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第十三章 核酸的结构

第十三章 核酸的结构. 提要. 碱基、核苷和核苷酸 核酸的一级结构 DNA 的二级结构 DNA 的三级结构 染色体结构 RNA 的二级、三级结构. 碱基. 需要知道基本的结构 嘧啶 胞嘧啶 (DNA, RNA) 尿嘧啶 (RNA) 胸腺嘧啶 (DNA) Purines 腺嘌呤 (DNA, RNA) 鸟嘌呤 (DNA, RNA). 嘧啶环和嘌呤环的编号以及各种碱基的化学结构. 茶碱和咖啡因的化学结构. 碱基的性质. 碱基几乎不溶于水,这与其芳香族的杂环结构有关。 互变异构 ( Keto-enol tautomerism )

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第十三章 核酸的结构

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Presentation Transcript


  1. 第十三章 核酸的结构

  2. 提要 • 碱基、核苷和核苷酸 • 核酸的一级结构 • DNA的二级结构 • DNA的三级结构 • 染色体结构 • RNA的二级、三级结构

  3. 碱基 需要知道基本的结构 • 嘧啶 • 胞嘧啶 (DNA, RNA) • 尿嘧啶 (RNA) • 胸腺嘧啶 (DNA) • Purines • 腺嘌呤 (DNA, RNA) • 鸟嘌呤 (DNA, RNA)

  4. 嘧啶环和嘌呤环的编号以及各种碱基的化学结构嘧啶环和嘌呤环的编号以及各种碱基的化学结构

  5. 茶碱和咖啡因的化学结构

  6. 碱基的性质 • 碱基几乎不溶于水,这与其芳香族的杂环结构有关。 • 互变异构(Keto-enol tautomerism) • 酸碱解离 • 强烈的紫外吸收,其最大吸收值在260nm。

  7. 碱基的互变异构

  8. 核苷酸的紫外吸收

  9. 核糖和脱氧核糖 • D-核糖 (RNA) • 2-脱氧-D-核糖 (DNA) • 差别:- 2'-OH vs 2'-H • 这种差别影响到二级结构和稳定性。

  10. 核苷 • 核苷是由戊糖和碱基通过β-N糖苷键形成的糖苷。核苷中的戊糖有D-核糖和2-脱氧-D-核糖两种,它们都以呋喃型环状结构存在。前者形成核糖核苷,后者形成脱氧核苷。核苷中的糖苷键由戊糖的异头体C原子与嘧啶碱基的N1或嘌呤碱基N9形成。为了避免碱基环上原子的编号与呋喃糖环上原子编号混淆,在呋喃环上各原子编号的阿拉伯数字后需加“′”. • 在核苷中,碱基在糖苷键上的旋转受到空间位阻的限制。结果核苷和核苷酸能以顺式和反式两种构象存在。顺式核苷的碱基与戊糖环在同一个方向,反式核苷的碱基与戊糖环在相反的方向。 • 由于嘧啶环O2和戊糖环C5′之间的空间位阻,嘧啶核苷通常为反式构象。嘌呤核苷可采取两种构象。自由的嘌呤核苷(特别是鸟苷)更容易形成顺式构象,但是,DNA和RNA螺旋中的嘌呤核苷主要为反式构象。

  11. 嘧啶核苷和嘌呤核苷的化学结构

  12. 顺式核苷和反式核苷

  13. 几种修饰核苷

  14. 核苷酸 • 核苷酸是核苷的戊糖羟基的磷酸酯。核糖核苷的磷酸酯为核糖核苷酸,脱氧核苷的磷酸酯为脱氧核苷酸。理论上,核苷的5′-OH、3′-OH和2′-OH均可以被磷酸化而分别形成核苷-5′-磷酸、核苷-3′-磷酸和核苷-2′-磷酸。但是,自然界的核苷酸多为核苷-5′-磷酸。 • 核苷单磷酸(NMP)是指核苷的单磷酸酯。核苷单磷酸可以通过一次成酐反应形成核苷二磷酸(NDP)。核苷二磷酸再通过一次成酐反应生成核苷三磷酸(NTP)。为了将核苷二磷酸和核苷三磷酸上不同的磷酸根区分开来,将直接与戊糖5′-羟基相连的磷酸定为α磷酸根,其余两个磷酸根从里到外依次被称为β磷酸根和γ磷酸根。

  15. 常见的核糖核苷酸的化学结构

  16. 环腺苷酸和环鸟苷酸的化学结构

  17. 核苷酸的生物功能 • 能量货币,通常是ATP,有时使用UTP(糖原合成)、CTP(磷脂合成)和GTP(蛋白质合成); • 核酸合成的前体:NTP→RNA,dNTP→DNA; • 信息传导,例如cAMP和cGMP作为某些激素的第二信使,鸟苷酸能构调节G蛋白的活性; • 作为其它物质的前体或辅酶/辅基的成分,如ADP为辅酶I和II的组分,鸟苷酸作为第一类内含子的辅酶; • 活化的中间物,如UDPGlc和CDP-乙醇胺分别参与糖原和磷脂酰乙醇胺的合成; • 作为酶的别构效应物参与代谢的调节,如ATP为磷酸果糖激酶-1的负别构效应物,AMP作为糖原磷酸化酶的正别构效应物; • 调节基因表达。例如鸟苷-5‘-二磷酸-3’-二磷酸(ppGpp)和鸟苷-5‘-三磷酸-3’-二磷酸(pppGpp)参与调节原核细胞蛋白质的合成。

  18. 核酸的分类 • DNA —— 一种类型,一种功能 • RNA —— 多种类型,多种功能 编码RNA和非编码 (NcRNA) DNA和RNA的结构异同

  19. 各种RNA在真细菌、古细菌和真核生物体内的分布各种RNA在真细菌、古细菌和真核生物体内的分布

  20. 核酸的一级结构 • 什么是一级结构? • 如何表示一级结构? • 如何确定一级结构?

  21. Nucleic Acids - Polynucleotides • Polymers linked 3' to 5' by phosphodiester bridges • Ribonucleic acid and deoxyribonucleic acid • Know the shorthand notations • Sequence is always read 5' to 3' • In terms of genetic information, this corresponds to "N to C" in proteins

  22. 构成DNA和RNA核苷酸的结构和连接方式

  23. 核酸一级结构的缩写

  24. DNA & RNA 的差别? 为什么DNA含有T? • C自发脱氨基变成U • 修复酶能够识别这些突变,以用C取代这些U。 • 如何区分正常的U和突变而来的U? • 使用T就很容易解决以上问题。

  25. DNA & RNA 的差别? 为什么DNA 2‘-脱氧,RNA不是? • RNA临近的-OH使其更容易 • DNA缺乏2‘-OH更加稳定 • 遗传物质必须更加稳定 • RNA需要的时候合成,不需要的时候需要迅速降解。

  26. DNA的二级结构 DNA的二级结构主要是各种形式的螺旋,特别是B-型双螺旋,此外还有A-型双螺旋、Z-型双螺旋、三链螺旋和四链螺旋等

  27. 55 Happy Birthday,Double Helix

  28. "Molecular Structure of Nucleic Acids: A Structure for Deoxyribose Nucleic Acid"(Nature, April 25, 1953. volume 171:737-738.) • "The novel feature of the structure is the manner in which the two chains are held together by the purine and pyrimidine bases... The (bases) are joined together in pairs, a single base from one chain being hydrogen-bonded to a single base from the other chain, so that the two lie side by side...One of the pair must be a purine and the other a pyrimidine for bonding to occur. ...Only specific pairs of bases can bond together. These pairs are: adenine (purine) with thymine (pyrimidine), and guanine (purine) with cytosine (pyrimidine)." • "...in other words, if an adenine forms one member of a pair, on either chain, then on these assumptions the other member must be thymine; similarly for guanine and cytosine. The sequence of bases on a single chain does not appear to be restricted in any way. However, if only specific pairs of bases can be formed, it follows that if the sequence of bases on one chain is given, then the sequence on the other chain is automatically determined." • "...It has not escaped our notice that the specific pairing we have postulated immediately suggests a possible copying mechanism for the genetic material. The structure itself suggested that each strand could separate and act as a template for a new strand, therefore doubling the amount of DNA, yet keeping the genetic information, in the form of the original sequence, intact. "

  29. 已步入古稀之年的Watson(左)和 Crick(右)在讨论DNA双螺旋结构模型

  30. B型双螺旋 • DNA二级结构的主要形式为James Watson和Francis Crick于1953年提出的B型双螺旋,其主要内容是: (1)DNA由两条呈反平行的多聚核苷酸链组成,两条链相互缠绕形成右手双螺旋; (2)组成右手双螺旋的两条链是互补的,它们通过特殊的碱基对结合在一起,碱基配对规则是一条链上的A总是与另一条链的T,G总是和C以氢键配对。其中AT碱基对有二个氢键,GC碱基对有3个氢键; (3)碱基对位于双螺旋的内部,并垂直于暴露在外的脱氧核糖磷酸骨架。碱基对之间通过疏水键和范德华力相互垛叠在一起,对双螺旋的稳定起一定的作用; (4)双螺旋的表面含有明显的大沟和小沟,其宽度分别为2.2nm和1.2nm; (5)双螺旋的其它常数包括相邻碱基对距离为0.34nm,并相差约36°。螺旋的直经为2nm,每一转完整的螺旋含有10个碱基对,其高度为3.4nm。

  31. AT和GC碱基对的配对性质

  32. B-型DNA双螺旋结构的主要特征

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