第04章核酸之2.ppt

第二章 核酸,§2.2 核酸的化学组成,一、元素组成,组成核酸的元素有C、H、O、N、P等，与蛋白质比较，其组成上有两个特点：一是核酸一般不含元素S，二是核酸中P元素的含量较多并且恒定，约占 911%。因此，核酸定量测定的经典方法，是以测定P含量来代表核酸量。,二、核酸的化学组成和命名,（一）核酸的水解 核酸经水解可得到很多核苷酸，因此核苷酸是核酸的基本单位。,核酸就是由很多单核苷酸聚合形成的多聚核苷酸； 核苷酸可被水解产生核苷和磷酸； 核苷还可再进一步水解，产生戊糖和含氮碱基。,(二) 核酸水解产物的结构,(1) 核苷酸中的碱基均为含氮杂环化合物， 它们分别属于嘌呤衍生物和嘧啶衍生物。 核苷酸中的嘌呤碱基(purine)主要是: 鸟嘌呤(guanine, G) 腺嘌呤(adenine, A) 嘧啶碱基(pyrimidine)主要是: 胞嘧啶(cytosine, C) 尿嘧啶(uracil, U) 胸腺嘧啶(thymine,T)。,碱基的结构式如下图所示 :,（嘌呤）,（嘧啶）,(2) 核酸中五种碱基中的酮基和氨基，均位于碱基环中氮原子的邻位，可以发生酮式-烯醇式或氨基-亚氨基之间的结构互变。这种互变异构在基因的突变和生物的进化中具有重要作用。,尿嘧啶,胞嘧啶,有些核酸中还含有修饰碱基(modified component)或稀有碱基（unusual component），这些碱基大多是在上述嘌呤或嘧啶碱的不同部位被甲基化 (methyla-tion) 或进行其它的化学修饰而形成的衍生物。一般这些碱基在核酸中的含量稀少，在各种类型核酸中的分布也不均一。DNA中的修饰碱基主要见于噬菌体DNA，如5-甲基胞嘧啶 (m5C)，5-羟甲基胞嘧啶 hm5C；RNA中以tRNA含修饰碱基最多，如1-甲基腺嘌呤 (m1A)，2, 2-二甲基鸟嘌呤 (m22G) 和5, 6-二氢尿嘧啶 (DHU) 等。,(3) 嘌呤和嘧啶环中含有共轭双键，对260 nm左右波长的紫外光有较强的吸收。碱基的这一特性常被用来对碱基、核苷、核苷酸和核酸进行定性和定量分析.,2、戊糖,核酸中的戊糖有核糖 (ribose) 和脱氧核糖 (deoxyribose) 两种，分别存在于核糖核苷酸和脱氧核糖核苷酸中。为了与碱基标号相区别，通常将戊糖的C原子编号都加上“ ”，如C1表示糖的第一位碳原子。核糖的结构如下：,3、核苷,戊糖与嘧啶或嘌呤碱以糖苷键连接就称为核苷，通常是戊糖的C1与嘧啶碱的N1或嘌呤碱的N9相连接。,（三）核苷酸及其衍生物的结构,核苷酸由无机磷酸、戊糖和含氮碱基三部分。,1、核苷酸的结构式,2、脱氧核苷酸的结构式,ADP、ATP是生物体中重要的能量转换体。 ddNTP在DNA的序列测定中使用。,3、（脱氧)核苷二磷酸、(脱氧)核苷三磷酸、双脱氧核苷酸的结构,4、环化核苷酸cAMP、cGMP：被称为第二信使，有放大激素的作用。,5、辅酶：NAD+、NADP+等是核酸的衍生物，在物质代谢和能量代谢中起重要作用。,NAD+：R=H NADP+：R=PO32-,第二章 核酸,§2.3 核酸的分子结构,一、DNA一级结构,1、概念：构成DNA的脱氧核苷酸按照一定的排列顺序，通过3,5-磷酸二酯键相连形成的线形结构。,2、阅读和书写均由5 3 （1）线条式书写,（2）字母式书写 5 -pApCpGpTpAOH-3 5 -ACGTA-3,3、一级结构的测定(测序),Sanger提出用双脱氧核苷酸测定DNA一级结构的双脱氧末端终止法使他于1980年第二次获得了Nobel化学奖。,双脱氧末端终止法测序原理如下图：,二、DNA的二级结构,上世纪20年代，Levene研究了核酸的化学结构并提出四核苷酸假说；40年代末，Avery,Hershey和Chase的实验严密地证实了DNA就是遗传物质；50年代初，Chargaff应用紫外分光光度法结合纸层析等简单技术，对多种生物DNA作碱基定量分析，发现DNA碱基组成有如下规律：,（一）DNA的碱基组成（Chargaff法则）,不同生物来源的DNA四种碱基比例关系,同一生物的不同组织的DNA碱基组成相同； 同一种生物DNA碱基组成不随生物体的年龄、营养状态或者环境变化而改变； 几乎所有的DNA，无论种属来源如何，其腺嘌呤摩尔含量与胸腺嘧啶摩尔含量相同A =T，鸟嘌呤摩尔含量与胞嘧啶摩尔含量相同G =C，总的嘌呤摩尔含量与总的嘧啶摩尔含量相同AG=CT。 不同生物来源的DNA碱基组成不同，表现在AT/GC比值的不同。这些结果后来为DNA的双螺旋结构模型提供了一个有力的佐证。,DNA碱基组成规律（Chargaff规则）：,（二） DNA的二级结构双螺旋结构,Watson, Crick （1953）在Chargaff法则及Wilkins, Franklin的X线衍射工作基础上提出DNA的双螺旋（double helix）结构模型,James Watson，Francis Crick以及 Maurice Wilkins三人因此发现共同获得了1962年的Nobel医学和生理学奖,两条反向平行的多核苷酸链围绕同一中心轴相互缠绕进行右手螺旋。 碱基位于双螺旋内侧，磷酸和戊糖相间排列组成骨架，位于外侧。 螺旋平均 d2 nm，碱基堆积距离0.34 nm，相邻核苷酸之间夹角为36，每旋转一周包含10碱基对(base pair，bp)，每周高度3.4 nm。,1、DNA双螺旋的基本特征,两条链的碱基之间互补配对方式为：AT, CG。 双螺旋表面有大沟（major groove）和小沟（minor groove）： 大沟：宽1.2 nm，深0.85 nm 小沟：宽0.6 nm，深0.75 nm,碱基配对的结构,DNA结构双螺旋结构的提出，被认为是本世纪生命科学史最重要的贡献之一，同时也是自然科学史上的重大贡献。它直接解释了生物遗传信息的传递与表达的规律，使生命科学从此进入一个崭新的时代即分子生物学时代。,2、DNA双螺旋结构的稳定因素,碱基堆积力 链间氢键 疏水作用 其它次级键：离子键，范德华力,(三) DNA二级结构的多态性,所谓DNA二级结构的多态性，是指DNA不仅具有多种形式的双螺旋结构，而且还能形成三链、四链结构，说明DNA的结构是动态的，而不是静态的。核酸的构型的多样性是由于核酸主干链上各键和碱基的旋转造成的，而多链的DNA是特定的碱基序列导致的结果。,1. DNA双螺旋的不同构型,B-DNA螺旋：标准的 Watson, Crick双螺旋，细胞 正常状态下DNA存在的构型。 (2) A-DNA螺旋：DNA在75%相对湿度的钠盐中的构型。 (3) C-DNA螺旋：DNA在66%相对湿度的锂盐中的构型。 (4) Z-DNA螺旋：左手的DNA螺旋，这种螺旋可能在基 因表达或遗传重组中起作用。, 与DNA碱基顺序相关的特殊二级结构,(1) 回文序列 所谓回文序列就是指DNA某一片段旋转180° 后,顺序不变的序列，回文序列中的单链可形成发夹结构。双链可形成十字架结构。这种发夹结构或十字架结构在大肠杆菌细胞DNA中已有发现.,核酸分子中的回文序列,单链的回文序列可形成发卡结构,双链回文序列可形成十字架结构,（2） 镜象结构,所谓镜象结构就是指DNA某一片段在一条链上出现颠倒重复的序列。,多嘌呤-多嘧啶的镜象序列可形成三螺旋结构(H-螺旋或 Hoogsteen 螺旋): 该螺旋常处在许多真核细胞基因的表达调节区。可能与基因表达的调节有关。,3、三链与四链DNA：可能存在于真核细胞染色体特殊部位 和结构中，如端粒。,三、 DNA 的三级结构和真核细胞 DNA的组装,(一) DNA的三级结构: 超螺旋,双螺旋DNA进一步扭曲盘绕则形成其三级结构，超螺旋是DNA三级结构的主要形式。 自从1965年Vinograd等人发现多瘤病毒的环形DNA的超螺旋以来，现已知道绝大多数原核生物都是共价封闭环(covalently closed circle,CCC)分子，这种双螺旋环状分子再度螺旋化成为超螺旋结构(superhelix或supercoil)。,有些单链环形染色体(如×174)或双链线形染色体(如噬菌体 )，在其生活周期的某一阶段，也必将其染色体变为超螺旋形式。对于真核生物来说，虽然其染色体多为线形分子但其DNA均与蛋白质相结合，两个结合点之间的 DNA 形成一个突环(loop)结构，类似于CCC分子，同样具有超螺旋形式。 超螺旋按其方向分为正超螺旋和负超螺旋两种。真核生物中，DNA与组蛋白八聚体形成核小体结构时，存在着负超螺旋。研究发现，所有的DNA超螺旋都是由DNA拓扑异构酶产生的。,(二) 真核细胞染色体的组装,染色体的基本结构单位是核小体。核小体是由DNA和组蛋白组成的。, 组蛋白有五种，H2A,H2B,H3,H4 各两分子构成一个八聚体，其外再由双螺旋DNA绕其旋转1.75圈(为DNA的三级结构)，约含140 bp 。称为核小体的核心颗粒(core particle)。两个核心颗粒之间由一段双螺旋DNA链(约60 bp)相连，称为连接部。组蛋白H1结合在此部位。若干个核小体再螺旋形成核小体纤维，再进一步螺旋化形成染色体。从双螺旋DNA到染色体，DNA总共压缩了约800010000倍。,核小体结构如图所示:, 由6个核小体念珠绕成 30 nm 纤维 (fiber),染色体组装的层次,