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  1. 第二章 核酸的化学 生物化学 DNA与RNA的结构

  2. 第二章 核酸的化学 【目的与要求】 了解核酸的功能、分布。 掌握核酸基本组成、各个组分的性质和结 构特点。 掌握核酸的结构、性质

  3. 第二章 核酸的化学 §2.1 核酸概述 §2.2 核酸的组成成分 §2.3 DNA 结构 §2.4 DNA和基因组 §2.5 RNA 的结构与功能

  4. §2.1 核酸概述 核酸的概念和重要性 • 1868年,瑞士的内科医生Friedrich Miescher从外科医院包扎伤口的绷带上的脓细胞核中提取到一种富含磷元素的酸性化合物,将其称为核素(nuclein);后来他又从鲑鱼精子中分离出类似的物质,并指出它是由一种碱性蛋白质与一种酸性物质组成的,此酸性物质即是现在所知的核酸(nucleic acid)。

  5. §2.1 核酸概述

  6. §2.1 核酸概述 • 1944年,Oswald Avery,Colin Macleod和Maclyn McCarty发现,一种有夹膜、表面光滑、具致病性的肺炎球菌中提取的核酸DNA(deoxyribonucleic acid,脱氧核糖核酸),可使另一种无夹膜,表面粗糙、不具致病性的肺炎球菌的遗传性状发生改变,转变为有夹膜,具有致病性的肺炎球菌,且转化率与DNA纯度呈正相关,若将DNA预先用DNA酶降解,转化就不发生。该项实验彻底纠正了蛋白质携带遗传信息这一错误认识,确立了核酸是遗传物质的重要地位;

  7. §2.1 核酸概述

  8. §2.1 核酸概述 • DNA遗传作用的进一步肯定来自Alfred Hershey和Martha Chase对一个感染大肠杆菌的病毒的研究。即用放谢性同位素32P标记噬菌体DNA,35S标记其蛋白质外壳,再用标记的噬菌体去感染培养的大肠杆菌,结果发现进入细菌体内,使细菌生长、繁殖发生变化的是32P标记的DNA,而不是35S标记的蛋白质,并且新繁殖生成的噬菌体不含35S,只含32P。

  9. §2.1 核酸概述

  10. §2.1 核酸概述 • 1953年,Watson和Crick创立的DNA双螺旋结构模型,不仅阐明了DNA分子的结构特征,而且提出了DNA作为执行生物遗传功能的分子,从亲代到子代的DNA复制(replication)过程中,遗传信息的传递方式及高度保真性,为遗传学进入分子水平奠定了基础,成为现代分子生物学发展史上最为辉煌的里程碑。

  11. §2.1 核酸概述

  12. §2.1 核酸概述 后来的研究又发现了另一类核酸:核糖核酸RNA(ribonucleic acid),RNA在遗传信息的传递中起着重要的作用。从此,核酸研究的进展日新月异,如今,由核酸研究而产生的分子生物学及其基因工程技术已渗透到医药学、农业、化工等领域的各个学科,人类对生命本质的认识进入了一个崭新的天地。

  13. §2.2 核酸的组成成分 核酸的水解 核酸经水解可得到很多核苷酸,因此核苷酸是核酸的基本单位。核酸就是由很多单核苷酸聚合形成的多聚核苷酸。核苷酸可被水解产生核苷和磷酸,核苷还可再进一步水解,产生戊糖和含氮碱基。如下图所示:

  14. §2.2 核酸的组成成分

  15. §2.2 核酸的组成成分

  16. §2.2 核酸的组成成分 一、核糖和脱氧核糖 核酸中的戊糖有核糖(ribose)和脱氧核糖(deoxyribose)两种,分别存在于核糖核苷酸和脱氧核糖核苷酸中。为了与碱基标号相区别,通常将戊糖的C原子编号都加上“′”,如C1′表示糖的第一位碳原子。核糖的结构如下:

  17. §2.2 核酸的组成成分

  18. §2.2 核酸的组成成分 二、 嘌呤碱和嘧啶碱 • 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。核苷酸中的嘌呤碱(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)。

  19. §2.2 核酸的组成成分 碱基的结构式如下图所示 :

  20. §2.2 核酸的组成成分

  21. §2.2 核酸的组成成分 • 核酸中五种碱基中的酮基和氨基,均位于碱基环中氮原子的邻位,可以发生酮式-烯醇式或氨基-亚氨基之间的结构互变。这种互变异构在基因的突变和生物的进化中具有重要作用。

  22. §2.2 核酸的组成成分 有些核酸中还含有修饰碱基(modified component)或稀有碱基(unusual component),这些碱基大多是在上述嘌呤或嘧啶碱的不同部位被甲基化(methylation)或进行其它的化学修饰而形成的衍生物。一般这些碱基在核酸中的含量稀少,在各种类型核酸中的分布也不均一。DNA中的修饰碱基主要见于噬菌体DNA,如5-甲基胞嘧啶(m5C),5-羟甲基胞嘧啶hm5C;RNA中以tRNA含修饰碱基最多,如1-甲基腺嘌呤(m1A),2,2-二甲基鸟嘌呤(m22G)和5,6-二氢尿嘧啶(DHU)等。

  23. §2.2 核酸的组成成分

  24. §2.2 核酸的组成成分 • 嘌呤和嘧啶环中含有共轭双键,对260nm左右波长的紫外光有较强的吸收。碱基的这一特性常被用来对碱基、核苷、核苷酸和核酸进行定性和定量分析. 三、核苷 戊糖与嘧啶或嘌呤碱以糖苷键连接就称为核苷,通常是戊糖的C1′与嘧啶碱的N1或嘌呤碱的N9相连接。

  25. §2.2 核酸的组成成分

  26. §2.2 核酸的组成成分 四、核苷酸及其衍生物的结构 (1)核苷酸的结构式如下图

  27. §2.2 核酸的组成成分 (2)脱氧核苷酸的结构如下图所示:

  28. §2.2 核酸的组成成分 (3)(脱氧)核苷二磷酸、(脱氧)核苷三磷酸、 双脱氧核苷酸结构 ADP、ATP是生物体中重要的能量转换体。 ddNTP在DNA的序列测定中使用。

  29. §2.2 核酸的组成成分 (4)环化核苷酸cAMP、cGMP:被称为第二信使,有放大激素 作用。

  30. §2.2 核酸的组成成分 (5)、辅酶:NAD+、NADP+、FAD、FMN、HSC0A是核 酸的衍生物,在物质代谢和能量代谢中起重要作 用。 五、核苷酸的连接方式 构成DNA的脱氧核苷酸按照一定的排列顺序,通过 3’,5’-磷酸二酯键相连形成的线形结构。

  31. §2.2 核酸的组成成分

  32. §2.2 核酸的组成成分

  33. §2.3 DNA的结构 一、 DNA一级结构 概念:构成DNA的脱氧核苷酸按照一定的排列顺序,通过3’,5’-磷酸二酯键相连形成的线形结构。

  34. §2.3 DNA的结构

  35. §2.3 DNA的结构 二、DNA的二级结构——双螺旋结构 Watson, Crick(1953)在Chargaff法则及Wilkins,Franklin的X线衍射工作基础上提出DNA的双螺旋(double helix)结构模型:

  36. §2.3 DNA的结构 1、双螺旋结构模型的要点: (1) DNA双螺旋中的两股链走向是反平行的,一股链是5′→3′走向,另一股链是3′→5′走向。两股DNA链围绕一假想的共同轴心形成一右手螺旋结构,双螺旋的螺距为3.4nm,直径为2.0nm。表面形成一条大沟,一条小沟。大沟与小沟是蛋白质识别DNA的碱基序列,与其发生作用的基础。

  37. §2.3 DNA的结构 (2) 链的骨架(backbone)由交替出现的亲水的脱氧核糖基和磷酸基构成,位于双螺旋的外侧。碱基位于双螺旋的内侧,两股链中的嘌呤和嘧啶碱基以其疏水的、近于平面的环形结构彼此密切相近,平面与双螺旋的长轴相垂直。 

  38. §2.3 DNA的结构 (3) 一股链中的嘌呤碱基与另一股链中位于同一平面的嘧啶碱基之间以氢链相连,称为碱基互补配对或碱基配对(base pairing),碱基对层间的距离为0.34nm。碱基互补配对总是出现于A与T之间(A=T),形成两个氢键;或者出现于G与C之间(G=C),形成三个氢键。

  39. §2.3 DNA的结构 DNA的双螺旋结构如图所示:

  40. §2.3 DNA的结构 碱基配对的结构如图所示:

  41. §2.3 DNA的结构 DNA结构双螺旋结构的提出,被认为是本世纪生命科学史最重要的贡献之一,同时也是自然科学史上的重大贡献。它直接解释了生物遗传信息的传递与表达的规律,使生命科学从此进入一个崭新的时代即分子生物学时代。

  42. §2.3 DNA的结构 • 2、稳定DNA二级结构的作用力: • 氢键(横向作用力) • 碱基堆积力(纵向作用力)

  43. §2.3 DNA的结构 3、DNA双螺旋的构象类型 所谓DNA二级结构的多态性,是指DNA不仅具有多种形式的双螺旋结构,而且还能形成三链、四链结构,说明DNA的结构是动态的,而不是静态的。核酸的构型的多样性是由于核酸主干链上各键和碱基的旋转造成的,而多链的DNA是特定的碱基序列导致的结果。

  44. §2.3 DNA的结构

  45. §2.3 DNA的结构 DNA双螺旋的不同构型: (1) B-DNA螺旋:标准的Watson, Crick双螺旋,细胞 正常状态下DNA存在的构型。 (2) A-DNA螺旋:DNA在75%相对湿度的钠盐中的构型。 (3) C-DNA螺旋:DNA在66%相对湿度的锂盐中的构型。 (4) Z-DNA螺旋:左手的DNA螺旋,这种螺旋可能在基 因表达或遗传重组中起作用。

  46. §2.3 DNA的结构

  47. 双螺旋 碱基倾 角/(°) 碱基夹 角(°) 碱基间距 /nm 螺距 /nm 每轮碱 基数 大沟 小沟 B-DNA 0 36.0 0.34 3.6 10.5 很宽、较深 窄、深 Z-DNA 9 -60.0 0.38 4.56 12 平坦 较窄、很深 A-DAN 20 32.7 0.256 2.8 11 很窄、很深 很宽、浅 C-DNA 6 38 0.331 3.1 9.3 较宽、较深 很窄、很深 §2.3 DNA的结构

  48. §2.3 DNA的结构 4、与DNA碱基顺序相关的特殊二级结构: (1) 回文序列 所谓回文序列就是指DNA某一片段旋转180。后,顺序不变的序列,回文序列中的单链可形成发夹结构。双链可形成十字架结构。这种发夹结构或十字架结构在大肠杆菌细胞DNA中已有发现.

  49. §2.3 DNA的结构 核酸分子中的回文序列

  50. §2.3 DNA的结构 回文序列中的单链可形成发卡结构