[临床医学]第02章核酸的结构与功能7.ppt
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1、第二章 核酸的结构和功能,STRUCTURE AND FUNCTION OF NUCLEIC ACID,核 酸(nucleic acid),是以核苷酸为基本组成单位,携带和传递遗传信息并指导蛋白质生物合成的生物大分子。,核酸的研究历史 1868年,瑞士外科医生Fridrich Miescher从脓细胞核中分离到核酸样物质。 1944年,Oswald Avery通过肺炎双球菌转化实验证实了DNA是遗传的物质基础。 1953年 Watson和Crick提出DNA双螺旋结构模型 1981年 Gilbert和Sanger建立DNA 测序方法 1985年 Mullis发明PCR 技术 2001年 美、英
2、等国完成人类基因组计划基本框架,核酸的分类及分布,存在于细胞核和线粒体,分布于细胞核、细胞质、线粒体,(deoxyribonucleic acid, DNA),(ribonucleic acid, RNA),脱氧核糖核酸,核糖核酸,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,核酸组成,一、核苷酸是构成核酸的基本组成单位,元素组成 C、H、O、N、P(910%),碱基(base)是含氮的杂环化合物。,碱基,嘌呤,嘧啶,腺嘌呤,鸟嘌呤,尿嘧啶,胸腺嘧啶,胞嘧啶,存在于DNA和RNA中,仅
3、存在于RNA中,仅存在于DNA中,碱基,嘧 啶(pyrimidine),碱 基,胞嘧啶 (2-氧,4-氨基嘧 啶 ) Cytosine(C),酮式,烯醇式,尿嘧啶(2,4-二氧嘧啶) Uracil(U),胸腺嘧啶(5-甲基尿嘧啶) Thymine(T),嘌 呤(purine),腺嘌呤(6-氨基嘌呤) Adenine(A),鸟嘌呤(2-氨基6-氧嘌呤) Guanine(G),碱基的互变异构体,1.在DNA和RNA中都有胞嘧啶(C),胸腺嘧啶(T)一般只出现在DNA分子中,尿嘧啶(U)则只出现于RNA分子中。,注意,2.存在酮式-烯醇式,氨基-亚氨基异构,3.嘌呤、嘧啶环上由于有共轭双键,在 26
4、0nm波长附近对紫外光有较强的吸收。,戊糖,DNA和RNA的分子组成比较,核糖核苷:AR, GR, UR, CR 脱氧核糖核苷:dAR, dGR, dTR, dCR,连接方式是嘌呤环上的N-9或嘧啶环上的N-1与糖的C-1糖苷键相连。,腺嘌呤核苷(腺苷),胞嘧啶脱氧核苷(脱氧胞苷),顺式和反式核苷: 碱基在核苷上的位置不同,核苷又可分为顺式和反式两种构象.,连接方式是戊糖的游离羟基(主要C-5) 与磷酸发生酯化反应,碱基不同,核糖核苷酸: AMP, GMP, UMP, CMP 脱氧核糖核苷酸: dAMP, dGMP, dTMP, dCMP,磷酸集团数目不同: NMP(nucleoside mo
5、nophosphate) NDP (nucleoside diphosphate) NTP (nucleoside triphosphate),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,能量的载体: ATP,环化核苷酸: cAMP,cGMP,ATP,cAMP,二、DNA是脱氧核苷酸通过3,5-磷酸二酯键连接形成的大分子,一个脱氧核苷酸3的羟基与另一个核苷酸5的-磷酸基团缩合形成磷酸二酯键(phosphodiester bond)。 多个脱氧核苷酸通过磷酸二酯键构成了具有方向性的线性分子,称为多聚脱氧核苷酸(polyd
6、eoxynucleotide),即DNA链。,C,G,A,交替的磷酸基团和戊糖构成了DNA的骨架 (backbone)。,DNA链的方向是5 3,三、RNA也是具有3,5-磷酸二酯键的线性大分子,RNA也是多个核苷酸分子通过酯化反应形成的线性大分子,并且具有方向性;,RNA的戊糖是核糖; RNA的嘧啶是胞嘧啶和尿嘧啶。,四、核酸的一级结构是核苷酸的排列顺序,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。,连接键:磷酸二酯键,核酸的书写方向:53。,5末端的磷酸基团,3 ,5-磷酸二酯键,3末端羟基,书写方法,5 pApCpTpGpCpT-OH 3,5 A
7、 C T G C T 3,目 录,核酸分子大小的表示方法,单链DNA和RNA:碱基数目(base或kb) 双链DNA和RNA:碱基对数目(bp或kbp) 50bp:寡核苷酸,核酸与蛋白质比较 比较项目 蛋白质 核酸 组成单位 氨基酸 核苷酸 连接方式 肽键 磷酸二酯键 一级结构 氨基酸排列顺序 碱基排列顺序 空间结构 二、三、四级 双螺旋 超螺旋 主要功能 所有生命活动 遗传信息的传递和表达,第二节 DNA的空间结构与功能Dimensional Structure and Function of DNA,DNA的空间结构又分为二级结构(secondary structure)和高级结构。,DN
8、A的空间结构(spatial structure),构成DNA的所有原子在三维空间具有确定的相对位置关系。,一、DNA的二级结构是双螺旋结构,(一)DNA双螺旋结构的研究背景,目 录,两条多聚核苷酸链在空间的走向呈反向平行(anti-parallel)。两条链围绕着同一个螺旋轴形成右手螺旋(right-handed)的结构。双螺旋结构的直径为2.37nm,螺距为3.54nm。 脱氧核糖和磷酸基团组成的亲水性骨架位于双螺旋结构的外侧,疏水的碱基位于内侧。 双螺旋结构的表面形成了一个大沟(major groove)和一个小沟(minor groove)。,(二) DNA双螺旋结构模型要点,1.DN
9、A是反向平行、右手螺旋的双链结构,亲水性的骨架位于双链的外侧。 疏水性的碱基位于双链的内侧。,骨架与碱基,2.DNA双链之间形成了互补碱基对,碱基配对关系称为互补碱基对(complementary base pair)。A=T,GC DNA的两条链则互为互补链(complementary strand)。 碱基对平面与螺旋轴垂直。,碱基互补配对: 鸟嘌呤/胞嘧啶,碱基互补配对: 腺嘌呤/胸腺嘧啶,大沟与小沟,相邻两个碱基对会有重叠,产生了疏水性的碱基堆积力(base stacking interaction)。维持DNA纵向结构的稳定性 碱基之间形成的氢键维系DNA横向结构的稳定性。,3.疏水
10、作用力和氢键共同维系着DNA双螺旋结构的稳定。,碱基堆积作用力,(三)DNA双螺旋结构的多样性,DNA的右手螺旋并不是自然界DNA唯一存在的方式。右手螺旋结构是在生理盐水溶液中提取的DNA的结构,目前将这种结构称为B-DNA。 1979年,Alexander Rich发现了左手螺旋,称为Z-DNA,另外也有A-DNA的存在。,目 录,B型:低盐高湿度92%) A型: 高盐低湿度 (75%)11对碱基,大沟较深, 小沟较浅 Z型: 左手螺旋 12对碱基 大沟消失 小沟变浅 比较细长,三种DNA构型的比较,(四)DNA的多链螺旋结构,在酸性的溶液中,胞嘧啶的N-3原子被质子化,可与鸟嘌呤的N-7原
11、子形成氢键;同时,胞嘧啶的N-4的氢原子也可与鸟嘌呤的O-6形成氢键,这种氢键被称为Hoogsteen氢键。,Hoogsteen氢键,Hoogsteen氢键,不破坏Watson-Crick氢键,由此形成了CGC的三链结构(triplex)。,三链结构,鸟嘌呤之间通过Hoogsteen氢键形成特殊的四链结构(tetraplex)。,四链结构,真核生物DNA3-末端是富含GT的多次重复序列,因而自身形成了折叠的四链结构。,二、DNA的高级结构是超螺旋结构,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
12、) 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。,(一)原核生物DNA的环状超螺旋结构,原核生物DNA多为环状,以负超螺旋的形式存在,平均每200碱基就有一个超螺旋形成。,DNA超螺旋结构的电镜图象,(二)真核生物DNA的高度有序和高度致密的结构,真核生物DNA以非常有序的形式存在于细胞核内。 在细胞周期的大部分时间里,DNA以松散的染色质(chromatin)形式存在,在细胞分裂期,则形成高度致密的染色体(chromosome)。,DNA染色质呈现出的串珠样结构。 染色质的基本单位是核小体(nucleosome)。,DN
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- 临床医学 02 核酸 结构 功能
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