生物化学及分子生物学(人卫第八版)-第02章-核酸的结构与功能

目录生物化学与分子生物学目录第二章核酸的结构和功能StructureandFunctionofNucleicAcid核酸(nucleicacid)是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。目录1868年FridrichMiescher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。核酸研究的发展简史核酸的分类及分布存在于细胞核和线粒体分布于细胞核、细胞质、线粒体(deoxyribonucleicacid,DNA)(ribonucleicacid,RNA)脱氧核糖核酸核糖核酸携带遗传信息，并通过复制传递给下一代。是DNA转录的产物，参与遗传信息的复制与表达。某些病毒RNA也可作为遗传信息的载体第一节核酸的化学组成以及一级结构TheChemicalComponentandPrimaryStructureofNucleicAcid目录核酸(DNA和RNA)核苷酸核苷和脱氧核苷磷酸戊糖碱基嘌呤嘧啶核糖脱氧核糖核酸组成DNA的组成单位是脱氧核糖核苷酸（deoxyribonucleotide）RNA的组成单位是核糖核苷酸（ribonucleotide）。分子组成碱基(base)：嘌呤碱，嘧啶碱戊糖(ribose)：核糖，脱氧核糖磷酸(phosphate)一、核苷酸是构成核酸的基本组成单位目录碱基(base)是含氮的杂环化合物。碱基嘌呤嘧啶腺嘌呤鸟嘌呤尿嘧啶胸腺嘧啶胞嘧啶存在于DNA和RNA中仅存在于RNA中仅存在于DNA中碱基嘌呤(purine，Pu)NNNHN123456789NNNHNNH2腺嘌呤(adenine,A)NNHNHNNH2O鸟嘌呤(guanine,G)NNH132456嘧啶(pyrimidine，Py)胞嘧啶(cytosine,C)NNHNH2O尿嘧啶(uracil,U)NHNHOO胸腺嘧啶(thymine,T)NHNHOOCH3目录碱基的互变异构体HNHNCNH2+O+HNNH2NNH2亚氨式氨式+H+NCOHNCO-+H+酮式烯醇式戊糖（构成RNA）1´2´3´4´5´OHOCH2OHOHOHβ-D-核糖(ribose)（构成DNA）OHOCH2OHOHβ-D-2′脱氧核糖(deoxyribose)目录脱氧核苷嘌呤N-9与脱氧核糖C-1通过β-N-糖苷键相连形成脱氧核苷(deoxyribonucleoside)。HOHOHHHHOH2CHNNNNNH2OHOHHHHHOH2CHNNNNNH2糖苷键反式脱氧腺苷顺式脱氧腺苷目录嘧啶N-1与核糖C-1通过β-N-糖苷键相连形成核苷(ribonucleoside)。核苷NNNN9NH2OOHOHHHHCH2OHH1'2'糖苷键目录核苷或脱氧核苷与磷酸通过酯键结合构成核苷酸(ribonucleotide)或脱氧核苷酸(deoxyribonucleotide)。核苷酸(ribonucleotide)NNNN9NH2OOHOHHHHCH2H1'2'OPO-HOO糖苷键酯键目录P-OO-ONNNNNH2OHOHHHHCH2HOPOO-OPOO-O5′-磷酯键脱氧腺嘌呤二磷酸(dADP)脱氧腺嘌呤三磷酸(dATP)脱氧腺嘌呤核苷脱氧腺嘌呤一磷酸(dAMP)多磷酸核苷酸环化核苷酸：cAMP、cGMP，是细胞信号转导中的第二信使。NOCH2OOHONNNNH2POOHcAMP核苷酸衍生物目录生物氧化体系的重要成分，在传递质子或电子的过程中具有重要的作用。烟酰胺腺嘌呤二核苷酸，nicotinamideadeninedinucleotide,NAD+），目录构成RNA的碱基、核苷以及核苷酸碱基核苷核苷酸A腺苷adenosine腺苷一磷酸adenosinemonophosphate,AMPG鸟苷guanosine鸟苷一磷酸guanosinemonophosphate,GMPC胞苷cytidine胞苷一磷酸cytidinemonophosphate,CMPU尿苷uridine尿苷一磷酸uridinemonophosphate,UMP目录构成DNA的碱基、核苷、核苷酸碱基脱氧核苷脱氧核苷酸A脱氧腺苷deoxyadenosine脱氧腺苷一磷酸deoxyadenosinemonophosphate,dAMPG脱氧鸟苷deoxyguanosine脱氧鸟苷一磷酸deoxyguanosinemonophosphate,dGMPC脱氧胞苷deoxycytidine脱氧胞苷一磷酸deoxycytidinemonophosphate,dCMPT脱氧胸苷deoxythymidine或thymidine脱氧胸苷一磷酸deoxythymidinemonophosphate,dTMP二、DNA是脱氧核苷酸通过3,5-磷酸二酯键连接形成的大分子一个脱氧核苷酸3的羟基与另一个核苷酸5的α-磷酸基团缩合形成磷酸二酯键(phosphodiesterbond)。多个脱氧核苷酸通过磷酸二酯键构成了具有方向性的线性分子，称为多聚脱氧核苷酸(polydeoxynucleotide)，即DNA链。目录5´-末端3´-末端CGA磷酸二酯键磷酸二酯键目录5´-磷酸基团3´,5´-磷酸二酯键碱基碱基碱基3´-羟基O-POO-OOHOHHHHCH2POO-OOHOHHHCH2HPOO-OOHHHHHCH2OPOO-OOHOHHHHHCH2碱基核酸方向交替的磷酸基团和戊糖构成了DNA的骨架(backbone)。DNA链的方向是5→3目录三、RNA也是具有3,5-磷酸二酯键的线性大分子RNA也是多个核苷酸分子通过3,5-磷酸二酯键连接形成的线性大分子，也具有5→3方向性;RNA的戊糖是核糖；RNA的嘧啶是胞嘧啶和尿嘧啶。构成RNA的四种基本核苷酸是AMP、GMP、CMP和UMP。定义核酸中核苷酸的排列顺序。由于核苷酸间的差异主要是碱基不同，所以也称为碱基序列。5端3端CGA四、核酸的一级结构是核苷酸的排列顺序目录AGP5PTPGPCPTPOH3核酸的一级结构5pApCpTpGpCpT-OH35ACTGCT3ACTGCT单链DNA和RNA分子的大小常用核苷酸数目（nucleotide，nt）表示；双链核酸分子的大小常用碱基(base或kilobase)数目来表示。小的核酸片段(50bp)常被称为寡核苷酸(oligonucleotide)。自然界中的DNA和RNA的长度可以高达几十万个碱基。第二节DNA的空间结构与功能DimensionalStructureandFunctionofDNA目录DNA的空间结构又分为二级结构(secondarystructure)和高级结构。DNA的空间结构(spatialstructure)构成DNA的所有原子在三维空间的相对位置关系。一、DNA的二级结构是双螺旋结构目录不同生物种属的DNA的碱基组成不同同一个体的不同器官或组织的DNA碱基组成相同对于一特定组织的DNA，其碱基组分不随年龄、营养状态和环境而变化[A]=[T]，[G]=[C]Chargaff规则（一）DNA双螺旋结构的实验基础获得了高质量的DNA分子的X射线衍射照片。提出了DNA分子双螺旋结构(doublehelix)模型。目录两条多聚核苷酸链在空间的走向呈反向平行(anti-parallel)。两条链中一条链的5→3方向是自上而下，而另一条链的5→3方向是自下而上。两条链围绕着同一个螺旋轴形成右手螺旋(right-handed)的结构。双螺旋结构的直径为2.37nm，螺距为3.54nm。（二）DNA双螺旋结构模型要点1.DNA由两条多聚脱氧核苷酸链组成脱氧核糖和磷酸基团组成的亲水性骨架位于双螺旋结构的外侧，疏水的碱基位于内侧。双螺旋结构的表面形成了一个大沟(majorgroove)和一个小沟(minorgroove)。2.核糖与磷酸位于外侧目录DNA双螺旋结构的示意图DNA双螺旋结构的俯视图3.DNA双链之间形成了互补碱基对碱基配对关系称为互补碱基对(complementarybasepair)。DNA的两条链则互为互补链(complementarystrand)。碱基对平面与螺旋轴垂直。目录碱基互补配对:鸟嘌呤/胞嘧啶目录碱基互补配对:腺嘌呤/胸腺嘧啶大沟与小沟相邻两个碱基对会有重叠，产生了疏水性的碱基堆积力(basestackinginteraction)。碱基堆积力和互补碱基对的氢键共同维系着DNA结构的稳定。4.碱基对的疏水作用力和氢键共同维持着DNA双螺旋结构的稳定目录碱基堆积作用力目录（三）DNA双螺旋结构的多样性目录（四）DNA的多链结构在酸性的溶液中，胞嘧啶的N-3原子被质子化，可与鸟嘌呤的N-7原子形成氢键；同时，胞嘧啶的N-4的氢原子也可与鸟嘌呤的O-6形成氢键，这种氢键被称为Hoogsteen氢键。Hoogsteen氢键Hoogsteen氢键，不破坏Watson-Crick氢键，由此形成了C＋GC的三链结构(triplex)。目录三链结构目录鸟嘌呤之间通过8个Hoogsteen氢键形成特殊的四链结构(tetraplex)。GGGGG-四链体NNNNONHHHNNNNONHHHNNNNONHHHNNNNONHHH四链结构目录真核生物DNA3-末端是富含GT的多次重复序列，因而自身形成了折叠的四链结构。GGTTTTTTGTGTTG5'二、DNA的高级结构是超螺旋结构超螺旋结构(superhelix或supercoil)DNA双螺旋链再盘绕即形成超螺旋结构。正超螺旋(positivesupercoil)盘绕方向与DNA双螺旋方同相同。负超螺旋(negativesupercoil)盘绕方向与DNA双螺旋方向相反。（一）原核生物DNA的环状超螺旋结构原核生物DNA多为环状的双螺旋分子，以负超螺旋的形式存在，平均每200碱基就有一个超螺旋形成。（二）真核生物DNA以核小体为单位形成高度有序致密结构真核生物DNA以非常有序的形式存在于细胞核内。在细胞周期的大部分时间里，DNA以松散的染色质(chromatin)形式存在，在细胞分裂期，则形成高度致密的染色体(chromosome)。目录DNA染色质呈现出的串珠样结构。染色质的基本单位是核小体(nucleosome)。DNA染色质的电镜图像目录DNA：约200bp组蛋白：H1H2A，H2BH3H4核小体的组成目录核小体核心颗粒核小体连接区5.5nm11nmH1H3H2BH4H2ADNA双链核小体串珠样的结构目录第一层次折叠第二层次折叠第三层次折叠30nm双链DNA核小体构成截面图染色质纤维空管双链DNA的折叠和组装目录第三层次折叠染色质纤维1.4m核基质第四层次折叠截面图300nm形成染色体DNA经过多次折叠，被压缩了8000～10000倍，组装在直径只有数微米的细胞核内。目录真核生物的染色体两个功能区：端粒(telomeres):染色体末端膨大的粒状结构，由染色体末端DNA（端粒DNA）与DNA结合蛋白构成。与染色体结构的稳定性、完整性以及衰老和肿瘤的发生发展相关。着丝粒（centromere）:两个染色单体的连接位点，富含A、T序列。细胞分裂时，着丝粒可分开使染色体均等有序地进入子代细胞。DNA是生物遗传信息的载体，并为基因复制和转录提供了模板。它是生命遗传的物质基础，也是个体生命活动的信息基础。基因是携带遗传信息的DNA片段，它们的序列信息意义及其在DNA整个分子上的排布特点将在