《核苷酸与核酸》PPT课件

第六章核苷酸与核酸NucleotidesandNucleicAcids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。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第一节核酸概述TheGeneralityofNucleicAcids一、核酸的基本结构单位是核苷酸核酸(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二、核苷酸由碱基、戊糖、磷酸组成POOOHOHOCH2OHOHNNNH2O（一）核酸中的碱基嘌呤(purine)NNNHN123456789NNNHNNH2腺嘌呤(adenine,A)NNHNHNNH2O鸟嘌呤(guanine,G)NNH132456嘧啶(pyrimidine)胞嘧啶(cytosine,C)NNHNH2O尿嘧啶(uracil,U)NHNHOO胸腺嘧啶(thymine,T)NHNHOOCH3稀有碱基(rarebase)：核酸中含量甚少的碱基。大多数都是甲基化碱基。tRNA中含有较多的稀有碱基，可高达10%。DNARNA嘌呤m7G7-甲基鸟嘌呤N6,N6-2m6AN6,N6-二甲基腺嘌呤N6-m6AN6-甲基腺嘌呤N6-m6AN6-甲基腺嘌呤m7G7-甲基鸟嘌呤嘧啶m5C5-甲基胞嘧啶DHU二氢尿嘧啶hm5C5-羟甲基胞嘧啶T胸腺嘧啶核酸中部分稀有碱基（二）核苷酸中的戊糖（构成RNA）1´2´3´4´5´OHOCH2OHOHOH核糖(ribose)（构成DNA）OHOCH2OHOH脱氧核糖(deoxyribose)H（三）核苷：AR,GR,UR,CR嘌呤N-9或嘧啶N-1与核糖C-1通过β-N-糖苷键相连形成核苷(ribonucleoside)。NNNN9NH2OOHOHHHHCH2OHH1'2'糖苷键嘌呤N-9或嘧啶N-1与脱氧核糖C-1通过β-N-糖苷键相连形成脱氧核苷(deoxyribonucleoside)。NNNN9NH2OHOHHHHCH2OHH1'2'糖苷键脱氧核苷：dAR,dGR,dTR,dCR（四）核苷酸：AMP,GMP,UMP,CMP脱氧核苷酸：dAMP,dGMP,dTMP,dCMPNNNN9NH2OOHOHHHHCH2H1'2'OPO-HOO糖苷键酯键腺嘌呤核苷三磷酸ATP腺嘌呤脱氧核苷一磷酸dAMP环式腺苷一磷酸cAMP(环磷酸腺苷)环式鸟苷一磷酸cGMP(环磷酸鸟苷)鸟苷四磷酸ppGpp核苷酸的功能脱氧核苷酸：DNA的组成成分，为数不多的参与代谢的调节。核糖核苷酸：RNA的组成成分，还以多种方式参与细胞内的生理和生化过程。体内重要的游离核苷酸及其衍生物含核苷酸的生物活性物质：NAD+、NADP+、CoA-SH、FAD等都含有AMP多磷酸核苷酸：NMP，NDP，NTP环化核苷酸:cAMP，cGMPNOCH2OOHONNNNH2POOHcAMPNADP+NAD+三、核苷酸通过3,5-磷酸二酯键连接成多聚核苷酸（核酸）3,5-磷酸二酯键是核酸的基本结构键，多聚核苷酸链方向性。5´端3´端CGA3,5-磷酸二酯键多聚核苷酸链方向性四、核酸分为核糖核酸和脱氧核糖核酸两类（一）RNA是单链多聚核糖核酸（二）DNA是单链或双链多聚脱氧核糖核酸（三）组成DNA和RNA成分不同（四）多聚核苷酸中核苷酸的排列顺序是核苷酸的基本结构（一级结构）核酸的一级结构：核酸中核苷酸的排列顺序核苷酸间的差异主要是碱基不同，也称为碱基排列顺序。即碱基序列。5′端3′端CGA3,5-磷酸二酯键AGP5PTPGPCPTPOH3书写方法5pApCpTpGpCpT-OH35ACTGCT3目录核酸分子大小表示法:单链DNA或RNA:碱基数目,base,kilobase.双链DNA或RNA:碱基对数目,basepair(bp)kilobasepair(kb)小的核酸片段(50bp),称为寡核苷酸(nt)第二节DNA的三维结构TheThreeDimensionalStructureofDNADNA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具有确定的相对位置关系。一、DNA的二级结构是双螺旋结构（一）Waston和Crick提出DNA双螺旋结构模型碱基组成分析[A]=[T]、[G][C]不同生物碱基组成不同同生物、不同组织碱基组成相同目录模型理论基础：hargaff规则获得了高质量的DNA分子的X射线衍射照片。DNA双螺旋结构模型要点（Watson,Crick,1953）1、反向平行、右手螺旋的双链结构：两条相互平行、走向相反的脱氧核苷酸链组成围绕同一个螺旋轴形成右手螺旋双螺旋结构的直径为2.37nm，螺距为3.54nm目录3.54nm亲水性的脱氧核糖-磷酸为骨架位于双链的外侧。疏水性的碱基位于双链的内侧。碱基垂直螺旋轴与对側碱基形成氢键配对（互补配对形式：A=T;GC）。目录2.DNA双链之间形成了互补碱基对碱基互补配对:鸟嘌呤/胞嘧啶碱基互补配对:腺嘌呤/胸腺嘧啶大沟与小沟大沟与小沟目录互补碱基对的氢键维系DNA横向结构的稳定。相邻两个碱基对互相重叠产生的疏水作用，成称为碱基堆积力(basestackinginteraction)。维系DNA纵向结构的稳定3、疏水作用力和氢键共同维系着DNA双螺旋结构的稳定。碱基堆积作用力（三）DNA双螺旋结构的多样性（三）DNA双螺旋结构的多样性B型DNA:Watson和Crick,右手螺旋(1953年)A型DNA:Wilkins(1953年)Z型DNA:Rich等,左手螺旋,(1979年)旋向螺距(nm)碱基数（每圈）螺旋直径（nm）骨架走行存在条件A型右手2.3112.5平滑体外脱水B型右手3.4102.3平滑DNA生理条件Z型左手4.5121.8锯齿型CG序列三种DNA构型的比较（四）某些DNA具有更复杂的螺旋结构1.Hoogsteen碱基配对形成三股螺旋DNAT*A=TC*G=CH-DNA的结构三链结构鸟嘌呤之间通过Hoogsteen氢键形成特殊的四链结构(tetraplex)。GGGGG-四链体NNNNONHHHNNNNONHHHNNNNONHHHNNNNONHHH四链结构2．4条多聚鸟嘌呤核苷酸链形成四螺旋DNA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'回文结构：反向重复序列1、中线水平回折1800：5’-TTAGCACCACGATT-3’3’-AATCGTGGTGCTAA-5’2、水平回折：5’-TTAGCACGTGCTAA-3’3’-AATCGTGCACGATT-53、部分回折：5’-TGCGATACTCATCGCA-3’3’-ACGCTATGAGTAGCGT-5’3.在特异碱基序列基础上DNA局部可形成特殊结构碱基序列依赖性的局部DNA可形成发夹形或十字形结构5’-TGCGATACTCATCGCA-3’3’-ACGCTATGAGTAGCGT-5二、DNA的三级结构是超螺旋结构超螺旋结构(superhelix或supercoil)DNA在双螺旋基础上通过扭曲、折叠形成的特定三级结构。即超螺旋结构。双螺旋缠绕过分或不足产生的张力，使DNA分子发生扭曲，以抵消张力，这种扭曲称为超螺旋结构。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。（一）原核生物DNA的是环状超螺旋结构大肠杆菌DNA，4639bp环状超螺旋结构共价闭环双螺旋结构（二）真核生物的线粒体、叶绿体DNA也是环状超螺旋结构线粒体DNA(mtDNA):是一个封闭的双链环状分子。人mtDNA全长16,569个碱基对，共计37个基因,分别编码13个蛋白质、2个rRNA、22个tRNA。（三）拓扑异构酶改变超螺旋的数量和类型正超螺旋(positivesupercoil)双螺旋缠绕过分产生的超螺旋，为左手超螺旋。负超螺旋(negativesupercoil)双螺旋缠绕不足产生的超螺旋，为右手超螺旋。1．核酸拓扑同分异构体环状DNA的三种拓扑异构体示意图松弛形环状负超螺旋（右手）正超螺旋（左手）环状B-DNA：2000bp、右手双螺旋周数200Lk：双螺旋周数2．拓扑连环数Lk＝Tw+WrLk：拓扑连环数（linkingnumber）闭合环状DNA双链的互绕数。实际双螺旋周数Tw：扭曲数（twistingnumber）松弛形DNA双螺旋周数（Lk0）,由构象决定的。B-DNA：Tw=Lk0=碱基对数除以10；2000bp：Tw=200B-DNA：右手螺旋，Tw为+；Z-DNA：左手螺旋，Tw为-Wr：超螺旋数或缠绕数（writhingnumber）Wr=∆Lk=Lk-Lk0拓扑同分异构体的产生环状B-DNA：2000bpLK0=+200右手螺旋松弛形：Lk=Lk0=200Wr=Lk-Lk0=200-200=0正超螺旋：Lk=202Wr=202-200=+2Wr为正，左手超螺旋负超螺旋：Lk=198Wr=198-200=-2Wr为负，右手超螺旋拓扑同分异构体的产生环状Z-DNA2400bpLK0=-200左手螺旋松弛形：Lk=Lk0=-200Wr=Lk-Lk0=-200+200=0正超螺旋：Lk=-202Wr=-202+200=-2Wr为负，右手超螺旋负超螺旋：Lk=-198Wr=-198+200=+2Wr为正，左手超螺旋3.比超螺旋σ（specificsuperhelix）超螺旋密度（superhelicaldensity）σ＝Wr/Tw，或σ＝（Lk-Lk0)/Lk0正超螺旋：σ=(202－200)/200=2/200=0.01负超螺旋：σ=(198－200)/200=-2/200=-0.01σ：DNA拓扑同分异构体超螺旋方向和数量。3、拓扑异构酶（Topoisomerase）催化DNA连环数的改变概念：能够引起拓扑异构反应的酶。作用：既能切开又能连接DNA，DNA解链时切开DNA，使DNA拓扑异构体发生改变，不至于打结，适当时候又把切口封闭，类型：大肠杆菌：至少有2型4种拓扑异构酶。Ⅰ型拓扑异构酶：拓扑异构酶Ⅰ拓扑异构酶Ⅲ，功能：去除负超螺旋而松弛DNA；Ⅱ型拓扑异构酶：拓扑异构酶Ⅱ拓扑异构酶Ⅳ，功能：是引入负超螺旋。真核生物细胞：I型拓扑异构酶：拓扑异构酶I和III；II型拓扑异构酶：拓扑异构酶IIα和IIβ。与原核生物的拓扑异构酶不同，拓扑异构酶I：能消除负超螺旋，也能消除正超螺旋，拓扑异构酶III只消除负螺旋，但活性较低。三、真核生物DNA与组蛋白组成高度有序的染色体（一）核小体(nucleosome)是染色质的基本组成单位，由DNA和蛋白质构成。1.双链DNA缠绕在组蛋白核心上构成核小体：组成：DNA：约200bp组蛋白：H1、H2A、H2B、H3、H42．组蛋白是小分子量的碱性蛋白质5种组蛋白：分子量和氨基酸序列有差异；分子量：11～21kD，富含精氨酸和赖氨酸。H3，H4氨基酸序列高度保守，序列相似性多，提示功能相同。H1、H2A、H2B的相似性很少。核心颗粒：146bpH2A,H2B,H3,H4各两分子146bp140bp连接区：60bpH1核小体的结构示意图a组蛋白八聚体核心b核小体c直径30nm纤维的剖面图显示H1的位置d核小体组成串珠样的染色质acbd（二）核小体进一步组装成染色质/染色体