第2章核酸的结构与功能ppt课件精品文档

辅酶类核苷酸：NAD、NADP、FMN、辅酶A 和FAD等辅酶都是核苷酸或其衍生物。
1.2 核酸的分子结构
1.2.1 DNA的分子结构
1.2.1.1 DNA的一级结构
DNA的一级结构指的是组成DNA分子的脱 氧核苷酸的连接方式和排列顺序。
DNA是由很多个dAMP、dGMP、dCMP 和dTMP通过3’,5’ -磷酸二酯键连成的无分 支双链线状或环状多核苷酸。
1 核酸的结构与功能
1.1 核酸的种类分布和化学组成
1.2 核酸的分子结构
1.3 核酸的理化性质及其应用
1.1 核酸的种类、分布及 化学组成
1.1.1 核酸的生物学功能
1.1.2 核酸的种类和分布
1.1.3 核酸的组成
核酸是遗传变异的物质基础
核酸是生物体内最重要的生物大分子， 是一种富含磷酸基团的高分子化合物。 任何生物 体，甚至无细胞结构的病毒和 噬菌体都含有核酸。核酸在生物的个体 发育、生长繁殖、遗传变异等生命过程 中起着极为重要的作用。而且它与生命 的异常活动如肿瘤的发生，辐射损伤， 遗传病，代谢病等密切相关。
中起模板作用 rRNA 占细胞总RNA的80%，是核糖体的组分，
是合成蛋白质的场所 tRNA 占细胞总RNA的10-15%，蛋白质合成
中起携带活化氨基酸的作用
1.1.3 核酸的化学组成
核酸
核苷酸
核苷
磷酸
碱基（嘌呤和嘧啶） 核糖或脱氧核糖（戊糖）
核酸是由核苷酸组成的，核苷酸是核苷的磷酸 酯，核苷由碱基和核糖/脱氧核糖组成，碱基 有嘌呤和嘧啶两类。
如胞嘧啶C5的甲基化，在甲基周围形成局部的 疏水区。这一区域扩伸到B-DNA的大沟中， 使B-DNA不稳定而转变为Z-DNA。这种C5甲 基化现象在真核生物中是常见的。
Sanger测序原理
1.2.1.2 DNA的二级结构及其多态性
Watson和Crick在总结前人研究工作的基础上， 在1953年以立体化学上的最适构型建立了与 DNA X-射线衍射资料相符的分子模型—— DNA双螺旋结构模型。 它可在分子水平上 阐述遗传(基因复制)的基本特征。
⑴DNA双螺旋结构的主要依据
戊糖的碳原子编号都加上“′”，以区别于碱基 的原子编号。
1.1.3.2 碱基(base)
嘧啶(pyrimidine)：胞嘧啶(cytosine，C)、胸腺 嘧啶（thymine，T)、尿嘧啶(uracil，U) ；
嘌呤(purine)：腺嘌呤(adenine，A)、鸟嘌呤 (guanine，G) ；
稀有核苷酸：核酸中的稀有核苷酸是碱基或戊 糖被修饰后形成的。
核酸中的稀有核苷酸常以其核苷的形式表示。 常见的为甲基化修饰以“m”（methy-）表示， 修饰基团在碱基上的写在碱基符号的左方， 修饰基团在戊糖上的写在碱基符号的右方， 修饰基团个数写在其右下角，修饰位置写在 右上角。
2’-O-甲基腺苷
螺旋手性
右旋
螺旋周期的核苷酸数目 10
螺旋直径
2.0nm
碱基平面的间距
0.34nm
螺距
3.4nm
相邻碱基对间的转角 36°
轴心是否穿过碱基对 穿过
Z-DNA
左旋 12 1.8nm 0.37nm 4.5nm 60°
不穿过
天然DNA分子中存在有Z-DNA区。B-DNA与 Z-DNA的互变可能与基因的调控有关。
1.1.3.3 核苷 戊糖与碱基缩合形成核苷，并以糖苷键连接。 嘌呤环上的N-9或嘧啶环上的N-1与戊糖的C1
上的-OH形成N-C糖苷键。 X-衍射证明核苷中的碱基与糖环平面相互垂直。
核酸中的主要核苷有8 种。
1.1.3.4 核苷酸和稀有核苷酸 核苷酸(nucleotide)是核苷的磷酸酯。 核苷酸的核糖有3个 自由羟基，可以酯化 分别生成2 -、3 -和 5 -核苷酸。 脱氧核苷只能生成 3 -和5 -脱氧核苷 酸。生物体内多为 5 -核苷酸。
E. coli DNA 4106bp，1.4 106nm；
人DNA 2.9 109bp 9.9 108nm
OH
5´
3´ OH
OH
RNA一级结构
5´ 3´
DNA一级结构
核酸为多聚 核苷酸,相邻 2个核苷酸 间以3’,5’-磷 酸二酯键连 接。
核酸分子的表示方法
DNA分子中链骨架是固定不变的，脱氧核糖核苷酸的 排列顺序实质上是碱基的排列顺序。
核酸根据核酸的化学组成和生物学功能，将核 酸分为：
核糖核酸（ribonucleic acid RNA）和
脱氧核糖核酸(deoxyribonucleic acid DNA)
所有细胞都同时含有DNA和RNA两种核酸。病 毒只含一种核酸，DNA或RNA，故有DNA 病毒和RNA病毒之分。多数细菌病毒（噬菌 体）属DNA病毒，而植物和动物病毒多为 RNA病毒。
5’pApCpUpUpGpApApCpC3’ RNA
简化为： 5’pACTTGAACG3’ DNA
5’pACUUGAACG3’RNA
简写式的5`-末端均含有一个磷酸残基（与糖基 的C-5`位上的羟基相连），3`-末端含有一个 自由羟基（与糖基的C-3`位相连），若5`端 不写P，则表示5`-末端为自由羟基。
DNA中存在：A、T、G、C；
RNA中存在：A、U、G、C。
核酸分子中含有一些稀有碱基(或修饰碱基) ： 是五种碱基环上的某一位置被一些化学基团 （如甲基化、甲硫基化等）修饰后的衍生物。 如：5-甲基胞嘧啶、次黄嘌呤、黄嘌呤等。
稀有碱基在核酸中的含量少，分布也不均一。 如DNA中的修饰碱基主要见于噬菌体DNA， RNA中以tRNA含修饰碱基最多。
核酸的发现
1868－69 F. Miescher从脓细胞核中提 出含磷量高的核素（nuclein），其后从鲑 鱼精子中提取出鱼精蛋白和核素。
1889年，Altman等从酵母和动物的细胞 核中得到了不含蛋白质的称为核酸 (nucleic acids)的物质，其功能不清楚。
1944年O.T. Avery等的肺炎双球菌转化实 验，证明了DNA就是遗传物质。
层层堆积的芳香族碱基上的电子云交错形成了碱基 堆积力，使DNA双螺旋结构内部形成疏水核心而 不存在游离的水分子，有利于互补碱基间形成氢键；
双螺旋外侧带负电荷的磷酸基团同带正电荷的阳离子 之间形成的离子键可减少双链间的静电斥力，因而 对DNA双螺旋结构也有一定的稳定作用。
（4）DNA双螺旋构象的多态性
3.4nm 2.8nm 36° 33°
Z-DNA
Wang和Rich等在研究人工 合成的d（CGCGCG）单 晶的X-射线衍射图谱时， 发现这种六聚体的构象不 同于B-构象。
它是左手双螺旋，在主链 中各个磷酸根呈锯齿 （Zigzag）状排列，因此 称Z-构象。
B-DNA与Z-DNA的比较
比较内容
B-DNA
1.1.1核酸的生物学功能
DNA作为遗传物质的载体，负责遗传 信息的储存、传递和发布；RNA负责 遗传信息的表达。
细胞 内DNA含量很稳定，不受营养条 件、年龄等因素的影响。DNA是染色 体的主要成分，而染色体与遗传直接 有关。可作用于DNA的一些物理、化 学因素都可以引起遗传特性的改变。
肺炎双球菌的转化实验
糖基的C-3’位
糖基的C-5’位
字符式：用A、T、G、C、U代表碱基，用P 代表磷酸残基。核酸分子中的糖基、糖苷键 和酯键等均省略不写，将碱基和磷酸相间排 列即可。
省略了糖基，简写式中出现T的为DNA链，出 现U则为RNA链。以5‘和3’表示链的末端及 方向，分别置于简写式的左右二端。
5’pApCpTpTpGpApApCpG3’ DNA
1.1.3.5细胞内的游离核苷酸及其衍生物
细胞中还有一些游离的核苷酸及其衍生 物，其中较重要的为多磷酸核苷酸、环 式单核苷酸和辅酶类单核苷酸。
根据多磷酸核 苷酸中磷酸 数目可分为 单磷酸核苷 酸、二磷酸 核苷酸和三 磷酸核苷酸， 如AMP、 ADP和ATP。
环化核苷酸：cAMP和cGMP在细胞的代谢调 节中有重要作用，称为第二信使。
DNA：主要存在于细胞核（真核细胞，98%以 上），是染色质的主要成分；原核生物DNA 主要存在于类核（nucleoid）中；
在核外也存在有少量DNA，如线粒体DNA、 叶绿体DNA以及细菌的质粒（plasmid，细 菌染色体外能够进行自我复制的遗传单位）。
RNA的种类与分布
RNA主要存在于细胞质中。 mRNA 约占细胞总RNA的5%，在蛋白质合成
A-构象不仅出现于脱水DNA中，还出现在RNA 分子中的双螺旋区和DNA-RNA杂交分子中。
B-DNA与A-DNA的比较
比较内容 螺旋手性 螺旋周期的核苷酸数目 螺旋直径 碱基平面的间距
螺距 相邻碱基对间的转角
B-DNA A-DNA 右旋 右旋 10 11 2.0nm 2.3nm
0.34nm 0.255nm
T 24.8
28 25.6 29.7 28.9 29.2 32.9
G 24.1 23.2 21.9 20.5 20.4 20.4 18.7
C 25.7 22.7 22.8 20.5 20.7 20.8 17.1
(A+G)/(C+T)
1.01 1.21 1.21
1.43
1.079
碱 基 组成 的 共同 规 律： 不 同来 源 的 DNA 中 [A]=[T]、[C]=[G]；A+G=T+C 。
DNA组成： 脱氧核糖、 磷酸、A、G、C、T
RNA组成： 核 糖 、磷酸、A、G、C、U
1.1.3.1 核糖和脱氧核糖
RNA中的戊糖为-D-核糖，和少量的 -D-2— O-甲基核糖；DNA中的戊糖为 -D-2-脱氧核 糖。
戊糖C-1所连的羟基与碱基形成糖苷键，糖苷 键的连接都是β-构型。