第2章核酸的结构与功能 pptConvertor.docx
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第2章核酸的结构与功能
学习目标要求
掌握核酸的化学组成、多核苷酸的结构、双螺旋和超螺旋结构特征、核小体的结构、DNA与RNA的区别、核酸的变性与复性等知识;
了解DNA结构的动态性、超螺旋结构的拓扑学性质,染色质的高级结构、RNA的结构与功能、核酸的分子杂交。
章节内容
2.1细胞内的遗传物质;2.2核酸的化学组成与共价结构;2.3DNA的高级结构与功能;2.4真核生物的染色体及其组装;2.5RNA的结构与功能;2.6核酸的变性、复性与分子杂交;
2.1细胞内的遗传物质;
2.1.1DNA是主要的遗传物质
人类对DNA作为遗传物质的认识。
认识过程经历的三个阶段:
(1)1928年FrederickGriffith的肺炎双球菌转化实验;
(2)1944年OswaldAvery等的肺炎双球菌验证试验,1952年Hershey和MarthaChase的噬菌体侵染大肠杆菌实验;
(3)1953年Watson和crick的DNA双螺旋结构模型理论。
(1)1928年FrederickGriffith的肺炎双球菌转化实验;
1928年,英国科学家格里菲思用肺炎双球菌在小鼠身上进行转化实验。
他用了两种不同类型的肺炎双球菌,一种是S型细菌,菌落外形光滑,菌体有多糖类的荚膜,使之不受被感染动物的正常抵制机制所杀死,是有毒性的球形菌,可以引起人患肺炎和使小鼠患败血症而死亡;另一种是R型细菌,它实际上是肺炎双球菌的突变型,它无法合成具有保护作用的荚膜,因此它无毒性,菌落外形粗糙。
这些活的有毒型细菌是怎么来的呢?
是活的无毒型细菌转变成有毒型的吗?
这是最可能的。
但是,转变是怎么产生的呢?
分明是活的无毒型细菌受到了死的有毒型细菌的影响,因为它们是一起注入小家鼠体内的。
怎样影响的呢?
这个问题,当时的科学水平还不能回答。
1944年OswaldAvery等的肺炎双球菌验证试验
1944年,美国的生物学家亚弗利、麻克里奥和麦卡第合作,在格里弗里斯的肺炎双球菌转化实验的基础上进行了细致的工作(体外转化实验)。
他们把有毒型的细菌杀死,磨碎它们的死细胞,提出了5种成分,有多糖、脂质、蛋白质、RNA和DNA。
它们都是性质各不相同的有机物。
他们把这些成分提出来以后,分别加进培养活的无毒型细菌的试管里。
经过一段时间的培养,他们从各试管里取出细菌的样品,注射人小白鼠体内,结果只有注射S型菌DNA和R型活菌的混合液的小白鼠才死亡,这是一部分R型菌转化产生有毒的、有荚膜的S型菌所致,并且它们的后代都是有毒、有荚膜的。
这说明了多糖、脂质、RNA和蛋白质等成分都不是这种细菌的遗传物质,只有DNA才是这种细菌的遗传物质。
肺炎双球菌转化实验的实质
遗传转化是指同源或异源的游离DNA分子(质粒或染色体DNA)被细菌的细胞摄取,并得以表达的基因转移过程。
遗传转化可以分为自然转化和人工转化,前者是细胞在一定生长阶段出现容易接受外源DNA的生理特性;后者则是通过人为诱导的方法,使细胞具有摄取DNA的能力,或人为地将DNA导入细胞内。
自然转化现象首先是在肺炎双球菌中发现的。
近几十年来,已经发现许多细菌属中的某些种类或某些特殊的菌株有自然转化能力。
在肺炎双球菌中,自然转化的第一步是R型受体细胞处于感受态,即能从周围环境中吸取DNA的一种生理状态,然后是DNA在细胞表面的结合和进入。
进入细胞的DNA分子一般以单链形式整合进宿主的染色体DNA,并获得遗传特性的表达。
这一系列的过程涉及细菌染色体上10多个基因编码的功能。
R型细菌在生长到一定阶段时,就会分泌一种小分子的蛋白质,称为感受态因子。
这种因子又与细胞表面受体相互作用,诱导感受态特异蛋白质(如自溶素)的表达,它的表达使细胞表面的DNA结合蛋白及核酸酶裸露出来,使其具有与DNA结合的活性。
加热灭活的S型细菌遗留下了完整的细菌染色体DNA的各个片段,其中包括控制荚膜形成的基因,即S基因(smoothgene)。
这一片段从S细菌中释放出来,并且在后继的培养中被一些R型细菌所摄取,S基因的DNA以双链的形式在R型细菌细胞的几个位点上结合并被切割。
核酸内切酶首先切断DNA双链中的一条链,被切割的链在核酸酶的作用下降解,成为寡核苷酸释放到培养基中,另一条链与R感受态细菌的特异蛋白质结合,以这种形式进入细胞,并通过同源的重组以置换的方式整合进入R细菌的基因组中,使R型细菌转化为S型细菌。
1952年Hershey-Chase的噬菌体侵染大肠杆菌实验
另一个实验即Hershey-Chase实验显示,单单DNA就能保存用于产生整个病毒的信息。
已经知晓,被称为噬菌体的病毒在细菌的帮助下进行复制。
噬菌体注射某种物质到细菌的体内,这种物质被用于产生新的病毒。
通过使用两种病毒样本进行试验验证。
一种病毒样本生长在用放射性磷做标记的培养基中。
由于只有DNA含有磷,蛋白质不含磷,因此这种放射性培养基特异性地对噬菌体中的DNA进行标记。
另一种样本的病毒生长在用放射性硫做标记的培养基中。
只有蛋白质含有硫,DNA不含硫,所以这种培养基特异性地标记蛋白质。
下一步,每种病毒样本都用来侵染细菌。
侵染了一段时间后,将得到的混合物高速离心而把细菌和病毒分开。
在用含有放射性磷做标记的病毒进行侵染得到的混合物中,放射性主要存在于细菌体内,意味着DNA被注射到了细菌体内。
在用含有放射性硫的病毒所做的侵染实验中,放射性只存在于细菌外面,位于原先那些病毒体内。
这意味着病毒的蛋白质并没有进入细菌内部。
Hershey-Chase实验显示,当噬菌体复制的时候,它们只需要将它们的DNA注射到宿主细胞中;并没有进行蛋白质的传递。
(3)1953年Watson和crick的DNA双螺旋结构模型理论。
美国科学家詹姆斯·沃森;弗朗西斯·克里克
1952年,生物化学家查伽夫(E.chargaff,1905—)测定了DNA中4种碱基的含量,DNA双螺旋结构发现其中腺嘌呤与胸腺嘧啶的数量相等,鸟嘌呤与胞嘧啶的数量相等。
这使沃森、克里克立即想到4种碱基之间存在着两两对应的关系,形成了腺嘌呤与胸腺嘧啶配对、鸟嘌呤与胞嘧啶配对的概念。
1953年2月,沃森、克里克通过维尔金斯看到了富兰克琳在1951年11月拍摄的一张十分漂亮的DNA晶体X射线衍射照片,这一下激发了他们的灵感。
他们不仅确认了DNA一定是螺旋结构,而且分析得出了螺旋参数。
他们采用了富兰克琳和威尔金斯的判断,并加以补充:
磷酸根在螺旋的外侧构成两条多核苷酸链的骨架,方向相反;碱基在螺旋内侧,两两对应。
一连几天,沃森、克里克在他们的办公室里兴高采烈地用铁皮和铁丝搭建着模型。
1953年2月28日,第一个DNA双螺旋结构的分子模型终于诞生了。
生物体内DNA分子上的遗传信息通过表达产生各种蛋白质和RNA实现功能。
DNA分子通过碱基互补配对形成双链分子,这一碱基互补配对的机制是DNA复制、转录和翻译(表达)的基础。
DNA的遗传物质特性
Ageneticmaterialmusthavefourproperties.Theyarethepropertiesofstoringinformation,beingstable,allowingmutationandbeingabletoreplicate.
(1)能够储存遗传信息;
(2)遗传信息能够传给子代;(3)物理与化学性质稳定;
(4)能够发生遗传变异。
2.1.2RNA也是遗传物质
烟草花叶病毒(tobaccomosaicvirus,TMV)有一圆筒状的蛋白质外壳,内含有一单链RNA分子,沿着内壁在蛋白质亚基间盘旋。
1956年,A.Gierer和G.Schramm用提纯的TMVRNA接种烟草植株,结果出现了典型的病斑,而当用RNase处理RNA后,再感染植物时就观察不到病斑的出现,这个结果表明RNA是TMV的遗传物质。
1957年H.Fraenkel-Conrat和B.Singer通过病毒的重建进一步证实了Gierer等的上述结论。
将两种不同的病毒株系的外壳蛋白和RNA分别分离开,然后再交互重组,即用A病毒的蛋白外壳与B病毒的RNA混合,和用B病毒的蛋白外壳与A病毒的RNA混合形成杂种病毒。
当用这两种杂种病毒来感染烟草时,病斑总是跟RNA供体的病斑一样,而与蛋白外壳供体的病斑不同。
这一结果证明了在只有RNA,而不具有DNA的病毒中,RNA是遗传物质。
病毒(噬菌体)等低等生物除了使用DNA作为遗传物质外,也使用RNA作为遗传物质,发挥与DNA相似的作用。
烟草花叶病毒
2.2核酸的化学组成与共价结构
2.2.1核酸的化学组成
DNA和RNA共有胞嘧啶;DNA中只有胸腺嘧啶,无尿嘧啶;尿嘧啶只存在于RNA中。
DNA的碱基种类:
A腺嘌呤;T胸腺嘧啶;C胞嘧啶;G鸟嘌呤。
RNA的碱基种类:
A腺嘌呤;U尿嘧啶;C胞嘧啶;G鸟嘌呤。
核苷由戊糖与碱基缩合组成;
戊糖与碱基之间的化学键,叫做N-糖苷键(N-glycosidicbond)。
戊糖的C1与嘌呤的N9或与嘧啶的N1相连接
核酸分子中的糖苷键均为β-糖苷键。
在核苷酸中有两种糖,一种是核糖,另一种是脱氧核糖。
核糖在2’和3’位置各有一个羟基,而脱氧核糖只在3’位置有一个羟基。
稀有碱基:
又称修饰碱基,是核酸转录之后经甲基化、乙酰化、氢化、氟化以及硫化而成。
多半是主要碱基的甲基衍生物。
又称修饰碱基,这些碱基在核酸分子中含量比较少,但他们是天然存在不是人工合成的,是核酸转录之后经甲基化、乙酰化、氢化、氟化以及硫化而成。
多半是主要碱基的甲基衍生物。
如:
5-甲基胞苷、5,6-双氢脲苷等。
另外有一种比较特殊的的核苷:
假尿嘧啶核苷是由于碱基与核糖连接方式的与众不同,即尿嘧啶5位碳与核苷形成的C-C糖苷键。
tRNA中含有修饰碱基比较多,有的tRNA含有的稀有碱基达到10%。
核苷酸是核苷的磷酸酯,是DNA和RNA的基本结构单位。
核苷酸的类型,根据不同的碱基类型,羟基位置,携带磷酸基团数目等,存在多种分类方法。
根据核糖上连接碱基的自由羟基的位置不同,可以构成不同的核苷酸,即2’-核苷酸,3-’核苷酸和5’-核苷酸。
生物体内游离存在的为5’-核苷酸。
根据碱基的不同,分为腺嘌呤核苷酸(腺苷酸,AMP)、鸟嘌呤核苷酸(鸟苷酸,GMP)、胞嘧啶核苷酸(胞苷酸,CMP)、尿嘧啶核苷酸(尿苷酸,UMP)、胸腺嘧啶核苷酸(胸苷酸,TMP)及次黄嘌呤核苷酸(肌苷酸,IMP)等。
据核糖类型,核苷酸分为核糖核苷酸及脱氧核苷酸两类。
据核苷酸中的磷酸基团的数目,分为一磷酸核苷(NMP)、二磷酸核苷(NDP)及三磷酸核苷(NTP),其中磷酸之间是以高能键相连。
三种不同磷酸基团数目的脱氧腺苷酸
此外,核苷酸分子内部还可脱水缩合成为核苷酸分子内的磷酸酯,即环核苷酸。
视连接部位不同,有2’,3’-环核苷酸、2’,5-环核苷酸和3’,5-环核苷酸。
小结
核苷酸是核酸的基本结构单位;核苷酸由碱基、戊糖和磷酸构成;碱基包含A、T、C、G、U等多种;戊糖为D-核糖和D-2’-脱氧核糖,由此,核酸分为DNA和RNA。
核糖能够被甲基化修饰;RNA包含多种修饰化和异构化的核苷(碱基)。
2.2.2多聚核苷酸的结构GeneralStructureofNucleicAcids
核酸是由众多核苷酸聚合而成的多聚核苷酸(polynucleotide),相邻二个核苷酸之间的连接键即:
3’,5,-磷酸二酯键Phosphodiesterbond。
一个核苷酸残基的戊糖环的3‘-OH与下一个核苷酸残基的戊糖环的5‘-磷酸基团缩合形成3’,5-磷酸二酯键。
多个通过磷酸二酯键结合在一起的戊糖链构成核酸的骨架,碱基则近似垂直突出于骨架一侧。
3’,5-磷酸二酯键
Sugar-phosphatebackbone/糖-磷酸骨架
BetweenthetwoendsoftheDNAisasimple,repeatingstructureofsugarsconnectedbyphosphodiesterbonds.Thisstructureiscalledthesugar-phosphatebackbone.
BetweenthetwoendsoftheDNAisasimple,repeatingstructureofsugarsconnectedbyphosphodiesterbonds.Thisstructureiscalledthesugar-phosphatebackbone.
在两个末端之间DNA是简单的、重复的由磷酸二酯键连接起来的糖。
这种结构被叫做糖-磷酸骨架。
deoxyribonucleicacid(DNA);ribonucleicacid(RNA)
Nucleotidesarepolymerizedtoformnucleicacids.
Ribonucleotide;Deoxyribonucleotide
Nucleotidesarepolymerizedtoformnucleicacids.Ifdeoxy-ribonucleotidesareused,thepolymeriscalleddeoxyribonucleicacid,orDNA.Ifribonucleotidesareused,thepolymeriscalledribonucleicacid,RNA.
核苷酸聚合起来产生的就是核酸。
如果使用的是脱氧核糖核苷酸,产生的聚合物是脱氧核糖核酸,简称为DNA。
如果使用的是核糖核苷酸,产生的聚合物是核糖核酸,简称为RNA。
DNA的一级结构是指其分子中的核苷酸残基的排列顺序,或者指碱基的排列顺序。
DNA分子没有支链结构。
为什么?
通常,一条染色体就是一个DNA分子。
遗传信息通过不同的碱基排序储存于DNA分子内。
DNA所携带的遗传信息有2类,其一,负责编码蛋白质和RNA的信息;其二,负责基因表达调控(决定基因的特异性和选择性表达)
Fiveprimeendandthreeprimeend三-撇末端与五-撇末端
Nucleicacidpolymerislinear,meaningithasnobranches.
Thedirectionofnucleicacidisfrom5’-endto3’-end.
Likepeptides,thenucleicacidpolymerislinear,meaningithasnobranches.Ononeendofthepolymeristhe3’-OHgroupofanucleotide.Thisendiscalledthethreeprimeend.Ontheotherendisa5’-triphosphategroupofadifferentnucleotide.Thatiscalledthefiveprimeend.
与肽一样,核酸聚合物是线性的,意味着它没有分支。
在聚合物的一个末端是3’-OH。
这一末端叫做三一撇末端,写成3’末端。
另一个末端是另一个核苷酸的5’-三磷酸基团。
这一末端叫做五一撇末端,写成5’末端。
2.3DNA的高级结构与功能
2.3.1双螺旋模型特征
据JamesWatson和F.H.C.Crick提出的DNAdoublehelixmodel(双螺旋模型),有如下特征:
(1)主链(backbone)
主链由脱氧核糖和磷酸基通过磷酸二酯键交替连接而成,是DNA的骨架。
主链有二条,它们似“麻花状”绕一共同轴心以右手方向盘旋,相互平行而走向相反形成双螺旋构型。
链处于螺旋的外则,这正好解释了由糖和磷酸构成的主链的亲水性。
DNA外侧是脱氧核糖和磷酸交替连接而成的骨架。
所谓双螺旋就是针对二条主链的形状而言的。
(2)碱基对(basepair)
碱基位于螺旋的内则,它们以垂直于螺旋轴的取向通过糖苷键与主链糖基相连。
同一平面的碱基在二条主链间形成碱基对。
配对碱基总是A与T和G与C。
碱基对以氢键维系,A与T间形成两个氢键,G与C间形成三个氢键。
DNA结构中的碱基对与Chatgaff的发现正好相符。
从立体化学的角度看,只有嘌呤与嘧啶间配对才能满足螺旋对于碱基对空间的要求,而这二种碱基对的几何大小又十分相近,具备了形成氢键的适宜键长和键角条件。
每对碱基处于各自自身的平面上,但螺旋周期内的各碱基对平面的取向均不同。
碱基对具有二次旋转对称性的特征,即碱基旋转180°并不影响双螺旋的对称性。
也就是说双螺旋结构在满足二条链碱基互补的前提下,DNA的一级结构产并不受限制。
这一特征能很好的阐明DNA作为遗传信息载体在生物界的普遍意义。
碱基对的氢键
(3)大沟和小沟
大沟和小沟分别指双螺旋表面凹下去的较大沟槽和较小沟槽。
小沟位于双螺旋的互补链之间,而大沟位于相毗邻的双股之间。
DNA之所以形成大小沟,这是由于连接于两条主链糖基上的配对碱基并非直接相对,从而使得在主链间沿螺旋形成空隙不等的大沟和小沟。
在大沟和小沟内的碱基对中的N和O原子朝向分子表面。
Minorgroove(1.2nm);Majorgroove(2.2nm)
2nanometers1turn=10.5bases=3.4nanometers
碱基平面之间的间隔为0.34nm;螺旋直径为2nm
大沟和小沟
Double-strandedDNAistwistedintoashapedcalledadoublehelix.Thedoublehelixisaverycompactstructure.Eachbasepairliesparallelandveryneartothebasepairaboveandbelow.Thisiscalledbase-stacking.
双链DNA是扭转成双螺旋的形状的。
双螺旋是一种非常紧密的结构,每个碱基对平行伸展并且与上面的和下面的碱基对非常靠近,这一现象叫做碱基堆积。
脱氧核糖和磷酸通过3’-5’phosphodiesterbond连接形成螺旋链的骨架.核糖和磷酸位于螺旋体外侧,碱基位于内侧。
碱基顶部基团裸露在DNA大沟内,大沟内有氢键供体或受体,蛋白质与大沟结合机率高。
蛋白质因子与DNA的特异结合依赖于氨基酸与DNA间的氢键的形成。
(4)结构参数
螺旋直径2nm;螺旋周期包含10对碱基;螺距3.4nm;相邻碱基对平面的间距0.34nm。
DNA双螺旋稳定性的维持因素
(1)碱基对间的氢键;
(2)碱基堆基力;(3)DNA与介质间的正负电荷间作用(离子键);
(4)其他键能
碱基对间的氢键Hydrogenbond:
4-6kcal/mol,weak.
碱基堆积力
双螺旋结构的每个碱基对平行伸展并且与上面的和下面的碱基对非常靠近,这一现象叫做碱基堆积。
所谓的碱基堆积力是指在DNA双螺旋结构中,碱基对平面垂直于中心轴,层叠于双螺旋的内侧,相邻疏水性碱基在旋进中彼此堆积在一起相互吸引形成的作用力。
维持DNA双螺旋结构的稳定的力主要是碱基堆积力
正负电荷间作用(离子键)
DNA磷酸基团的氧原子带有负电荷,与DNA存在介质的阳离子以及其它带有正电荷的物质之间形成离子键
2.3.2DNA高级结构的其他形式
生物体绝大多数的DNA以B型双螺旋存在;
双螺旋结构的动态变化导致其他构象的产生。
如A型、Z型等。
DNA结构的多态性(polymorphism):
DNA能够以多种不同的螺旋结构形式存在。
多态性存在的原因:
(1)核糖的自身构象变化;
(2)核糖与碱基之间的C-N糖苷键的自由旋转;(3)磷酸二酯键的旋转。
(1)B型DNA(B-DNA)
生物体绝大多数的DNA以B型双螺旋存在(溶液和细胞中天然状态中的DNA多以此状态存在);B-DNA为DNA钠盐在92%RH下的纤维构象;
右手双螺旋
右手双螺旋,螺旋直径2nm,螺旋一圈包含10个碱基对,螺旋夹角为360/10=36度,碱基对的轴升=0.34nm;
B-DNA的核糖糖环为外式折叠;
B-DNA的碱基对倾斜角小,大沟比小沟宽。
DNA模型
B-DNA
螺旋方向
右手
直径(nm)
2
碱基数/螺旋
10
螺距(nm)
3.4
旋转角度/碱基
36度;
其它结构特征
平滑旋转梯形螺旋结构
存在情况
92%RH,钠盐,溶液和细胞中天然状态中的DNA多以此状态存在
(2)A型DNA(A-DNA)
A-DNA为DNA钠盐在75%RH下的纤维构象;
右手双螺旋,螺旋体宽而短,螺旋直径2.55nm,螺旋一圈包含11个碱基对,螺旋夹角为360/11=32.7度,碱基对的轴升=0.23nm
A-DNA的核糖糖环为内式折叠;
A-DNA的碱基对倾斜角大,造成大沟深窄,小沟宽浅。
DNA模型
A-DNA
螺旋方向
右手
直径(nm)
碱基数/螺旋
11
螺距(nm)
2.8
旋转角度/碱基
32.7º
其它结构特征
碱基不与中心轴垂直,呈20度倾角
存在情况
75%RH,钠盐
(3)Z型DNA(Z-DNA)
左手双螺旋,螺旋体窄而长,螺旋直径1.84nm,螺旋一圈包含12个碱基对,螺旋夹角为360/6=60度(Z-DNA的核苷酸交替顺式,以2个),碱基对的轴升=0.38nm
A-DNA的核糖糖环为内式折叠;
A-DNA的碱基对倾斜角大,造成大沟深窄,小沟宽浅
DNA模型
Z-DNA
螺旋方向
左手
直径(nm)
1.8
碱基数/螺旋
12
螺距(nm)
4.56
旋转角度/碱基
-30度;
其它结构特征
主链中P原子连接线呈锯齿形,似“Z”字,分子细长伸展,碱基对偏离中心轴而靠近外侧,螺旋表面只有小沟,无大沟
存在情况
在一定条件下右旋DNA可转变为左旋,DNA左旋化可能与致癌、突变及基因表达调控有关
(4)C型DNA(C-DNA)
DNA模型
C-DNA
螺旋方向
直径(nm)
1.84nm
碱基数/螺旋
9.3
存在情况
66%RH,锂盐,可能存在于某些病毒DNA中
参数
螺旋类型
A
B
Z
外形
粗短
适中
细长
螺旋方向
右手
右手
左手
螺旋直径nm
2.55
2.37
1.84
碱基轴升nm
0.23
0.34
0.38
碱基夹角/度
32.7
34.6
60
每圈碱基数目
11
10.4
12
螺距nm
2.46
3.32
4.56
轴心是否穿过碱基对
否
是
否
碱基倾角/度
19
1
9
糖环折叠
C3内式
C2内式
嘧啶C2内式,嘌呤C3内式
糖苷键构象
反式
反式
C,T反式,G顺式
大沟
很窄,很深
很宽,较深
平坦(无大沟)
小沟
很宽,较浅
窄、深
较窄,很深
说明
DNA分子构象的改变不涉及共价键的变化;DNA的各种构象可以在一定条件下相互转化;
(5)发夹与反向重复序列
发夹结构(hairpin
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