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第五章 核 酸 （ Chemistry of nucleic acid）

第五章 核 酸 （ Chemistry of nucleic acid）. 5.1 概 述. 1868年，瑞士科学家 F. Miescher 从外科绷带上脓细胞中分离出了一种富含磷的有机物质，称为“核素” ( nuclein)。 他的论文发表在 Med.Chem.Unters 1872年，他从莱茵河鲑鱼中得到类似物 , 同时还分离到一种碱性化合物，称为鱼精蛋白（ protamine）. 5.1 概 述. 1889年， Altman 等人又从酵母和动物的细胞核中得到了不含蛋白质的核酸，并首次使用“核酸” （ Nucleic Acid） 命名。

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第五章 核 酸 （ Chemistry of nucleic acid）

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Presentation Transcript

  1. 第五章 核 酸（Chemistry of nucleic acid）

  2. 5.1 概 述 1868年，瑞士科学家F. Miescher 从外科绷带上脓细胞中分离出了一种富含磷的有机物质，称为“核素” (nuclein)。他的论文发表在Med.Chem.Unters 1872年，他从莱茵河鲑鱼中得到类似物, 同时还分离到一种碱性化合物，称为鱼精蛋白（protamine）

  3. 5.1 概 述 1889年，Altman等人又从酵母和动物的细胞核中得到了不含蛋白质的核酸，并首次使用“核酸” （Nucleic Acid）命名。 1944年，Avery等人通过细菌转化实验证明核酸就是遗传物质。

  4. 5.1 概 述

  5. 5.1.1 核酸的种类、分布与功能 5.1 概 述 • Polynucleotide chain (poly Nt) Nucleotide (Nt) basic unit Purin (pu) Pyrimidine (py) Adenine (A) Thymine (T) Guanine (G) Uracil (U) Cytosine (C) DNA分子的片段 • Nucleic Acid (NA) Mono-phosphate (Mp) Nucleoside (Ns) Base Deoxy-ribose ( Ribose )

  6. 5.1.1 核酸的种类、分布与功能 5.1 概 述

  7. lRibose lBase lD.S. & S.S. lNumbers & length l Stability RNase pH 11.5 2', 3 ' 环式单核苷酸 lDNA与RNA的区别 RNA 3 ' 单磷酸核苷酸 2' 单磷酸核苷酸

  8. 5.1.2 核酸的化学组成 5.1 概 述 核酸的基本结构单元 核苷酸 Nucleotide 核酸是由许多核苷酸组成的长链

  9. 5.1.2 核酸的化学组成 5.1 概 述 核糖 戊糖 脱氧核糖 核苷 核苷酸 碱基 嘌呤 磷酸 嘧啶

  10. 5.1.2 核酸的化学组成 5.1 概 述 RNA 中 DNA 中 1、戊 糖 它们均以呋喃糖态存在

  11. 5.1.2 核酸的化学组成 5.1 概 述 2、碱 基 DNA中的4种碱基：腺嘌呤、鸟嘌呤、胞嘧啶、胸腺嘧啶 RNA中的4种碱基：腺嘌呤、鸟嘌呤、胞嘧啶、尿嘧啶 3、磷 酸

  12. 嘌呤 腺嘌呤 Ade 6-氨基嘌呤 O O H N N O O N N 鸟嘌呤 Gue 2-氨基-6-氧嘌呤 N 4 N N N N 5 3 N 2 6 N N N H 6 1 5 1 7 CH CH CH 8 N N N N 9 2 4 N N N 3 NH2 嘧啶 胞嘧啶 Cyt 2-氧-4-氨基嘧啶 O H 尿嘧啶 Ura 2,4-二氧嘧啶 O NH2 H 胸腺嘧啶 Thy 5-甲基-2,4-二氧嘧啶 H2N CH3 碱 基

  13. 5.1.2 核酸的化学组成 5.1 概 述 腺苷 脱氧鸟苷 核 苷 戊糖第1位碳原子上的羟基与嘌呤的第9位氮原子或与嘧啶的第1位氮原子形成的N-C糖苷键。

  14. 5.1.2 核酸的化学组成 5.1 概 述 生物体内存在的核苷酸，多是5核苷酸。 ' 核 苷 酸

  15. NH3 NH3 O O NH3 O Adenine (A) Guanine (G) Cytosine (C) Uracil (U) Thymine (T) Nucleotide (Nt) basic unit

  16. p 3 '单磷酸核苷酸 O OH RNA p RNase O OH O OH p p pH11.5 O O 2 '单磷酸核苷酸 p OH O p 2’, 3’环式单核苷酸 O OH OH OH p

  17. 5.2 DNA的分子结构

  18. 5.2.1 DNA的一级结构 5.2 DNA的分子结构 1. 定义 DNA分子中各种脱氧核苷酸之间的连接方式和排列顺序。 四种脱氧核苷酸通过3’,5’-磷酸二酯键连接起来的多核苷酸链的排列顺序。

  19. 5.2.1 DNA的一级结构 5.2 DNA的分子结构 DNA单链的延伸 5’ 3’ 端      

  20. 5.2.1 DNA的一级结构 5.2 DNA的分子结构 2. 多聚脱氧核苷酸链的结构特点 • 无分枝的长链 • 具有方向性。两个末端分别为5'端和3'端。 在天然DNA中，5'端常为磷酸，3'端为游离羟基。 • 由糖-磷酸相互间隔连接，构成主链；碱基连接在主链的核糖上，形成侧链。

  21. 5.2.1 DNA的一级结构 5.2 DNA的分子结构 3、一级结构的表示方法 1）线条法

  22. 5.2.1 DNA的一级结构 5.2 DNA的分子结构 2）文字式 5' pGpCpTpTpAOH 3' 5' pGCTTAOH 3' pGCTTAOH GCTTA

  23. 5.2.2 DNA的二级结构 5.2 DNA的分子结构 1. 二级结构的概念 DNA的二级结构是指DNA的双螺旋结构。 双螺旋结构是DNA的两条链围着同一中心轴旋绕而成的一种空间结构。 DNA的双螺旋模型是由Watson和Crick两位科学家于1953年提出的。

  24. 5.2.2 DNA的二级结构 5.2 DNA的分子结构 1953年 Watsosn & Crick Right handed B-form DNA Double helix Model

  25. 5.2.2 DNA的二级结构 5.2 DNA的分子结构 2. 双螺旋结构模型提出的依据 A.DNA的X-射线衍射图： (1) 衍射斑点呈交叉状分布 (2) 衍射点之间的距离与层次表明有0.34nm和3.4nm的周期性 (3) 图的顶上和底部是最强的衍射斑点，呈带状

  26. 5.2.2 DNA的二级结构 5.2 DNA的分子结构 1952年 M. H. F. Wilkins & Rosalind Frankin X~ray photograph of DNA with high quality

  27. 5.2.2 DNA的二级结构 5.2 DNA的分子结构 B. DNA的碱基组成分析：（Chargaff定则） (1) 所有DNA分子中A=T，G=C (2) 同一种生物的所有体细胞DNA的碱基组成相同，与年龄、健康状况、外界环境无关，可作为该物种的特征，用不对称比率 (A+T)/(G+C)来衡量。 (3) 亲缘越近的生物，其DNA的碱基组成越近，即不对称比率越相近。

  28. 5.2.2 DNA的二级结构 5.2 DNA的分子结构

  29. 5.2.2 DNA的二级结构 5.2 DNA的分子结构 C、DNA的碱基物化数据 如碱基的几何大小、键长键角数据、酸碱滴定等。

  30. 5.2.2 DNA的二级结构 5.2 DNA的分子结构 DNA的双螺旋结构 3. 双螺旋结构模型的基本特征 (1) 反向平行 的双链沿中心轴盘绕成右手螺旋。

  31. 5.2.2 DNA的二级结构 5.2 DNA的分子结构 l碱基顶部基团裸露在DNA大沟内 l蛋白质因子与DNA 的特异结合依赖于 氨基酸与DNA 间的氢键的形成 l蛋白质因子沿大沟与DNA形成专一性 结合的机率与多样性高于沿小沟的结合 l大沟的空间更有利于与蛋白质的结合 (2) 双螺旋表面形成两种凹槽：较浅的叫小沟，另一条叫大沟。

  32. 5.2.2 DNA的二级结构 5.2 DNA的分子结构 (3) 由糖-磷酸相互间隔连接构成的主链处于螺旋外侧；碱基则伸向螺旋内部，与中轴垂直。 Right handed B-form DNA Double helix Model

  33. 5.2.2 DNA的二级结构 5.2 DNA的分子结构 (4) 双螺旋内部的碱基按规则配对：A与T配对，形成2个氢键；G与C配对，形成3个氢键，称为碱基互补配对，双螺旋的两条链也呈互补关系。

  34. 5.2.2 DNA的二级结构 5.2 DNA的分子结构 G C A=T

  35. 5.2.2 DNA的二级结构 5.2 DNA的分子结构 (5) 双螺旋直径为2nm，每对脱氧核苷酸残基沿纵轴旋转36°，上升0.34nm。所以每10个碱基对形成一个螺旋，螺距3.4nm。

  36. 5.2.2 DNA的二级结构 5.2 DNA的分子结构 互补碱基之间的氢键 (Hydrogen bond) 4. 影响双螺旋结构稳定性的因素 弱键, 可加热解链 氢键堆积, 有序排列(线性, 方向)

  37. 5.2.2 DNA的二级结构 5.2 DNA的分子结构 碱基堆集力(Base stacking forces)：碱基堆集成非极性的区域，相互间产生疏水作用和范德华力 3.4A° 4. 影响双螺旋结构稳定性的因素 ☆ 疏水作用力 (Hydrophobic interaction) ☆Van de waals force(1.7A°/ 嘌呤环与嘧啶环作用半径)

  38. 5.2.2 DNA的二级结构 5.2 DNA的分子结构 离子键 l0.2 mol / L Na+生理盐条件 消除DNA单链上磷酸基团间的静电斥力 4. 影响双螺旋结构稳定性的因素 磷酸酯键 (phosphoester bond) 强键, 需酶促解链

  39. 5.2.2 DNA的二级结构 5.2 DNA的分子结构 5.DNA双螺旋构象的多态性 在生理状态及在溶液中，DNA一般为B型(含水量90％以上，NaCl浓度为2.5 M）。 当水合的DNA脱水时，转变为A型(含水量75％)。 还有Z型的DNA(左手螺旋，0.7 M MgCl2)。

  40. Z-DNA A-DNA B-DNA Z-DNA DNA的分子构型 ( B, Z, A ) 比较

  41. Form B Z A DNA的分子构型 ( B, Z, A ) 比较 Helix Direction Right Left Right bp/circle 10 12 10.7 Distance/bp ~0.34nm ~0.38nm ~0.25nm Distance/helix 3.4nm 4.46nm 2.8nm Diameter/helix 2.0 nm 1.8nm 1.9nm Sequence Any Poly G-C Any Poly C-A Poly T-G Poly T-A

  42. Z-DNA 的检测 4M Nacl Br+ B-DNA Z-DNA Z-DNA 0.2 M Nacl Z-DNA 趋于稳定 rabbit Antibody of Z-DNA

  43. Antibody of Z-DNA goat 果蝇唾液腺染色体 羊抗兔二级抗体 细胞学制片 偶联荧光标记 免疫反应

  44. Z-DNA in Drosophila chromosome proved by anti-Z antibody Immunoligicaslid Cytological slid

  45. Z-DNA (小沟, 信息少) B-DNA (大沟, 信息多) 可能的功能 基因表达调控 基因关闭 基因表达

  46. Svedberg Unit (S) polymer D.S. L 1.00 OC D.S. OC 1.14 L S.S. L 1.30 CCC D.S. CCC 1.41 Collapsed 3.00 ● 二级结构的形态 Linear DNA. L Open Circle DNA OC Supercoiled circle Covalent Closed Circle CCC

  47. 核酸分子的二级结构(分别出现在DNA复制， 转录，重组等阶段)

  48. 核酸分子的二级结构 分别出现在DNA复制， 转录，重组等阶段 (knot)

  49. 5.2.2 DNA的二级结构 5.2 DNA的分子结构 6. 三股螺旋DNA (Trible Helix DNA, T.S DNA) ※ T.S DNA 的发现与证实 l1953 年以前Pauling (Chemist) 提出 T.S DNA 存在的可能性 l1953 年 Watson & Crick D.S DNA model 证明沿大沟存在多余的氢键给体与受体 潜在的专一与DNA (蛋白质) 结合的能力 形成T.S DNA 可能性

  50. poly(U) + poly(U) + poly(A) T.S RNA l1957年Davis , Felsenfeld , Rich 发现 但由于D.S DNA的提出而被忽视 T.S DNA的概念 l1966年Miller & Sobell 实现 RNA + D.S DNA 但因证明 LacI 产物为 Repressor 而被忽视 Trible polyNt as Repressor关闭基因

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