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第七章 核酸的生物化学

第七章 核酸的生物化学. Chapter 7 Biochemistry of Nucleic Acid. 第一节 核酸的结构与功能. Section 1 Structure and Function of Nucleic Acid. 细胞质 细胞 细胞核. 核酸 DNA  若干基因 组蛋白. 染色体 非组蛋白. What’s nucleic acid?. 核酸的发现： 1869 年瑞士米歇尔 核酸的定义：

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第七章 核酸的生物化学

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Presentation Transcript

  1. 第七章 核酸的生物化学 Chapter 7 Biochemistry of Nucleic Acid

  2. 第一节 核酸的结构与功能 Section 1 Structure and Function of Nucleic Acid

  3. 细胞质 细胞 细胞核 核酸DNA 若干基因 组蛋白 染色体 非组蛋白 What’s nucleic acid? • 核酸的发现：1869年瑞士米歇尔 • 核酸的定义： 生物体内一类含有磷酸基团的重要生物大分子（酸性物质），是遗传变异的物质基础，是遗传信息的载体，在蛋白质的生物合成中起重要的作用。

  4. 核酸的分类： • 核糖核酸(ribonucleic acid, RNA) RNA主要参与遗传信息的表达; • 脱氧核糖核酸(deoxyribonucleic acid, DNA) DNA是遗传信息的载体; • RNA和DNA都是以单核苷酸(nucleotide)为基本单位所组成的多核苷酸长链。

  5. 1.1 The Chemical Component and Primary Structure of Nucleic Acid 1.1 核酸的化学组成及一级结构

  6. 核糖 磷酸 戊糖 核酸 核苷酸 脱氧核糖 核苷 嘌呤碱 含氮碱 嘧啶碱 核酸的水解产物：

  7. N H O O 2 4 5 N 3 C H N H H N N 3 6 2 O N N O O N N H H H 1 尿嘧啶 胞嘧啶 胸腺嘧啶 Uracil，U Cytosine，C Thymine，T 1. 嘧啶碱(pyrimidine)： 一、核苷酸中的碱基组成

  8. N H O 2 6 7 5 N N N 1 N N N H 8 2 N N N 4 9 N N N H N H H H 2 3 腺嘌呤(adenine, A) 鸟嘌呤(guanine, G) 2. 嘌呤碱(purine)：

  9. H O CH O H 2 5´ O 1´ 4´ 3´ 2´ O H O H -D-脱氧核糖(deoxyribose) -D-核糖(ribose) （构成DNA） （构成RNA） 二、戊糖与核苷 1．戊糖(pentose)：

  10. 2．核苷(nucleoside)： • 核苷是由戊糖与含氮碱基经脱水缩合而生成的化合物。 • 在大多数情况下，核苷是由核糖或脱氧核糖的C1′-羟基与嘧啶碱N1或嘌呤碱N9进行缩合，故生成的化学键称为，N糖苷键。

  11. OH N1 N9 β1 β1 腺苷(AR) 脱氧胞苷(dCR) β1,N9-糖苷键 β1,N1-糖苷键

  12. 2．核苷(nucleoside)： 碱基和核糖的缩合物，以N-糖苷键相连； • 成苷位置： 核糖C-1与嘧啶N-1； 核糖C-1与嘌呤N-9。 • 核苷： 腺苷A，鸟苷G，胞苷C，尿苷U； • 脱氧核苷： 脱氧腺苷dA,脱氧鸟苷dG,脱氧胞苷dC,脱氧胸苷dT；

  13. 假尿苷（ψ） 1,C5-糖苷键 C5 1 • “稀有核苷”是由“稀有碱基”所生成的核苷。

  14. 三、核苷酸的结构与命名 • 核苷酸(nucleotide)是由核苷与磷酸经脱水缩合后生成的磷酸酯类化合物，包括: • 核糖核苷酸: 5-AMP,5-GMP,5-CMP,5-UMP • 脱氧核糖核苷酸: 5-dAMP,5-dGMP,5-dCMP,5-dTMP • 与磷酸基缩合的位置：2-核苷酸、3-核苷酸和5-核苷酸。 • 最常见的核苷酸是5-核苷酸（5常被省略）

  15. 5 -核苷酸的分子结构

  16. 5-核苷酸又可按其在5位缩合的磷酸基的多少，分为一磷酸核苷（核苷酸）、二磷酸核苷和三磷酸核苷。5-核苷酸又可按其在5位缩合的磷酸基的多少，分为一磷酸核苷（核苷酸）、二磷酸核苷和三磷酸核苷。

  17. 环核苷酸的分子结构 环一磷酸腺苷 环一磷酸鸟苷

  18. 核苷酸的命名及缩写符号

  19. 细胞内游离核苷酸及其衍生物 1、含高能磷酸键的ATP类化合物； • ATP是能量的直接供体； • （脱氧）核苷三磷酸是合成RNA和DNA的原料； ATP、GTP、CTP、TTP、UTP； ADP、GDP、CDP、TDP、UDP； • 参加合成代谢； UTP--糖类合成、GTP--蛋白质合成、CTP--脂类合成 2、环状核苷酸（cAMP、cGMP） • 第二信使，影响多种酶的活性

  20. 四、核苷酸的性质 • 一般物理性质 ； • 互变异构现象； • 紫外吸收，260nm ； • 核苷酸的两性解离和等电点 ；

  21. 五、核酸的一级结构 • 一分子核苷酸的3-位羟基与另一分子核苷酸的5-位磷酸基通过脱水可形成3,5-磷酸二酯键，从而将两分子核苷酸连接起来。

  22. 3',5'-磷酸二酯键的形成

  23. 5′端 C A G 3′端 多核苷酸链 • 核酸就是由许多核苷酸单位通过3,5-磷酸二酯键连接起来形成的不含侧链的长链状化合物。 • 核酸是的方向性： 多核苷酸链的两端，一端称为5-端，另一端称为3-端。

  24. 5′端 C A G 3′端 多核苷酸链简写方法 • 书写方向规定为： 5-端→3-端。

  25. 核酸的一级结构 DNA分子： • 由dAMP、dGMP、dCMP和dTMP组成。 • DNA的一级结构就是指DNA分子中脱氧核糖核苷酸的排列顺序及连接方式(3,5-磷酸二酯键)。 RNA分子： • 由AMP，GMP，CMP，UMP组成。 • RNA的一级结构就是指RNA分子中核糖核苷酸的排列顺序及连接方式。

  26. 核酸一级结构的表示方法 DNA的一级结构： 5-AGTCCATG-3 AGTCCATG 3-TCAGGTAC-5 RNA的一级结构： 5-AGUCCAUG-3 AGUCCAUG

  27. 核酸的水解作用 • 水解方式：酶法、碱法和酸法 （1）碱水解 RNA2-核苷酸 + 3-核苷酸 DNA DNA变性但不被水解 （2）酸水解 DNA 无嘌呤的DNA分子 （pH4） DNA（RNA）碱基+戊糖+磷酸（强酸高温）

  28. 核酸的水解作用 （3）核酸酶的水解作用 • 核酸酶---水解核酸磷酸二酯键的酶 • 种类 • 根据底物不同分三类： 脱氧核糖核酸酶（DNase） 核糖核酸酶（RNase） 核酸酶（Nuclease） • 根据核酸酶对底物作用特点分 核酸内切酶、核酸外切酶

  29. 1.2 DNA的空间结构与功能 1.2 Dimensional Structure and Function of DNA

  30. James Watson (L) and Francis Crick (R), and the model they built of the structure of DNA 一、DNA的二级结构——双螺旋结构模型 • DNA双螺旋结构是DNA二级结构的一种重要形式，它是Watson和Crick两位科学家于1953年提出来的一种结构模型（获1962年度诺贝尔奖）。

  31. （一）对DNA双螺旋结构模型作出贡献的科学家 1. Oswald Avery (1877-1955) • Microbiologist Avery led the team that showed that DNA is the unit of inheritance. One Nobel laureate has called the discovery "the historical platform of modern DNA research", and his work inspired Watson and Crick to seek DNA's structure. —— Nature, 2003

  32. 2. Erwin Chargaff (1905-2002) • Chargaff discovered the pairing rules of DNA letters, noticing that A matches to T and C to G. He later criticized molecular biology, the discipline he helped invent, as "the practice of biochemistry without a licence", and once described Francis Crick as looking like "a faded racing tout". —— Nature, 2003

  33. Chargaff 研究小组的贡献 • 1950～1953，Chargaff研究小组对DNA的化学组成进行了分析研究，发现： ① DNA碱基组成有物种差异，且物种亲缘关系越远，差异越大； ② 相同物种，不同组织器官中DNA碱基组成相同，而且不因年龄、环境及营养而改变； ③ DNA分子中四种碱基的摩尔百分比具有一定的规律性，即A=T、G=C、A+G=T+C。这一规律被称为Chargaff规则。

  34. 3. Linus Pauling (1901-1994) • The titan of twentieth-century chemistry. Pauling led the way in working out the structure of big biological molecules, and Watson and Crick saw him as their main competitor. In early 1953, working without the benefit of X-ray pictures, he published a paper suggesting that DNA was a triple helix. —— Nature, 2003

  35. 4. Rosalind Franklin (1920-1958) • Franklin, trained as a chemist, was expert in deducing the structure of molecules by firing X-rays through them. Her images of DNA - disclosed without her knowledge - put Watson and Crick on the track towards the right structure. She went on to do pioneering work on the structures of viruses. —— Nature, 2003

  36. 5. Maurice Wilkins (1916- ) • Like Crick, New Zealand-born Wilkins trained as a physicist, and was involved with the Manhattan project to build the nuclear bomb. Wilkins worked on X-ray crystallography of DNA with Franklin at King's College London, although their relationship was strained. He helped to verify Watson and Crick's model, and shared the 1962 Nobel with them. —— Nature, 2003

  37. 1953年由Franklin和Wilkins等人完成的研究工作，发现了DNA晶体的X线衍射图谱中存在两种周期性反射，并证明DNA是一种螺旋构象。1953年由Franklin和Wilkins等人完成的研究工作，发现了DNA晶体的X线衍射图谱中存在两种周期性反射，并证明DNA是一种螺旋构象。 Fig. 51

  38. 6. James Watson (1928- ) • Watson went to university in Chicago aged 15, and teamed up with Crick in Cambridge in late 1951. After solving the double helix, he went on to work on viruses and RNA, another genetic information carrier. He also helped launch the human genome project, and is president of Cold Spring Harbor Laboratory in New York. —— Nature, 2003

  39. 7. Francis Crick (1916-2004 ) • Crick trained and worked as a physicist, but switched to biology after the Second World War. After co-discovering the structure of DNA, he went on to crack the genetic code that translates DNA into protein. He now studies consciousness at California's Salk Institute. —— Nature, 2003

  40. 典型的双链DNA 二级结构 • DNA右手双螺旋结构模式的设计者： Watson与Crick，1953年。 • 设计主要依据： （1）对DNA分子X射线衍射图分 （2）碱基摩尔含量的比率关系 （3）四种碱基的理化数据分析

  41. （二）DNA双螺旋结构模型的要点： • 目前已知DNA双螺旋结构可分为： • A、B、C、D（右手双螺旋） • Z型（左手双螺旋）

  42. B型DNA双螺旋结构模式图

  43. （二）DNA双螺旋结构模型(B型)的要点： (1) 两条反向平行的多核苷酸链围绕同一中心轴形成右旋的双螺旋结构。 (2) 碱基位于双螺旋的内侧，磷酸和核糖在外侧； (3) 碱基配对原则： A=T(2)，G=C(3)； (4) 螺旋参数：每螺旋10对,螺距3.4nm； (5) 小沟，大沟；

  44. 碱基配对及氢键形成

  45. B型双螺旋DNA的结构特征

  46. （二）DNA双螺旋结构模型(B型)的要点： (6) 螺旋的稳定因素： • 氢键 • 碱基堆积力 碱基对平面垂直于中心轴,层叠于双螺旋的内侧.疏水性碱基堆积在一起相互吸引形成碱基堆积力。 • 离子键 DNA分子的大小：碱基对（bp）、分子量

  47. （二）DNA双螺旋结构模型的要点： • 目前已知DNA双螺旋结构可分为： • A、B、C、D（右手双螺旋） • Z型（左手双螺旋）

  48. 二、DNA的三级超螺旋结构及在染色质中组装 • 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(positive supercoil) 盘绕方向与DNA双螺旋方同相同。 • 负超螺旋(negative supercoil) 盘绕方向与DNA双螺旋方向相反。

  49. （一）原核生物DNA的高级结构： • 绝大多数原核生物的DNA都是共价封闭的环状双螺旋。如果再进一步盘绕则形成麻花状的超螺旋结构。

  50. （二）DNA在真核生物细胞核内的组装： • 在真核生物中，双螺旋的DNA分子围绕一蛋白质八聚体进行盘绕，从而形成特殊的串珠状结构，称为核小体(nucleosome)。核小体结构属于DNA的高级结构。

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