核酸的结构与功能-1上课用.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,内 容,核酸的化学组成及一级结构（,1,）,DNA,的空间结构与功能（,1,，,2,）,RNA,的结构与功能 （,2,）,核酸的理化性质 （,3,）,核酸酶 （,3,）,要求,掌握：,常见核苷酸的结构、,符号,和性质。,DNA,和,RNA,的,分子组成,。核酸分子中核苷酸的,连接方式,、键的,方向性,，核酸的,一级结构及其表示法,；,DNA,的二级结构的特点,什么是核酸?,核酸是遗传信息物质,核酸研究的历史和重要性,1869年,，瑞士科学家,Miescher,在外科绷带上脓细胞的,细胞核,中分离出了一 种含,磷酸,很高的,酸性化合物,，因 存在 于 核 中，故命名为核素（,nuclein）,1889年,，,Altmann,制备了不含蛋白质的核酸制品，首先使用了,核酸(,nucleic acid),这个名称。,核酸的研究历史和重要性,1944,Avery,等通过肺炎球菌转化试验证明,DNA,是遗传物质,1953,Watson,和,Crick,提出,DNA,结构的双螺旋模型,，这是核酸发展史上的,重要里程碑,1958,Crick,提出遗传信息传递的,中心法则,70年代 建立,DNA,重组技术,80年代以后 分子生物学、分子遗传学等学科突飞猛进发展，实施,人类基因组计划（,HGP）,肺炎球菌转化实验,肺炎球菌有许多不同的菌株，但只有,光滑型,(S),菌株能引起人的肺炎和小鼠的败血症,。这种菌株的细菌细胞外面有多糖类的胶状荚膜保护层，使它们不会被宿主的防御机制所破坏。当这种细菌生长在合成培养基上时，每个细菌长成一个明亮、光滑的菌落。其他一些菌株没有荚膜，不会引起疾病，长成,粗糙型,(R),菌落,。英国卫生部病理学实验室的,Fred Griffith,发现,(1928),，将高温杀死的,S,型细菌和活的,R,型细菌一起注入小鼠体内，结果不仅有许多小鼠死于败血症，而且从,死鼠血液中还发现了活的,S,型细菌,。,如果注入小鼠体内的只是活的,R,型细菌，或是死的,S,型细菌，都不会引起败血症。这说明，,高温杀死的,S,型细菌使某些活的,R,型细菌转化成,S,型细菌,。,S,型细菌有一种物质或转化因素进入了,R,型细菌，引起,R,型细菌发生了稳定的遗传变异。,艾弗里,(Osward Avery),等人,(1944),从,S,型细菌中分别抽提出,DNA,、蛋白质和荚膜物质，并把每一种成分同活的,R,型细菌混合，悬浮在合成培养液中。结果发现只有,DNA,组分能够把,R,型细菌转变成,S,型细菌。,而且,DNA,的纯度越高，这种转化的效率也越高。这说明，一种基因型细胞的,DNA,进入另一种基因型的细胞后，可引起稳定的遗传变异，,DNA,赋有特定的遗传特性。,早期的研究仅将核酸看成是细胞中的一种成分，后逐步证明核酸中含有戊糖，磷酸和碱基，是一种线状聚合物。,第一节,核酸的化学组成及一级结构,一、核酸的化学组成,1.,元素组成,C,、,H,、,O,、,N,、,P,（,910%,）,2.,分子组成,核酸,核苷酸,核苷,磷酸,碱基,戊糖,A G,C U T,嘌呤,嘧啶,核糖,脱氧核糖,核苷酸是核酸的基本组成单位,碱基、核苷、核苷酸的概念和关系,碱基,戊糖,HOCH,2,H,OH,脱氧核糖,(in DNA),HOCH,2,HO,OH,核糖,(in RNA),磷酸,嘧啶,胞嘧啶,胸腺嘧啶,尿嘧啶,C,U,T,嘌呤,腺嘌呤,鸟嘌呤,A,G,（一）戊 糖,（构成,RNA,）,1,2,3,4,5,核糖,(ribose),（构成,DNA,）,脱氧核糖,(deoxyribose),嘌呤,(purine),腺嘌呤,(adenine,A),鸟嘌呤,(guanine,G),（二）碱 基,嘧啶,(pyrimidine),胞嘧啶,(cytosine,C),尿嘧啶,(uracil,U),胸腺嘧啶,(thymine,T),胺式亚胺式互变异构,酮式烯醇式互变异构,稀有碱基,嘌呤,次黄嘌呤、,1-,甲基次黄嘌呤、,N,2,、,N,2,-,二甲基鸟嘌呤。,嘧啶,5-,甲基胞嘧啶、,5-,羟甲基胞嘧啶、,二氢尿嘧啶、,4-,巯尿嘧啶,核酸中也存在一些不常见的稀有碱基。稀有碱基的种类很多，都是基本碱基的,化学修饰型,，大部分是上述碱基的,甲基化产物,。,核苷：,AR,GR,UR,CR,脱氧核苷：,dAR,dGR,dTR,dCR,（三）核苷,(ribonucleoside),的形成,碱基戊糖核苷,连接部位：戊糖,-1,，,碱基,-,嘌呤,9/,嘧啶,1,连接方式：,C-N,糖苷键,1,1,核苷酸：,AMP,GMP,UMP,CMP,脱氧核苷酸：,dAMP,dGMP,dTMP,dCMP,（四）核苷酸,(ribonucleotide),核苷（脱氧核苷）和磷酸以,磷酸酯键,连接形成核苷酸（脱氧核苷酸）。,5,-,NMP,5,-,NDP,5,-,NTP,N=,A,、,G,、,C,、,U,5,-,dNMP,5,-,dNDP,5,-,dNTP,N=,A,、,G,、,C,、,T,腺苷酸及其多磷酸化合物,AMP,Adenosine,monophosphate,ADP,Adenosine,diphosphate,ATP,Adenosine,triphosphate,体内重要的游离核苷酸及其衍生物,辅酶和辅基,含核苷酸的生物活性物质：,NAD,+,、,NADP,+,、,CoA-SH,、,FAD,等都含有,AMP,ATP,，,G,T,P,第二信使环化核苷酸,:,cAMP,，,cGMP,cAMP,生物体内分布最广和最重要的一种核苷酸衍生物。,（,1,）,ATP(,腺嘌呤核糖核苷三磷酸,),ATP,的性质,是重要的能量转换中间体,ATP,含两个高能磷酸键：水解时 可释放大量自由能，推动体内各种需能反应。,ATP,也是磷酰化剂：磷酰化的底物具较高能量（活化分子），是许多生物化学反应的激活步骤,。,(2)GTP(,鸟嘌呤核糖核苷三磷酸,),生物体内游离存在，也是一种高能化合物,具有类似,ATP,的结构,主要是作为蛋白质合成中磷酰基供体,在许多情况下,ATP,和,GTP,可以相互转换,（,3,）,cAMP,和,cGMP,cAMP,3,5,环腺嘌呤核苷一磷酸,cGMP,3,5-,环鸟嘌呤核苷一磷酸,第二信使,cAMP,和,cGMP,的环状磷酯键是一个高能键：,pH 7.4,时水解能约为,43.9 kJ/mol,，比,ATP,水解能高得多。,5,端,3,端,二、,DNA,是脱氧核苷酸通过,-,磷酸二酯键连接形成的大分子,上一个核苷酸戊糖,，,位的羟基与下,一个核苷酸,戊糖,位的磷酸以磷酸二酯键连接形成多核苷酸链，即以,-,磷酸二酯键,连接。,C,G,A,脱,H,2,O,脂键相连,3,，,5-,磷酸二酯键,3,5,三、,RNA,也是具有,-,磷酸二酯键,的线性大分子,OH,OH,OH,5,3,5,端,3,端,四、核酸的一级结构是核苷酸的排列顺序,定义,核酸分子中核苷酸的连接方式以及核苷酸的排列顺序。,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,。,主链,：戊糖磷酸骨架位于外侧,侧链：,碱基对位于内侧,方向,：,3,5,端,3,端,C,G,A,DNA,一级结构的表示法,5,3,结构式,5,3,p,p,p,p,OH,3,A,C,T,G,1,线条式,5,ACTGCATAGCTCGA,3,字母式,核苷酸顺序又称,碱基顺序,DNA,一级结构的意义,DNA,虽然只是由于四个碱基的变化形成的四种核苷酸按照一定的顺序排列起来，但值得注意的是，,DNA,的碱基顺序本身就是遗传信息存储的分子形式。,生物界物种的多样性即寓于,DNA,分子中四种核苷酸千变万化的不同排列组合之中。,例如，一个由,N,个脱氧核糖核苷酸组成的,DNA,会有,4,N,个可能的组合，提供了巨大的遗传信息编码潜力。,RNA,的一级结构,RNA,分子中各核苷酸之间的连接方式（,3,-5,磷酸二酯键,）和排列顺序叫做,RNA,的一级结构,OH,OH,OH,5,3,RNA,与,DNA,一级结构的差异,DNA,RNA,糖,脱氧核糖 核糖,碱基,AGCT AGCU,不含稀有碱基 含稀有碱基,第二节,DNA,的空间结构与功能,DNA,的二级结构,-,双螺旋结构,DNA,双螺旋结构的研究背景和历史意义,DNA,双螺旋结构模型要点,DNA,双螺旋结构的多样性,DNA,的多链螺旋结构,一、核酸的二级结构是双螺旋结构,（一）,DNA,的二级结构,双螺旋结构,（一）,DNA,双螺旋结构的研究背景,碱基组成分析,Chargaff,规则：,A,=,T,G,C,碱基的理化数据分析,A-T,、,G-C,以,氢键,配对较合理,DNA,纤维的,X-,线衍射图谱分析,Chargaff,规则,腺嘌呤与胸腺嘧啶的摩尔数相等，鸟嘌呤与胞嘧啶的摩尔数相等，即：,A=T，G=C,不同生物种属的,DNA,其碱基组成不同,同一个体不同器官、不同组织的,DNA,具有相同的碱基组成。,碱基组成不受生长发育、营养状况及环境条件的影响,.,提示：,A,与,T，G,与,C,之间可能以互补的方式存在。,（二）,DNA,双螺旋结构模型要点,（,Watson,Crick,1953,）,两条,DNA,单链分子,反向平行,环绕，,右手螺旋走向，,表面,大沟与小沟相间。,螺旋直径为,2,nm,，,主链：戊糖 磷酸骨架位于外侧,侧链：碱基对位于内侧,碱基平面垂直于螺旋轴,碱基距：,0.34nm,；,螺距,：,3.,5,4nm,；,周长：,10,.,5,对碱基。,碱基形成,氢键,配对,，配对形式为：,A=T;G,C,）,碱基互补配对,T,A,C,G,（二）,DNA,双螺旋结构模型要点,（,Watson,Crick,1953,）,稳定因素：,氢键,维持,横向稳定性,碱基堆积力,维持,纵向稳定性,其他作用因素,碱基堆积力,形成疏水环境（主要因素）。,碱基配对的,氢键,。,GC,含量越多，越稳定。,磷酸基上的负电荷与介质中的阳离子或组蛋白的正离子之间形成,离子键,，中和了磷酸基上的负电荷间的斥力，有助于,DNA,稳定。,碱基处于双螺旋内部的疏水环境中，可免受水溶性活性小分子的攻击。,2,、稳定双螺旋结构的因素,DNA,的双螺旋模型 特点,两条反向平行；右手螺旋的双链结构,大沟和小沟相间排列,骨架：磷酸和脱氧核糖，位于外侧；碱基,:,位于内侧,链间碱基按,A=T，G=C,配对,螺距 3,.4 nm,每圈包含10,.5,个碱基对,疏水作用和氢键共同维持,DNA,双螺旋结构的稳定性,该模型揭示了,DNA,作为遗传物质的稳定性特征，最重要的是确认了,碱基配对,原则，这,是,DNA,复制、转录和反转录的分子基础，亦是遗传信息传递和表达的分子基础,。,DNA,的双螺旋结构模型的意义,（三）,DNA,双螺旋结构的多样性,DNA,的类型,类型 结晶状态 螺距 碱基距离 每圈 旋转,(nm)(nm)bp,数 方向,A,相对湿度,75%2.8 0.256 11,右手,DNA,钠盐,B,相对湿度,92%,3.4 0.34 10,右手,DNA,钠盐,C,相对湿度,66%3.1 0.332 9.3,右手,DNA,锂盐,Z d(GCGCGC)4.44 0.37 12,左手,B,DNA,双螺旋的不同构象,（四）,DNA,的多螺旋结构,三股螺旋,DNA,K.,Hoogsteen 1963,通常是一条同型寡核苷酸与寡嘧啶核苷酸,-,寡嘌呤核苷酸双螺旋的大沟结合：,oligo(Py):oligo(Pu)oligo(Py/Pu),DNA,三链间的碱基配对,DNA,分子内的三链结构,多聚嘌呤,多聚嘧啶,DNA,分子间的三链结构,