第十三章 核酸通论

显花植物 鸟类 哺乳类 爬行类 两栖类 骨鱼类 软骨鱼类 棘皮类 甲壳类 昆虫类 软体动物 蠕虫类 酶菌 藻类 真菌 革兰氏阳性菌 革兰氏阴性菌 枝原体 106 图 10-37
107
108
109
1010
1011
不同门类生物的 C 值分布(仿 B.Lewin:《GENES》Ⅵ,1997,Fig 21.1)
*
Watson-Crick的DNA双螺旋
双螺旋分子中糖分 子与纵轴平行，与碱基 平面垂直。
稳定双螺旋结构 的作用力为氢键、碱 基堆积力（即疏水作 用）和环境中正离子 的作用。
碱基的配对使得双 螺旋DNA分子在复制时 以半保留的形式进行。
DNA双螺旋分子结构的不同类型：
主要有三种，分别命名为A、B和C型。其 中B型与Watson-Crick提出的模型一致，A和C 型在低相对湿度的条件下形成，它们的螺距都 比B型要短，A型DNA的结构与DNA和RNA的杂合 链相似。Z型DNA首先在富含GC的DNA短片段中 发现，后用抗体证明天然DNA中也有，它是一 种左手螺旋，在细胞中可能与基因表达的调控 有关。
Z-DNA的生物学意义
(1) 可能提供某些调节蛋白的识别位点。啮齿类动物病 毒的复制起始部位有d（GC）有交替顺序的存在；在SV40的 增强子中有三段8bp的Z-DNA存在。 (2)原生动物纤毛虫，有大、小两个核，大核有转录活 性，小核与繁殖有关。Z-DNA抗体以萤光标记后，显示仅和 大核DNA结合，而不和小核的DNA结合，说明大核DNA有Z-DNA
5，6-二氢 尿嘧啶
假鸟嘧啶
4-硫尿嘧啶
(二) 核苷
(三) 核苷酸
二、核酸的共价结构
(一)核酸中核苷酸的连接方式
B
3’ P 5’
B
B
B
B
B
3’
P
P
P
P 5’
牛脾磷酸二酯酶
蛇毒磷酸二酯酶
5’羟基形成的 磷酸酯键
3’羟基形成的 磷酸酯键
核酸的结构层次
核酸的一级结构：
碱基的排列顺序 DNA 5'- ATGCATGC……3' 3'- TACGTACG……5' RNA 5'- AUGCAUGC……3'
促旋酶（拓扑异构酶 Ⅱ）的作用方式
(四) DNA与蛋白质复合物的结构
平均每200bp的DNA绕核 小体左旋1.75转，因此 真核生物的DNA分子为 正超螺旋
核小体的电镜照片
组蛋白八聚体：（a)前面观；(b)顶面观；（c）沿着染色体纤维长轴的透视 图；(d)DNA与组蛋白空间结构的模式图。
（a)核小体的 结构图，左图 为沿核小体轴 观察的图示； 右图为沿核小 体轴垂直方向 观察的图示； (b) 一半核小 体的结构图。
• 真核生物mRNA的5端有帽子cap
•
真核生物mRNA的5端帽子（cap） Ⅰ型 m7 G5′ppp 5′NmpNp
三、DNA的高级结构
(一) DNA碱基组成的Chargaff规则（1950）,见表13-5 （P230）
（1）腺嘌呤与胸腺嘧啶的摩尔数相等,即A＝T。
（2）鸟嘌呤与胞嘧啶的摩尔数相等，即G＝C
20 Mbp
47 Mbp 100 Mbp 70 Mbp 74. 8 Mbp 165 Mbp 400 Mbp 1.9 Gbp 2.9 Gbp 3.3 Gbp
6,000
7,000 19,100 25,500
46,022~55,615
13,000 70,000 70,000 70,000 70,000
酿酒酵母
的存在，可能和转录调控有关。
作业： Ｐ244：4、7、11、12
6.DNA分子的三螺旋结构和单链结构：
在DNA分子中，镜像重复序列可以回折，形 成三螺旋结构。 在某些病毒中，DNA分子以单链形式存在。
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(三 ) DNA的三级结构
正螺旋和负螺旋
负超螺旋 右旋
正超螺旋 左旋
DNA双螺旋为右手 螺旋。细胞中的环状 DNA一般呈负超螺旋， 即右手螺旋不足导致部 分碱基不能形成配对， 分子通过整体拓扑学上 的右旋来补足右手螺旋 的不足，在数学上呈1： 1，即分子整体右旋一 圈来补双螺旋上的一圈 不足。 正超螺旋为双螺旋 旋转过度，通过分子整 体的左旋来解开过度的 螺旋。
3.6 kb
4.2 kb 5.2 kbp 5.4 kbp 6.4 kb 9.3 kb 35.9 kbp 48.5kbp 169 kbp 4.64 Mbp
4
3 8 9 4 10 11 50 300 4,288
裂殖非洲粟酒酵
盘基网柄菌 秀丽隐杆线虫 拟南芥 水稻(籼稻) 黑腹果蝇 河豚鱼 担尼鱼 非洲爪蟾 小鼠
1944年Avery重做1928 年Griffith的细菌转化实 验，证明DNA是遗传物质。
1952年 Hershey & Chase的噬菌 体感染实验 进一步证明 DNA是遗传物 质。
1950年Chargaff,E和Hotchkiss,R.D.采用纸层析法仔细分 析了DNA的组成成分, 得知[A]=[T], [G]=[C], [A+G]=[C+T] 1953年Watson, Crick根据DNA的X射线图谱的研究结果, 提 出了DNA的双螺旋模型(Double helix)。几星期后提出了半保留 式复制模型。 1957年Meselson Stahl用密度梯度超离心法, 证实半保留 复制假说。 1958年Kornberg得到高纯度的DNA polymerase, 这种酶需 要一个模板DNA。 1960年Cairns拍摄了复制中的细菌DNA的电镜照片。 1970年发现第一个DNA限制性内切酶。 1972年建立DNA重组技术。 1978年建立DNA的双脱氧测序法。 1990年开始实施人类基因组计划。 2003年人类基因组计划宣告完成测序任务。
第十三章
核酸通论
生物大分子：核酸、蛋白质、多糖和脂质复合物。
多糖和脂质复合物：由蛋白质（酶）催化生成 ；
蛋白质：生物功能的执行者；
核酸：决定了蛋白质的合成。 核酸分为：脱氧核糖核酸（DNA） 核糖核酸（RNA）
一、核酸研究简史
1868年 Miescher博士 论文工作中测 定淋巴细胞蛋 白质组成时, 发现了不溶于 稀酸和盐溶液 的沉淀物, 并 在所有细胞的 核里都找到了 此物质, 故命 名核质 (Nuclein)。 1879年Kossel经过10年的努力, 搞清楚核 质中有四种不同的组成部分: A,T, C和G。 1889年Altman建议将核质改名为“核 酸”, 并且已经认识到“核质” 乃“核酸” 与蛋白质的复合体。
二、核酸的生物功能
(一) DNA是主要的遗传物质
1928年Griffith的细菌转化实验
1952年Hershey and Chase的实验进一步 证明DNA是遗传物质
植物病毒重建实 验： FraenkelConrat（1956）
烟草花叶病毒（TMV） 和霍氏车前花叶病毒
（HRV），分别拆分取
得各自的RNA和蛋白质， 将两种RNA分别与对方 的蛋白质外壳重建形成 两种杂合病毒。
核酸的二级结构：
形成双螺旋和单链环 核酸的三级结构： 空间构象
(二) DNA的一级结构
(三) RNA的一级结构
ACTG
？“pApCpT” 与
“ApCpTp”是否为同一物质？
• 真核生物：极大多数真核细胞mRNA3’端有长 约20- 250的多聚腺苷酸
•
• •
poly(A)是在转录后经poly(A)聚 合酶的作用添加上去的 poly(A)尾巴可能与mRNA从细胞核到细胞质 的运输有关 poly(A)还可能与mRNA的半寿期有关
2.原核生物基因组的特点
通常只有一个DNA分子；无 重复序列；功能相关的基因常构 成一个转录单位；有重叠基因。
3.真核生物基因组 的特点
（1）有重复序列， 中度重复序列可重复几 十次到几千次，如rRNA 基因、tRNA基因和某些 蛋白质的基因；高度重 复序列可重复数百万次， 如卫星DNA和微卫星DNA。 （2）有断裂基因， 不少基因含有称作内含 子的非编码区，编码区 称作外显子，有些基因 可含有几十个内含子。
DNA RNA
嘌呤碱 嘧啶碱
戊糖 酸
腺嘌呤 鸟嘌呤 胞嘧啶 胸腺嘧啶 D-2脱氧核糖
磷酸
腺嘌呤 鸟嘌呤 胞嘧啶 尿嘧啶 D—核糖
一、核苷酸
核酸可以水解成核苷酸，核苷酸可以水解成磷酸和核苷， 核苷可以水解成戊糖和碱基，碱基可以分成多种类型。
(一) 碱基
1
1
次黄嘌呤
黄嘌呤
尿酸
与氨基酸一样，碱基在细胞中也受到各种各样的修饰， 其产物常常扮演信号传导信使分子、营养因子、辅酶等角色， 并对核酸结构的稳定性起着重要作用.
2. RNA功能的多样性
(1)某些病毒的遗传物质;
(2)控制蛋白质的合成;
(3)遗传信息的加工;
(4)基因表达和细胞功能的调控;
(5)催化功能;
(6)在细胞分化和个体发育中发挥重要作用;
(7)在生命起源中可能有重要作用。
第十四章 核酸的结构
核酸的组成： 核酸 ↓ 核苷酸
磷酸
戊糖
核苷
碱基
两类核酸的区别
A型(75%,Na) B型(92%,Na) C型(66%,Li) D/R hybrid Z型
螺距 2.8 3.4 3.1 2.8 4.6
残基数 碱基倾斜 11 20° 10 0° 9.3 6° 11 20° 12 9°
Z-DNA的结构特点：
（1）糖磷骨架呈“之”字形（Zigzag）走向。 （2）左旋。 （3）G的糖苷键呈顺式(Syn) ，使G残基位于分子表面。 （4）大沟消失，小沟窄而深。 （5）每个螺旋有12bp。