湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)生物化學(xué)-02-核酸的結(jié)構(gòu)與功能-01_PDF轉(zhuǎn)換成word轉(zhuǎn)換器

1、 第三章核酸的結(jié)構(gòu)與功能 第三章核酸的結(jié)構(gòu)與功能第一節(jié)核酸通論第二節(jié)核酸基本構(gòu)件單位核苷酸第三節(jié) DNA的分子結(jié)構(gòu)第四節(jié) RNA的分子結(jié)構(gòu)第五節(jié)核酸的某些理化性質(zhì)第六節(jié)核酸研究常用技術(shù) 第一節(jié)核酸通論一、核酸的研究歷史和重要性二、核酸的種類和分布三、DNA儲存遺傳信息的證實(shí)Next 核酸的研究歷史和重要性1869 Miescher從膿細(xì)胞的細(xì)胞核中分離出了一種含磷酸的有機(jī)物，當(dāng)時稱為核素（nuclein），后稱為核酸（nucleic acid）；此后幾十年內(nèi)，弄清了核酸的組成及在細(xì)胞中的分布。1944 Avery等成功進(jìn)行肺炎球菌轉(zhuǎn)化試驗(yàn)； 1952年Hershey等的實(shí)驗(yàn)表明32PDNA可進(jìn)

2、入噬菌體內(nèi)，證明DNA是遺傳物質(zhì)。1953 Watson和Crick建立DNA結(jié)構(gòu)的雙螺旋模型，說明了基因的結(jié)構(gòu)、信息和功能三者間的關(guān)系，推動了分子生物學(xué)的迅猛發(fā)展1958 Crick提出遺傳信息傳遞的中心法則。1960年代 RNA研究取得大發(fā)展（操縱子學(xué)說，遺傳密碼，逆轉(zhuǎn)錄酶）。 核酸的研究歷史和重要性（續(xù)）1970年代 建立DNA重組技術(shù)，改變了分子生物學(xué)的面貌，并導(dǎo)致生物技術(shù)的興起。1980年代 RNA研究出現(xiàn)第二次高潮：ribozyme、反義RNA、“RNA世界”假說等等。1990年代以后實(shí)施人類基因組計劃（HGP），開辟了生命科學(xué)新紀(jì)元。生命科學(xué)進(jìn)入后基因組時代：功能基因組學(xué)（fun

3、ctional genomics）蛋白質(zhì)組學(xué)（proteomics）結(jié)構(gòu)基因組學(xué)（structural genomics）RNA組學(xué)（Rnomics）或核糖核酸組學(xué)（ribonomics）Back 核酸種類和分布脫氧核糖核酸（ deoxyribonucleic acid, DNA）：遺傳信息的貯存和攜帶者，生物的主要遺傳物質(zhì)。在真核細(xì)胞中， DNA主要集中在細(xì)胞核內(nèi)，線粒體和葉綠體中均有各自的DNA。原核細(xì)胞沒有明顯的細(xì)胞核結(jié)構(gòu)， DNA存在于稱為類核的結(jié)構(gòu)區(qū)。每個原核細(xì)胞只有一個染色體，每個染色體含一個雙鏈環(huán)狀DNA。核糖核酸（ribonucleic acid, RNA）：主要參與遺傳信息的

4、傳遞和表達(dá)過程，細(xì)胞內(nèi)的RNA主要存在于細(xì)胞質(zhì)中，少量存在于細(xì)胞核中，病毒中RNA本身就是遺傳信息的儲存者。另外在植物中還發(fā)現(xiàn)了一類比病毒還小得多的侵染性致病因子稱為類病毒，它是不含蛋白質(zhì)的游離的RNA分子，還發(fā)現(xiàn)有些RNA具生物催化作用（ribozyme）。Back 歷史的步伐1910年代摩爾根通過果蠅實(shí)1865年孟德爾通過豌豆實(shí)驗(yàn)科學(xué)家發(fā)現(xiàn)：染色體主要組成成分是驗(yàn)證明了基因位于染色體 上。證明了生物的性狀由遺傳因子控制。?蛋白質(zhì)和DNA1885-1907年間，德國柯塞爾（Kossel）鑒定了核酸的化學(xué)成分（1910年Nobel獎）。1912年，其學(xué)生Levene認(rèn)為核酸中含有4種等量的核苷

5、酸。根據(jù)這一假說，核酸只是一簡單的多聚物，使生物學(xué)但他認(rèn)為決定染色體功能的是蛋白質(zhì)！ 家失去了對它的關(guān)注 Avery肺炎雙球菌體外轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)S型菌株分離提取DNA+DNase多糖 脂類 蛋白質(zhì) RNA DNAR菌株 R菌株R菌株R菌株 R菌株 R菌株活活死亡活活活R菌株+S菌株R菌株R菌株R菌株R菌株R菌株 肺炎球菌轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)圖解溶解細(xì)胞獲得II R型細(xì)胞（無毒）DNAIII S型細(xì)胞（有毒）DNAase降解后的DNAII R型細(xì)胞接受III S型DNA少數(shù)II R型細(xì)胞被轉(zhuǎn)化產(chǎn)生III S型莢膜大多數(shù)仍為II R型只有II R型 Hershey和Chase的T2噬菌體侵染試驗(yàn)上清的放射性很高蛋白

6、質(zhì)外殼并沒有進(jìn)入到大腸桿菌內(nèi)短暫保溫 離心沉淀物的放射性很低被的噬菌體 體與細(xì)菌混合35S標(biāo)記 被 S標(biāo)記的噬菌35離心后沉淀含被感染的細(xì)菌和新形成的噬菌體攪拌上清的放射性很低短暫保溫 離心說明DNA進(jìn)入到大腸桿菌內(nèi)去了Back離心后被32P標(biāo)記 被32P標(biāo)記的噬的噬菌體 菌體與細(xì)菌混合攪拌沉淀物的放射性很高 第二節(jié)核酸基本結(jié)構(gòu)單位核苷酸一、核苷酸的化學(xué)組成與命名1、堿基、核苷、核苷酸的概念和關(guān)系2、常見堿基的結(jié)構(gòu)與命名法3、常見核苷的結(jié)構(gòu)和命名4、常見（脫氧）核苷酸的基本結(jié)構(gòu)與命名5、稀有核苷酸6、細(xì)胞內(nèi)游離核苷酸及其衍生物二、核苷酸的生物學(xué)功能Back 1、堿基、核苷、核苷酸的概念和關(guān)系C

7、TUAGcytosine thymine uracil胞嘧啶 胸腺嘧啶 尿嘧啶adenine腺嘌呤guanine鳥嘌呤核酸(DNA,RNA)磷酸堿基核苷酸核糖核苷磷酸HOCH2OHHOCH2OH戊糖堿基HHHOHRibose (in RNA) Doxyribose (in DNA)D-核糖D-2-核糖 5-磷酸核苷酸的基本結(jié)構(gòu)O（N = A、G、C、U、T）O P O CH5´ 2N堿基OOH1´磷酸4´HOHH3´2´OH (O)H核糖Back 堿基(base)是含氮的雜環(huán)化合物。腺嘌呤A嘌呤鳥嘌呤G存在于DNA和RNA中僅存在于RNA中堿基

8、胞嘧啶C嘧啶尿嘧啶U胸腺嘧啶T 僅存在于DNA中 2、基本堿基結(jié)構(gòu)和命名 3、常見核苷結(jié)構(gòu)和命名321911(uridine)(guanosine)(cytidine)(adenosine)腺苷鳥苷尿苷胞苷 3、常見核苷結(jié)構(gòu)和命名(deoxyadenosine) (deoxyguanosine)(deoxycytidine)(deoxyuridine)脫氧腺苷 脫氧鳥苷 脫氧胞苷脫氧尿苷 4、核苷酸的結(jié)構(gòu)和命名OHH腺嘌呤核苷酸（ AMP，腺苷酸）Adenosine monophosphate脫氧腺嘌呤核苷酸（dAMP,脫氧腺苷酸）Deoxyadenosine monophosphate鳥嘌呤

9、核苷酸（GMP，鳥苷酸） 脫氧鳥嘌呤核苷酸（dGMP,脫氧鳥苷酸）胞嘧啶核苷酸（CMP，胞苷酸） 脫氧胞嘧啶核苷酸（dCMP,脫氧胞苷酸）尿嘧啶核苷酸（UMP，尿苷酸） 脫氧胸腺嘧啶核苷酸（dTMP,脫氧胸苷酸） 常見（脫氧）核苷酸的結(jié)構(gòu)和命名PPPP腺嘌呤核苷酸（AMP）鳥嘌呤核苷酸（GMP）尿嘧啶核苷酸（UMP）胞嘧啶核苷酸（CMP）PPPP脫氧腺嘌呤核苷酸（dAMP）脫氧鳥嘌呤核苷酸（dGMP）脫氧胸腺嘧啶核苷酸（dTMP）脫氧胞嘧啶核苷酸（dCMP） 5、幾種稀有核苷H3C CH3HHH5HCH36假尿苷（j） 二氫尿嘧啶核苷（DHU）Amm A2N ,N 二甲基腺苷6 62O甲基腺苷

10、 6、細(xì)胞內(nèi)游離核苷酸及其衍生物p多磷酸核苷酸p環(huán)核苷酸p輔酶類核苷酸Back 多磷酸核苷酸5´NMP，核苷一磷酸5´NDP，核苷二磷酸5´NTP，核苷三磷酸N=A、G、C、UAMP AdenosinemonophosphateADP Adenosine5´dNMP，脫氧核苷一磷酸5´dNDP，脫氧核苷二磷酸5´dNTP，脫氧核苷三磷酸N=A、G、C、TdiphosphateATP AdenosinetriphosphateBack 多磷酸核苷酸的功能各種核苷三磷酸和脫氧核苷三磷酸是體內(nèi)合成RNA和DNA合成的直接原料。在體內(nèi)能量代謝

11、中的作用：ATP能量“貨幣”UTP參加糖的互相轉(zhuǎn)化與合成CTP參加磷脂的合成GTP參加蛋白質(zhì)和嘌呤的合成 命名總結(jié)堿基核糖核苷核糖核苷酸 核苷二磷酸核苷三磷酸腺嘌呤核苷腺嘌呤核苷酸腺嘌呤核苷二磷酸（腺苷酸）腺嘌呤腺嘌呤核苷三磷酸（腺苷二磷酸） （腺苷三磷酸）（腺苷）鳥嘌呤核苷鳥嘌呤核苷酸鳥嘌呤核苷二磷酸（苷酸）鳥嘌呤鳥嘌呤核苷三磷酸（鳥苷二磷酸） （鳥苷三磷酸）（尿苷）胞嘧 胞嘧啶核苷胞嘧啶核苷酸胞嘧啶核苷二磷酸胞嘧啶核苷三磷酸（胞苷二磷酸） （胞苷三磷酸）啶（胞苷）（胞苷酸）胸腺 胸腺嘧啶核胸腺嘧啶核苷胸腺嘧啶核苷二磷胸腺嘧啶核苷三磷嘧啶 苷（胸苷）酸（胸苷酸）酸（胸苷二磷酸）酸（胸苷三磷酸

12、）尿嘧 尿嘧啶核苷尿嘧啶核苷酸尿嘧啶核苷二磷酸尿嘧啶核苷三磷酸啶（尿苷）（尿苷酸）（腺苷二磷酸） （腺苷三磷酸） 環(huán)核苷酸OA (G)CH2OHHO細(xì)胞功能HH的調(diào)節(jié)分子和信號分子OO POHOH3,5cAMP (3,5 cGMP)的結(jié)構(gòu) 輔酶類的核苷酸NAD 、NADP 、CoA-SH、FAD等都含有 AMP+ +NADP+NAD+ 二、核苷酸的生物學(xué)功能1、核酸的結(jié)構(gòu)單位2、細(xì)胞中能量的攜帶者（如ATP、GTP、CTP、TTP）3、酶輔助因子結(jié)構(gòu)成分（如NAD）4、信號傳導(dǎo)的載體（如cAMP、cGMP）Back 第三節(jié) DNA的分子結(jié)構(gòu)一、核酸分子中的共價鍵二、 DNA一級結(jié)構(gòu)三、 DNA

13、的二級結(jié)構(gòu)四、 DNA的三級結(jié)構(gòu) 核苷酸5¢3¢堿基1核酸之分間的子3 ¢ 5 ¢磷酸二酯鍵共中鍵5¢堿基2價3¢Back 二、DNA的一級結(jié)構(gòu)定義： DNA分子中各脫氧核苷酸之間的連接方式（3´,5´磷酸二酯鍵）和排列順序叫做DNA的一級結(jié)構(gòu)，簡稱為堿基序列。一級結(jié)構(gòu)的走向的規(guī)定為5´3´。不同的DNA分子具有不同的核苷酸排列順序，因此攜帶有不同的遺傳信息。一級結(jié)構(gòu)的表示法：結(jié)構(gòu)式，線條式，字母式 DNA一級結(jié)構(gòu)的表示法線條式結(jié)構(gòu)式G C A T T5´ P P P P P3

14、0;OH5´5´pGpCpApTpT-OH 3´3´字母式5´ GCATT 3´GCATTBack 三、DNA的二級結(jié)構(gòu)（1） DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu) (Watson-Crick模型)（2） DNA雙螺旋的多態(tài)性（3）DNA的三股螺旋Back （1）DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)(Watson-Crick模型)DNA 雙鏈的螺旋型空間結(jié)構(gòu)稱DNA的二級結(jié)構(gòu)(secondary structure of DNA)。1953年Watson和Crick提出DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)(DNA double helix, duplex)，是20世紀(jì)自然科學(xué)最重要的發(fā)現(xiàn)

15、之一，對生命科學(xué)的發(fā)展具有劃時代的意義。 雙螺旋結(jié)構(gòu)的主要實(shí)驗(yàn)依據(jù)（1）X-射線衍射數(shù)據(jù)Franklin和Wilkins發(fā)現(xiàn)不同來源的DNA纖維具有相似的X-射線衍射圖譜，而且延長軸有0.34nm和3.4nm兩個重要的周期性變化，說明DNA可能有共同的空間結(jié)構(gòu)。用高度定向的DNA纖維得到的高質(zhì)量X-光衍射照片 雙螺旋結(jié)構(gòu)的主要實(shí)驗(yàn)依據(jù)（2）DNA堿基組成的Chagaff規(guī)則1940年代，Chargaff等應(yīng)用紙層析及紫外分光廣度技術(shù)對多種生物DNA的堿基組成進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)DNA中腺嘌呤和胸腺嘧啶的數(shù)目基本相等，胞嘧啶和鳥嘌呤的數(shù)目基本相等，這一規(guī)律被稱作Chargaff規(guī)則(Chargaffs

16、 rules)。所有DNA中的堿基組成必定是A=T,C=G，這暗示了A與T，C與G配對的可能性。 1953年Watson和Crick提出DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)模型，從此，核酸的研究成了生命科學(xué)中最活躍的領(lǐng)域之一。 DNA的雙螺旋模型特點(diǎn)1、兩條反向平行的多聚核苷酸鏈沿一個假設(shè)的中心軸右旋相互盤繞而形成。2、磷酸和脫氧核糖間隔相連的親水骨架位于雙螺旋外側(cè)，而疏水的堿基對位于螺旋內(nèi)部，鏈間堿基按A - T，G - C配對3、螺旋直徑2nm，相鄰堿基平面垂直距離 0.34nm，螺旋結(jié)構(gòu)每隔 10個堿基對（base pair, bp）重復(fù)一次，螺距為3.4nm4、兩條鏈配對偏向一側(cè)，形成一條大溝和一條小溝

17、。 影響DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的因素1、氫鍵2、堿基堆集力（疏水作用和范德華力）3、磷酸基上負(fù)電荷：可被胞內(nèi)組蛋白或陽離子中和而屏蔽4、堿基分子內(nèi)能：升溫可破壞DNA雙螺旋結(jié)構(gòu) DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)的意義DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型揭示了 DNA作為遺傳物質(zhì)的穩(wěn)定性特征，確認(rèn)了堿基配對原則，這是 DNA復(fù)制、轉(zhuǎn)錄和反轉(zhuǎn)錄的分子基礎(chǔ)，亦是遺傳信息傳遞和表達(dá)的分子基礎(chǔ)。該模型的提出，是本世紀(jì)生命科學(xué)的重大突破之一，它奠定了生物化學(xué)和分子生物學(xué)乃至整個生命科學(xué)飛速發(fā)展的基石。Back （2）DNA 雙螺旋構(gòu)象的多態(tài)性螺距 堿基數(shù) 螺旋直徑 骨架旋向存在條件生理狀況(nm) （每圈） （nm） 走行RNA雙螺旋及

18、RNA-DNA雜交鏈2.31110122.5 平滑2.3 平滑75%相對濕度A型 右手B型 右手 3.4Z型 左手 4.592%相對濕度 最常見的DNA構(gòu)象基因表達(dá)調(diào)控與基因重組1.8嘌呤嘧啶交替出現(xiàn)鋸齒型 （3）DNA 的三股螺旋（triplex）TA*TCG*C+TA*ACG*GDNA的三鏈結(jié)構(gòu)DNA三鏈間的堿基配對（Hoogsteen 配對）DNA分子內(nèi)的三鏈結(jié)構(gòu) 四、DNA的三級結(jié)構(gòu)1、什么是DNA的三級結(jié)構(gòu)？（定義）2、超螺旋 DNA（Supercoiled DNA）1）超螺旋DNA的形成2）DNA超螺旋狀態(tài)的定量描述3）DNA超螺旋結(jié)構(gòu)形成的重要意義Back DNA三級結(jié)構(gòu)的定義D

19、NA的三級結(jié)構(gòu)，是指雙螺旋DNA分子通過扭曲和折疊所形成的特定構(gòu)象，包括不同二級結(jié)構(gòu)單元間的相互作用、單鏈和二級結(jié)構(gòu)單元間的相互作用以及DNA的拓?fù)涮卣?。超螺旋是DNA三級結(jié)構(gòu)的一種普遍形式，雙螺旋DNA處于松馳狀態(tài)時所形成的超螺旋為負(fù)超螺旋，處于擰緊狀態(tài)時所形成的超螺旋為正超螺旋 。天然的DNA都呈負(fù)超螺旋，但在體外人工條件下可得正超螺旋。Back 螺旋和超螺旋電話線螺旋超螺旋Back DNA超螺旋的形成23 15L=25,T=25,W=0201510152025松弛環(huán)形10151510152023旋轉(zhuǎn)擰松兩匝后的線形DNA1234218131620L=23,T=23,W=0解鏈環(huán)形5123

20、L=23,T=25,W=2負(fù)公式L=T+W15超螺旋10Back 超螺旋狀態(tài)的定量描述超螺旋的拓?fù)鋵W(xué)公式：L = T + WL為連環(huán)數(shù)（linking number）：DNA雙螺旋中一條鏈以右手螺旋與另一條鏈纏繞的總次數(shù)。T指DNA分子中的扭轉(zhuǎn)數(shù)（twisting number）：DNA分子中的WatsonCrick螺旋數(shù)。W為超螺旋數(shù)或纏繞數(shù)（writhing number） DNA超螺旋結(jié)構(gòu)形成的意義·使DNA形成高度致密狀態(tài)從而得以裝入核中；負(fù)超螺旋DNA易于解鏈，DNA的復(fù)制、重組和轉(zhuǎn)錄都需將兩條鏈解開。因此負(fù)超螺旋有利于這些功能的進(jìn)行。 （一）原核生物DNA的環(huán)狀超螺旋結(jié)構(gòu)n細(xì)菌染色體DNA、質(zhì)粒DNA和真核生物線粒體、葉綠體中的DNA是共價封閉的環(huán)狀雙螺旋。n在生物體內(nèi)，絕大多數(shù)雙鏈環(huán)狀DNA(double-strand circular DNA, dcDNA)即共價閉環(huán)DNA(covalently closed circular DNA, cccDNA)可進(jìn)一步扭曲成超螺旋DN