠绕数,writhingnumber,W）L=T+W中国海洋大学海洋生命学院董文3)、拓扑异构酶†改变DNA拓扑异构体的L值。①拓扑异构酶酶I（解旋酶）能使双链负超螺旋DNA转变成松驰形环状DNA，每次催化使L值增加1。②拓扑异构酶酶II（促旋酶）能使松驰环状DNA转变成负超螺旋形DNA，每次催化使L减少2。中国海洋大学海洋生命学院董文5、DNA与蛋白质复合物的结构(p492)基因组DNA与蛋白质结合形成染色体（染色质）（1）整个病毒可以看成游离的染色体组成：核酸、蛋白、脂类、糖类基因组：单链或双链的DNA（或RNA），多数环状形状：丝状、多面体状（2）细菌染色体的结构——拟核，nucleoid细菌基因组多数为双链环状DNA，与碱性蛋白、RNA结合，形成带有无数突环的刷状染色体。p494中国海洋大学海洋生命学院董文（3）真核生物染色体的结构†染色体的基本结构单位是核小体。核小体是由DNA和组蛋白组成的。†组蛋白有五种H1,H2A,H2B,H3,H4,后四种各两分子构成一个八聚体，其外再由双螺旋DNA绕其旋转1.75圈(为DNA的三级结构)，约含140bp。称为核小体的核心颗粒(coreparticle)。两个核心颗粒之间由一段双螺旋DNA链(约60bp)相连，称为连接部。组蛋白H1结合在此部位。若干个核小体再螺旋形成核小体纤维，再进一步螺旋化形成染色体。从双螺旋DNA到染色体，DNA总共压缩了约8000～10000倍.中国海洋大学海洋生命学院董文6个核小体念珠绕成30nm纤丝（fiber)30nm纤丝扭曲变成突环（loop)，约75000bp。六个突环一个玫瑰花结（rosette)。进而组装成螺旋圈(coil)，由螺旋圈再组装成染色单体（chromatid)。p405中国海洋大学海洋生命学院董文四、核糖核酸(RNA)的结构1、核糖核酸的共价结构结构特点：碱基组成A、G、C、U（A＝U/G≡C）即AMP、GMP、CMP、UMP通过3’、5’磷酸二酯键形成的线形多聚体。稀有碱基较多，稳定性较差，易水解，分子较小多为单链结构，少数局部形成螺旋单链RNA自行盘绕形成局部双螺旋的多“茎”多“环”结构，螺旋部分称为“茎”或“臂”，非螺旋部分称为“环”，在螺旋区，A与U配对，G与C配对。中国海洋大学海洋生命学院董文2、mRNA的结构†原核：多顺反子,即一条mRNA链上有多个编码区。†真核：单顺反子中国海洋大学海洋生命学院董文1）真核mRNA的结构p484中