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第三章 核酸化学

第三章 核酸化学. Nucleic Acids. 概 述. 核酸 (nucleic acid) 以 核苷酸 为基本组成单位的生物大分子，携带和传递遗传信息。 DNA （ D eoxyribo n ucleic a cid) 脱氧核糖核酸 RNA （ R ibo n ucleic a cid) 核糖核酸. 一、核酸的发现和研究工作进展. 1868 年 Fridrich Miescher 从脓细胞中提取“核素” 1944 年 Avery 等人 证实DNA是遗传物质 1953年 Watson 和 Crick 发现 DNA 的双螺旋结构

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第三章 核酸化学

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  1. 第三章 核酸化学 Nucleic Acids

  2. 概 述 核酸(nucleic acid) 以核苷酸为基本组成单位的生物大分子，携带和传递遗传信息。 DNA（Deoxyribonucleic acid)脱氧核糖核酸 RNA（Ribonucleic acid) 核糖核酸

  3. 一、核酸的发现和研究工作进展 • 1868年 Fridrich Miescher从脓细胞中提取“核素” • 1944年Avery等人证实DNA是遗传物质 • 1953年Watson和Crick发现DNA的双螺旋结构 • 1968年 Nirenberg发现遗传密码 • 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) • 1994年 中国人类基因组计划启动 • 2001年 美、英等国完成人类基因组计划基本框架

  4. 二、核酸的分类及分布、功能 90%以上分布于细胞核，其余分布于核外如线粒体，叶绿体，质粒等。 脱氧核糖核酸 (deoxyribonucleic acid, DNA) 携带遗传信息，决定细胞和个体的基因型(genotype)。 核糖核酸 分布于胞液、胞核。 (ribonucleic acid, RNA) 参与细胞内DNA遗传信息的表达。某些病毒RNA也可作为遗传信息的载体。

  5. 第一节 核酸的分子组成

  6. 一、元素组成 • 主要元素组成： C、H、O、N、P(9~11%) • 与蛋白质比较，核酸一般不含S，而P的含量较为稳定，占9-11%。 二、基本构成单位：核苷酸(nucleotide) 核苷酸由戊糖、磷酸和含氮碱三部分构成

  7. 戊 糖

  8. 碱 基

  9. 胺式亚胺式互变异构

  10. 酮式烯醇式互变异构

  11. 碱基的结构特征 • 嘌呤碱和嘧啶碱分子中都含有共轭双键体系，在紫外区有吸收（260 nm左右）。

  12. 核苷 nucleoside • 糖与碱基之间的C-N键，称为C-N糖苷键。 核糖核苷：AR, GR, UR, CR 脱氧核苷：dAR, dGR, dTR, dCR

  13. 核苷酸(ribonucleotide)的结构与命名 核苷和磷酸以磷酸酯键连接

  14. 稀有核苷酸 修饰成分 • 核酸中也存在一些不常见的稀有碱基。稀有碱基的种类很多，大部分是上述碱基的甲基化产物。

  15. 1、核苷酸的组成：含氮碱基、戊糖和磷酸。 2、稀有核苷酸：稀有碱基/核苷/核苷酸 3、核苷酸的其他形式 • 多磷酸核苷（NDP、NTP) • 环化核苷酸（cAMP、cGMP等） • 辅酶或辅基（NAD、NADP、FAD、CoA等，均含有AMP） • 活性代谢物（UDPG、CDP-胆碱，等） • 某些细菌中有ppGpp和pppGpp，参与rRNA合成的调控

  16. ATP 分子的最显著特点是含有两个高能磷酸键。ATP水解时, 可以释放出大量自由能。 ATP 是生物体内最重要的能量转换中间体。ATP 水解释放出来的能量用于推动生物体内各种需能的生化反应。 ATP 也是一种很好的磷酰化剂。磷酰化反应的底物可以是普通的有机分子，也可以是酶。磷酰化的底物分子具有较高的能量（活化分子），是许多生物化学反应的激活步骤。 ATP的性质

  17. cAMP(3’,5’-环化腺苷酸)和cGMP(3’,5’-环化鸟苷酸)的主要功能是作为细胞的第二信使。cAMP(3’,5’-环化腺苷酸)和cGMP(3’,5’-环化鸟苷酸)的主要功能是作为细胞的第二信使。 cAMP和cGMP的环状磷酯键是一个高能键。在pH7.4, cAMP和cGMP的水解能约为43.9 KJ/mol，比ATP水解能高得多。 cAMP和cGMP

  18. 第二节 核酸的分子结构

  19. 一、一级结构（primary structure） • 一级结构是指核酸分子中核苷酸的排列顺序及连接方式。核苷酸的排列顺序代表了遗传信息。 1、核苷酸的连接方式： 3, 5磷酸二酯键 2、核酸的基本结构形式：多核苷酸链 • 信息量：4n • 末端： 5端、 3端 • 多核苷酸链的方向： 5ˊ端→3ˊ端(由左至右) 3、表示方法：结构式、线条式、文字缩写

  20. 真核生物和原核生物的区别 真核生物:有核膜,有细胞核(本质区别)；有多种细胞器；细胞壁由纤维素和果胶组成；DNA和蛋白质结合构成染色体等。 包含生物:动物、植物、真菌、原生生物等。 原核生物:无成形的细胞核，有拟核；只有核糖体；细胞壁由多糖和蛋白质组成；DNA不和蛋白质结合，没有染色体等。 包含生物:细菌、支原体、衣原体、放线菌、蓝藻等。

  21. 真核生物和原核生物DNA序列（基因组）的特征 （一）真核生物DNA序列（基因组）的特征 1、存在大量重复序列，长度可长可短，短的仅含两个核苷酸，长的 多达数百、乃至上千，重复频率也不尽相同。 • 高度重复序列重复频率可达106次，包括卫星DNA、较复杂的重复单位组成的重复序列； • 中度重复序列可达103～104次，如为数众多的Alu家族序列，KpnI家族，Hinf家族序列，以及一些编码区序列如rRNA基因、tRNA基因、组蛋白基因等； • 单拷贝或低度重复序列，指在整个基因组中只出现一次或很少几次的核苷酸序列，主要是编码蛋白质的结构基因，在人基因组中占约60～65%，因此所含信息量最大。

  22. hnRNA 2、反向重复序列(inverted repeats)，又称回文序列(palindrome)，双链DNA分子中存在的以相反方向排列的完全相同的序列。回文结构常作为一种特别信号，如内切酶及调节蛋白的识别位点，转录终止信号等 如： 5'-g a a t t c-3' 3'-c t t a a g-5' 3、真核细胞基因转录产物为单顺反子(monocistron)，即一个结构基因转录、翻译成一个mRNA分子，一条多肽链。 4、基因组中不编码的区域多于编码区域。 5、基因是不连续的，在真核生物结构基因的内部存在许多不编码蛋白质的间隔序列(intervening sequences)，称为内含子(intron)，编码区则称为外显子(exon)。内含子与外显子相间排列，转录时一起被转录下来，然后RNA中的内含子被切掉，外显子连接在一起成为成熟的mRNA，作为指导蛋白质合成的模板。 6、基因组远大于原核生物的基因组，具有许多复制起点，而每个复制子的长度较小。

  23. （二）原核生物DNA序列（基因组）的特征 1、基因组较小，没有核膜包裹，且形式多样，如病毒基因组可能是DNA，也可能是RNA，可能是单链的，也可能是双链的，可能是闭环分子，也可能是线性分子；细菌染色体基因组则常为环状双链DNA分子。 2、功能相关的结构基因常常串连在一起，并转录在同一个mRNA分子中，称为多顺反子mRNA(polycistronic mRNA)，然后再加工成蛋白质的模板mRNA。 3、DNA分子绝大部分用于编码蛋白质，不编码部分(又称间隔区)通常包含控制基因表达的顺序。例如，噬菌体ψX 174中只有5%是非编码区。 4、基因重叠是病毒基因组的结构特点，即同一段DNA片段能够编码两种甚至三种蛋白质分子。 5、除真核细胞病毒外，基因是连续的，即不含内含子序列。

  24. 二、DNA的空间结构 DNA双螺旋结构的研究背景 • DNA纤维的X-线衍射图谱分析 • 碱基的理化数据分析：A-T、G-C以氢键配对较合理 • 碱基组成分析——Chargaff 规则：[A] =[T]；[G] [C]

  25. （一）DNA的二级结构（secondary structure） 1、碱基组成规则(Chargaff规则) • [A]=[T]，[G]=[C]； [A]+[G]=[T]+[C](嘌呤与嘧啶的总数相等) • 有种属特异性（碱基组成比例） • 无组织、器官特异性 • 不受年龄、营养、性别及其他环境等影响

  26. 不同生物来源的DNA四种碱基比例关系 DNA来源 腺嘌呤（A）胸腺嘧啶（T）鸟嘌呤（G）胞嘧啶（C）（A+T）/（G+C） 大肠杆菌 26.0 23.9 24.9 25.2 1.04 小麦 27.3 27.1 22.7 22.8 1.00 鼠 28.6 28.4 21.4 21.4 1.00 人：肝 30.3 30.3 20.5 20.5 0.99 人：胸腺 30.9 29.4 19.9 19.8 1.03 酵母 31.3 32.9 18.7 17.5 1.079

  27. DNA双螺旋结构的特点 double helix model • DNA分子由两条DNA单链组成。 • DNA的双螺旋结构是分子中两条DNA单链之间基团相互识别和作用的结果。 • 双螺旋结构是DNA二级结构的最基本形式。

  28. （1）DNA分子由两条多聚脱氧核糖核苷酸链(简称DNA单链)组成。两条链沿着同一根轴平行盘绕，形成右手双螺旋结构。螺旋中的两条链方向相反，即其中一条链的方向为5′端→3′端，而另一条链的方向为3′端→5′端。（1）DNA分子由两条多聚脱氧核糖核苷酸链(简称DNA单链)组成。两条链沿着同一根轴平行盘绕，形成右手双螺旋结构。螺旋中的两条链方向相反，即其中一条链的方向为5′端→3′端，而另一条链的方向为3′端→5′端。 DNA双螺旋结构的要点

  29. （2）嘌呤和嘧啶碱基位于螺旋的内侧，磷酸和脱氧核糖基位于螺旋外侧。碱基环平面与螺旋轴垂直，糖基环平面与碱基环平面成90°角。（2）嘌呤和嘧啶碱基位于螺旋的内侧，磷酸和脱氧核糖基位于螺旋外侧。碱基环平面与螺旋轴垂直，糖基环平面与碱基环平面成90°角。

  30. （3）螺旋横截面的直径约为2nm，每条链相邻两个碱基平面之间的距离为0.34 nm，每10个核苷酸形成一个螺旋，其螺矩（即螺旋旋转一圈的高度）为3.4 nm。

  31. （4）维持两条DNA链相互结合的力是链间碱基对形成的氢键。碱基结合具有严格的配对规律:A与T结合，G与C结合，这种配对关系，称为碱基互补。A和T之间形成两个氢键，G与C之间形成三个氢键。（4）维持两条DNA链相互结合的力是链间碱基对形成的氢键。碱基结合具有严格的配对规律:A与T结合，G与C结合，这种配对关系，称为碱基互补。A和T之间形成两个氢键，G与C之间形成三个氢键。 在DNA分子中，嘌呤碱基的总数与嘧啶碱基的总数相等。

  32. （5）螺旋表面形成大沟(major groove)及小沟(minor groove)，彼此相间排列。小沟较浅；大沟较深，是蛋白质识别DNA碱基序列的基础。 （6）氢键维持双链横向稳定性；碱基堆积力维持双链纵向稳定性（芳香族碱基间的π电子间相互作用）。

  33. （二）二级结构： 双螺旋结构模型(double helix model) 1、Watson-Crick双螺旋结构模型(B-DNA) （1）反平行双链：脱氧核糖-磷酸骨架位于外侧，碱基对位于内侧 （2）碱基互补配对：AT配对（两个氢键），GC配对（三个氢键）；碱基对平面垂直纵轴 （3）右手双螺旋：螺距为3.4 nm，直径为2.0 nm，10bp/圈

  34. （4）表面功能区：小沟较浅；大沟较深，是蛋白质识别DNA碱基序列的基础（4）表面功能区：小沟较浅；大沟较深，是蛋白质识别DNA碱基序列的基础 3、其他螺旋形式 • Z-DNA（左手双螺旋） • A-DNA

  35. DNA double helix类型 helix type bp/turn rotation/bp vertical rise/bp helical d A 11 +34.7 0.26nm 2.3nm B 10.4 +34.6 0.34nm 1.9nm Z 12 -30.0 -0.38nm 1.8nm

  36. DNA双螺旋结构在生理条件下很稳定。 维持这种稳定性的因素包括：两条DNA链之间形成的氢键，碱基堆积力。 双螺旋结构内部形成的疏水区，消除了介质中水分子对碱基之间氢键的影响； 介质中的阳离子（如Na+、K+和Mg2+）中和了磷酸基团的负电荷，降低了DNA链之间的排斥力等。 改变介质条件和环境温度，将影响双螺旋的稳定性。 DNA双螺旋的稳定性

  37. 天然存在的DNA分子最显著的特点是很长，分子质量很大，一般在106～1010。天然存在的DNA分子最显著的特点是很长，分子质量很大，一般在106～1010。 • 大肠杆菌染色体由400万碱基对(basepair，bp)组成的双螺旋DNA单分子。其长度为1.4×106nm，相当于1.4mm，而直径为20nm，相当原子的大小。 • 黑腹果蝇最大染色体由6.2×107bp组成，长2.1cm • 多瘤病毒的DNA由5100bp组成 ，长1.7μm

  38. （二）DNA的三级结构 双螺旋进一步扭曲,形成一种比双螺旋更高层次的空间构象。包括：线状DNA形成的纽结、超螺旋和多重螺旋、环状DNA形成的结、超螺旋和连环等

  39. 大多数原核生物 ： 1）共价封闭的环状双螺旋分子 2）超螺旋结构：双螺旋基础上的螺旋化 • 正超螺旋(positive supercoil):盘绕方向与双螺旋方同相同 • 负超螺旋(negative supercoil):盘绕方向与双螺旋方向相反

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