南京農(nóng)業(yè)大學(xué)生物化學(xué)課件(1)課件

第五章核酸

（Chemistryofnucleicacid）1868年，瑞士科學(xué)家F.Miescher從外科繃帶上膿細(xì)胞中分離出了一種富含磷的有機(jī)物質(zhì)，稱為“核素”(nuclein)。他的論文發(fā)表在Med.Chem.Unters1872年，他從萊茵河鮭魚中得到類似物,同時(shí)還分離到一種堿性化合物，稱為魚精蛋白（protamine）5.1概述1889年，Altman等人又從酵母和動(dòng)物的細(xì)胞核中得到了不含蛋白質(zhì)的核酸，并首次使用“核酸”（NucleicAcid）命名。1944年，Avery等人通過細(xì)菌轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)證明核酸就是遺傳物質(zhì)。5.1概述5.1概述

NucleicAcid(NA)

Polynucleotidechain(polyNt)Nucleotide(Nt)basicunitMono-phosphate(Mp)Nucleoside(Ns)Deoxy-ribose(Ribose)BasePurin(pu)Pyrimidine(py)Adenine(A)Thymine(T)Guanine(G)Uracil(U)

Cytosine(C)

DNA分子的片段

5.1概述5.1.1核酸的種類、分布與功能種類分布功能DNA原核生物：核質(zhì)區(qū)真核生物：95%在細(xì)胞核、

5%在線粒體和葉綠體遺傳信息的載體RNAtRNA原核生物：細(xì)胞質(zhì)真核生物：75%在細(xì)胞質(zhì)

15%在線粒體和葉綠體

10%在細(xì)胞核攜帶、轉(zhuǎn)移aamRNA肽鏈合成的模板rRNA核糖體主要成分5.1概述5.1.1核酸的種類、分布與功能l

DNA

與RNA的區(qū)別RNA

2'單磷酸核苷酸

3'單磷酸核苷酸

2',3'環(huán)式單核苷酸

RNase

pH11.5

l

Ribosel

Basel

D.S.&S.S.l

Numbers&lengthl

Stability

核酸的基本結(jié)構(gòu)單元核苷酸核酸是由許多核苷酸組成的長(zhǎng)鏈Nucleotide5.1概述5.1.2核酸的化學(xué)組成

核苷酸磷酸核苷戊糖堿基核糖脫氧核糖嘌呤嘧啶5.1概述5.1.2核酸的化學(xué)組成1、

戊糖它們均以呋喃糖態(tài)存在

RNA中

DNA中

5.1概述5.1.2核酸的化學(xué)組成2、堿基DNA中的4種堿基：腺嘌呤、鳥嘌呤、胞嘧啶、胸腺嘧啶RNA中的4種堿基：腺嘌呤、鳥嘌呤、胞嘧啶、尿嘧啶3、磷酸5.1概述5.1.2核酸的化學(xué)組成堿基5-甲基-2,4-二氧嘧啶Thy胸腺嘧啶2,4-二氧嘧啶Ura尿嘧啶2-氨基-6-氧嘌呤

Gue鳥嘌呤2-氧-4-氨基嘧啶Cyt胞嘧啶嘧啶6-氨基嘌呤Ade腺嘌呤嘌呤124NN3561357NNNNCH24689HNNNNCHNH2HNNNNCHOHH2NNNNH2OHNNOONNOOCH3核苷

戊糖第1位碳原子上的羥基與嘌呤的第9位氮原子或與嘧啶的第1位氮原子形成的N-C糖苷鍵。腺苷脫氧鳥苷5.1概述5.1.2核酸的化學(xué)組成

核苷酸

RNA中的核苷酸腺苷酸AMP鳥苷酸GMP胞苷酸CMP尿苷酸UMPDNA中的核苷酸脫氧腺苷酸dAMP脫氧鳥苷酸dGMP脫氧胞苷酸dCMP脫氧胸苷酸dTMP生物體內(nèi)存在的核苷酸，多是5核苷酸。'5.1概述5.1.2核酸的化學(xué)組成Nucleotide(Nt)basicunitAdenine(A)Guanine(G)Thymine(T)NH3OONH3ONH3Uracil(U)Cytosine(C)pOHOOHOOHpOppOHOHRNA

RNase

pH11.5

O2’,3’環(huán)式單核苷酸

Op3'

單磷酸核苷酸

pOOH2'

單磷酸核苷酸

pOOH5.2DNA的分子結(jié)構(gòu)

DNA分子中各種脫氧核苷酸之間的連接方式和排列順序。四種脫氧核苷酸通過3’,5’-磷酸二酯鍵連接起來的多核苷酸鏈的排列順序。1.定義5.2DNA的分子結(jié)構(gòu)5.2.1DNA的一級(jí)結(jié)構(gòu)DNA單鏈的延伸5’3’端5.2.1DNA的一級(jí)結(jié)構(gòu)5.2DNA的分子結(jié)構(gòu)

無分枝的長(zhǎng)鏈2.多聚脫氧核苷酸鏈的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)由糖-磷酸相互間隔連接，構(gòu)成主鏈；堿基連接在主鏈的核糖上，形成側(cè)鏈。具有方向性。兩個(gè)末端分別為5'端和3'端。

在天然DNA中，5'端常為磷酸，3'端為游離羥基。5.2.1DNA的一級(jí)結(jié)構(gòu)5.2DNA的分子結(jié)構(gòu)3、一級(jí)結(jié)構(gòu)的表示方法1）線條法5.2.1DNA的一級(jí)結(jié)構(gòu)5.2DNA的分子結(jié)構(gòu)5'pGpCpTpTpAOH3'5'pGCTTAOH3'pGCTTAOHGCTTA2）文字式5.2.1DNA的一級(jí)結(jié)構(gòu)5.2DNA的分子結(jié)構(gòu)

DNA的二級(jí)結(jié)構(gòu)是指DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)。雙螺旋結(jié)構(gòu)是DNA的兩條鏈圍著同一中心軸旋繞而成的一種空間結(jié)構(gòu)。DNA的雙螺旋模型是由Watson和Crick兩位科學(xué)家于1953年提出的。1.二級(jí)結(jié)構(gòu)的概念5.2DNA的分子結(jié)構(gòu)5.2.2DNA的二級(jí)結(jié)構(gòu)1953年Watsosn&Crick

RighthandedB-formDNADoublehelixModel

5.2.2DNA的二級(jí)結(jié)構(gòu)5.2DNA的分子結(jié)構(gòu)2.雙螺旋結(jié)構(gòu)模型提出的依據(jù)A.DNA的X-射線衍射圖：(1)衍射斑點(diǎn)呈交叉狀分布(2)衍射點(diǎn)之間的距離與層次表明有0.34nm和3.4nm的周期性(3)圖的頂上和底部是最強(qiáng)的衍射斑點(diǎn)，呈帶狀5.2.2DNA的二級(jí)結(jié)構(gòu)5.2DNA的分子結(jié)構(gòu)M.H.F.Wilkins&RosalindFrankin

X~rayphotographofDNAwithhighquality

1952年5.2.2DNA的二級(jí)結(jié)構(gòu)5.2DNA的分子結(jié)構(gòu)B.DNA的堿基組成分析：（Chargaff定則）(1)所有DNA分子中A=T，G=C(2)同一種生物的所有體細(xì)胞DNA的堿基組成相同，與年齡、健康狀況、外界環(huán)境無關(guān)，可作為該物種的特征，用不對(duì)稱比率(A+T)/(G+C)

來衡量。(3)親緣越近的生物，其DNA的堿基組成越近，即不對(duì)稱比率越相近。5.2.2DNA的二級(jí)結(jié)構(gòu)5.2DNA的分子結(jié)構(gòu)5.2.2DNA的二級(jí)結(jié)構(gòu)5.2DNA的分子結(jié)構(gòu)C、DNA的堿基物化數(shù)據(jù)如堿基的幾何大小、鍵長(zhǎng)鍵角數(shù)據(jù)、酸堿滴定等。5.2.2DNA的二級(jí)結(jié)構(gòu)5.2DNA的分子結(jié)構(gòu)3.雙螺旋結(jié)構(gòu)模型的基本特征(1)反向平行的雙鏈沿中心軸盤繞成右手螺旋。DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)5.2.2DNA的二級(jí)結(jié)構(gòu)5.2DNA的分子結(jié)構(gòu)(2)雙螺旋表面形成兩種凹槽：較淺的叫小溝，另一條叫大溝。l

堿基頂部基團(tuán)裸露在DNA

大溝內(nèi)

l

蛋白質(zhì)因子與DNA的特異結(jié)合依賴于

氨基酸與DNA間的氫鍵的形成l

蛋白質(zhì)因子沿大溝與DNA形成專一性結(jié)合的機(jī)率與多樣性高于沿小溝的結(jié)合l

大溝的空間更有利于與蛋白質(zhì)的結(jié)合

5.2.2DNA的二級(jí)結(jié)構(gòu)5.2DNA的分子結(jié)構(gòu)(3)由糖-磷酸相互間隔連接構(gòu)成的主鏈處于螺旋外側(cè)；堿基則伸向螺旋內(nèi)部，與中軸垂直。RighthandedB-formDNADoublehelixModel

5.2.2DNA的二級(jí)結(jié)構(gòu)5.2DNA的分子結(jié)構(gòu)(4)雙螺旋內(nèi)部的堿基按規(guī)則配對(duì)：A與T配對(duì)，形成2個(gè)氫鍵；G與C配對(duì)，形成3個(gè)氫鍵，稱為堿基互補(bǔ)配對(duì)，雙螺旋的兩條鏈也呈互補(bǔ)關(guān)系。5.2.2DNA的二級(jí)結(jié)構(gòu)5.2DNA的分子結(jié)構(gòu)A

=

TGC5.2.2DNA的二級(jí)結(jié)構(gòu)5.2DNA的分子結(jié)構(gòu)(5)雙螺旋直徑為2nm，每對(duì)脫氧核苷酸殘基沿縱軸旋轉(zhuǎn)36°，上升0.34nm。所以每10個(gè)堿基對(duì)形成一個(gè)螺旋，螺距3.4nm。5.2.2DNA的二級(jí)結(jié)構(gòu)5.2DNA的分子結(jié)構(gòu)4.影響雙螺旋結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的因素

互補(bǔ)堿基之間的氫鍵(Hydrogenbond)

弱鍵,可加熱解鏈氫鍵堆積,有序排列(線性,方向)

5.2.2DNA的二級(jí)結(jié)構(gòu)5.2DNA的分子結(jié)構(gòu)堿基堆集力(Basestackingforces)：堿基堆集成非極性的區(qū)域，相互間產(chǎn)生疏水作用和范德華力

☆疏水作用力(Hydrophobicinteraction)

☆

Vandewaalsforce

(1.7A°/嘌呤環(huán)與嘧啶環(huán)作用半徑)3.4A°4.影響雙螺旋結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的因素

5.2.2DNA的二級(jí)結(jié)構(gòu)5.2DNA的分子結(jié)構(gòu)離子鍵

磷酸酯鍵(phosphoesterbond)強(qiáng)鍵,需酶促解鏈消除DNA單鏈上磷酸基團(tuán)間的靜電斥力

l

0.2mol/LNa+

生理鹽條件

4.影響雙螺旋結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的因素

5.2.2DNA的二級(jí)結(jié)構(gòu)5.2DNA的分子結(jié)構(gòu)

在生理狀態(tài)及在溶液中，DNA一般為B型(含水量90％以上，NaCl濃度為2.5M）。當(dāng)水合的DNA脫水時(shí)，轉(zhuǎn)變?yōu)锳型(含水量75％)。還有Z型的DNA(左手螺旋，0.7MMgCl2)。5.DNA雙螺旋構(gòu)象的多態(tài)性5.2.2DNA的二級(jí)結(jié)構(gòu)5.2DNA的分子結(jié)構(gòu)DNA的分子構(gòu)型(B,Z,A)比較

Z-DNAZ-DNAA-DNAB-DNADNA的分子構(gòu)型(B,Z,A)比較

FormBZAHelixDirectionRightLeftRightbp/circle101210.7Distance/bp~0.34nm~0.38nm~0.25nmDistance/helix3.4nm4.46nm2.8nmDiameter/helix2.0nm1.8nm1.9nmSequenceAnyPolyG-CAnyPolyC-APolyT-GPolyT-A

0.2MNaclZ-DNA趨于穩(wěn)定

rabbit

AntibodyofZ-DNA

B-DNA

Z-DNA

Z-DNA

4MNacl

Br+

Z-DNA的檢測(cè)羊抗兔二級(jí)抗體

goatAntibodyofZ-DNA

偶聯(lián)熒光標(biāo)記

免疫反應(yīng)

果蠅唾液腺染色體

細(xì)胞學(xué)制片

Z-DNAinDrosophilachromosomeprovedbyanti-Zantibody

ImmunoligicaslidCytologicalslid可能的功能

基因表達(dá)調(diào)控

Z-DNA

(小溝,信息少)

基因關(guān)閉

B-DNA

(大溝,信息多)

基因表達(dá)

●二級(jí)結(jié)構(gòu)的形態(tài)LinearDNA.LOpenCircleDNAOCSupercoiledcircleCovalentClosedCircleCCCD.S.L1.00D.S.OC1.14S.S.L1.30D.S.CCC1.41Collapsed3.00SvedbergUnit(S)polymerOCLCCC核酸分子的二級(jí)結(jié)構(gòu)(分別出現(xiàn)在DNA復(fù)制，轉(zhuǎn)錄，重組等階段)核酸分子的二級(jí)結(jié)構(gòu)分別出現(xiàn)在DNA復(fù)制，轉(zhuǎn)錄，重組等階段(knot)6.三股螺旋DNA

(TribleHelixDNA,T.SDNA)

※T.SDNA的發(fā)現(xiàn)與證實(shí)

l

1953年以前Pauling(Chemist)

提出T.SDNA存在的可能性

l

1953年Watson&CrickD.SDNAmodel

證明沿大溝存在多余的氫鍵給體與受體潛在的專一與DNA(蛋白質(zhì))

結(jié)合的能力形成T.SDNA可能性

5.2.2DNA的二級(jí)結(jié)構(gòu)5.2DNA的分子結(jié)構(gòu)l

1957年Davis,Felsenfeld,Rich發(fā)現(xiàn)

poly(U)+poly(U)+poly(A)T.SRNA

T.SDNA的概念l

1966年Miller&Sobell

實(shí)現(xiàn)RNA+D.SDNATriblepolyNt

asRepressor

關(guān)閉基因

但由于D.SDNA的提出而被忽視但因證明LacI產(chǎn)物為Repressor而被忽視

●

1975年P(guān)erlgut

人工合成T.SDNA并證明其

Tm值,沉降系數(shù)(S)

l

1987年Mirkin.S.M

Nature330(495)

證明plasmidDNA在pH=4.3的溶液中,有T.SDNA的存在

●1987年Dervan.MoserScience238(645)

合成S.SDNA+D.SDNA→T.SDNA

實(shí)現(xiàn)DNA的定點(diǎn)切割研究X-rayphotograph

核磁共振→結(jié)構(gòu)功能

繼Davis（1957）后30年第一次證明T.SDNA在生物體內(nèi)的存在

PolyT/ATTTTTTTTTTTAAAAAAAAAAPolyT/ATTTTTTTTTTTAAAAAAAAAATTTTTTTTTTTAAAAAAAAAATTTTTTTTTTTAAAAAAAAAA●D.S.DNA+D.S.DNAT.S.DNA+S.S.DNA6.三鏈DNA(T.S.DNA)

5.2.2DNA的二級(jí)結(jié)構(gòu)5.2DNA的分子結(jié)構(gòu)

●

HomologouspalindromicsequenceinaD.S.DNA-------TTCCCTCTTTCCC------CCCTTTCTCCCTT-------------AAGGGAGAAAGGG---GGGAAAGAGGGAA----

Mirkin(1987)pGG332plasmidDNA

--------TTCCCTCTTTCCC--------

--------AAGGGAGAAAGGG--------

-------TTCCCTCTTTCCC---------

--------AAGGGAGAAAGGG-------

NoduleDNA

HingedDNA

freeDNA

l

S.S.DNA+D.S.DNAT.S.DNA☆

PU+PU/PY(偏堿性介質(zhì)中穩(wěn)定)☆

PY

+PU/PY(偏酸性介質(zhì)中穩(wěn)定)常見類型

第三條鏈位于B-DNA的

Majorgroove中與D.S.DNA一起旋轉(zhuǎn)T.S.DNA可能的功能

a)T.S.DNA可阻止調(diào)節(jié)蛋白與DNA結(jié)合,關(guān)閉基因轉(zhuǎn)錄過程

b)T.S.DNA與基因重組,交換有關(guān)

加入第三條S.S.DNA作為分子剪刀(molecularscissors),

定點(diǎn)切割DNA分子

d)加入反義的第三條鏈(anti-sencepolydNt)終止基因的表達(dá)

e)相反的觀點(diǎn)----T.S.DNA與基因表達(dá)呈正相關(guān)!?

四股螺旋DNA

(tetraplexDNA,TetrableHelixDNA)

發(fā)現(xiàn)

1958.Poly(I)

X-rayphotograph

堿基形成環(huán)狀氫鍵連接結(jié)構(gòu)TetrableHelixDNA均有形成四股螺旋DNA的可能

5’---TTAGGGTTAGGGTTAGGG-3’3’---AATCCCAATCCC-5’

Poly(G),4(dG)

染色體端粒高度重復(fù)的DNA序列(TG)著絲點(diǎn)附近的高度重復(fù)序列

結(jié)構(gòu)特點(diǎn)LinkedbyHoogsteenBondingGGGG2×d(T4G4)2×d(G4C4)

結(jié)構(gòu)特點(diǎn)可能的功能

A穩(wěn)定真核生物染色體結(jié)構(gòu)

B保證DNA末端準(zhǔn)確復(fù)制

C與DNA分子的組裝有關(guān)

D與染色體的meiosis(減數(shù)分裂)&mitosis(有絲分裂)有關(guān)

HoogsteenBonding

5-----TTAGGGTTAGGGTTAGGGT

3-----AATCCCAATCCC

GGG

TA超螺旋:雙螺旋進(jìn)一步扭曲形成的更高層次的空間結(jié)構(gòu)，包括DNA扭曲、超螺旋、多重螺旋和連環(huán)等。1.DNA超螺旋的概述

DNA正常的雙螺旋結(jié)構(gòu)處于能量最低狀態(tài)，雙螺旋中沒有張力而處于松弛狀態(tài)。如果這種正常雙螺旋額外增加或減少螺旋圈數(shù)，就會(huì)使雙螺旋內(nèi)的原子偏離正常的位置而產(chǎn)生張力，這樣正常的雙螺旋就發(fā)生扭曲而形成超螺旋。超螺旋總是向著抵消初級(jí)螺旋改變的方向發(fā)展。5.2DNA的分子結(jié)構(gòu)5.2.3DNA的三級(jí)結(jié)構(gòu)2.DNA超螺旋的特點(diǎn)1）線狀DNA分子

雙螺旋與蛋白質(zhì)結(jié)合后扭曲盤繞而形成螺旋的螺旋結(jié)構(gòu)。5.2.3DNA的三級(jí)結(jié)構(gòu)5.2DNA的分子結(jié)構(gòu)positivesupercoiled2）環(huán)狀DNA分子雙螺旋扭曲而形成麻花狀的超螺旋結(jié)構(gòu)5.2.3DNA的三級(jí)結(jié)構(gòu)5.2DNA的分子結(jié)構(gòu)所有生物的DNA幾乎有5%為NegativeSuperhelix

NegativeSupercoiled

5.2.3DNA的三級(jí)結(jié)構(gòu)5.2DNA的分子結(jié)構(gòu)負(fù)超螺旋：當(dāng)螺旋旋轉(zhuǎn)360?時(shí)，其相應(yīng)堿基對(duì)數(shù)小于10，二級(jí)結(jié)構(gòu)處于松纏狀態(tài)。正超螺旋：當(dāng)螺旋旋轉(zhuǎn)360?時(shí)，其相應(yīng)堿基對(duì)數(shù)大于10，二級(jí)結(jié)構(gòu)處于緊纏狀態(tài)。5.2.3DNA的三級(jí)結(jié)構(gòu)5.2DNA的分子結(jié)構(gòu)InvitroEBinsertedNeg.→Pos.SuperhelixchangeL(linkingNumber)不變T(TwistingNumber)減少

L=T+WW=L-T=正值

DNA向緊縮方向發(fā)展

base

base3.4埃EB7.0埃

base

basebasebase局部DNA的緊縮00.050.1EB/bp16s21sNeg.Pos.

00.050.1l

B-DNA是力學(xué)上穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)（10bp/helix）l

雖交叉數(shù)減少，但需轉(zhuǎn)換為一種應(yīng)力，以維持10bp/helix的螺旋數(shù)，l

應(yīng)力的重新分配或在B-DNA狀態(tài)中保留一單鏈區(qū)或螺旋力將維持B-DNA的右旋結(jié)構(gòu),形成超螺旋

420bpL=42T=42W=0無應(yīng)力狀態(tài)應(yīng)力的分配松開6圈螺旋△L=－6L=36T=36W=0L=36T=42W=-6360o/helix