《生物化学》核酸的结构与功能

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生物化学 Biochemistry
第二章
核酸的结构和功能
Structure and Function of Nucleic Acid
内容提要:
生物化学 Biochemistry
概述 第一节 核酸的种类与分布 第二节 核苷酸 第三节 DNA的分子结构 第四节 核酸与蛋白质的复合体 第五节 RNA的分子结构 第六节 核酸的理化性质
生物化学 Biochemistry
DNA的结构,发 表于《自然》 171卷 (1953)737-738 页上的插图
DNA的双螺旋结构
右手螺旋
• 右手性的定义示意图。大姆指指向轴向,其他 四指由掌根向指尖方向表示螺旋转动方向。
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(一)DNA双螺旋结构的实验依据
1. Chargaff 规则:
二、 DNA的二级结构(secondary structure) ——双螺旋(double helix)结构
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DNA的二级结构(secondary structure) 是指构成DNA的多聚脱氧核苷酸链之间 通过链间氢键卷曲而成的构象。
1953年,Watson-Crick提出的双螺旋模型。
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四、核苷酸
➢ 核苷(脱氧核苷)和磷酸以酯键连接形成核苷酸(脱氧
核苷酸)。
NH2
酯键 N
N
1.核苷一磷酸
HO
➢ 核苷酸:
AMP, GMP, UMP, CMP
➢ 脱氧核苷酸:
O
PO O-
5' CH2
HH
9
N
N
O 2'H1'H
dAMP, dGMP, dTMP, dCMP
Sanger双脱氧链终止法
• Sanger法:
– 在PCR时分别加入ddA,ddT,ddC,ddG(相 应于4种碱基)
– ddX的两个作用:
• 可以当作正常碱基参与复制 • 一旦链入DNA中,其后就不能再继续连接
– 电泳 – 谁终止,碱基就是谁 – 此方法获1974年的Nobel奖
氧脱 核氧 甘核 酸甘 结酸 构与 比双 较脱
N
N
9
NN
HOCH2 O
H
H 1′
H2N N N HOCH2 O
HH
H
H
H
H
OH OH
OH OH
腺嘌呤核苷 鸟嘌呤核苷
1
HO N
HO N
HOCH2 O
HOCH2 O
H
H 1′
HH
H
H
H
H
OH OH
OH OH
胞嘧啶核苷
尿嘧啶核苷
核糖核苷:AR, GR, CR, UR 脱氧核苷:dAR, dGR, dCR, dTR
OH OH
腺苷酸
糖苷键
2.核苷多磷酸
➢ 5′核苷酸的磷酸基团可与另一磷酸分子缩合形成核苷二磷酸 (NDP),核苷二磷酸还可进一步与磷酸缩合形成核苷三磷 酸(NTP)。
N=A/U/G/C
腺嘌呤
腺苷
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核苷多磷酸的生物学功能
➢ ATP分子的最显著特点是含有两个高能磷酸键。水 解时, ATP可以释放出大量自由能,用于推动生物体 内各种需能的生化反应。
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第一节
核酸的种类与分布
生物化学 Biochemistry
一、核酸的种类
脱氧核糖核酸(DNA)


转运核糖核酸(tRNA) 10-
15%
核糖核酸(RNA) 信使核糖核酸(mRNA) 5%
核糖体核糖核酸(rRNA) 80%
二、核酸的分布
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一、碱基
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碱基
嘌呤 嘧啶
腺嘌呤(A)
鸟嘌呤(G) DNA、RNA均 有
胞嘧啶(C)
胸腺嘧啶(T) 尿嘧啶(U)
DNA有(某些RNA
中有 少量存在)
RNA有
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嘌呤
腺嘌呤(6-氨基嘌呤) 鸟嘌呤(2-氨基-6-氧嘌呤)
胞 嘧 啶
2-氧-4-氨基嘧啶
3. DNA的X-线衍射图谱分析
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已知的核酸化学数据
(二) DNA双螺旋结构模型要点
1. 两条链反向平行,围绕同 一中心轴构成右手双螺旋 (double helix)。表面有 大沟和小沟。
2. 磷酸-脱氧核糖形成DNA 的骨架,位于双螺旋外侧 与中轴平行,碱基垂直于 螺旋轴而伸入内侧。
碱基堆积力是维持DNA双螺旋结构稳定的主 要作用力。
互补碱基之间的氢键:
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• G-C间有3个氢键,A-T之间仅有2个氢键。 • 故前者较稳定。
离子键:
• 带负电荷磷酸之间的静电斥力——会造成不稳定, 但带负电荷磷酸可与阳离子结合有助于结构的稳定。
• Na+、K+、Mg2+、Mn2+ 或是真核细胞内的组蛋白之 间形成的离子键,中和了负电荷,降低了DNA链本 身不同部位之间的斥力。
• cAMP属于放大激素作用信号,cGMP属于缩小激素作用 信号。这两种环核苷酸在细胞代谢过程中其重要的调节作 用。
• 目前已知,许多激素(第一信使)是通过cAMP (第二信 使)而发挥其功能的。
• 另外,cAMP也参与大肠杆菌中DNA转录的调控。
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第三节
DNA的分子结构 Molecular Structure of DNA
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核酸的基本元素组成:
C、H、O、N、P(9-10%)
核酸的基本构成单位 —核苷酸(nucleotide)
➢ DNA的基本组成单位是脱氧核糖核苷酸; ➢ RNA的基本组成单位是核糖核苷酸。
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核酸
核苷酸
核苷 磷酸
戊糖 碱基
核酸的酸性水解过程
概述
生物化学 Biochemistry
一、什么是核酸?
核酸(nucleic acid)是一种生物大分子; 是活细胞中最关键的组分,它携带着遗传信息, 是遗传的物质基础;它决定蛋白质和酶的结构, 它决定每一种生物体的代谢类型和形态。
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二、核酸的发现和研究工作进展
1868年 Fridrich Miescher从脓细胞中提取“核素” 20年后 R.Altmann分离到不含蛋白质的核酸 1944年 Avery等人证实DNA是遗传物质 1953年 Watson和Crick发现DNA的双螺旋结构 1968年 Nirenberg发现遗传密码 1975年 Temin和Baltimore发现逆转录酶 1981年 Gilbert和Sanger建立DNA测序方法 1985年 Mullis发明PCR技术 1990年 美国启动人类基因组计划(HGP) 1994年 中国人类基因组计划启动 2001年 美、英等国完成人类基因组计划基本框架
• 碱基堆积力是最主要的稳定因素
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DNA分子中的碱基堆积力(base stacking forces):
嘌呤与嘧啶形状扁平,成疏水性,分布于双螺旋结构 的内侧。大量碱基层层堆积,两相邻碱基的平面十分贴 近,于是使DNA双螺旋结构内部形成一个强大的疏水区, 与介质中的水分隔开,在DNA分子内部形成疏水核心, 核心内几乎没有游离的水分子,免遭水溶性活性小分子 的攻击,保证碱基在化学上的稳定性。
➢ 不同物种的DNA碱基组成不同,而同一生物的DNA组成 是一样的,即有种属特异性,无组织特异性;
➢ DNA碱基组成不随年龄、营养状况和环境因素而改变; ➢ 在同一生物体中[A] = [T],[G] = [C],即A+G=T+C。
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2. Norweger、Furbug研究证实,戊糖 糖环与DNA分子纵轴平行,而碱基平面与 纵轴垂直。
几乎所有的生物体(包括细菌、病毒等)内都含有核酸。大多数生物 既含有DNA又含有RNA,在病毒分子中,只含有一种核酸(DNA或 RNA)。
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第二节 核苷酸 (nucleotide)
核酸的化学组成
The Chemical Component of Nucleic Acid
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如果人体有1014个细胞,每个体细胞的DNA量为 6.4×109对核苷酸。试计算人体DNA的总长度是多 少?这个长度与太阳-地球之间的距离(1.5×108 km)相比如何? • ①每个体细胞内DNA的总长度: 6.4×109×0.34=2.176×109nm • ②人体DNA的总长度: 2.176×109×1014=2.176×1023nm=2.176×101 1 km • ③这个长度与太阳—地球之间的距离之比为 2.176×1011/1.5×108≈1451(倍)
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DNA的分子结构可分为一级结构、二级结构和三级结
一构。、DNA的一级结构
➢ 一级结构是指核酸分子中核苷酸的排列顺序及连接方式。
1. 排列顺序:不同的DNA分子具有不同的核苷酸排列顺 序,因此携带不同的遗传信息。
2. 连接方式:以3 ,5 -磷酸二酯键连接形成多核苷酸链, 即核酸
嘧啶
尿 嘧 啶
2,4-二氧嘧啶
胸腺嘧啶(5-甲基-2,4-二氧嘧啶)
稀 有 碱 基
二、戊糖
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三、核苷(nucleoside)
➢ 碱基和核糖(或脱氧核糖)通过C-N 糖苷键连接形成 核苷(或脱氧核苷)。
NH2
OH
NH2
OH
N
N
N
N
3. 书写方法:结构式、线条式、文字式。 5ˊ端→3ˊ端(由 左至右)
Fra Baidu bibliotek
结构式
线条式 文字式
DNA的一级结构测序
经典方法
✓ Maxam-Gilbert DNA化学降解 法(Maxam 和Gilbert,1977)
✓ Sanger双脱氧链终止法(Sanger 和Coulson1977)
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碱基平面与纵轴垂直,糖环平面与纵轴平行
3. 双螺旋直径2nm,顺轴 方向每隔0.34nm有一个 核苷酸,每圈螺旋含10 个核苷酸,相邻两个核 苷酸间的夹角为36°,螺 距为3.4nm。
4. 两条链通过碱基间的氢 键相连,A对T有两个氢 键,C对G有三个氢键, 这种A-T、C-G配对的规 律,称为碱基互补规则。
碱基互补配对
A
T
C
G
碱基对(base pair):是一对相互匹配的碱基(即A:T, G: C,A:U相互作用)被氢键连接起来,简写作bp。然而,它 常被用来衡量DNA和RNA的长度(尽管RNA是单链)。
配对碱基的氢键
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(三)双螺旋结构的稳定的因素
• 1. 碱基堆积力 • 2. 配对碱基形成的氢键 • 3. 离子键
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DNA双螺旋结构提出的生物学意义
该模型揭示了DNA作为遗传物质的稳定性特征, 最有价值的是确认了碱基配对原则,这是DNA复制、 转录和反转录的分子基础,亦是遗传信息传递和表达 的分子基础。该模型的提出是20世纪生命科学的重大 突破之一,它奠定了生物化学和分子生物学乃至整个 生命科学飞速发展的基石。
➢ 环核苷酸是由核苷酸分子中的磷酸与核糖的3’,5’-二 羟基形成磷酸二酯键环化而成。
NH2
N
N
N
N
O CH2 O
HH
HH
HO P O
OH
O
cAMP
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环核苷酸的生物学功能
• cAMP和cGMP是最普通的第二信使,它们广泛存在于动 物、植物和微生物中,虽然在细胞内的含量很低,但有极 重要的生理功能。
少一个 -OH
技术路线与要求
制备单链模板 ↓
将单链模板与一小段引物退火 ↓
加入DNA聚合酶(Klenow)+ 4种dNTP + 引物
分别加入少量4种ddNTP ↓
将4种反应产物分别在4条泳道电泳 ↓
根据4个碱基在4条泳道的终止位置读出基因序列
测双 序脱 基氧 本链 原末 理端 示终 意止 图法
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Maxam-Gilbert DNA化学降解法
一个末端标记的DNA片段在4组互相独立的的化 学反应分别得到部分降解,其中每一组反应特异地 针对某于种或某一类碱基。因此生成4组放射性标记 的分子,从共同起点(放射性标记末端)延续到发 生化学降解的位点。每组混合物中均含有长短不一 的DNA分子,其长度取决于该组反应所针对的碱基 在原DNA全片段上的位置。此后,各组均通过聚丙 烯酰胺凝胶电泳进行分离,再通过放射自显影来检 测末端标记的分子。
➢ GTP、CTP、UTP在某些生化反应中也具有传递能 量的作用。
➢ UDP、ADP、GDP在多糖合成中,可作为携带葡 萄糖基的载体;CDP在磷脂合成中可作为携带胆碱的 载体。
➢ NTP和dNTP分别是RNA和DNA的直接前体。
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3.环核苷酸(cAMP & cGMP)
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