生物化学课件：核酸的结构与功能

DNA的二級結構（secondary structure） 是指構成DNA的多聚去氧核苷酸鏈之間 通過鏈間氫鍵捲曲而成的構象。
1953年，Watson-Crick提出的雙螺旋模型。
DNA的結構，發 表於《自然》 171卷 (1953)737-738 頁上的插圖
DNA的雙螺旋結構
右手螺旋
• 右手性的定義示意圖。大姆指指向軸向，其他 四指由掌根向指尖方向表示螺旋轉動方向。
• cAMP屬於放大激素作用信號，cGMP屬於縮小激素作用 信號。這兩種環核苷酸在細胞代謝過程中其重要的調節作 用。
• 目前已知，許多激素（第一信使）是通過cAMP (第二信 使)而發揮其功能的。
• 另外，cAMP也參與大腸桿菌中DNA轉錄的調控。
第三節
DNA的分子結構 Molecular Structure of DNA
二、核酸的發現和研究工作進展
1868年 Fridrich Miescher從膿細胞中提取“核素” 20年後 R.Altmann分離到不含蛋白質的核酸 1944年 Avery等人證實DNA是遺傳物質 1953年 Watson和Crick發現DNA的雙螺旋結構 1968年 Nirenberg發現遺傳密碼 1975年 Temin和Baltimore發現逆轉錄酶 1981年 Gilbert和Sanger建立DNA測序方法 1985年 Mullis發明PCR技術 1990年 美國啟動人類基因組計畫(HGP) 1994年 中國人類基因組計畫啟動 2001年 美、英等國完成人類基因組計畫基本框架
第二節 核苷酸 (nucleotide)
核酸的化學組成
The Chemical Component of Nucleic Acid
核酸的基本元素組成：
C、H、O、N、P(9-10%)
核酸的基本構成單位 —核苷酸(nucleotide)
➢ DNA的基本組成單位是去氧核糖核苷酸； ➢ RNA的基本組成單位是核糖核苷酸。
➢ NTP和dNTP分別是RNA和DNA的直接前體。
3.環核苷酸（cAMP & cGMP）
➢ 環核苷酸是由核苷酸分子中的磷酸與核糖的3’,5’-二 羥基形成磷酸二酯鍵環化而成。
NH2
N
N
N
N
O CH2 O
HH
HH
HO P O
OH
O
cAMP
環核苷酸的生物學功能
• cAMP和cGMP是最普通的第二信使，它們廣泛存在於動 物、植物和微生物中，雖然在細胞內的含量很低，但有極 重要的生理功能。
如果人體有1014個細胞，每個體細胞的DNA量為 6.4×109對核苷酸。試計算人體DNA的總長度是多 少？這個長度與太陽-地球之間的距離（1.5×108 km）相比如何？
• ①每個體細胞內DNA的總長度： 6.4×109×0.34=2.176×109nm
• ②人體DNA的總長度： 2.176×109×1014=2.176×1023nm=2.176×101 1 km
DNA的分子結構可分為一級結構、二級結構和三級結
一構。、DNA的一級結構
➢ 一級結構是指核酸分子中核苷酸的排列順序及連接方式。
1. 排列順序：不同的DNA分子具有不同的核苷酸排列順 序，因此攜帶不同的遺傳資訊。
2. 連接方式：以3 ,5 -磷酸二酯鍵連接形成多核苷酸鏈， 即核酸
3. 書寫方法：結構式、線條式、文字式。 5ˊ端→3ˊ端(由 左至右)
核苷酸）。
NH2
酯键 N
N
1.核苷一磷酸
HO
➢ 核苷酸：
AMP, GMP, UMP, CMP
➢ 去氧核苷酸：
O
PO O-
5' CH2
HH
9
N
N
O 2'H1'H
dAMP, dGMP, dTMP, dCMP
OH OH
腺苷酸
糖苷键
2.核苷多磷酸
➢ 5′核苷酸的磷酸基團可與另一磷酸分子縮合形成核苷二磷酸 （NDP），核苷二磷酸還可進一步與磷酸縮合形成核苷三磷 酸（NTP）。
核酸的結構和功能
Structure and Function of Nucleic Acid
內容提要：
概述 第一節 核酸的種類與分佈 第二節 核苷酸 第三節 DNA的分子結構 第四節 核酸與蛋白質的複合體 第五節 RNA的分子結構 第六節 核酸的理化性質
概述
一、什麼是核酸？
核酸(nucleic acid)是一種生物大分子； 是活細胞中最關鍵的組分，它攜帶著遺傳資訊， 是遺傳的物質基礎；它決定蛋白質和酶的結構， 它決定每一種生物體的代謝類型和形態。
DNA的 三股螺旋
DNA三螺旋的堿基配對
DNA三螺旋的堿基配對
DNA的其他螺旋結構
回文結構 鏡像重複
回文結構—雙鏈DNA
5’
3’
中含有的二個結構相同、方
3’
5’
向相反的序列稱為反向重複
序列，也稱為回文結構，每
條單鏈以任一方向閱讀時都
是一樣的。
短的回文結構可能是一
種特別的信號，如限制性內
切酶的識別位點。較長的回
3. 雙螺旋直徑2nm，順軸 方向每隔0.34nm有一個 核苷酸，每圈螺旋含10 個核苷酸，相鄰兩個核 苷酸間的夾角為36°,螺 距為3.4nm。
4. 兩條鏈通過堿基間的氫 鍵相連，A對T有兩個氫 鍵，C對G有三個氫鍵， 這種A-T、C-G配對的規 律，稱為堿基互補規則。
堿基互補配對
A
T
C
G
堿基對（base pair）：是一對相互匹配的堿基（即A：T， G： C，A：U相互作用）被氫鍵連接起來，簡寫作bp。然而，它 常被用來衡量DNA和RNA的長度（儘管RNA是單鏈）。
DNA雙螺旋結構提出的生物學意義
該模型揭示了DNA作為遺傳物質的穩定性特徵， 最有價值的是確認了堿基配對原則，這是DNA複製、 轉錄和反轉錄的分子基礎，亦是遺傳資訊傳遞和表達 的分子基礎。該模型的提出是20世紀生命科學的重大 突破之一，它奠定了生物化學和分子生物學乃至整個 生命科學飛速發展的基石。
（一）DNA雙螺旋結構的實驗依據
1. Chargaff 規則：
➢ 不同物種的DNA堿基組成不同，而同一生物的DNA組成 是一樣的，即有種屬特異性，無組織特異性；
➢ DNA堿基組成不隨年齡、營養狀況和環境因素而改變； ➢ 在同一生物體中[A] = [T]，[G] = [C]，即A+G=T+C。
2. Norweger、Furbug研究證實，戊糖 糖環與DNA分子縱軸平行，而堿基平面與 縱軸垂直。
文結構能形成髮夾結構。
鏡像重複
存在於同一股上的某些DNA區段的反向重複 序列。此序列各單股中沒有互補序列，不能形 成髮夾結構。
AATTCAAGGGAGAAGTATAGAAGAGGGAAGGATC TTAAGTTCCCTCT TCATATCT TCTCCCTTCCTAG
N=A/U/G/C
腺嘌呤
腺苷
Байду номын сангаас
核苷多磷酸的生物學功能
➢ ATP分子的最顯著特點是含有兩個高能磷酸鍵。水 解時, ATP可以釋放出大量自由能，用於推動生物體 內各種需能的生化反應。
➢ GTP、CTP、UTP在某些生化反應中也具有傳遞能 量的作用。
➢ UDP、ADP、GDP在多糖合成中，可作為攜帶葡 萄糖基的載體；CDP在磷脂合成中可作為攜帶膽鹼的 載體。
配對堿基的氫鍵
（三）雙螺旋結構的穩定的因素
• 1. 堿基堆積力 • 2. 配對堿基形成的氫鍵 • 3. 離子鍵
• 堿基堆積力是最主要的穩定因素
DNA分子中的堿基堆積力（base stacking forces）：
嘌呤與嘧啶形狀扁平，成疏水性，分佈於雙螺旋結構 的內側。大量堿基層層堆積，兩相鄰堿基的平面十分貼 近，於是使DNA雙螺旋結構內部形成一個強大的疏水區， 與介質中的水分隔開，在DNA分子內部形成疏水核心， 核心內幾乎沒有游離的水分子，免遭水溶性活性小分子 的攻擊，保證堿基在化學上的穩定性。
Sanger雙去氧鏈終止法
• Sanger法：
– 在PCR時分別加入ddA,ddT,ddC,ddG（相 應於4種堿基）
– ddX的兩個作用：
• 可以當作正常堿基參與複製 • 一旦鏈入DNA中，其後就不能再繼續連接
– 電泳 – 誰終止，堿基就是誰 – 此方法獲1974年的Nobel獎
氧去 核氧 甘核 酸甘 結酸 構與 比雙 較去
核酸
核苷酸
核苷 磷酸
戊糖 堿基
核酸的酸性水解過程
一、堿基
堿基
嘌呤 嘧啶
腺嘌呤（A）
鳥嘌呤（G） DNA、RNA均 有
胞嘧啶（C）
胸腺嘧啶（T） 尿嘧啶（U）
DNA有（某些RNA
中有 少量存在）
RNA有
嘌呤
腺嘌呤(6-氨基嘌呤) 鳥嘌呤（2-氨基-6-氧嘌呤）
胞 嘧 啶
2-氧-4-氨基嘧啶
嘧啶
結構式
線條式 文字式
DNA的一級結構測序
經典方法
✓ Maxam-Gilbert DNA化學降解 法(Maxam 和Gilbert,1977)
✓ Sanger雙去氧鏈終止法(Sanger 和Coulson1977)
Maxam-Gilbert DNA化學降解法
一個末端標記的DNA片段在4組互相獨立的的化 學反應分別得到部分降解，其中每一組反應特異地 針對某於種或某一類堿基。因此生成4組放射性標記 的分子，從共同起點（放射性標記末端）延續到發 生化學降解的位點。每組混合物中均含有長短不一 的DNA分子，其長度取決於該組反應所針對的堿基 在原DNA全片段上的位置。此後，各組均通過聚丙 烯醯胺凝膠電泳進行分離，再通過放射自顯影來檢 測末端標記的分子。
少一個 －OH
技術路線與要求
製備單鏈範本 ↓
將單鏈範本與一小段引物退火 ↓
加入DNA聚合酶（Klenow）+ 4種dNTP + 引物
分別加入少量4種ddNTP ↓
將4種反應產物分別在4條泳道電泳 ↓
根據4個堿基在4條泳道的終止位置讀出基因序列
測雙 序去 基氧 本鏈 原末 理端 示終 意止 圖法
二、 DNA的二級結構(secondary structure) ——雙螺旋(double helix)結構
第一節
核酸的種類與分佈
一、核酸的種類
去氧核糖核酸（DNA）
核
酸
轉運核糖核酸（tRNA） 10-
15%
核糖核酸（RNA） 信使核糖核酸（mRNA） 5%
核糖體核糖核酸（rRNA） 80%
二、核酸的分佈
幾乎所有的生物體（包括細菌、病毒等）內都含有核酸。大多數生物 既含有DNA又含有RNA，在病毒分子中，只含有一種核酸（DNA或 RNA）。
尿 嘧 啶
2，4-二氧嘧啶
胸腺嘧啶（5-甲基-2，4-二氧嘧啶）
稀 有 堿 基
二、戊糖
三、核苷(nucleoside)
➢ 堿基和核糖（或去氧核糖）通過C-N 糖苷鍵連接形成 核苷（或去氧核苷）。
NH2
OH
NH2
OH
N
N
N
N
N
N
9
NN
HOCH2 O
H
H 1′
H2N N N HOCH2 O
HH
H
H
3. DNA的X-線衍射圖譜分析
已知的核酸化學數據
（二） DNA雙螺旋結構模型要點
1. 兩條鏈反向平行，圍繞同 一中心軸構成右手雙螺旋 (double helix)。表面有 大溝和小溝。
2. 磷酸-去氧核糖形成DNA 的骨架，位於雙螺旋外側 與中軸平行，堿基垂直於 螺旋軸而伸入內側。
堿基平面與縱軸垂直，糖環平面與縱軸平行
H
H
OH OH
OH OH
腺嘌呤核苷 鸟嘌呤核苷
1
HO N
HO N
HOCH2 O
HOCH2 O
H
H 1′
HH
H
H
H
H
OH OH
OH OH
胞嘧啶核苷
尿嘧啶核苷
核糖核苷：AR, GR, CR, UR 去氧核苷：dAR, dGR, dCR, dTR
四、核苷酸
➢ 核苷（去氧核苷）和磷酸以酯鍵連接形成核苷酸（去氧
• ③這個長度與太陽—地球之間的距離之比為 2.176×1011/1.5×108≈1451(倍)
（四）DNA雙螺旋結構的多樣性
A型DNA
B型DNA
Z型DNA
A-DNA B-DNA & H-DNA
DNA的 三股螺旋
* DNA三股螺旋
多聚嘧啶和多聚嘌呤組成的DNA螺旋區 段，其序列中有較長的鏡像重複時，形成 局部三股配對，並互相盤繞的三股螺旋， 其中兩股的堿基按Watson-Crick方式配對， 第三股多聚嘧啶（鏡像重複）通過TAT和 CGC+配對，而處於雙螺旋的大溝中。
堿基堆積力是維持DNA雙螺旋結構穩定的主 要作用力。
互補堿基之間的氫鍵：
• G-C間有3個氫鍵，A-T之間僅有2個氫鍵。 • 故前者較穩定。
離子鍵：
• 帶負電荷磷酸之間的靜電斥力——會造成不穩定， 但帶負電荷磷酸可與陽離子結合有助於結構的穩定。
• Na+、K+、Mg2+、Mn2+ 或是真核細胞內的組蛋白之 間形成的離子鍵，中和了負電荷，降低了DNA鏈本 身不同部位之間的斥力。