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第三章

第三章. 核酸的结构与功能. 学习要求. 1 、 了解核酸的分类，掌握两类核酸的化学组成特点及核苷酸的结构。 2 、掌握 DNA 的一级结构连键方式； DNA 双螺旋结构模型要点； DNA 双螺旋结构模型提出对生命科学的重要意义。了解 DNA 双螺旋的一些特殊构型。 3 、了解 RNA 的种类，重点掌握与蛋白质合成有关的三种 RNA 结构特点、了解其生物学功能。 4 、掌握核酸的重要理化性质及相关概念与应用。. 概述 核酸的一级结构 DNA 的结构与功能 RNA 的结构与功能 核酸的理化性质及其应用 核酸酶和限制性核酸内切酶

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  1. 第三章 核酸的结构与功能

  2. 学习要求 1、了解核酸的分类，掌握两类核酸的化学组成特点及核苷酸的结构。 2、掌握DNA的一级结构连键方式；DNA双螺旋结构模型要点；DNA双螺旋结构模型提出对生命科学的重要意义。了解DNA双螺旋的一些特殊构型。 3、了解RNA的种类，重点掌握与蛋白质合成有关的三种RNA结构特点、了解其生物学功能。 4、掌握核酸的重要理化性质及相关概念与应用。

  3. 概述 核酸的一级结构 DNA的结构与功能 RNA的结构与功能 核酸的理化性质及其应用 核酸酶和限制性核酸内切酶 DNA一级结构测定与DNA的化学合成 基因和基因组

  4. 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 • 1958年 Crick提出遗传信息传递的中心法则 • 1968年 Nirenberg发现遗传密码 • 1970年 建立DNA重组技术 • 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 核酸化学的发展成就

  5. 第一节、概述 一.核酸的概念和重要性 DNA是主要遗传物质 存在细胞核（95%）和线粒体、叶绿体（5%）中 RNA的功能多样性 存在胞质（90%）和细胞核（10%）中

  6. 核酸的概念 • 核酸是酸性的大分子物质，在活细胞中与碱性蛋白结合，以核蛋白形式存在。 • 核酸分为脱氧核糖核酸 ( DNA )以及核糖核酸 (RNA)两类，DNA所含核苷酸分子数比RNA大得多。 • DNA为线性双螺旋分子或闭合环状分子。 • RNA分为三个类型，即核蛋白体 RNA(rRNA，占总RNA80%)、信使RNA(mRNA，占总RNA5%)和转移RNA(tRNA，占总RNA15%)。

  7. 脱氧核糖核酸和核糖核酸异同的对比

  8. 核酸的重要性 • DNA是遗传的物质基础，负责遗传信息的贮存和发布，遗传基因就是DNA链上的若干核苷酸所组成的片段。 • RNA负责遗传信息的表达，直接参与蛋白质生物合成，转录DNA所发布的遗传信息，并将之翻译给蛋白质，使生命机体的生长、发育、繁殖和遗传得以继续进行。

  9. 核酸类物质RNA的重要功能

  10. 二.核酸的化学组成及其基本结构单位核苷酸

  11. 元素组成：C、H、O、N、P • P元素的含量较多并且恒定，约占9～11%。可利用这一特点通过定磷法测定核酸含量。 • 碱基(嘌呤或嘧啶)，戊糖(核糖或脱氧核糖) 和磷酸是核酸（DNA、RNA ）的基本构件分子。核苷酸是核酸的基本组成单位。

  12. (一)碱基(嘧啶和嘌呤）

  13. 常见的嘌呤和嘧啶 腺嘌呤 鸟 鸟嘌呤 鸟 胞嘧啶 尿嘧啶 胸腺嘧啶

  14. 存在于RNA中 存在于DNA中 (二)戊糖 组成核酸的戊糖有两种。DNA所含的糖为 β-D-2-脱氧核糖；RNA所含的糖则为β-D-核糖。

  15. 5’ 5’ 4’ 1’ 4’ 1’ 3’ 2’ 3’ 2’ (OH) (OH) (三)核苷（nucleoside） • 核苷 戊糖+碱基 • 糖与碱基之间的C-N键，称为C-N糖苷键 嘧啶核苷 嘌呤核苷

  16. 几种稀有核苷

  17. 几种稀有核苷

  18. H H H H H H H H H （四）核苷酸（nucleotide）核苷酸 核苷+磷酸 戊糖+碱基+磷酸 AMP dAMP

  19. 脱氧核苷酸

  20. 核苷酸

  21. AMP ADP ATP （五）核苷酸衍生物 • 1. 多磷酸化

  22. 2.环化磷酸化 cAMP cGMP

  23. 3. 肌苷酸及鸟苷酸(特鲜味精) IMP GMP 4. 辅酶 NAD、NADP、FMN等

  24. 5’ 3’ 5’ 3’ 第二节、核酸的一级结构 一、核酸中核苷酸的连接方式 • 核苷酸通过3’，5’-磷酸二酯键连接起来，以磷酸-糖-磷酸-糖…形成核酸骨架

  25. 5′端 3′端

  26. T U OH OH OH OH OH OH 3’ 5’ 3’ 5’ 核酸的表示方式 若不特别注明，一般规定从5′端书写至 3′端 DNA RNA 5′PdAPdCPdGPdTOH 3′ 5′PAPCPGPUOH ′ 或5′ACGTGCGT 3′ 5′ACGUAUGU 3′ ACGTGCGT ACGUAUGU

  27. 二、DNA和RNA的一级结构 • 核酸的一级结构是核酸中各核苷酸通过3′，5′磷酸二酯键连接而成的无分支的多核苷酸链。即核苷酸排列顺序。 DNA为脱氧核糖核苷酸链 RNA为核糖核苷酸链

  28. 第三节、DNA的结构与功能 一、DNA的双螺旋结构 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。

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

  30. Chargaff法则 本世纪20年代，Levene研究了核酸的化学结构并提出四核苷酸假说；40年代末，Avery,Hershey和Chase的实验严密地证实了DNA就是遗传物质；50年代初，Chargaff应用紫外分光光度法结合纸层析等简单技术，对多种生物DNA作碱基定量分析，发现DNA碱基组成有如下规律：

  31. 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 25.4 24.8 24.1 25.7 1.0 小麦 27.3 27.1 22.8 22.7 1.21 鼠 28.6 28.4 21.4 21.5 1.33 猪：肝 29.4 29.7 20.5 20.5 1.43 胸腺 30.0 28.9 20.4 20.7 脾 29.6 29.2 20.4 20.8 酵母 31.3 32.9 18.7 17.5 1.079 不同生物来源的DNA四种碱基比例关系

  32. DNA的碱基组成规律（Chargaff法则） 1. 同一生物的不同组织的DNA碱基组成相同； 2. 同一种生物DNA碱基组成不随生物体的年龄、营养状态或者环境变化而改变； 3. 几乎所有的DNA，无论种属来源如何，其摩尔含量相同［A］=［T］，［G］=［C］，［A］＋［G］=［C］＋［T］。 4. 不同生物来源的DNA碱基组成不同，表现在A＋T/G＋C比值的不同。

  33. DNA的双螺旋结构特征 • （1）DNA分子由两条反向平行的多聚脱氧核苷酸链(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′→3′，而另一条链的方向为3′→5′。

  34. DNA的双螺旋结构特征 • （2）嘌呤碱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。 • （3）螺旋横截面的直径约为2 nm，每条链相邻两个碱基平面之间的距离为0.34 nm，每10个核苷酸对形成一个螺旋，其螺矩（即螺旋旋转一圈）高度为3.4 nm。

  35. DNA的双螺旋结构特征 （4）双螺旋的力是链间的碱基对所形成的氢键。 • 碱基的相互结合具有严格的配对规律，A-T，G-C结合，这种配对关系，称为碱基互补。A T间形成两个氢键，G C 间 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。

  36. 碱基互补配对 G C A T

  37. DNA的双螺旋结构特征 (5)沿中心轴观察，双螺旋结构上有两条螺形凹槽，一条较深宽，称为大沟（宽1.2nm，深0.85nm ）；另一条浅窄，称为小沟（宽0.6nm，深0.75nm ）。 大沟暴露出嘌呤的C6N7和嘧啶C4C5及其取代基团；小沟一侧暴露出嘌呤C2和嘧啶C2及其取代基团。 大沟与小沟对于DNA与蛋白质的相互识别极其重要。

  38. DNA双螺旋的稳定性因素 • DNA双螺旋结构在生理条件下是很稳定的。 • 两条DNA链之间形成的氢键（A＝T，G≡C）维持螺旋的横向稳定； • 嘌呤碱基与嘧啶碱基形状扁平，呈疏水性，在螺旋内部层层堆积，形成强大的疏水区，消除了介质中水分子对碱基之间氢键的影响，碱基之间这种在垂直方向的作用力被称为碱基堆积力，是维系DNA双螺旋结构稳定的主要作用力；

  39. DNA双螺旋的稳定性因素 • 介质中的阳离子（如Na+、K+和Mg2+）或富含正电荷的碱性蛋白中和了磷酸基团的负电荷，这种离子键降低了DNA链间的排斥力、范德华引力等。 • 改变介质条件和环境温度，将影响双螺旋的稳定性。

  40. DNA二级结构的多态性 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，而且还能形成三链等其它结构，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，是特定的碱基序列导致的结果。

  41. (1) B-DNA螺旋： DNA在92%相对湿度的钠盐中的构型,是细胞正常状态下DNA存在的主要构型。 (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。

  42. 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 4.6 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

  43. DNA的二级结构类型

  44. 二、DNA的三级结构 • DNA的三级结构是指DNA双螺旋结构通过进一步扭曲和折叠所形成的更加复杂的构象,超螺旋是三级结构的主要形式。 • 自从1965年Vinograd等人发现多瘤病毒的环形DNA的超螺旋以来，现已知道绝大多数原核生物都是共价封闭环(covalently closed circle,CCC)分子，这种双螺旋环状分子再度螺旋化成为超螺旋结构(superhelix或supercoil)。

  45. 环状DNA主要有以下三种构象： 松弛环形 超螺环形 开链环形

  46. 有些单链环形染色体(如φ×174)或双链线形染色体(如噬菌体入)，在其生活周期的某一阶段，将其染色体变为超螺旋形式。对于真核生物来说，虽然其染色体多为线形分子，但其DNA均与蛋白质相结合，两个结合点之间的DNA形成一个突环(loop)结构，类似于CCC分子，同样具有超螺旋形式。 • 超螺旋按其方向分为正超螺旋和负超螺旋两种。真核生物中，DNA与组蛋白八聚体形成核小体结构时，存在着负超螺旋。研究发现，所有的DNA超螺旋都是由DNA拓扑异构酶产生的。

  47. 超螺旋结构(superhelix 或supercoil) DNA双螺旋链扭曲或再盘绕所形成空间结构。 正超螺旋(positive supercoil) DNA双螺旋链盘绕过多时所形成的超螺旋。 负超螺旋(negative supercoil) DNA双螺旋链盘绕不足时所形成的超螺旋。 意义 DNA超螺旋结构整体或局部的拓扑学变化及其调控对于DNA复制和RNA转录过程具有关键作用。

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