核酸結(jié)構(gòu)與性質(zhì)

核酸結(jié)構(gòu)與性質(zhì)第1頁/共39頁DOMINANTTRAITRECESSIVETRAIT(Allelictoleftcolumn)1.Browneyes（褐色眼睛）

2.PTCtaster

3.Widow‘sPeak(美人尖)

4.Middigitalhair

5.Tongueroller（卷舌）

6.Detachedearlobe（耳垂）

7.AandBbloodtype(codominant)

8.Rhpositivebloodtype

9.Patternbaldness(dominantinmales)Blueeyes(morecomplex,simplifiedhere)

PTCnontaster

LackWidow’speak

Hairlessmiddigits

Cannotrolltongue

Attachedearlobe

TypeObloodtype

Rhnegativebloodtype

Patternbaldness(recessiveinfemales)HUMANHERITABLETRAITS:人類可遺傳特征http:///fankhauser/Labs/BioLab_112/Human_Genetics.html褐色眼睛美人尖卷舌第2頁/共39頁生命，生物大分子，組成單元第3頁/共39頁一,核酸的發(fā)現(xiàn)和組分確定1869年FriedrichMiescher從白細(xì)胞（leucocyte）細(xì)胞核中分離出含磷酸性分子，命名為核素（nuclein）。蛋白酶無法降解然后轉(zhuǎn)到Eggandsalmonspermcell（鮭魚精細(xì)胞）P2O5含量22.5%（實(shí)際22.9%），所有磷原子均以磷酸鹽的形式存在。發(fā)現(xiàn)酸性性質(zhì)。不可通過羊皮紙（parchmentpaper），表明是個(gè)大分子。C29H49N9P3O22XFriedrichMiescher第4頁/共39頁1889年Altman命名為Nucle?ns?ure”(nucleicacid，核酸)Kossel&Levene等確定核酸的的組分（Kossel1910年NobelPrize)：“四核苷酸假說”：核酸由四種核苷酸組成的單體構(gòu)成的，缺乏結(jié)構(gòu)方面的多樣性。Theprocessesoflifearelikeadrama,andIamstudyingtheactors,nottheplot.Therearemanyactors,anditistheircharacterswhichmakethisdrama.Iseektounderstandtheirhabits,theirpeculiarities.Thereisstillalongwaytogofromaconsiderationofindividualfragmentsoftheapparatustoanunderstandingofitsmodeofaction.—AlbrechtKosselnitrogen-richgroups:carbohydratemolecule:phosphoricacid=1:1:1Albrecht

Kossel第5頁/共39頁二、核酸的組成成分核酸nucleicacid核苷酸nucleotide核苷nucleoside磷酸phosphate嘌呤堿purinebase

或嘧啶堿pyrimidinebase（堿基base）核糖ribose

或脫氧核糖deoxyribose

（戊糖pentose）第6頁/共39頁（一）核糖和脫氧核糖OHOH2COHOHOH12OHOH2COHOH12β-D-2-核糖β-D-2-脫氧核糖O核糖+H+糠醛甲基間苯二酚FeCl3綠色產(chǎn)物Δ脫氧核糖+H+

Δω-羥基-γ-酮戊醛二苯胺藍(lán)色產(chǎn)物RNA和DNA定性、定量測定第7頁/共39頁（二）嘌呤堿和嘧啶堿NNNNHHHH123456789嘌呤purine(purumuricum)GermanchemistEmilFischerin1884NNNNHHHHNH2腺嘌呤adenine（A）NNNNHHHHOH2N鳥嘌呤guanine（G）1885，InGreek,“aden”=gland=腺1844，guano=excretaofseabirds=海鳥糞第8頁/共39頁嘧啶（Pyrimidine)123456NNHHHHONNHHHHNH2OH胞嘧啶Cytosine（C）NNHHHHOOHH尿嘧啶uracil（U）NNHHHHOHHCH3胸腺嘧啶thymine（T）1894，fromcalfthymus=胸腺Greekwordθυμ??(thumos),meaningheart,soul,desire,lifeGreek:cyto=cells,cell,hollow=細(xì)胞Latin:water,rain,wet;urine=尿第9頁/共39頁稀有堿基（unusualbase，minorbase）第10頁/共39頁（三）核苷：是一種糖苷，由戊糖和堿基縮合而成。OHOH2COHOHOH1′2′3′4′5′核糖NNNNHHHH9腺嘌呤胸苷OHOH2COHOHOH1′2′3′4′5′核糖NNOOHHH尿嘧啶H1尿苷OHOH2COHOH1′2′3′4′5′核糖NCOONHHH51OH假尿苷（ψ）要點(diǎn)：β-糖苷鍵，也稱為N-C鍵或N-糖苷鍵。

堿基與糖環(huán)平面平面互相垂直，X射線衍射法證明。第11頁/共39頁（四）核苷酸的結(jié)構(gòu)OOH2COHOHOH1′2′3′4′5′核糖NNNNHHHH9腺嘌呤胸苷PO--O—O‖胸苷-5′-磷酸AMPOPO--O—O‖~ADPATPP

O--O—O‖~第12頁/共39頁第13頁/共39頁（五）細(xì)胞內(nèi)游離存在的多磷酸核苷酸1.環(huán)化核苷酸：信號(hào)分子cAMP:重要的第二信使cGMP第14頁/共39頁2.輔酶類核苷酸:CoA,

NAD,NADP,FAD,FMN)第15頁/共39頁煙酰胺腺嘌呤二核苷酸(NicotinamideadeninedinucleotideNAD),煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(NicotinamideadeninedinucleotideNADP),第16頁/共39頁黃素腺嘌呤二核苷酸(FAD,flavinadeninedinucleotide)黃素單核苷酸(Flavinmononucleotide,FMN)第17頁/共39頁3.在體內(nèi)能量代謝中的作用：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ATP第18頁/共39頁Avery–MacLeod–McCartyexperiment肺炎鏈球菌轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)Hershey–ChaseexperimentT2噬菌體感染實(shí)驗(yàn)蛋白酶和核酸酶處理方法同位素標(biāo)記S和P原子DNA,而不是蛋白質(zhì)是遺傳物質(zhì)It'slotsoffuntoblowbubblesbutit'swisertoprickthemyourselfbeforesomeoneelsetriesto.-OswaldAvery第19頁/共39頁二，核酸的一級(jí)結(jié)構(gòu)（primarystructure)（共價(jià)結(jié)構(gòu)）一級(jí)結(jié)構(gòu)是指核酸分子中核苷酸的排列順序及連接方式。核苷算的排列順序代表了遺傳信息。核苷酸的排列順序：3′，

5′-磷酸二酯鍵核酸的基本結(jié)構(gòu)形式：多核苷酸鏈

信息量：4n

末端：5′-端，3′-端多核苷酸鏈的方向：5′端3′端（從左至右），堿基順序（Basesequence)表示法：結(jié)構(gòu)式，線條式，文字縮寫。RNA:5′3′，不是5′2′。第20頁/共39頁一級(jí)結(jié)構(gòu)表示法：第21頁/共39頁三，DNA的二級(jí)結(jié)構(gòu)（secondarystructure)（雙螺旋結(jié)構(gòu)，doublehelix）為什么研究高級(jí)結(jié)構(gòu)？復(fù)制和遺傳的基礎(chǔ)依據(jù)：1）已知核酸化學(xué)結(jié)構(gòu)和核苷酸鍵長與鍵角的數(shù)據(jù)；

2）Chargaff發(fā)現(xiàn)的DNA堿基組成規(guī)律，顯示堿基間的配對(duì)關(guān)系；A=T,G=C;A+C(含氨基的堿基）=G+T(含酮基的堿基);A+G(含嘌呤的堿基）=C+T(含嘧啶的堿基）。

3）對(duì)DNA纖維進(jìn)行X射線衍射分析獲得的精確結(jié)構(gòu)。種屬特異性第22頁/共39頁P(yáng)hoto51DNA是

(1)螺旋的；(2)反向平行的雙螺旋結(jié)構(gòu)；(3)磷酸骨架在外面，而堿基在里面。RosalindFranklinRosalindFranklinUniversityofMedicineandScienceTMVstructureX-射線衍射分析第23頁/共39頁雙螺旋結(jié)構(gòu)模型要點(diǎn)：（1）兩條多核苷酸鏈反向平行，兩條鏈均為右手螺旋。（2）堿基內(nèi)側(cè)，A與T、G與C配對(duì)，分別形成3和2個(gè)氫鍵。（3）雙螺旋每轉(zhuǎn)一周有10個(gè)bp，螺距3.4nm，直徑2nm。（4）一條鏈的核苷酸排列順序決定另一條鏈的順序：互補(bǔ)關(guān)系。第24頁/共39頁“Thedoublehelixisindeedaremarkablemolecule.Modernmanisperhaps50,000yearsold,civilizationhasexistedforscarcely10,000yearsandtheUnitedStatesforonlyjustover200years;butDNAandRNAhavebeenaroundforatleastseveralbillionyears.Allthattimethedoublehelixhasbeenthere,andactive,andyetwearethefirstcreaturesonEarthtobecomeawareofitsexistence.”—FrancisCrick(1916–2004).Astructurethisprettyjusthadtoexist.—JamesWatson,TheDoubleHelix,1968第25頁/共39頁DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定因素１．互補(bǔ)堿基之間的氫鍵；２．ＤＮＡ分子中堿基的堆積可以使堿基締合，此力稱作堿基堆積力是ＤＮＡ分子雙螺結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的主要作用力；３．磷酸基的負(fù)電荷與介質(zhì)中的陽離子的正電荷之間形成的離子鍵。它可以減少ＤＮＡ分子雙鍵間的靜電斥力，因而對(duì)ＤＮＡ分子雙螺旋結(jié)構(gòu)也有一定的穩(wěn)定作用；4.螺旋槳狀扭曲（propellertwisting):配對(duì)堿基間的角度提高堆積力。第26頁/共39頁DNA雙螺旋的構(gòu)象類型B-DNA：92%相對(duì)濕度，接近細(xì)胞內(nèi)的DNA構(gòu)象，與Watson和Crick提出的模型相似。A-DNA：75%相對(duì)濕度，與溶液中DNA-RNA雜交分子的構(gòu)象相似，推測轉(zhuǎn)錄時(shí)發(fā)生B→A。其堿基平面傾斜20°，螺距與每一轉(zhuǎn)堿基對(duì)數(shù)目都有變化。Z-DNA：主鏈呈鋸齒型左向盤繞，直徑約1.8nm，螺距4.5nm，每一轉(zhuǎn)含12個(gè)bp，只有小溝,左手螺旋。B-DNA與Z-DNA的相互轉(zhuǎn)換可能和基因的調(diào)控有關(guān)。H-DNA：三股螺旋（H-palindromesequence)。ABZH第27頁/共39頁五，超螺旋DNA雙鏈環(huán)狀DNA:細(xì)菌，質(zhì)粒，細(xì)胞器，某些病毒DNA.L=T+WL=linkingnumber(連環(huán)數(shù)）；T=twistingnumber(扭轉(zhuǎn)數(shù)），W=writhingnumber(纏繞數(shù)，超螺旋數(shù)）DNA的三級(jí)結(jié)構(gòu)是指DNA分子（雙螺旋）通過扭曲和折疊所形成的特定構(gòu)象，包括不同二級(jí)結(jié)構(gòu)單元間的相互作用，單鏈與二級(jí)結(jié)構(gòu)單元間的相互作用以及DNA的拓?fù)涮卣?。擬核（nucleoid)第28頁/共39頁真核生物染色體DNA多級(jí)螺旋模型壓縮倍數(shù)76405（8400）

DNA→核小體→螺線管→超螺線管→染色單體

2nm10nm30(10)nm400nm2~10μm

一級(jí)包裝二級(jí)包裝三級(jí)包裝四級(jí)包裝

核小體(Nucleosome)第29頁/共39頁（二）rRNA占細(xì)胞RNA總量的80%，與蛋白質(zhì)共同組成核糖體。原核生物（Pr.34%)

真核生物(Pr.40%)核糖體rRNA核糖體rRNA70S（30S、50S）16S、5S、23S80S（40S、60S）18S、5S、5.8S、28S

Stem:莖，局部雙螺旋Loop:環(huán)，局部單鏈第30頁/共39頁RNA的高級(jí)結(jié)構(gòu)第31頁/共39頁遺傳（Heredity)是什么？種瓜得瓜,種豆得豆：Asamansows,soheshallreap.

Heredityisthepassingoftraitstooffspring(fromitsparentorancestors).一、背景資料核酸的化學(xué)第32頁/共39頁DOMINANTTRAITRECESSIVETRAIT(Allelictoleftcolumn)1.Browneyes（褐色眼睛）

2.PTCtaster

3.Widow‘sPeak(美人尖)

4.Middigitalhair

5.Tongueroller（卷舌）

6.Detachedearlobe（耳垂）

7.AandBbloodtype(codominant)

8.Rhpositivebloodtype

9.Patternbaldness(dominantinmales)Blueeyes(morecomplex,simplifiedhere)

PTCnontaster

LackWidow’speak

Hairlessmiddigits

Cannotrolltongue

Attachedearlobe

TypeObloodtype

Rhnegativebloodtype

Patternbaldness(recessiveinfemales)HUMANHERITABLETRAITS:人類可遺傳特征http:///fankhauser/Labs/BioLab_112/Human_Genetics.html褐色眼睛美人尖卷舌第33頁/共39頁核酸的發(fā)現(xiàn)和組分確定1869年FriedrichMiescher從白細(xì)胞（leucocyte）細(xì)胞核中分離出含磷酸性分子，命名為核素（nuclein）。蛋白酶無法降解然后轉(zhuǎn)到Eggandsalmonspermcell（鮭魚精細(xì)胞）P2O5含量22.5%（實(shí)際22.9%），所有磷原子均以磷酸鹽的形式存在。發(fā)現(xiàn)酸性性質(zhì)。不可通過羊皮紙（parchmentpaper），表明是個(gè)大分子。C29H49N9P3O22XFriedrichMiescher第34頁/共39頁CHNOPS:AtomicNO.18761516第35頁/共39頁1889年Altman命名為Nucle?ns?ure”(nucleicacid，核酸)Kossel&Levene等確定核酸的的組分（Kossel1910年NobelPrize)：“四核苷酸假說”：核酸由四種核苷酸組成的單體構(gòu)成的，缺乏結(jié)構(gòu)方面的多樣性。Theprocessesoflifearelikeadrama,andIamstudyingtheactors,nottheplot.Therearemanyactors,anditistheircharacterswhi