第二章-核酸的结构与功能-2

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。

核酸研究的发展简史及过程




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。 1968年 Nirenberg发现遗传密码。 1975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)。 1994年 中国人类基因组计划启动。 2001年 美英等国完成人类基因组计划。
目录

戊糖
CH2 5´ O OH HO CH2 O OH
HO
4´ 3´
OH
1´ 2´
OH OH
核糖(ribose) （构成RNA）
脱氧核糖(deoxyribose) （构成DNA）

脱氧核苷
NH2 N
N
HOH2C O H H H
N
N
OH
H
H
糖苷键
反式脱氧腺苷
嘌呤N-9 或嘧啶N-1与脱氧核糖C-1通过β-N-糖 苷键相连形成脱氧核苷(deoxyribonucleoside)。
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
核酸 (DNA和RNA) 核苷酸 磷酸 戊糖 核糖 脱氧核糖 核苷和脱氧核苷 碱基 嘌呤 嘧啶
目录
一、核苷酸是构成核酸的基本组成单位
分子组成
碱基(base)：嘌呤碱，嘧啶碱
戊糖(ribose)：核糖，脱氧核糖 磷酸(phosphate)

碱基 碱基(base)是含氮的杂环化合物。
腺嘌呤
嘌呤 碱基 嘧啶 鸟嘌呤 存在于DNA和RNA中
胞嘧啶
尿嘧啶 胸腺嘧啶 仅存在于RNA中 仅存在于DNA中
目录
NH2
嘌呤(purine，Pu)
目录

核酸的分类、分布及功能 存在于细胞核和线粒体 携带遗传信息，并通过复制传递 给下一代。
脱氧核糖核酸 (deoxyribonucleic acid, DNA)
核糖核酸 (ribonucleic acid, RNA)
分布于细胞核、细胞质、线粒体
是DNA转录的产物，参与遗传信 息的复制与表达。某些病毒RNA 也可作为遗传信息的载体
3´,5´-磷酸二酯键
O
P O-
O
碱基
O
P O-
O
CH 2 O H H OH
3´-羟基
目录
H H H
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。
目录
5′端
一个脱氧核苷酸3的羟基与另一个核苷酸
5 的 α- 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(polydeoxynucleotide)，即DNA链。
5´-末端
C
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。
N
N
N 7 8 9 NH
NH
5 4
6 3 N
1N 2
腺嘌呤(adenine, A)
O N
N
NH
NH
鸟嘌呤(guanine, G)
N
NH2
嘧啶(pyrimidine，Py)
5 4 N
O
NH
6 1 NH
NH2
3 2
NH
O
尿嘧啶(uracil, U)
O H3C
N
Βιβλιοθήκη BaiduNH
NH
NH
O
O
胞嘧啶(cytosine, C)
目录

核苷
N
NH2 N N 9 N
糖苷键
CH2OH O H
H OH H 2'
1'
H H
嘌呤N-9或嘧啶N-1与核糖C-1通过β-N-糖苷 键相连形成核苷(ribonucleoside)。
目录
O

核苷酸(ribonucleotide)
NH2
酯键
O
N N O
N
9 N
糖苷键
HO P O CH 2 O
-
H
H
OH
' 1 H H 2'
OH
核苷或脱氧核苷与磷酸通过酯键结合构成核苷酸 (ribonucleotide)或脱氧核苷酸(deoxyribonucleotide)。
目录
核苷酸
磷 酸
碱 基
戊糖
目录

多磷酸核苷酸
5′-磷酯键
N
NH 2
N
N O -O O O O O
N

P O-

P O-

P O-
O
磷酸二酯键
A
磷酸二酯键 G
3´-末端
目录
5´-磷酸基团
OO P OH O CH 2 O H O
碱基
DNA链的方向是5 → 3
H H H
O O P OH O CH2 H
碱基
核酸方向
O H H H
交替的磷酸基团和戊 糖 构 成 了 DNA 的 骨 架 (backbone)。
O
碱基
CH2 O H H H H H
第2章
核酸的结构与功能
Structure and Function of Nucleic Acid
目录
本章主要内容 1. 核酸的化学组成及一级结构 2. DNA的空间结构与功能 3.RNA的结构与功能 4.核酸的理化性质、变性和复性 5.核酸酶 6.核酸的研究技术
目录
什么是核酸？
1869年核酸最早分离自外科绷带脓细胞的细胞核， 当时发现这种物质含磷量之高超过当时发现的任 何一种有机物，并且含有很强的酸性，故得名核 酸。 1909年其组成被研究清楚，1944年生物功能初 步澄清，在X射线衍射技术支持下1953年结构澄 清。 核酸是脱氧核糖核酸（DNA）与核糖核酸（RNA） 的通称。
胸腺嘧啶(thymine, T)
RNA
碱基
胞嘧啶 C
DNA
嘧啶环
尿嘧啶 U
腺嘌呤 A
胸腺嘧啶 T
鸟嘌呤 G
嘌呤环
目录
稀有碱基
• 嘌呤——次黄嘌呤、1-甲基次黄嘌呤、 N2、N2-二甲基鸟嘌呤。 • 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 • 都是基本碱基的化学修饰型。

碱基堆积作用力
C.双螺旋结构的稳定因素
DNA双螺旋在生理状态下十分稳定，结构不发生变化。
提问：起稳定作用的有哪些力呢？
答案：疏水作用力（主要） （又称碱基堆积力） 氢键
范德华力
（三）DNA双螺旋结构的多样性
目录

三种DNA构型的比较
旋向 螺距 碱基数 螺旋直径 (nm) （每圈） （nm） 骨架 走行 存在条件
目录

不同生物来源DNA碱基组分和相对比例
A G 24.9 34.9 18.3 21.2 20.7 19.9 C 25.2 35.4 17.4 21.2 20.7 19.9 T 23.9 14.6 32.6 28.7 29.1 30.1 A/T 1.09 1.03 0.97 1.01 1.02 1.01 G/C 0.99 0.99 1.05 1.00 1.00 1.00 G+C 50.1 70.3 35.7 42.4 41.4 39.8 嘌呤/嘧啶 1.04 1.00 1.00 1.01 1.01 1.01
四、核酸的一级结构是 核苷酸的排列顺序
定义
C
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。
3′端
A
G

书写方法：
A G T G C T
5 P
P
P
P
P
P
OH 3
5 pApGpTpGpCpT-OH 3
5 A G T G C T 3
核酸分子的大小常用碱基(base或kilobase)数目 来表示。 小 的 核 酸 片 段 (<50bp) 常 被 称 为 寡 核 苷 酸
目录
（一）DNA双螺旋结构的研究背景
Chargaff 规则

不同生物种属的DNA的碱基组成不同
同一个体的不同器官或组织的DNA碱基组成 相同。
[A] = [T]，[G] = [C]

获得了高质量的DNA分子的X射线衍射照片。 提出了DNA分子双螺旋结构(double helix)模型。
大肠杆菌 结核杆菌 酵母 牛 猪 人
26.0 15.1 31.7 29.0 29.8 30.4
目录
B.二级结构—B型双螺旋结构
1.反向、平行、右手螺旋 2.链间碱基配对相连 3.每10个碱基对螺旋上升一 周 4.一条链为主动链，另一条 为被动链；
5`
3`
小沟
大沟 3` 5`
• 大 部 分 DNA 所 具 有 的 双 螺 旋 结 构 ， 亦 称为B型
G G
G G
H O
N H
G-四链体
鸟嘌呤之间通过Hoogsteen氢键形成特殊 的四链结构(tetraplex)。
目录
G T G
T T
真核生物DNA3-末端 是富含GT的多次重复序
T G T T 5'
目录
T T
G
列，因而自身形成了折叠 的四链结构。
T G
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。
CH 2 H H OH
O H H H
脱氧腺嘌呤核苷 脱氧腺嘌呤一磷酸 (dAMP) 脱氧腺嘌呤二磷酸 (dADP) 脱氧腺嘌呤三磷酸 (dATP)
目录

核苷酸衍生物
环化核苷酸：cAMP、cGMP，是细胞信 号转导中的第二信使。
NH2 N O CH2 N O N N
cAMP
O P OH O OH
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
A型 右手
2.3
11
2.5
平滑
体外脱水
B型 右手
Z型 左手
3.4
4.5
10
12
2.3
1.8
平滑
锯齿型
DNA生理条件
CG序列
目录
（四）DNA的多链螺旋结构

Hoogsteen氢键 可与鸟嘌呤的 N-7 原子形成氢键；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。
在酸性的溶液中，胞嘧啶的 N-3 原子被质子化，
Hoogsteen 氢键，不破坏 Watson-Crick 氢键， 由此形成了C＋GC的三链结构(triplex)。
目录

三链结构
目录

四链结构
H N N H H N N N N N O H H N N O H H H N N O N N N H N N N N N H
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)。

骨架与碱基
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。
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)。 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
3.疏水作用力和氢键共同维系着DNA双螺旋 结构的稳定。
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)。 碱基堆积力和互补碱基对的氢键共同维系着 DNA结构的稳定。
目录
（二） DNA双螺旋结构模型要点
1.DNA是反向平行、右手螺旋的双链结构 两条多聚核苷酸链在空间的走向呈反向平行 (antiparallel) 。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。
(oligonucleotide) 。自然界中的 DNA 和 RNA 的
长度可以高达几十万个碱基。

DNA和RNA的区别 核酸 DNA RNA
碱基 G、C、A、T G、C、A、U
核糖
脱氧核糖 核糖
第二节 DNA的空间结构与功能
Dimensional Structure and Function of DNA

DNA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。 DNA 的空间结构又分为二级结构 (secondary structure)和高级结构。
目录
一、DNA的二级结构是双螺旋结构
• DNA 一 股 的核苷酸 序列与另 一股的序 列互补 （A-T、 G-C）。