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第 七 章核酸的结构和功能核酸的结构和功能Structure and Function of Structure and Function of Nucleic AcidNucleic Acid一、核酸的发现和研究工作进展一、核酸的发现和研究工作进展 1868年年 Fridrich Miescher从脓细胞中提取“核素”从脓细胞中提取“核素”1944年年 Avery等人等人证实DNA是遗传物质证实DNA是遗传物质 1953年年 Watson和和Crick发现DNA的双螺旋结构发现DNA的双螺旋结构 1968年年 Nirenberg发现发现遗传密码遗传密码 1975年年 Temin和和Baltimore发现发现逆转录酶逆转录酶 1981年年 Gilbert和和Sanger建立建立DNA 测序方法测序方法 1985年年 Mullis发明发明PCR 技术技术 1990年 美国启动年 美国启动人类基因组计划人类基因组计划(HGP)1994年 中国人类基因组计划启动年 中国人类基因组计划启动 2001年 美、英等国年 美、英等国完成人类基因组计划基本框架完成人类基因组计划基本框架1916-1928-1916-University of London London,Great Britain Harvard University Cambridge,MA,USA Institute of Molecular Biology Cambridge,Great Britain Great Britain USA Great Britain Maurice Hugh Frederick Wilkins James Dewey Watson Francis Harry Compton Crick for their discoveries concerning the molecular structure of nucleic acids and its significance for information transfer in living material The Nobel Prize in Physiology or Medicine 1962The Nobel Prize in Physiology or Medicine 1965for their discoveries concerning genetic control of enzyme and virus synthesis 1910-19761902-19941920-Institut Pasteur Paris,France Institut Pasteur Paris,France Institut Pasteur Paris,France France France France Jacques MonodAndre MichellwoffFrancois Jacob 1927-1922-1922-1993National Institutes of Health Bethesda,MD,USA University of Wisconsin Madison,WI,USA Cornell University Ithaca,NY,USA USA USA USA Marshall W.NirenbergHar Gobind KhoranaRobert W.HolleyThe Nobel Prize in Physiology or Medicine 1968 for their interpretation of the genetic code and its function in protein synthesis 核 酸核 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。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。核酸核酸(Nucleic Acid)是一种主要位于细胞核内的生物大分子，其充当着生命遗传信息的携带和传递。核酸可以分为脱氧核糖核酸(DNA,Deoxyribonucleic Acid)以及核糖核酸(RNA,Ribonucleic Acid)。DNA分子含有生物物种的所有遗传信息，为双链分子，其中大多数是链状结构大分子，也有少部分呈环状结构，分子量一般都很大。RNA主要是负责DNA遗传信息的翻译和表达，为单链分子，分子量要比DNA小得多。核酸的单体结构为核苷酸。每一个核苷酸分子有三部分组成：一个含氮碱基，一个戊糖和一个磷酸基。由含氮碱基和戊糖组成的结构叫做核苷。含氮碱基是两种母体分子嘌呤和嘧啶的衍生物。组成核酸的碱基有五种，分别是：腺嘌呤、鸟嘌呤、胞嘧啶、胸腺嘧啶、尿嘧啶。核苷酸核苷酸（nucleotide）是核苷和磷酸结合的化学物质，其中核苷一磷酸是有代表性的一系列品种。多个核苷酸连接成锁状的物质叫聚核苷酸，核苷酸也是构成DNA和RNA的单位，生物的细胞中都存在。核苷酸的作用核苷酸的作用来于生物的几乎所有的食品都含有微量的核苷酸以及其结合物聚核苷酸、DNA、RNA等核酸。摄取后可作为在体内有效合成RNA、DNA的材料利用。摄取较多核苷酸，对提高免疫调节功能、抗疲労、抗老化、抑制肿瘤(癌)、提高记忆、抑制过敏、改善粗糙皮肤等效果。脱氧核糖核酸脱氧核糖核酸（DNA，Deoxyribonucleic acid），又称去氧核糖核酸去氧核糖核酸，是染色体的主要化学成分，同时也是组成基因的材料。有时被称为“遗传微粒”，因为在繁殖过程中，父代把它们自己DNA的一部分复制传递到子代中，从而完成性状的传播。严格的说，DNA是由两条单链像葡萄藤那样相互盘绕成双螺旋形，根据螺旋的不同分为A型DNA，B型DNA和Z型DNA，沃森与克里克所发现的双螺旋，是称为B型的水结合型DNA，在细胞中最为常见。这种核酸高聚物是由核苷酸链接成的序列，每一个核苷酸都由一分子脱氧核糖，一分子磷酸以及一分子碱基组成。DNA有四种不同的核苷酸结构，它们是腺嘌呤（adenine，缩写为A），胸腺嘧啶（thymine，缩写为T），胞嘧啶（cytosine，缩写为C）和鸟嘌呤（guanine，缩写为G）。在双螺旋的DNA中，分子链是由互补的核苷酸配对组成的，两条链依靠氢键结合在一起。由于氢键键数的限制，DNA的碱基排列配对方式只能是A对T或C对G。因此，一条链的碱基序列就可以决定了另一条的碱基序列，因为每一条链的碱基对和另一条链的碱基对都必须是互补的。在DNA复制时也是采用这种互补配对的原则进行的：当DNA双螺旋被展开时，每一条链都用作一个模板，通过互补的原则补齐另外的一条链。DNA是大分子高分子聚合物，DNA溶液为高分子溶液，具有很高的粘度。DNA对紫外线有吸收作用，当核酸变性时，吸光值升高；当变性核酸可复性时，吸光值又会恢复到原来水平。温度、有机溶剂、酸碱度、尿素、酰胺等试剂都可以引起DNA分子变性，即使得DNA双键间的氢键断裂，双螺旋结构解开。DNA及其结构的发现DNA及其结构的发现早在19世纪，人们就发现了核苷酸的化学成分。1943年，奥斯瓦德西奥多艾弗里证明了DNA携带有遗传信息，并认为DNA可能就是基因。詹姆斯沃森和佛朗西斯克里克于1957年进一步的研究揭示了DNA制造蛋白质的原理。分子生物学由此诞生。核糖核酸核糖核酸（RNA，即Ribonucleic Acid)，存在于生物细胞以及部分病毒、类病毒中的遗传信息载体。RNA由核糖核苷酸经磷酯键缩合而成长链状分子。一个核糖核苷酸分子由磷酸，核糖和碱基构成。RNA的碱基主要有4种，即A腺嘌呤，G鸟嘌呤，C胞嘧啶，U尿嘧啶。其中，U（尿嘧啶）取代了DNA中的T胸腺嘧啶而成为RNA的特征碱基。与DNA不同，RNA一般为单链长分子，不形成双螺旋结构，但是很多RNA也需要通过碱基配对原则形成一定的二级结构乃至三级结构来行使生物学功能。RNA的碱基配对规则基本和DNA相同，不过除了A-U、G-C配对外，G-U也可以配对。在细胞中，根据结构功能的不同，RNA主要分三类，即tRNA（转运RNA）,rRNA（核糖体RNA）,mRNA（信使RNA）。mRNA是合成蛋白质的模板，内容按照细胞核中的DNA所转录；tRNA是mRNA上碱基序列（即遗传密码子）的识别者和氨基酸的转运者；rRNA是组成核糖体的组分，是蛋白质合成的工作场所。在病毒方面，很多病毒只以RNA作为其唯一的遗传信息载体（有别于细胞生物普遍用双链DNA作载体）。1982年以来，研究表明，不少RNA具有催化生化反应过程的活性，即具有酶的活性，这类RNA被称为核酶（ribozyme）。20世纪90年代以来，又发现了RNAi（RNA interference，RNA干扰）等现象，证明RNA在基因表达调控中起到重要作用。二、核酸的分类及分布二、核酸的分类及分布分布于细胞核，线粒体，叶绿体，质粒等。分布于胞核、胞液。分布于细胞核，线粒体，叶绿体，质粒等。分布于胞核、胞液。(deoxyribonucleic acid,DNA)(ribonucleic acid,RNA)脱氧核糖核酸核糖核酸脱氧核糖核酸核糖核酸携带遗传信息，决定细胞和个体的基因型携带遗传信息，决定细胞和个体的基因型(genotype)。参与细胞内。参与细胞内DNA遗传信息的表达。某些病毒遗传信息的表达。某些病毒RNA也可作为遗传信息的载体。也可作为遗传信息的载体。第一节核酸的化学组成及其一级结构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核酸的化学组成核酸的化学组成1.元素组成1.元素组成C、H、O、N、P（910%）2.分子组成）2.分子组成碱基碱基(base)：嘌呤碱，嘧啶碱)：嘌呤碱，嘧啶碱戊糖戊糖(ribose)：核糖，脱氧核糖磷酸(：核糖，脱氧核糖磷酸(phosphate)核苷酸核苷酸-核酸的组成单位核酸的组成单位嘌呤嘌呤(purine)NNNHN123456789NNNHNNH2腺嘌呤腺嘌呤(adenine,A)NNHNHNNH2O鸟嘌呤鸟嘌呤(guanine,G)碱 基碱 基9NNH132456嘧啶嘧啶(pyrimidine)胞嘧啶胞嘧啶(cytosine,C)NNHNH2O尿嘧啶尿嘧啶(uracil,U)NHNHOO胸腺嘧啶胸腺嘧啶(thymine,T)NHNHOOCH31戊 糖戊 糖（构成（构成RNA）1 2 3 4 5 OHOCH2OHOHOH核糖核糖(ribose)（构成（构成DNA）OHOCH2OHOH脱氧核糖脱氧核糖(deoxyribose)核苷：核苷：AR,GR,UR,CR脱氧核苷：脱氧核苷：dAR,dGR,dTR,dCR一.核苷酸的结构一.核苷酸的结构1.核苷核苷(ribonucleoside)的形成的形成碱基和核糖（脱氧核糖）通过碱基和核糖（脱氧核糖）通过糖苷键糖苷键连接形成核苷（脱氧核苷）。连接形成核苷（脱氧核苷）。OHOCH2OHOHNNNH2O1 1POOOHOHOCH2OHOHNNNH2OOHOCH2OHOHNNNH2O核苷酸：核苷酸：AMP,GMP,UMP,CMP脱氧核苷酸：脱氧核苷酸：dAMP,dGMP,dTMP,dCMP2.核苷酸核苷酸(ribonucleotide)的结构与命名的结构与命名核苷（脱氧核苷）和磷酸以核苷（脱氧核苷）和磷酸以磷酸酯键磷酸酯键连接形成核苷酸（脱氧核苷酸）。连接形成核苷酸（脱氧核苷酸）。嘌呤核苷酸嘌呤核苷酸根据碱基分类嘧啶核苷酸核苷一磷酸（NMP）根据碱基分类嘧啶核苷酸核苷一磷酸（NMP）根据所含磷酸基分类核苷二磷酸（NDP）核苷三磷酸（NTP）核糖核苷酸根据所含磷酸基分类核苷二磷酸（NDP）核苷三磷酸（NTP）核糖核苷酸根据核糖分类dNMP脱氧核糖核苷酸dNDPdNTP根据核糖分类dNMP脱氧核糖核苷酸dNDPdNTP3、体内重要的游离核苷酸及其衍生物、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：含核苷酸的生物活性物质：NAD+、NADP+、CoA-SH、FAD等都含有等都含有AMP?多磷酸核苷酸：多磷酸核苷酸：NMP，NDP，NTP?环化核苷酸:环化核苷酸:cAMP，cGMPNOCH2OOHOHNNNNH2POOHOHAMPAMPNOCH2OOHOHNNNNH2POOHOPOOHOHADPADPNOCH2OOHOHNNNNH2POOHOPOOHOPOOHOHATPATPNOCH2OOHONNNNH2POOHcAMPcAMPNADP+NAD+5端端3端端4、多核苷酸链4、多核苷酸链CGA核苷酸之间以核苷酸之间以磷酸二酯键磷酸二酯键连接形成连接形成多核苷酸链多核苷酸链，即核酸。，即核酸。分子链的开头部分称为3端而结尾部分称为5端，这些数字表示脱氧核糖中的碳原子编号。二、核酸的一级结构二、核酸的一级结构定义定义核酸中核苷酸的排列顺序。（核酸中核苷酸的排列顺序。（碱基序列）碱基序列）。5端5端3端端CGA DNA的一级结构：DNA的一级结构：由dAMP、dGMP、dCMP、dTMP四种脱氧核苷一磷酸按照一定的排列顺序，通过3-5磷酸二酯键连接形成的多聚脱氧核苷酸链结构。核苷酸序列(碱基序列)。DNA一般由两条核苷酸链组成。由dAMP、dGMP、dCMP、dTMP四种脱氧核苷一磷酸按照一定的排列顺序，通过3-5磷酸二酯键连接形成的多聚脱氧核苷酸链结构。核苷酸序列(碱基序列)。DNA一般由两条核苷酸链组成。RNA的一级结构：RNA的一级结构：由AMP、GMP、CMP、UMP四种核苷一磷酸按照一定排列顺序通过3-5磷酸二酯键连接形成的多聚核苷酸链结构。RNA一般为单链。由AMP、GMP、CMP、UMP四种核苷一磷酸按照一定排列顺序通过3-5磷酸二酯键连接形成的多聚核苷酸链结构。RNA一般为单链。第二节第二节DNA的空间结构与功能的空间结构与功能Dimensional Structure and Function of DNA一、一、DNA的二级结构的二级结构双螺旋结构双螺旋结构（一）（一）DNA双螺旋结构的研究背景双螺旋结构的研究背景碱基组成分析碱基组成分析Chargaff 规则：规则：A=T G C嘌呤碱嘌呤碱=嘧啶碱嘧啶碱碱基的理化数据分析碱基的理化数据分析A-T、G-C以氢键配对较合理以氢键配对较合理DNA的的X-线衍射图谱分析线衍射图谱分析Franklin,Rosalind Elsie(1920-58)British biophysicist.Born in London,she was educated in physical chemistry at Newnham College,Cambridge.Franklin conducted X-ray diffraction studies on the structure of the DNA molecule,the carrier of hereditary information,while working in the laboratory of British biophysicist Maurice Wilkins.This work enabled American biochemist James Dewey Watson and the British Francis Crick to determine the helical structure of the DNA molecule.James Watson(left)and Francis Crick（二）（二）DNA双螺旋结构模型要点双螺旋结构模型要点（Watson,Crick,1953）?两条两条脱氧核苷酸链，脱氧核苷酸链，反向平行，右手螺旋反向平行，右手螺旋。磷酸-脱氧核糖骨架在外侧，螺旋直径 为 2。磷酸-脱氧核糖骨架在外侧，螺旋直径 为 2nm。大 沟。大 沟(major groove)和小沟和小沟(minor groove)。（二）（二）DNA双螺旋结构模型要点双螺旋结构模型要点（Watson,Crick,1953）?两链间两链间碱基碱基通过通过氢键配对氢键配对（A=T;G C）；碱基对垂直螺旋轴居双螺旋内側。螺距）；碱基对垂直螺旋轴居双螺旋内側。螺距3.4nm，10bp/圈。圈。碱基互补配对碱基互补配对T TA AGGC C（二）（二）DNA双螺旋结构模型要点双螺旋结构模型要点（Watson,Crick,1953）?氢键氢键维持双链维持双链横向稳定性横向稳定性，碱基堆积力碱基堆积力维持双链维持双链纵向稳定性纵向稳定性。（三）（三）DNA双螺旋结构的多样性双螺旋结构的多样性 DNA的类型的类型类型结晶状态螺距碱基距离每圈旋转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bp数方向A 相对湿度75%2.8 0.256 11右手右手DNA钠盐B 相对湿度钠盐B 相对湿度92%3.4 0.34 10右手右手DNA钠盐C 相对湿度钠盐C 相对湿度66%3.1 0.332 9.3右手右手DNA锂盐Z 锂盐Z d(GCGCGC)4.44 0.37 12左手左手