第04章核酸之2

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1、第二章核酸第二章核酸2.2核酸的化学组成核酸的化学组成一、元素组成一、元素组成 组成核酸的元素有组成核酸的元素有C C、H H、O O、N N、P P等，与蛋白质比等，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较，其组成上有两个特点：一是核酸一般不含元素S S，二是核酸中二是核酸中P P元素的含量较多并且恒定，约占元素的含量较多并且恒定，约占 9 911%11%。因此，核酸定量测定的经典方法，是以测定因此，核酸定量测定的经典方法，是以测定P P含量来含量来代表核酸量。代表核酸量。二、核酸的化学组成和命名二、核酸的化学组成和命名 （一）核酸的水解（一）核酸的水解核酸经水解可得到很多核

2、苷酸，因此核酸经水解可得到很多核苷酸，因此核苷酸核苷酸是核酸是核酸的基本单位。的基本单位。水解水解核酸核酸就是由很多就是由很多单核苷酸单核苷酸聚合形成的多聚核苷酸；聚合形成的多聚核苷酸；核苷酸核苷酸可被水解产生可被水解产生核苷核苷和和磷酸磷酸；核苷核苷还可再进一步水解，产生还可再进一步水解，产生戊糖戊糖和和含氮碱基。含氮碱基。(二二)核核酸酸水水解解产产物物的的结结构构(1)核苷酸中的碱基均为核苷酸中的碱基均为含氮杂环化合物含氮杂环化合物，它们分别属于它们分别属于嘌呤嘌呤衍生物和衍生物和嘧啶嘧啶衍生物。衍生物。核苷酸中的嘌呤碱基核苷酸中的嘌呤碱基(purine)主要是主要是:鸟嘌呤鸟嘌呤(gu

3、anine,G)腺嘌呤腺嘌呤(adenine,A)嘧啶碱基嘧啶碱基(pyrimidine)主要是主要是:胞嘧啶胞嘧啶(cytosine,C)尿嘧啶尿嘧啶(uracil,U)胸腺嘧啶胸腺嘧啶(thymine,T)。碱基的结构式如下图所示碱基的结构式如下图所示 :（嘌呤）（嘌呤）（嘧啶）（嘧啶）（嘌呤）（嘌呤）（嘧啶）（嘧啶）(2)核酸中五种碱基中的核酸中五种碱基中的酮基酮基和和氨基氨基，均位于碱基环中，均位于碱基环中氮原子的邻位，可以发生氮原子的邻位，可以发生酮式酮式-烯醇式烯醇式或或氨基氨基-亚氨基亚氨基之之间的结构互变。这种互变异构在基因的突变和生物的间的结构互变。这种互变异构在基因的突变和

4、生物的进化中具有重要作用。进化中具有重要作用。尿嘧啶尿嘧啶胞嘧啶胞嘧啶 有些核酸中还含有修饰碱基有些核酸中还含有修饰碱基(modified component)或稀有碱基（或稀有碱基（unusual component），这些碱基大多是），这些碱基大多是在上述嘌呤或嘧啶碱的不同部位被在上述嘌呤或嘧啶碱的不同部位被甲基化甲基化(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。布也不均一。DNA中的修饰碱基主要见于噬菌体中的修饰碱基主

5、要见于噬菌体DNA，如如5-甲基胞嘧啶甲基胞嘧啶(m5C)，5-羟甲基胞嘧啶羟甲基胞嘧啶 hm5C；RNA中以中以tRNA含修饰碱基最多，如含修饰碱基最多，如1-甲基腺嘌呤甲基腺嘌呤(m1A)，2,2-二甲基鸟嘌呤二甲基鸟嘌呤(m22G)和和5,6-二氢尿嘧啶二氢尿嘧啶(DHU)等。等。(3)(3)嘌呤和嘧啶环中含有嘌呤和嘧啶环中含有共轭双键共轭双键，对，对260 nm260 nm左右波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碱基、核苷、核苷酸和核酸进行定性和定量分析.2 2、戊糖、戊糖 核

6、酸中的戊糖有核酸中的戊糖有核糖核糖 (ribose)(ribose)和和脱氧核糖脱氧核糖 (deoxyribose(deoxyribose)两种，分别存在于核糖核苷酸和脱氧两种，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，通常将戊糖核糖核苷酸中。为了与碱基标号相区别，通常将戊糖的的C C原子编号都加上原子编号都加上“”，如，如C1C1表示糖的第一位表示糖的第一位碳原子。核糖的结构如下：碳原子。核糖的结构如下：3 3、核苷、核苷 戊糖与嘧啶或嘌呤碱以戊糖与嘧啶或嘌呤碱以糖苷键糖苷键连接就称为核苷，连接就称为核苷，通常是戊糖的通常是戊糖的C C1 1与嘧啶碱的与嘧啶碱的N N1

7、1或嘌呤碱的或嘌呤碱的N N9 9相连接。相连接。（三）核苷酸及其衍生物的结构（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。核苷酸由无机磷酸、戊糖和含氮碱基三部分。1 1、核苷酸的结构式核苷酸的结构式2 2、脱氧核苷酸的结构式、脱氧核苷酸的结构式ADPADP、ATPATP是是生物体中重生物体中重要的能量转要的能量转换体。换体。ddNTPddNTP在在DNADNA的序列测定的序列测定中使用。中使用。3 3、（脱氧、（脱氧)核苷二磷酸、核苷二磷酸、(脱氧脱氧)核苷三磷酸、双脱氧核苷三磷酸、双脱氧核苷酸的结构核苷酸的结构4 4、环化核苷酸、环化核苷酸cAMPcAMP、cGMPc

8、GMP：被称为第二信使，有放大：被称为第二信使，有放大激素的作用。激素的作用。5 5、辅酶：、辅酶：NADNAD+、NADPNADP+等是核酸的衍生物，在物质代等是核酸的衍生物，在物质代谢和能量代谢中起重要作用。谢和能量代谢中起重要作用。RNADNAD+：R=HR=HNADPNADP+：R=POR=PO3 32-2-第二章核酸第二章核酸2.3核酸的分子结构核酸的分子结构一、一、DNADNA一级结构一级结构1 1、概念：、概念：构成构成DNADNA的脱氧核苷酸按照一定的排列顺的脱氧核苷酸按照一定的排列顺序，通过序，通过3,53,5-磷酸二酯键磷酸二酯键相连形成的线形结构。相连形成的线形结构。2

9、2、阅读和书写均由、阅读和书写均由5 5 3 3（1 1）线条式书写）线条式书写（2 2）字母式书写）字母式书写 5-pApCpGpTpAOH-35-pApCpGpTpAOH-3 5-ACGTA-35-ACGTA-33 3、一级结构的测定、一级结构的测定(测序测序)SangerSanger提出用双脱氧核苷酸提出用双脱氧核苷酸测定测定DNADNA一级结构的一级结构的双脱氧双脱氧末端终止法末端终止法使他于使他于19801980年第年第二次获得了二次获得了NobelNobel化学奖。化学奖。双脱氧末端终止法测序原理如下图：双脱氧末端终止法测序原理如下图：二、二、DNADNA的二级结构的二级结构 上世

10、纪上世纪2020年代，年代，LeveneLevene研究了核酸的化学结构研究了核酸的化学结构并提出四核苷酸假说；并提出四核苷酸假说；4040年代末，年代末，Avery,HersheyAvery,Hershey和和ChaseChase的实验严密地证实了的实验严密地证实了DNADNA就是遗传物质；就是遗传物质；5050年年代初，代初，ChargaffChargaff应用紫外分光光度法结合纸层析等应用紫外分光光度法结合纸层析等简单技术，对多种生物简单技术，对多种生物DNADNA作碱基定量分析，发现作碱基定量分析，发现DNADNA碱基组成有如下规律：碱基组成有如下规律：（一）（一）DNADNA的碱基组

11、成（的碱基组成（ChargaffChargaff法则）法则）不同生物来源的不同生物来源的DNADNA四种碱基比例关系四种碱基比例关系DNA来源来源腺嘌呤腺嘌呤（A）胸腺嘧啶胸腺嘧啶（T）鸟嘌呤鸟嘌呤（G）胞嘧啶胞嘧啶（C）（A+T）/（G+C）大肠杆菌大肠杆菌25.424.824.125.71.01小麦小麦27.327.122.822.71.21鼠鼠28.628.421.421.51.33猪：肝猪：肝29.429.720.520.51.43猪：猪：胸腺胸腺30.028.920.420.7猪：猪：脾脾29.629.220.420.8酵母酵母31.332.918.717.51.0791.1.同一生

12、物的不同组织的同一生物的不同组织的DNADNA碱基组成相同；碱基组成相同；2.2.同一种生物同一种生物DNADNA碱基组成不随生物体的年龄、营养状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；态或者环境变化而改变；3.3.几乎所有的几乎所有的DNADNA，无论种属来源如何，其腺嘌呤摩尔，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含量与胸腺嘧啶摩尔含量相同A A =T T，鸟嘌呤，鸟嘌呤摩尔含量与胞嘧啶摩尔含量相同摩尔含量与胞嘧啶摩尔含量相同G G =C C，总的，总的嘌呤摩尔含量与总的嘧啶摩尔含量相同嘌呤摩尔含量与总的嘧啶摩尔含量相同A AG G=C CT T。4.4.不

13、同生物来源的不同生物来源的DNADNA碱基组成不同，表现在碱基组成不同，表现在A AT/GT/GC C比值的不同。这些结果后来为比值的不同。这些结果后来为DNADNA的双螺旋结构模型的双螺旋结构模型提供了一个有力的佐证。提供了一个有力的佐证。DNADNA碱基组成规律（碱基组成规律（ChargaffChargaff规则）：规则）：（二）（二）DNADNA的二级结构的二级结构双螺旋结构双螺旋结构Watson,Crick（1953）在）在Chargaff法则及法则及Wilkins,Franklin的的X线衍射工作基础上提出线衍射工作基础上提出DNA的双螺旋的双螺旋（double helix）结构模型

14、）结构模型James WatsonJames Watson，Francis Francis CrickCrick以及以及Maurice Maurice WilkinsWilkins三人因此发现共同三人因此发现共同获得了获得了19621962年的年的NobelNobel医学医学和生理学奖和生理学奖1)两条两条反向平行的反向平行的多核苷酸链围绕同一中心轴相互缠多核苷酸链围绕同一中心轴相互缠绕进行右手螺旋。绕进行右手螺旋。2)碱基位于双螺旋内侧，磷酸和戊糖相间排列组成骨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。架，位于外侧。3)螺旋平均螺旋平均 d2 nm，碱基堆积距离，碱基堆积距离

15、0.34 nm，相邻，相邻核苷酸之间夹角为核苷酸之间夹角为36，每旋转一周包含，每旋转一周包含10碱基对碱基对(base pair，bp)，每周高度，每周高度3.4 nm。1 1、DNADNA双螺旋的基本特征双螺旋的基本特征4)两条链的碱基之间互补配对方式为：两条链的碱基之间互补配对方式为：AT,CG。5)双螺旋表面有大沟（双螺旋表面有大沟（major groove）和小沟（和小沟（minor groove）：）：大沟：宽大沟：宽1.2 nm，深，深0.85 nm 小沟：宽小沟：宽0.6 nm，深，深0.75 nm碱基配对的结构碱基配对的结构 DNA DNA结构双螺旋结构的提出，被认为是本世纪

16、生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与表达的规律，使生命科学从此进入一个崭新的时代即代即分子生物学时代。分子生物学时代。2 2、DNADNA双螺旋结构的稳定因素双螺旋结构的稳定因素1)1)碱基堆积力碱基堆积力2)2)链间氢键链间氢键3)3)疏水作用疏水作用4)4)其它次级键：离子键，范德华力其它次级键：离子键，范德华力(三三)DNA)DNA二级结构的多态性二级结构的多态性

17、所谓所谓DNADNA二级结构的多态性，是指二级结构的多态性，是指DNADNA不仅具有多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，种形式的双螺旋结构，而且还能形成三链、四链结构，说明说明DNADNA的结构是的结构是动态的动态的，而不是静态的。核酸的构型，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，而多链的的，而多链的DNADNA是特定的碱基序列导致的结果。是特定的碱基序列导致的结果。1.DNA1.DNA双螺旋的不同构型双螺旋的不同构型(1)(1)B-DNAB-DNA螺旋：螺旋：标准的标准的 Watson,

18、CrickWatson,Crick双螺旋，细胞双螺旋，细胞 正常状态下正常状态下DNADNA存在的构型。存在的构型。(2)A-DNA(2)A-DNA螺旋：螺旋：DNADNA在在75%75%相对湿度的钠盐中的构型。相对湿度的钠盐中的构型。(3)(3)C-DNAC-DNA螺旋：螺旋：DNADNA在在66%66%相对湿度的锂盐中的构型。相对湿度的锂盐中的构型。(4)Z-DNA(4)Z-DNA螺旋：螺旋：左手的左手的DNADNA螺旋，这种螺旋可能在基螺旋，这种螺旋可能在基 因表达或遗传重组中起作用。因表达或遗传重组中起作用。螺旋方向螺旋方向碱基升高碱基升高(bp)碱基数碱基数/圈圈螺距螺距螺旋直径螺旋

19、直径(nm)A-DNA右手右手0.23112.532.55B-DNA右手右手0.3410(10.5)*3.4(3.57)*2.0Z-DNA左手左手0.38124.561.8 与与DNADNA碱基顺序相关的特殊二级结构碱基顺序相关的特殊二级结构(1)(1)回文序列回文序列所谓回文序列就是指所谓回文序列就是指DNADNA某一片段旋转某一片段旋转180180 后后,顺序顺序不变的序列不变的序列，回文序列中的单链可形成发夹结构回文序列中的单链可形成发夹结构。双双链可形成十字架结构。这种发夹结构或十字架结构在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大肠杆菌细胞DNADNA中已有发现中已

20、有发现.核酸分子中的回文序列核酸分子中的回文序列单链的回文序列可形成发卡结构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双链回文序列可形成十字架结构（2 2）镜象结构镜象结构 所谓镜象结构就是指所谓镜象结构就是指DNADNA某一片段在一条链上出现某一片段在一条链上出现颠颠倒重复倒重复的序列的序列。多嘌呤多嘌呤-多嘧啶的多嘧啶的镜象序列镜象序列可形成三螺旋结构可形成三螺旋结构(H-(H-螺旋或螺旋或 HoogsteenHoogsteen 螺旋螺旋):):该螺旋常处在许多真该螺旋常处在许多真核细胞基因的表达调节区核细胞基因的表达调节区。可能与基因表达的调节可能与基因表达的调节有关有关。

21、3 3、三链与四链、三链与四链DNADNA：可能存在于真核细胞染色体特殊部位：可能存在于真核细胞染色体特殊部位 和结构中，如端粒。和结构中，如端粒。三三、DNA DNA 的三级结构和真核细胞的三级结构和真核细胞 DNADNA的组装的组装(一一)DNA)DNA的三级结构的三级结构:超螺旋超螺旋 双螺旋双螺旋DNADNA进一步扭曲盘绕则形成其三级结构，进一步扭曲盘绕则形成其三级结构，超超螺旋是螺旋是DNADNA三级结构的主要形式。三级结构的主要形式。自从自从19651965年年VinogradVinograd等人发现多瘤病毒的环形等人发现多瘤病毒的环形DNADNA的超螺旋以来，现已知道绝大多数原核

22、生物都是的超螺旋以来，现已知道绝大多数原核生物都是共价封闭环共价封闭环(covalently closed circle,CCC)(covalently closed circle,CCC)分分子，这种双螺旋环状分子再度螺旋化成为子，这种双螺旋环状分子再度螺旋化成为超螺旋超螺旋结构结构(superhelix(superhelix或或supercoilsupercoil)。有些单链环形染色体有些单链环形染色体(如如174)174)或双链线形染色或双链线形染色体体(如噬菌体如噬菌体)，在其生活周期的某一阶段，也，在其生活周期的某一阶段，也必将其染色体变为必将其染色体变为超螺旋超螺旋形式。对于真核生

23、物来说，形式。对于真核生物来说，虽然其染色体多为线形分子但其虽然其染色体多为线形分子但其DNADNA均与蛋白质相均与蛋白质相结合，两个结合点之间的结合，两个结合点之间的 DNA DNA 形成一个突环形成一个突环(loop)(loop)结构，类似于结构，类似于CCCCCC分子，同样具有超螺旋形式。分子，同样具有超螺旋形式。超螺旋按其方向分为超螺旋按其方向分为正超螺旋和负超螺旋正超螺旋和负超螺旋两种。真两种。真核生物中，核生物中，DNADNA与与组蛋白组蛋白八聚体形成八聚体形成核小体结构核小体结构时，时，存在着存在着负超螺旋负超螺旋。研究发现，所有的。研究发现，所有的DNADNA超螺旋都超螺旋都是

24、由是由DNADNA拓扑异构酶拓扑异构酶产生的。产生的。(二二)真核细胞染色体的组装真核细胞染色体的组装 染色体的基本结构单位是染色体的基本结构单位是核小体核小体。核小体是由。核小体是由DNADNA和和组蛋白组成的。组蛋白组成的。组蛋白有组蛋白有五种五种，H H2 2A,HA,H2 2B,HB,H3 3,H,H4 4 各两分子构成一个各两分子构成一个八聚体八聚体，其外再由双螺旋，其外再由双螺旋DNADNA绕其旋转绕其旋转1.751.75圈圈(为为DNADNA的三级结构的三级结构)，约含，约含140 bp140 bp 。称为。称为核小体的核心颗核小体的核心颗粒粒(core particle)(co

25、re particle)。两个核心颗粒之间由一段双螺。两个核心颗粒之间由一段双螺旋旋DNADNA链链(约约60 bp60 bp)相连，称为相连，称为连接部连接部。组蛋白。组蛋白H H1 1结合结合在此部位。若干个核小体再螺旋形成核小体纤维，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。从双螺旋再进一步螺旋化形成染色体。从双螺旋DNADNA到染色体，到染色体，DNADNA总共压缩了约总共压缩了约800080001000010000倍。倍。核小体结构如图所示核小体结构如图所示:由由6 6个核小体念珠绕成个核小体念珠绕成 30 nm 30 nm 纤维纤维 (fiber)(fiber)染染色色体体组组装装的的层层次次