核酸讲课1.docx
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核酸讲课1
第四章核酸和核苷酸
二十世纪是物理学
的世纪
二十一世纪是
生命科学
的世纪
生命是
?
生命=核酸+蛋白质
二十一世纪是核酸、蛋白质的世纪
核酸的发现和研究简史
1868瑞士F.Miescher
脓细胞的细胞核分离一种有机物
它的含磷量之高,有很强的酸性核素
脱氧核糖核蛋白30%脱氧核糖核酸
任何有机体,包括病毒、细菌、动植物都含有核酸
核酸占细胞干重的5~15%
第一节碱基、核苷和核苷酸
一、核酸的种类和分布
种类:
脱氧核糖核酸(deoxyribonucleicacid,DNA)
(脱氧核苷酸的聚合物)
原核:
裸露的DNA分子集中于核区
真核:
细胞核DNA:
与组蛋白、非组蛋白形成染色体
细胞器DNA:
双链环形,一般裸露
(线粒体、叶绿体)
核糖核酸(ribonucleicacid,RNA)
(核苷酸的聚合物)
RNA主要分布在细胞质中
病毒要么只含DNA,要么只含RNA
病毒分为DNA病毒和RNA病毒两大类
细菌的病毒(噬菌体)多数是DNA病毒
植物病毒多为RNA病毒
动物病毒多为DNA病毒
二、核酸的组成和结构
研究物质的组成主要的研究方法就是降解法
核酸不完全水解可将核酸成核苷酸
核苷酸还可以进一步分解成核苷和磷酸
核苷再进一步分解生成碱基和戊糖(完全水解)
所以,核酸是由核苷酸组成的
而核苷酸又由碱基、戊糖与磷酸组成
碱基分两大类:
嘌呤碱与嘧啶碱
戊糖有两大类:
核糖和脱氧核糖
1.戊糖
两类:
D-核糖(D-ribose);
D-2’-脱氧核糖(D-deoxyribose)
戊糖碳原子编号数字上加“’”以区别于碱基
游离核糖的直链醛型结构和闭合呋喃型结构处于互变平衡状态
核苷酸中两种戊糖都取β呋喃型结构
糖环中C—1为不对称碳原子,有α和β两种构型;
核酸分子中的糖苷键均为β糖苷键
2、碱基
碱基两类:
嘌呤碱和嘧啶碱
嘧啶碱嘧啶碱是母体化合物为嘧啶的衍生物
嘧啶上的原子编号方法(新系统)
常见的嘧啶碱有三类:
(胞嘧啶,C)(胸腺嘧啶,T)(尿嘧啶,U)
脱氧核糖核酸(DNA)含有胞嘧啶,胸腺嘧啶
核糖核酸(RNA)含有胞嘧啶、尿嘧啶
游离的嘌呤、嘧啶碱基因pH不同采取两种或多种同分异构形式
如尿嘧啶就可以有内酰胺型(酮式)、内酰亚胺型(烯醇式)和双内酰亚胺型结构
内酰胺型
pH7
一般介绍的是pH7时嘌呤和嘧啶的主要形式
嘌呤碱
两类:
腺嘌呤及鸟嘌呤
嘌呤碱是由母体化合物嘌呤衍生而来的
(腺嘌呤,A)(鸟嘌呤,G)
稀有碱基(minorbase),修饰碱基(modifiedbase)
稀有碱基:
碱基环内某个原子上的氢、或环外某原子上的氢被甲基等基团取代后所得到的碱基
种类极多大都是甲基化的碱基
tRNA含有较多的稀有碱基
植物DNA中有相当量的5-甲基胞嘧啶
稀有碱基的种类和命名:
次黄嘌呤
(1).当取代涉及到嘌呤或嘧啶环上的一个原子时
只简单地说明取代作用发生在环上原子的顺序数字而将取代位置的原子类型略去
5-甲基胞嘧啶5-羟甲基胞嘧啶
(2).如果取代作用发生在环外原子
原子类型必须提及并把这个原子附着的环上位置数字用小写标在原子的右上角
N2-甲基鸟嘌呤N6-甲基腺嘌呤
硫代(sulfur,s),4-硫代尿嘧啶,S4U(环外)
乙酰化(acetylate,ac)
糖基化(glucose,g),多发生在核苷核糖的2’位
3、核苷(核糖苷)
由戊糖和碱基缩合而成,以糖苷键相连接
核苷中的D-核糖与D-2’脱氧核糖均为呋喃型环状结构
糖环上的1C与嘧啶碱的N1相连
糖环上的1C与嘌呤碱的9N相连
糖和碱基之间的连键是N-C键(N-C糖苷键)
糖环中C—1为不对称碳原子,有α和β两种构型
核酸分子中的糖苷键均为β-糖苷键
核苷有核糖核苷与脱氧核糖核苷两大类
4、核苷酸
核苷中的戊糖羟基被磷酸酯化就形成核苷酸
核苷酸分成核糖核苷酸脱氧核糖核苷酸两大类
核糖核苷酸2’-核苷酸,3’–核苷酸,5’-核苷酸
2’-核苷酸
3’–核苷酸
5’-核苷酸
脱氧核糖核苷酸3’-脱氧核苷酸,简称3’-核苷酸
5’-脱氧核苷酸,5’-核苷酸
*核酸分子中的核苷酸均为5’-核苷酸
1).RNA分子中常见的核苷酸
腺嘌呤核苷酸,腺嘌呤核苷-5´-单磷酸,
腺苷酸,A,AMP
鸟嘌呤核苷酸,鸟嘌呤核苷-5´-单磷酸,
鸟苷酸,G,GMP
胞嘧啶核苷酸,胞嘧啶核苷-5´-单磷酸,
胞苷酸,C,CMP
尿嘧啶核苷酸,尿嘧啶核苷-5´-单磷酸,
尿苷酸,U,UMP
2).DNA分子中常见的核苷酸
脱氧腺嘌呤核苷酸,脱氧腺嘌呤核苷-5’-单磷酸,
脱氧腺苷酸A,dA,dAMP
脱氧鸟嘌呤核苷酸,脱氧鸟嘌呤核苷酸-5’-单磷酸,
脱氧鸟苷酸G,dG,dGMP
脱氧胸腺嘧啶核苷酸,脱氧胸腺嘧啶核苷-5’-单磷
脱氧胸苷酸T,dT,dTMP
脱氧胞嘧啶核苷酸,脱氧胞嘧啶核苷-5’-单磷酸
脱氧胞苷酸C,dC,dCMP
核苷酸共价连接于核糖5’羟基上的磷酸可以有一个、二个或三个,有核苷单磷酸、核苷二磷酸和核苷三磷酸
三、核苷酸的生物学功能
核苷三磷酸是DNA和RNA生物合成的活性前体
其他功能
1.细胞中的携能(carrychemicalenergy)核苷酸
核苷酸共价连接于核糖5’羟基上的磷酸可以有一个、二个或三个
分别被称为核苷单磷酸、核苷二磷酸和核苷三磷酸
核糖和磷酸基团之间是由一个酯键连系的
三个磷酸酯基团分别标记为α、β、γ
α与β、β与γ磷酸基团之间是焦磷酸键
酯键约14kJ/mol,焦磷酸键约30kJ/mol
由于三磷酸酯的化学结构
ATP和其他核苷三磷酸的水解是放能反应
可作为能源用于驱动一系列不同的化学反应
ATP使用得最广泛
但是UTP,GTP,CTP也被用于专门的生化反应中
为什么ATP在细胞中作为最基本的能量载体?
(p62)
2.核苷酸是许多酶的辅因子的结构成分
腺嘌吟核苷可作为一系列酶的辅因子结构的一部分
β—酮脂酰辅酶A转移酶以乙酰辅酶A中的腺嘌呤核苷酸(3’-P-ADP)为辅因子
3.一些核苷酸是细胞通讯的媒介
细胞对环境事件作出反应是由围绕它的介质中的激素和信号化合物提示的(第一信使)
这些细胞外化学信号和细胞受体的互相作用常常导致细胞内第二信使(secondmessengers)的产生,由它们导致细胞内部的适应性改变
第二信使常常是一种核苷酸
一个最普遍的第二信使是3’5’-环式单磷酸腺苷
(cyclicAMP或cAMP)
腺苷酸环化酶从ATP合成的
另一种调节核苷酸是ppGpp,它是在氨基酸饥饿期间由细菌产生的,用于减缓蛋白质合成
核苷酸结构表达式
(1).3’-核苷酸(Np)5’-核苷酸(pN)
第二节多核苷酸与磷酸二酯键
1.磷酸二酯键(3’,5’-磷酸二酯键,C’3–O-P-O-C’5)
多核苷酸(DNA和RNA)中的核苷酸残基都是通过磷酸基团这个“桥”而共价相连的
一个核苷酸残基的5’-羟基通过“磷酸二酯键”与下一个核苷酸残基的3’-羟基相连
核酸的主链是由相间出现的磷酸、核糖残基通过共价键连接起来的
各种碱基可以看成是连系在核酸主链上的侧链基团
DNA和RNA的主链都是亲水的
糖残基的羟基基团可以和水形成氢键
主链中的磷酸基团pK值接近于0
在pH7的中性环境中它是完全解离的并带负电荷
DNA和RNA中的磷酸二酯键在主链中都有相同的取向,因此线型DNA或RNA具有极性,并有独特的5’或3’末端
5’末端(5’-end)在5’上缺少核苷酸残基
5’-末端(含磷酸基);
3’末端(3’-end)在3’位置上缺少核苷酸残基
3’-末端(含自由羟基)。
DNA和RNA的共价主链能进行非酶促的缓慢水解
在试管中RNA在碱性环境能迅速被水解
但是DNA不被碱水解
RNA中的2’-OH参与了这种水解过程
环式2’3’-单磷酸核苷是RNA碱水解的最初产物
最后迅速进一步水解产生2’-单磷酸核苷和3’-单磷酸核苷的混合物
2.核酸中的核苷酸顺序的表示法:
它表示一个含五个核苷酸残基的DNA片段
其中磷酸基团用P表示
每个脱氧核糖用一垂直线表示,糖中的五个碳原子的位置从垂直线的上端至下端分别是1’—5’,一个核苷酸残基的3’到另一核苷酸残基的5’之间通过磷酸二酯键连系
通常记录一条单链核酸的核苷酸顺序总是从左边到右边,左边表示核酸的5’末端,右边表示3’末端
即5’→3’方向
可以简化为pA-C-G-T-AOH,pApCpGpTpA
或pACGTA
寡核苷酸(oligonucletide):
50个或小于50个核苷酸残基的核酸链
多核苷酸(polynucleotide):
长于50个核苷酸残基的核酸链
第三节DNA的结构
一、DNA的一级结构:
1.DNA的一级结构:
核酸分子中核苷酸的种类,数目,排列顺序及连接方式
DNA的一级结构是由数量极其庞大的四种脱氧核糖核苷酸,通过磷酸二酯键相互连接而成的线性或环状多聚体,没有分支结构
单链环状(X174噬菌体)
双链环状(质粒DNA)
由于脱氧核糖中C—2’上不含羟基
C-1’又与碱基相连
所以唯一可以形成的键是3’,5’-磷酸二酯键
DNA没有侧链
DNA分子上四种核苷酸排列顺序(序列)的问题是分子生物学家多年来要解决的重要问题
2.DNA一级结构的测定(自学)
3.各物种DNA有着独特的碱基组成
20世纪40年代后期ErwinChargaff
收集许多物种DNA碱基组成的资料
导致Chargaff得出下列结论:
①不同物种间DNA碱基组成一般是不同的
②同一物种不同组织的DNA样品有着相同的碱基组成
③物种的DNA碱基组成不因个体的年龄、营养状态和环境改变而改变;
④任何一种DNA样品
腺嘌呤的数量一定等于胸腺嘧啶的数量,即[A]=[T]
鸟嘌呤的数量一定等于胞嘧啶的数量[G]=[C].
即嘌呤的总数等于嘧啶的总数,即[A]+G]=[T]+[C]
这些数量关系被称为Chargaff定则
(DNA碱基等比规律)
(二)天然DNA分子细长
20世纪50年代,制备的最大DNA分子分子量106
DNA制备方法的改进,实际上DNA分子量要大得多
1.病毒DNA分子(p91)
病毒所需的遗传信息比寄主细胞少得多
病毒基因组可以由RNA组成,也可以由DNA组成
一般RNA病毒基因组很小,
DNA病毒基因组的分子量变化较大
从病毒的分子量可以计算出它们的分子长度和所含碱基对数目(按双链DNA,每核苷酸残基对分子量为650,每个核苷酸对长0.36nm计算)。
大肠杆菌λ噬菌体的复制型,48502bp
DNA长17.5μm分子,病毒颗粒长190nm
2.细菌细胞染色体DNA和染色体外DNA
细菌含有比病毒更多的DNA
如大肠杆菌比λ噬菌体颗粒DNA多约200倍
4.7ⅹ106bp,DNA分子长1.7mm,细胞长度的850倍
天然DNA分子往往是很长的,就其长度和直径之比,这是一种极其不对称的分子
如此细长的分子对任何机械力的作用都十分敏感
以至于很难完整地得到它
二.Waston,Crick的双螺旋结构(p69)
1.DNA双螺旋结构模型的提出
主要有两方面的资料:
一是DNA碱基组成的定量分析
二是对DNA纤维或晶体的X光衍射分析
衍射图确定,DNA多聚物有着两种周期性的螺旋结构
第一周期距离0.34nm,第二周期距离3.4nm
这个图还表明DNA含有两条链
Waston&Crick,1953年DNA双螺旋结构模型
2.Watson-CrickDNA双螺旋结构特征
1)两条反向平行(p66)的多核苷酸链围绕同一中心轴相互缠绕形成一个右手性双螺旋,螺旋的直径为2nm
2)
2).脱氧核糖与磷酸基相间连结成的主链位于螺旋的外部,形成DNA分子的骨架
两条链的嘌呤和嘧啶碱位于双螺旋的内侧,有着近乎平面的结构
一条链上的每个碱基和它另一条链同一平面的碱基配对
碱基的配对的原则:
嘌呤和嘧啶碱基上最重要的基团是环上氮原子、羰基和环外的氨基
根据分子模型的计算,一条链上的嘌呤碱必须与另一条链上的嘧啶碱相匹配,其距离才正好与双螺旋的直径相吻合
碱基之间所形成的氢键,A只能与T相配对,形成两个氢键,G与C相配对,形成三个氢键
上述碱基之间配对的原则称为碱基互补
碱基互补原则具有极重要的生物学意义
3).DNA两条链之间的空间关系
双螺旋结构上有二条螺形凹沟,一条较深,一条较浅
较深的沟称为大沟,宽度为1.9nm,深度为0.86nm
较浅的称小沟,宽度为0.6nm,深度为0.5nm
4)两个相邻的碱基对之间相距的高度即碱基堆积距离为0.34nm,两个核苷酸之间的夹角为36度
因此沿中心轴每旋转一周有10(10.5)个核苷酸
每一转的高度(即螺距)为3.4nm(3.6)
3.DNA双螺旋结构(二级结构)稳定的力
1).碱基堆积力(维持二级结构稳定的主要因素)
2).互补碱基对之间的氢键
氢键破坏剂:
尿素甲酰胺
能与碱基形成氢键而降低DNA两条链间的连接能力
3).离子键
磷酸基团上的负电荷与溶液中的阳离子之间
三、DNA二级结构的其他形式:
相对湿度92%时DNA钠盐纤维,B型DNA
另外,两种DNA结构的变种:
A型和Z型结构。
A-DNA:
在相对湿度低于75%时DNA钠盐纤维其结构有所不同,称为A-DNA。
特点:
仍然是右手双螺旋结构
每个碱基对上升0.28nm,每个螺旋11个碱基对
同一种DNA分子取A型要比B型短一些
螺旋直径大一些
Z-DNA:
ARich在研究CGCGCG寡聚体
左手螺旋主链取“锯齿状”如“之”字形
每个螺旋有12个碱基对每个碱基对上升0.37nm
z-DNA只有一条大沟,而无小沟
有一些核苷酸顺序较易于形成Z型结构
如嘌呤和嘧啶碱基取相间排列的顺序
特别是C,G相间或5—甲基胞嘧啶与鸟嘌呤相间的顺序
A型DNA结构是否存在于细胞中不能肯定
有证据表明Z型DNA段落的存在
并可能调节一些基因表达或在遗传重组中起作用
(三)与DNA碱基顺序有关的特殊结构
1.回文顺序(palindrome):
所谓回文顺序,就像一个单词,一个词组或一个句子,它们从正方向阅读和反方向阅读,其含义都一样
ROTATORNURSESRUN
回文顺序:
用于描述碱基顺序颠倒重复因而具有二倍对称的DNA段落
特点:
在单链DNA或RNA中能形成发卡结构
在双链DNA内能形成十字架结构
2镜像重复(mirrorrepeat):
颠倒重复存在于同一条链内
镜像重复在同一条链内不具有链内互补顺序
不能形成发卡结构和十字架结构
3H-DNA:
它的DNA顺序具有多嘧啶—多嘌呤特点,并具有镜像重复
一个简单的例子是如图2—22(b)所示的一长串的T和C相间顺序
它能靠碱基配对形成三链螺旋
三、DNA的超螺旋和染色体包装(p96,简讲)
1.DNA超螺旋(DNA三级结构的常见形式)
超螺旋从字面上看意味着在螺旋基础上的再螺旋
DNA是以双螺旋的形式围绕着同一个轴心缠绕就形成了双螺旋
DNA的折叠和包装需要DNA处于超螺旋状态
但是复制和转录过程可能导致DNA的超螺旋的形成
超螺旋:
DNA双螺旋由于解旋或增旋产生的张力,促使DNA分子内部的原子位置重新排列,导致DNA分子本身发生卷曲,这种卷曲就称为超螺旋
超螺旋是DNA三级结构的一个重要特征
DNA超螺旋的水平是受细胞调节的
(二)DNA在体内的包装
1.互缠式超螺旋和线圈型超螺旋
互缠式超螺旋:
DNA的螺旋轴互相缠绕
另一种超螺旋DNA称为线圈型超螺旋.
2、DNA在体内的包装
染色质是由差不多等量的DNA和蛋白质组成的
染色质中的DNA紧紧地和组蛋白结合
组蛋白是小的碱性蛋白,有五种
所有真核染色质的组蛋白相对分子质量在11000—21000之间,并且富含碱性氨基酸——精氨酸和赖氨酸(之和可达全部的1/4)。
组蛋白高度保守,特别是H3、H4
H4的102个氨基酸残基
豆科植物与牛只有两个氨基酸的差异
人和酵母只有8个氨基酸的差异
真核生物组蛋白H1,H2A,H2B则具较低的同源性
H3序列改变1%需3亿年
H4序列改变1%需6亿年
细胞色素C改变1%需2千万年
HbA序列改变1%需六百万年
人类历史只有50万年
地球48-50亿年
2)核小体是染色质的基本结构单位
DNA和组蛋白形成的复合物叫做核小体
每个核小体含有8个组蛋白分子,各含两个H2A,H2B,H3和H4分子组成,
核心DNA以左手螺旋的方式围绕着它形成线圈形超螺旋
每个核小体和间隔所含的DNA约200碱基对
其中146bp紧紧缠绕着组蛋白八聚体核心
其余的用于连系两个核小体,称为连接DNA
组蛋白H不参与核小体的组成,通常和连接DNA相结合
四、真核生物染色体DNA的碱基顺序特征(p95)
1、有重复顺序
重复顺序:
即重复出现的核苷酸序列、多拷贝的DNA顺序
以小鼠染色体DNA为例
大体上有三类DNA顺序组成
(1)高重复顺序(highlyrepetitive)
DNA顺序每个小于10bp,以同向重复的方式串联在一起,重复的次数每个细胞可达百万次。
占小鼠全部染色体10%的DNA
细胞DNA经超声波处理
进行氯化铯密度梯度离心
因碱基组成独特(含A-T对多),具有特殊密度
能与其它染色体DNA形成的主区带分离而成独立小区带,这些独立的小区带称为“卫星带”
高重复DNA亦称“卫星DNA”(satelliteDNA)
卫星DNA不大可能为蛋白质或RNA编码
废物DNA,它们是进化过程留下的残迹
高重复顺序一般位于真核染色体的着丝粒和端粒上
着丝点:
为染色体有丝分裂纺锤体的微管蛋白质提供一个附着点,是细胞分裂期间把染色体正确地分离,分配到子代细胞所必需的
酵母染色体:
着丝粒功能必需的DNA顺序约130bp长,并富含A=T碱基对,
更高等的真核生物着丝粒DNA更长一些
*端粒:
是位于真核生物线形染色体末端的DNA顺序
它起到稳定染色体的作用
人工去除染色体的端粒顺序,染色体很快会丢失
酵母的端粒顺序约长100碱基对,是由:
(5’)(TxGy)n(3’)(AxCy)n
组成的重复顺序,其中X和Y的数目在1—4之间。
(2)“中等重复顺序”(moderatelyrepetitive)
重复顺序的长度(基本单元)可达几百个碱基对(150-300碱基对),重复次数达1000次以上
占小鼠细胞染色体DNA的20%
这些顺序能以很低的频率从基因组的一个位点转移到另一个位点(反转座子的结构特征)
(3)单拷贝顺序或只重复几次的DNA顺序
这三类顺序在不同物种中各自所占的比例不同
2.许多真核基因含有间隔顺序
真核基因的核苷酸顺序含有一个或更多的间隔DNA片断
这些片断不为多肽链产物中的氨基酸顺序编码
把那些为多肽链中氨基酸编码的核苷酸顺序打断
*内含子(内元,intron)
存在于基因内,不编码任何RNA和蛋白质的片段
*真核基因一般为不连续基因(断裂基因)
*为组蛋白编码的基因内无内含子
*少数原核生物基因有内含子
*外显子(exon),又称为表达子
是真核细胞基因内为RNA或功能性多肽链编码的部分
鸡卵清白蛋白基因,有7个内含子顺序,
把编码顺序分隔成8个片断
内含子顺序比外显子顺序长得多,占基因的85%
大部分真核基因所含有的内含子顺序在数量、位置及其在基因中所占比例是变化不定的
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