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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,*,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,*,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,*,目 录,目 录,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,*,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,*,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,*,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,*,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,*,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,*,CHAPTER 2,核酸的结构和功能,生 物 化 学,Biochemistry,Structure and Function of Nucleic Acid,核 酸,(Nucleic Acid),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。,核酸的生物功能:,DNA,是主要的遗传物质,RNA,参与蛋白质的生物合成,RNA,具有多功能性,一、核酸的发现和研究工作进展,1868,年,Fridrich Miescher,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,1965,年,Nirenberg,发现,遗传密码,1970,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),1999,年 中国人类基因组计划启动(,1%,),2001,年 美、英等国,完成人类基因组计划基本框架,Francis Crick,James Watson,Oswald Avery,肺炎球菌的转化作用实验,第一节,核酸的化学组成及其一级结构,The Chemical Component and Primary Structure of Nucleic Acid,一、核酸的化学组成,1.,元素组成,C,、,H,、,O,、,N,、,P,(,910%,),2.,分子组成,碱基,(base),:嘌呤碱,嘧啶碱,戊糖,(pentose),:核糖,脱氧核糖,磷酸,(phosphate),嘌呤,(purine),腺嘌呤,(adenine,A),鸟嘌呤,(guanine,G),碱 基,嘧啶,(pyrimidine),胞嘧啶,(cytosine,C),尿嘧啶,(uracil,U),胸腺嘧啶,(thymine,T),碱基的互变异构,酮式烯醇,C=O C-OH,N N,氨基亚氨基,C-NH,2,C=NH,2,+,+,HN HN,受介质,pH,影响,戊 糖,(构成,RNA,),1,2,3,4,5,D-,核糖,(ribose),(构成,DNA,),D-2-,脱氧核糖,(deoxyribose),H,核苷酸,磷酸,核苷,核糖或脱氧核糖,碱基,嘧啶,:,胞嘧啶,(C),尿嘧啶,(U),胸腺嘧啶,(T),嘌呤,:,腺嘌呤,(A),鸟嘌呤,(G),戊糖,核苷酸的组成,核苷:,AR,GR,UR,CR,脱氧核苷:,dAR,dGR,dTR,dCR,二、核苷酸的结构,1.,核苷,(ribonucleoside),的形成,碱基和核糖(脱氧核糖)通过,糖苷键,连接形成核苷(脱氧核苷)。,1,1,核苷酸:,AMP,GMP,UMP,CMP,脱氧核苷酸:,dAMP,dGMP,dTMP,dCMP,2.,核苷酸,(Ribonucleotide),的结构与命名,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)。,磷脂键,糖苷键,体内重要的游离核苷酸及其衍生物,多磷酸核苷酸:,NMP,,,NDP,,,NTP,AMP,ADP,ATP,体内重要的游离核苷酸及其衍生物,多磷酸核苷酸:,NMP,,,NDP,,,NTP,环化核苷酸,:,cAMP,,,cGMP,cAMP,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,,,cGMP,NADP,+,NAD,+,5,端,3,端,3.,核苷酸的连接,核苷酸之间以,磷酸二酯键,连接形成多核苷酸链,即核酸。,C,G,A,三、核酸的一级结构,定义,核酸中核苷酸的排列顺序。,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,。,结构式,A,G,P,5,P,T,P,G,P,C,P,T,P,OH 3,书写方法,5,p,A,p,C,p,T,p,G,p,C,p,T,-,OH,3,5,A C T G C T,3,A C T G C T,线条式,字母式,第二节,DNA,的空间结构与功能,Dimensional Structure and Function of DNA,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,的超螺旋结构及其在染色质中的组装,DNA,的超螺旋结构,原核生物,DNA,的高级结构,DNA,在真核生物细胞核内的组装,DNA,的功能,一、,DNA,的二级结构,-,双螺旋结构,(一),DNA,双螺旋结构的研究背景和历史意义,已知核酸化学结构,核苷酸键长和键角数据,暗示,A,与,T,,,G,与,C,相互配对的可能性,碱基组成分析,Chargaff,规则,:,A,=,T,G,=,C,DNA,纤维的,X-,线衍射图谱分析,Watson-Crick,双螺旋模型,(手绘草图),DNA,双螺旋结构发现的历史意义:,揭示了生物体遗传信息储存及表达的分子机制,开创了现代分子生物学,是生物学发展史上的里程碑,(二),DNA,双螺旋结构模型要点,(,Watson&Crick,1953,),DNA,分子由两条,相互平行但方向相反,的脱氧多核苷酸链组成,两链以,-,脱氧核糖,-,磷酸,-,为骨架,以,右手螺旋,方式绕同一公共轴盘。,螺旋直径,为,2.4,nm,,形成,大沟,(,major groove,),及,小沟,(minor groove),相间。,The Nobel Prize in Physiology or Medicine 1962(1953),Watson&Crick,2.4 nm,3.54nm,(二),DNA,双螺旋结构模型要点,(,Watson,Crick,1953,),碱基垂直螺旋轴居双螺旋内側,与对側碱基形成,氢键配对,(互补配对形式:,A=T;G,C,)。,相邻碱基平面距离,0.34nm,,螺旋一圈,螺距,3.54nm,,一圈,10.5,个碱基对,。,3.54 nm,碱基互补配对,(二),DNA,双螺旋结构模型要点,(,Watson,Crick,1953,),氢键,维持双链,横向稳定性,,,碱基堆积力,维持双链,纵向稳定性,。,3.54 nm,所谓的碱基堆积力是指在,DNA,双螺旋结构中,,碱基对,平面垂直于中心轴,层叠于双螺旋的内侧,相邻疏水性碱基在旋进中彼此堆积在一起相互吸引形成的作用力。,(三),DNA,双螺旋结构的多样性,不同类型的,DNA,,其功能亦不同,与基因表达的调节调控有关。,(四),DNA,的多链螺旋结构,Watson-Crick,氢键,Hoogsteen,氢键,非经典,DNA,结构,十字形,DNA,叁链,DNA,四链,DNA,滑动,DNA,二、,DNA,超螺旋结构及在染色质中的组装,(一),DNA,的超螺旋结构,超螺旋结构,(superhelix,或,supercoil),DNA,双螺旋链再盘绕即形成超螺旋结构。,正超螺旋,(positive supercoil),盘绕方向与,DNA,双螺旋方同相同,负超螺旋,(negative supercoil),盘绕方向与,DNA,双螺旋方向相反,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。,拓扑学:,研究物体变形后仍然保留下来的结构特征,(二)原核生物,DNA,的高级结构,(三),DNA,在真核生物细胞核内的组装,真核生物染色体由,DNA,和蛋白质构成,其基本单位是,核小体,(nucleosome),。,核小体的组成,DNA,:,约,200bp,组蛋白:,H1,H2A,,,H2B,H3,H4,Histone octamer,:,two molecules each of histones H2A,H2B,H3,H4,(,1,),H2A,、,H2B,、,H3,和,H4,各两分子组成组蛋白八聚体,构成核心组蛋白。双螺旋,DNA(146bp),以左手超螺旋的方式绕核心颗粒,1.75,圈,缠绕在核心组蛋白表面,构成核心颗粒。两端各有,11bp,与,H1,结合,形成完整的核小体连接区,DNA,(平均,55bp,)将相邻的核小体连接。,核小体是所有真核生物染色质结构中的重复结构单位。,The model of the solenoid(,螺线管,),核小体链可进一步盘绕成,30 nm,染色质纤丝,每圈,6,个核小体。,30nm,染色体螺旋管的模型,(,引自,Griffiths,et al,1999),(,3,)扭曲成突环(,Loop,)附着在非组蛋白组成的支架(,scaffold,),约含,75kb DNA,核小体,链(,11nm,每个核小体,200bp,),突环(,150nm,每个突环大约,75000bp,),玫瑰花结,(,300nm,6,个突环),螺旋圈,(,700nm,每圈,30,个玫瑰花),DNA,(,2nm,200bp,),纤丝(,30nm,每圈,6,个核小体),染色体,(,1400nm,每个染色体含,10,个玫瑰花),DNA,核小体,螺线管,超螺线管,染色单体,压缩,7,倍,压缩,6,倍,压缩,40,倍,压缩,5,倍,共计压缩,8400,倍,(一),贮存遗传信息,DNA,分子中,A,、,T,、,C,、,G,四种碱基 的排列顺序中 蕴藏 着遗传信息。,(二)复制,DNA-DNA,(三)表达,1.,转录,:,DNA-RNA,翻译,:mRNA-,多肽链,三、,DNA,的功能,三、基因,(gene),的介绍,DNA,的是以,基因,的形式荷载遗传信息,并作为基因复制和转录的模板。它是生命遗传的物质基础,也是个体生命活动的信息基础。,基因从结构上定义,,是指,DNA,分子中的特定区段,其中的核苷酸排列顺序决定了基因的功能。,
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