南京農業(yè)大學生物化學課件(1)課件

第五章核酸

（Chemistryofnucleicacid）1868年，瑞士科學家F.Miescher從外科繃帶上膿細胞中分離出了一種富含磷的有機物質，稱為“核素”(nuclein)。他的論文發(fā)表在Med.Chem.Unters1872年，他從萊茵河鮭魚中得到類似物,同時還分離到一種堿性化合物，稱為魚精蛋白（protamine）5.1概述1889年，Altman等人又從酵母和動物的細胞核中得到了不含蛋白質的核酸，并首次使用“核酸”（NucleicAcid）命名。1944年，Avery等人通過細菌轉化實驗證明核酸就是遺傳物質。5.1概述5.1概述

NucleicAcid(NA)

Polynucleotidechain(polyNt)Nucleotide(Nt)basicunitMono-phosphate(Mp)Nucleoside(Ns)Deoxy-ribose(Ribose)BasePurin(pu)Pyrimidine(py)Adenine(A)Thymine(T)Guanine(G)Uracil(U)

Cytosine(C)

DNA分子的片段

5.1概述5.1.1核酸的種類、分布與功能種類分布功能DNA原核生物：核質區(qū)真核生物：95%在細胞核、

5%在線粒體和葉綠體遺傳信息的載體RNAtRNA原核生物：細胞質真核生物：75%在細胞質

15%在線粒體和葉綠體

10%在細胞核攜帶、轉移aamRNA肽鏈合成的模板rRNA核糖體主要成分5.1概述5.1.1核酸的種類、分布與功能l

DNA

與RNA的區(qū)別RNA

2'單磷酸核苷酸

3'單磷酸核苷酸

2',3'環(huán)式單核苷酸

RNase

pH11.5

l

Ribosel

Basel

D.S.&S.S.l

Numbers&lengthl

Stability

核酸的基本結構單元核苷酸核酸是由許多核苷酸組成的長鏈Nucleotide5.1概述5.1.2核酸的化學組成

核苷酸磷酸核苷戊糖堿基核糖脫氧核糖嘌呤嘧啶5.1概述5.1.2核酸的化學組成1、

戊糖它們均以呋喃糖態(tài)存在

RNA中

DNA中

5.1概述5.1.2核酸的化學組成2、堿基DNA中的4種堿基：腺嘌呤、鳥嘌呤、胞嘧啶、胸腺嘧啶RNA中的4種堿基：腺嘌呤、鳥嘌呤、胞嘧啶、尿嘧啶3、磷酸5.1概述5.1.2核酸的化學組成堿基5-甲基-2,4-二氧嘧啶Thy胸腺嘧啶2,4-二氧嘧啶Ura尿嘧啶2-氨基-6-氧嘌呤

Gue鳥嘌呤2-氧-4-氨基嘧啶Cyt胞嘧啶嘧啶6-氨基嘌呤Ade腺嘌呤嘌呤124NN3561357NNNNCH24689HNNNNCHNH2HNNNNCHOHH2NNNNH2OHNNOONNOOCH3核苷

戊糖第1位碳原子上的羥基與嘌呤的第9位氮原子或與嘧啶的第1位氮原子形成的N-C糖苷鍵。腺苷脫氧鳥苷5.1概述5.1.2核酸的化學組成

核苷酸

RNA中的核苷酸腺苷酸AMP鳥苷酸GMP胞苷酸CMP尿苷酸UMPDNA中的核苷酸脫氧腺苷酸dAMP脫氧鳥苷酸dGMP脫氧胞苷酸dCMP脫氧胸苷酸dTMP生物體內存在的核苷酸，多是5核苷酸。'5.1概述5.1.2核酸的化學組成Nucleotide(Nt)basicunitAdenine(A)Guanine(G)Thymine(T)NH3OONH3ONH3Uracil(U)Cytosine(C)pOHOOHOOHpOppOHOHRNA

RNase

pH11.5

O2’,3’環(huán)式單核苷酸

Op3'

單磷酸核苷酸

pOOH2'

單磷酸核苷酸

pOOH5.2DNA的分子結構

DNA分子中各種脫氧核苷酸之間的連接方式和排列順序。四種脫氧核苷酸通過3’,5’-磷酸二酯鍵連接起來的多核苷酸鏈的排列順序。1.定義5.2DNA的分子結構5.2.1DNA的一級結構DNA單鏈的延伸5’3’端5.2.1DNA的一級結構5.2DNA的分子結構

無分枝的長鏈2.多聚脫氧核苷酸鏈的結構特點由糖-磷酸相互間隔連接，構成主鏈；堿基連接在主鏈的核糖上，形成側鏈。具有方向性。兩個末端分別為5'端和3'端。

在天然DNA中，5'端常為磷酸，3'端為游離羥基。5.2.1DNA的一級結構5.2DNA的分子結構3、一級結構的表示方法1）線條法5.2.1DNA的一級結構5.2DNA的分子結構5'pGpCpTpTpAOH3'5'pGCTTAOH3'pGCTTAOHGCTTA2）文字式5.2.1DNA的一級結構5.2DNA的分子結構

DNA的二級結構是指DNA的雙螺旋結構。雙螺旋結構是DNA的兩條鏈圍著同一中心軸旋繞而成的一種空間結構。DNA的雙螺旋模型是由Watson和Crick兩位科學家于1953年提出的。1.二級結構的概念5.2DNA的分子結構5.2.2DNA的二級結構1953年Watsosn&Crick

RighthandedB-formDNADoublehelixModel

5.2.2DNA的二級結構5.2DNA的分子結構2.雙螺旋結構模型提出的依據(jù)A.DNA的X-射線衍射圖：(1)衍射斑點呈交叉狀分布(2)衍射點之間的距離與層次表明有0.34nm和3.4nm的周期性(3)圖的頂上和底部是最強的衍射斑點，呈帶狀5.2.2DNA的二級結構5.2DNA的分子結構M.H.F.Wilkins&RosalindFrankin

X~rayphotographofDNAwithhighquality

1952年5.2.2DNA的二級結構5.2DNA的分子結構B.DNA的堿基組成分析：（Chargaff定則）(1)所有DNA分子中A=T，G=C(2)同一種生物的所有體細胞DNA的堿基組成相同，與年齡、健康狀況、外界環(huán)境無關，可作為該物種的特征，用不對稱比率(A+T)/(G+C)

來衡量。(3)親緣越近的生物，其DNA的堿基組成越近，即不對稱比率越相近。5.2.2DNA的二級結構5.2DNA的分子結構5.2.2DNA的二級結構5.2DNA的分子結構C、DNA的堿基物化數(shù)據(jù)如堿基的幾何大小、鍵長鍵角數(shù)據(jù)、酸堿滴定等。5.2.2DNA的二級結構5.2DNA的分子結構3.雙螺旋結構模型的基本特征(1)反向平行的雙鏈沿中心軸盤繞成右手螺旋。DNA的雙螺旋結構5.2.2DNA的二級結構5.2DNA的分子結構(2)雙螺旋表面形成兩種凹槽：較淺的叫小溝，另一條叫大溝。l

堿基頂部基團裸露在DNA

大溝內

l

蛋白質因子與DNA的特異結合依賴于

氨基酸與DNA間的氫鍵的形成l

蛋白質因子沿大溝與DNA形成專一性結合的機率與多樣性高于沿小溝的結合l

大溝的空間更有利于與蛋白質的結合

5.2.2DNA的二級結構5.2DNA的分子結構(3)由糖-磷酸相互間隔連接構成的主鏈處于螺旋外側；堿基則伸向螺旋內部，與中軸垂直。RighthandedB-formDNADoublehelixModel

5.2.2DNA的二級結構5.2DNA的分子結構(4)雙螺旋內部的堿基按規(guī)則配對：A與T配對，形成2個氫鍵；G與C配對，形成3個氫鍵，稱為堿基互補配對，雙螺旋的兩條鏈也呈互補關系。5.2.2DNA的二級結構5.2DNA的分子結構A

=

TGC5.2.2DNA的二級結構5.2DNA的分子結構(5)雙螺旋直徑為2nm，每對脫氧核苷酸殘基沿縱軸旋轉36°，上升0.34nm。所以每10個堿基對形成一個螺旋，螺距3.4nm。5.2.2DNA的二級結構5.2DNA的分子結構4.影響雙螺旋結構穩(wěn)定性的因素

互補堿基之間的氫鍵(Hydrogenbond)

弱鍵,可加熱解鏈氫鍵堆積,有序排列(線性,方向)

5.2.2DNA的二級結構5.2DNA的分子結構堿基堆集力(Basestackingforces)：堿基堆集成非極性的區(qū)域，相互間產生疏水作用和范德華力

☆疏水作用力(Hydrophobicinteraction)

☆

Vandewaalsforce

(1.7A°/嘌呤環(huán)與嘧啶環(huán)作用半徑)3.4A°4.影響雙螺旋結構穩(wěn)定性的因素

5.2.2DNA的二級結構5.2DNA的分子結構離子鍵

磷酸酯鍵(phosphoesterbond)強鍵,需酶促解鏈消除DNA單鏈上磷酸基團間的靜電斥力

l

0.2mol/LNa+

生理鹽條件

4.影響雙螺旋結構穩(wěn)定性的因素

5.2.2DNA的二級結構5.2DNA的分子結構

在生理狀態(tài)及在溶液中，DNA一般為B型(含水量90％以上，NaCl濃度為2.5M）。當水合的DNA脫水時，轉變?yōu)锳型(含水量75％)。還有Z型的DNA(左手螺旋，0.7MMgCl2)。5.DNA雙螺旋構象的多態(tài)性5.2.2DNA的二級結構5.2DNA的分子結構DNA的分子構型(B,Z,A)比較

Z-DNAZ-DNAA-DNAB-DNADNA的分子構型(B,Z,A)比較

FormBZAHelixDirectionRightLeftRightbp/circle101210.7Distance/bp~0.34nm~0.38nm~0.25nmDistance/helix3.4nm4.46nm2.8nmDiameter/helix2.0nm1.8nm1.9nmSequenceAnyPolyG-CAnyPolyC-APolyT-GPolyT-A

0.2MNaclZ-DNA趨于穩(wěn)定

rabbit

AntibodyofZ-DNA

B-DNA

Z-DNA

Z-DNA

4MNacl

Br+

Z-DNA的檢測羊抗兔二級抗體

goatAntibodyofZ-DNA

偶聯(lián)熒光標記

免疫反應

果蠅唾液腺染色體

細胞學制片

Z-DNAinDrosophilachromosomeprovedbyanti-Zantibody

ImmunoligicaslidCytologicalslid可能的功能

基因表達調控

Z-DNA

(小溝,信息少)

基因關閉

B-DNA

(大溝,信息多)

基因表達

●二級結構的形態(tài)LinearDNA.LOpenCircleDNAOCSupercoiledcircleCovalentClosedCircleCCCD.S.L1.00D.S.OC1.14S.S.L1.30D.S.CCC1.41Collapsed3.00SvedbergUnit(S)polymerOCLCCC核酸分子的二級結構(分別出現(xiàn)在DNA復制，轉錄，重組等階段)核酸分子的二級結構分別出現(xiàn)在DNA復制，轉錄，重組等階段(knot)6.三股螺旋DNA

(TribleHelixDNA,T.SDNA)

※T.SDNA的發(fā)現(xiàn)與證實

l

1953年以前Pauling(Chemist)

提出T.SDNA存在的可能性

l

1953年Watson&CrickD.SDNAmodel

證明沿大溝存在多余的氫鍵給體與受體潛在的專一與DNA(蛋白質)

結合的能力形成T.SDNA可能性

5.2.2DNA的二級結構5.2DNA的分子結構l

1957年Davis,Felsenfeld,Rich發(fā)現(xiàn)

poly(U)+poly(U)+poly(A)T.SRNA

T.SDNA的概念l

1966年Miller&Sobell

實現(xiàn)RNA+D.SDNATriblepolyNt

asRepressor

關閉基因

但由于D.SDNA的提出而被忽視但因證明LacI產物為Repressor而被忽視

●

1975年Perlgut

人工合成T.SDNA并證明其

Tm值,沉降系數(shù)(S)

l

1987年Mirkin.S.M

Nature330(495)

證明plasmidDNA在pH=4.3的溶液中,有T.SDNA的存在

●1987年Dervan.MoserScience238(645)

合成S.SDNA+D.SDNA→T.SDNA

實現(xiàn)DNA的定點切割研究X-rayphotograph

核磁共振→結構功能

繼Davis（1957）后30年第一次證明T.SDNA在生物體內的存在

PolyT/ATTTTTTTTTTTAAAAAAAAAAPolyT/ATTTTTTTTTTTAAAAAAAAAATTTTTTTTTTTAAAAAAAAAATTTTTTTTTTTAAAAAAAAAA●D.S.DNA+D.S.DNAT.S.DNA+S.S.DNA6.三鏈DNA(T.S.DNA)

5.2.2DNA的二級結構5.2DNA的分子結構

●

HomologouspalindromicsequenceinaD.S.DNA-------TTCCCTCTTTCCC------CCCTTTCTCCCTT-------------AAGGGAGAAAGGG---GGGAAAGAGGGAA----

Mirkin(1987)pGG332plasmidDNA

--------TTCCCTCTTTCCC--------

--------AAGGGAGAAAGGG--------

-------TTCCCTCTTTCCC---------

--------AAGGGAGAAAGGG-------

NoduleDNA

HingedDNA

freeDNA

l

S.S.DNA+D.S.DNAT.S.DNA☆

PU+PU/PY(偏堿性介質中穩(wěn)定)☆

PY

+PU/PY(偏酸性介質中穩(wěn)定)常見類型

第三條鏈位于B-DNA的

Majorgroove中與D.S.DNA一起旋轉T.S.DNA可能的功能

a)T.S.DNA可阻止調節(jié)蛋白與DNA結合,關閉基因轉錄過程

b)T.S.DNA與基因重組,交換有關

加入第三條S.S.DNA作為分子剪刀(molecularscissors),

定點切割DNA分子

d)加入反義的第三條鏈(anti-sencepolydNt)終止基因的表達

e)相反的觀點----T.S.DNA與基因表達呈正相關!?

四股螺旋DNA

(tetraplexDNA,TetrableHelixDNA)

發(fā)現(xiàn)

1958.Poly(I)

X-rayphotograph

堿基形成環(huán)狀氫鍵連接結構TetrableHelixDNA均有形成四股螺旋DNA的可能

5’---TTAGGGTTAGGGTTAGGG-3’3’---AATCCCAATCCC-5’

Poly(G),4(dG)

染色體端粒高度重復的DNA序列(TG)著絲點附近的高度重復序列

結構特點LinkedbyHoogsteenBondingGGGG2×d(T4G4)2×d(G4C4)

結構特點可能的功能

A穩(wěn)定真核生物染色體結構

B保證DNA末端準確復制

C與DNA分子的組裝有關

D與染色體的meiosis(減數(shù)分裂)&mitosis(有絲分裂)有關

HoogsteenBonding

5-----TTAGGGTTAGGGTTAGGGT

3-----AATCCCAATCCC

GGG

TA超螺旋:雙螺旋進一步扭曲形成的更高層次的空間結構，包括DNA扭曲、超螺旋、多重螺旋和連環(huán)等。1.DNA超螺旋的概述

DNA正常的雙螺旋結構處于能量最低狀態(tài)，雙螺旋中沒有張力而處于松弛狀態(tài)。如果這種正常雙螺旋額外增加或減少螺旋圈數(shù)，就會使雙螺旋內的原子偏離正常的位置而產生張力，這樣正常的雙螺旋就發(fā)生扭曲而形成超螺旋。超螺旋總是向著抵消初級螺旋改變的方向發(fā)展。5.2DNA的分子結構5.2.3DNA的三級結構2.DNA超螺旋的特點1）線狀DNA分子

雙螺旋與蛋白質結合后扭曲盤繞而形成螺旋的螺旋結構。5.2.3DNA的三級結構5.2DNA的分子結構positivesupercoiled2）環(huán)狀DNA分子雙螺旋扭曲而形成麻花狀的超螺旋結構5.2.3DNA的三級結構5.2DNA的分子結構所有生物的DNA幾乎有5%為NegativeSuperhelix

NegativeSupercoiled

5.2.3DNA的三級結構5.2DNA的分子結構負超螺旋：當螺旋旋轉360?時，其相應堿基對數(shù)小于10，二級結構處于松纏狀態(tài)。正超螺旋：當螺旋旋轉360?時，其相應堿基對數(shù)大于10，二級結構處于緊纏狀態(tài)。5.2.3DNA的三級結構5.2DNA的分子結構InvitroEBinsertedNeg.→Pos.SuperhelixchangeL(linkingNumber)不變T(TwistingNumber)減少

L=T+WW=L-T=正值

DNA向緊縮方向發(fā)展

base

base3.4埃EB7.0埃

base

basebasebase局部DNA的緊縮00.050.1EB/bp16s21sNeg.Pos.

00.050.1l

B-DNA是力學上穩(wěn)定的結構（10bp/helix）l

雖交叉數(shù)減少，但需轉換為一種應力，以維持10bp/helix的螺旋數(shù)，l

應力的重新分配或在B-DNA狀態(tài)中保留一單鏈區(qū)或螺旋力將維持B-DNA的右旋結構,形成超螺旋

420bpL=42T=42W=0無應力狀態(tài)應力的分配松開6圈螺旋△L=－6L=36T=36W=0L=36T=42W=-6360o/helix