分子生物学第3章核酸的结构与功能

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1、 DNA结构的动态性 2、 DNA分子精细结构(局部构象)
deoxyribonucleotide 脱氧核糖核苷酸
dAMP, dADP, dATP……dNTP
3.2.2 核酸的共价结构
5´端
一、核酸分子中核苷
酸之间的共价键
C
核苷酸之间以
磷酸二酯键连接形
A
成多核苷酸链,即
核酸。
3 -5 磷酸二酯键
G
Biblioteka Baidu
3´端
二、DNA分子的一级结构
1.多聚核苷酸链
主链是核糖和磷酸,
—— 磷酸(phosphate)


嘧啶Pyrimidine

嘌呤Purine
☉ 核苷(nucleotide)
嘧啶的1位N原子、嘌呤的9位N原子
糖苷键
1
Glycosidic bond
核糖是戊糖 RNA-核糖核苷 DNA-脱氧核糖核苷
☉ 核苷酸(nucleotide acid)
核苷的磷酸酯:
脱氧核糖核苷酸
9
核糖核苷酸
1’
γ
βα
其中α和β、β和γ之间 是高能磷酸键
dNTP
Deoxynucleotides
核糖核苷三磷酸缩写为NTP
Ribonucleotides
戊糖
核苷酸的生物学功能
•作为核酸的单体 •细胞中的携能物质(如ATP、GTP、CTP、GTP) •酶的辅助因子的结构成分(如NAD)(nicotinamide adenine dinucleotide, 烟酰胺腺嘌呤二核苷酸) •细胞通讯的媒介(如cAMP、cGMP)
有些病毒只含有RNA, RNA就是它的遗传物质。
3.1.2 RNA也是遗传物质
低等生物:病毒、噬菌体等
非核酸的其他遗传物质
朊病毒Prion :又称蛋白质侵染因子。 朊病毒是一类能侵染动物并在宿主细胞内复制的
小分子的无免疫性疏水蛋白质。
1、发现过程
羊瘙痒病
1947年 水貂脑软化病 马鹿和鹿的慢性消瘦病、猫的海绵状脑病。
碱基则平面堆积于螺旋的内 部;
由于骨架双链在螺旋轴上的 间距不相等,从而在分子表 面形成大沟和小沟。
2.0 nm
稳定双螺旋结构 的作用力为氢键 和碱基堆积力 (即疏水作用)
双螺旋分子中糖分子与 纵轴平行,与碱基平面 垂直
碱 基 互 补
双螺旋模型参数
Rise
3.4 Å
直径20Å
螺距为34Å (任一条链绕 轴一周所升降的距离)
杆菌的实验
1928年格里菲思,肺炎双球菌实验
实验材料 实验过程 实验结果
实验推想:R型活细菌
S型活细菌
杀死的S型细菌 的转化因子
如何去验证推想,细菌本身有多种物质
1940年艾弗里研究肺炎双球菌转化的实验
1952年赫尔希和蔡斯的 T2噬菌体侵染大肠杆菌的实验
1952年赫尔希和蔡斯的 T2噬菌体侵染大肠杆菌的实验
☆ 疏水作用力 (Hydrophobic interaction) (磷酸骨架, 氨基, 酮基周围水分子间的有序排列 )
不溶于水的非极性分子在水中相互联合, 成串结合的 趋势力. 即熵值(Entrophy)ΔS上升-----热力学上的稳 定态
非极性分子间(嘌呤和嘧啶碱基)的相互成串结 合 熵值上升(ΔS going up)
名称与缩写(1)
RNA:ribonucleic acid
核糖核酸
DNA:deoxyribonucleic acid 脱氧核糖核酸
pyrimidine: cytosine (Cyt)
胞嘧啶
嘧啶
thymine (Thy) 胸腺嘧啶
uracil (Ura)
尿嘧啶
purine:
adenine (Ade)
侧链为碱基
3’
5’
由3’,5’磷酸二酯键连接
2.链的方向:同一个磷酸 基的3’酯键到5’酯键的方 向(3’→5’)
从 整 个 分 子 看 , DNA 链 的 方 向就是从5'端到3'端。 默认书写顺序5‘→3’
DNA一级结构的表示法
5 ´

结构式
AC T G


5´ p
p
p
p
OH 3´
线条式
腺嘌呤
嘌呤
guanine (Gua) 鸟嘌呤
名称与缩写(2)
ribonucleoside
核糖核苷 (不带磷酸)
adenosine (Ado) 腺(嘌呤核)苷
guanosine (Guo) 鸟(嘌呤核)苷
cytidine (Cyd) 胞(嘧啶核)苷
thymidine (Thd) 胸(腺嘧啶脱氧核)苷
遗传信息。
3-2 核酸的化学组成与共价结构
3.2.1 核酸(nucleic acid)的化学组成
(一) 元素组成 C、H、O、N、P(9~10%)
(二) 分子组成
Bases: (G) guanine (C) cytosine (A) adenine (T) thymine
—— 戊糖(ribose):核糖,脱氧核糖
3、朊病毒的复制机理:
1)合成朊病毒所需的信息可能存在于寄主细胞中 朊病毒的作用,仅在于激活在寄主细胞中为朊病毒
的编码的基因,使得朊病毒得以复制繁殖。 2)朊病毒的蛋白质能为自己编码遗传信息 发生逆转译产生为朊病毒编码的RNA或DNA,必须
存在逆转译酶,甚至还要有逆转录酶。 蛋白质指导下的蛋白质合成,即蛋白质本身可作为
结果表明: 噬菌体侵染细菌时,DNA进入到了细菌的
细胞中,而蛋白质外壳仍留在外面。 结论:
DNA才是真正的遗传物质。
3、遗传物质必须具备以下基本条件:
(1)储存并表达遗传信息: (2)能够复制,把遗传信息传递给子代: (3)物理和化学稳定性: (4)有遗传变化的能力:
4、核酸种类和分布
•脱氧核糖核酸(deoxyribonucleic acid, DNA): 遗传信息的贮存和携带者,生物的主要遗传物质 。在真核细胞中,DNA主要集中在细胞核内,线粒体 和叶绿体中均有各自的DNA。原核细胞没有明显的细 胞核结构,DNA存在于称为拟核(nucleoid)的结构区 。每个原核细胞一般只有一个染色体,每个染色体含 一个双链环状DNA。
3.4.3 三股螺旋的DNA
(1)分子内的DNA三股螺旋结构 (2)分子间的DNA三股螺旋结构 (3)平行的DNA三股螺旋结构
T-A-T C-G-C
DNA分子间 的三链结构
DNA三链间 的碱基配对
DNA分子内 的三链结构
3.4.4 DNA的四链结构
鸟嘌呤四联体 (G-quartet)
3.4.5 DNA结构的动态性和精细结构
罗莎琳德·富兰克林
DNA晶体衍射照片
提出 1953. Watsosn & Crick
右手 B- DNA Double helix Model
1953年沃森(右)与克里克
Watson-Crick的DNA双螺旋
两条相互独立的单链DNA分 子以螺旋方式相互缠绕,形 成右手双螺旋;
带有负电的戊糖-磷酸骨架 在分子的外侧;
嘌呤-嘧啶相间排列
在活细胞中如果胞嘧啶 被甲基化的(m5C)
生物学意义
调节蛋白的识别位点 与转录有关
3.4 DNA的高级结构
3.4.1 单链核苷酸形成的二级结构
发夹(hairpin) 凸环(bulge loop)
3.4.2 反向重复序列 (inverted repeats)
又称回文序列(palindrome) 能在DNA或RNA中形成发夹结构 通常是作为一种特别信号
每圈有10个核苷酸(碱 基)
两个碱基之间的垂直距
Pitch
离---碱基轴升是3.4Å。
34 Å
螺旋转角是36度。
10.4 bp/turn
有大沟和小沟,配对碱 基并不充满双螺旋空间, 且碱基对占据的空间不
对称。
Minor Groove
Major Groove
Width 20 Å
Twist 36°
5´ ACTGCATAGCTCGA 3´ 字母式
3.3 DNA的二级结构
一、DNA双螺旋模型的提出
依据 a. 1938. W. T. Astbury 首次用X-射线分析
DNA b. 1950 Chargaff A + G / T + C = 1
A+T ≠ G + C c. 1952 Alexander Todd
1996年春, “疯牛病” 1982年,美国 斯坦利·普鲁辛纳(S.B.Prusiner)发
现羊瘙痒病是蛋白质侵染引起的疾病,并称为 “Prion”即朊病毒。
2、朊病毒特点: 仅有蛋白质组成, 分子量为104Da, 单体呈杆状,直径10~250 nm, 长100~200nm. 通常均以丛状排列存在。 对许多理化因子有很强的抵抗力。
DNA结构的多态性----双螺旋结构的构 象变异
通常情况下DNA的构象为B-DNA。 DNA的构象现已知有
A,B,C,D,E,T,Z 7种。 引起DNA双链构象改变有以下因素: (1)核苷酸顺序; (2)碱基组成; (3)盐的种类; (4)相对湿度。
三种DNA双螺旋构象比较
外型
A 粗短
B 适中
成为碱基间的部分堆积力
* 不稳定因素
磷酸基团间的静电斥力 碱基内能增加(温度), 使氢键因碱基排
列有序状态的破坏而减弱
DNA的双螺旋结构的意义
该模型揭示了DNA作为遗传物质的稳定性特 征,确认了碱基配对原则,这是DNA复制、转 录和反转录的分子基础,亦是遗传信息传递和 表达的分子基础。该模型的提出是20世纪生命 科学的重大突破之一,它奠定了生物化学和分 子生物学乃至整个生命科学飞速发展的基石。
•核糖核酸(ribonucleic acid, RNA): 主要参与遗传信息的传递和表达过程,细胞内的 RNA主要存在于细胞质中,少量存在于细胞核中 ,病毒中RNA本身就是遗传信息的储存者如逆转 录病毒(retrovirus)。另外在植物中还发现了一类 比病毒还小得多的侵染性致病因子称为 类病毒( viroid)和拟病毒(virusoid or satellite RNA),还 发现有些RNA具生物催化作用(ribozyme)。
Z 细长
螺旋方向 右手
右手
左手
螺旋直径 碱基直升
2.55nm 0.23nm
2.37nm 0.34nm
1.84nm 0.38nm
每圈碱基数 11
10
12
碱基倾角 200
00
70
大沟
很窄很深 很宽较深
平坦
小沟
Z-DNA B-DNA A-DNA
很宽、浅 窄、深
较窄很深
A
19°
B
9° Z

Base Inclination
发现了核苷酸和核苷酸之间由磷酸二酯键 联接
1952 M.H.F.Wilkins & Rosalind Franklin得 到了高度定向的DNA纤维的X-射线照片,发 现原子长轴存在0.34和3.4nm两种周期性。此 外,之前的密度测定表明螺旋由两条多核苷 酸链组成,且直径恒定(2nm)。
莫里斯·威尔金斯
第三章 核酸的结构与功能
3.1 细胞内的遗传物质
1、核素的发现
1868年,瑞士F. Miescher从 脓细胞中提取到一种富含磷 元素的酸性化合物,核素 (nuclein)。
2、证明DNA是遗传物质
1928年格里菲思的肺炎双球菌实验 1940年艾弗里研究肺炎双球菌的转化因子
的实验 1952年赫尔希和蔡斯的T2噬菌体侵染大肠
uridine (Urd) 尿(嘧啶核)苷
ribonucleotide
核糖核苷酸 (带磷酸)
adenosine 5’- mono (di, tri) phosphaste;
AMP, ADP, ATP
deoxyribonucleoside 脱氧核糖核苷
deoxyadenosine (dAdo) ……
大、小沟的差异
➢大沟中碱基差异容易识别 ,往 往是蛋白质因子结合特异DAN序 列的位点 ➢小沟相对体现的信息较少
DNA的双螺旋结构稳定因素
*维持稳定性的因素
氢键 (Hydrogen bond 4~6 kc / mol)
弱键, 可加热解链 氢键堆积, 有序排列(线性, 方向)
磷酸酯键 (phosphoester bond 80~90 kc / mol)
Handedness
A
B
Z
当DNA处于转录状态时,DNA模板链与由它 转录所得的RNA链间形成的双链就是A-DNA。
Z-DNA构象在转录区上游离转录区近时,抑 制转录;若离转录区远,可以增加转录区的负 超螺旋程度促使转录。Z-DNA构象有转录起 始的调节活性。
Z-DNA存在的条件 在高盐的条件下
强键, 需酶促解链
0.2 mol / L Na+ 生理盐条件
消除DNA单链上磷酸基团间的静电斥力
l 碱基堆积力 (非特异性结合力)
☆ 范德华力(Van de waals force) (1.7埃/ 嘌呤环与嘧啶环 作用半径)
3.4A°
(0.34 nm/碱基对间距) ( 1 kc / mol —0.6kc / mol ) ×n
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