分子生物学 遗传物质的分子结构和性质

第二章 染色体与DNA
? 遗传物质的分子结构和性质 ? 基因组和染色体 ? DNA的复制 ? DNA损伤与修复 ? 重组和转座
第一节 核酸的分子结构
1869年 J.T.Miescher 发现核素（muclein） ? 米歇尔在作博士论文时要确定淋巴细胞蛋白质
的组成，不想却发现了一种既不溶解于水、醋 酸，也不溶解于稀盐酸和食盐溶液的未知的新 物质，最终证实这种物质存在于细胞核里，便 将它定名为“核质”。后由瑞典著名生化学家 阿尔特曼建议将“核质”定名为“核酸”。
? 核苷酸(nucleotide) ：核苷与磷酸残基构成的化 合物，即核苷的磷酸酯。核苷酸是核酸分子的 结构单元。核苷酸中戊糖上的所有游离羟基均 可与磷酸形成酯键，但生物体内多数核苷酸的 磷酸连接在核糖或脱氧核糖的 C-5′ 上，形成 5′核苷酸。
? DNA 分子中是含有 A 、G、C、T四种碱基的脱 氧核苷酸； RNA 分子中则是含 A 、G、C、U四 种碱基的核苷酸。
? 核 酸 分 子 中 还 发 现 数 十 种 修 饰 碱 基 （ the modified component), 又 称 稀 有 碱 基 ， (unusual component) 。它是指上述五种碱基 环上的某一位置被一些化学基团（如甲基化、 甲硫基化等）修饰后的衍生物。 DNA 中的修饰 碱基主要见于噬菌体 DNA ，RNA 中以 tRNA 含 修饰碱基最多。
5'－磷酸腺苷的结构式
?含有1个磷酸基团的核苷酸称为核苷一磷酸 （NMP），含有 2个磷酸基团的核苷酸称为核苷 二磷酸（ NDP），有 3个磷酸基团的核苷酸称为 核苷三磷酸（ NTP）。如 AMP 是腺苷一磷酸， GDP是鸟苷二磷酸， CTP是胞苷三磷酸。
DNA的一级结构
? 四种脱氧核苷酸按一定的排列顺序，以 3′, 5′-磷酸二酯键相连接，形成多聚脱氧核 苷酸链，即DNA 。
? 戊糖: ? RNA 中的戊糖是 D－核糖， ? DNA 中的戊糖是 D－2－脱氧核糖。 ? D－核糖的Ｃ－ 2所连的羟基脱去氧就是 D－2
脱氧核糖。
? 核 苷 （ nucleoside) ： 由D－核糖或 D－2脱氧 核糖与嘌呤或嘧啶通过 糖苷键连接组成的化合 物。核酸中的主要核苷 有八种。
? 寡核苷酸（ oligonucleotide) ：这是与核酸有关的文献 中经常出现的一个术语，一般是指二至十个核苷酸残基 以磷酸二酯键连接而成的线性多核苷酸片段。
? 但在使用这一术语时，对核苷酸残基的数目并无严格规 定，在不少文献中，把含有三十甚至更多个核苷酸残基 的多核苷酸分子也称作寡核苷酸。
? DNA的一级结构是指DNA分子中核苷酸 的排列顺序及其连接方式。
? DNA分子中脱氧核苷酸的连接有严格的 方向性，前一个脱氧核苷酸的 3′-羟基（OH）下一个脱氧核苷酸的5′-磷酸形成3′， 5′-磷酸二酯键，从而构成一个没有分支 的线性大分子，其两个末端分别是 5′-末 端（游离磷酸基）和3′-末端（游离羟 基）。
? 5＇pＡpＣpＴpＴpＧpＡpＡpＣpＧ3＇DNA 5＇p Ａp Ｃ p Ｕp Ｕp Ｇp Ａp Ａ p Ｃ p Ｇ3＇RNA
? 此式可进一步简化为： ? 5＇pＡＣＴＴＧＡＡＣＧ 3＇
5＇pＡＣＵＵＧＡＡＣＧቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ3＇
? 上述简写式的 5′－末端均含有一个磷酸残基（与 糖基的Ｃ－ 5′位上的羟基相连）,3′－末端含有 一个自由羟基（与糖基的Ｃ－ 3′位相连）,若5′ 端不写Ｐ，则表示 5′－末端为自由羟基。
Phoebus Levene
?1885—1900年间， Kossel、 Johnew 、Levene 证实核酸由 不同的碱基组成。其最简单的 单体结构是碱基 -核糖 -磷酸构 成的核苷酸。 1929年又确定了 核酸有两种，一种是脱氧核糖 核酸 (DNA)，另一种是核糖核 酸(RNA)。
这五种碱基的结构如图
? 寡核苷酸目前已可由仪器自动合成，它可作为 DNA合 成的引物（primer) 、基因探针（probe) 等，
核酸链的简写式
? 字符式： ? 用英文大写字母缩写符号代表碱基， ? 用小写英文字母 P代表磷酸残基。 ? 核酸分子中的糖基、糖苷键和酯键等均省略不写，将碱 基和磷酸相间排列即可。 ? 简写式中出现Ｔ就视为 DNA 链，出现Ｕ则视为 RNA 链。 ? 以5＇和 3＇表示链的末端及方向，分别置于简写式的左 右二端。
? 双链DNA 分子的简写式多采用省略了磷酸残基 的写法，在上述简式的基础上再增加一条互补链 （complentary strand) 即可，链间的配对碱基 用短纵线相连或省略。
?5＇ＧＧＡＡＴＣＴＣＡＴ3＇ 3＇ＣＣＴＴＡＧＡＧＴＡ5＇
? 线条式：在字符书写 基础上，以垂线（位 于碱基之下）和斜线 （位于垂线与Ｐ之间） 分别表示糖基和磷酸 酯键。
DNA的二级结构——双螺旋结构
? (1) 主链 (backbone) ：由脱氧核 糖和磷酸基通过酯键交替连接而 成。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。主链处于螺旋的外侧 ,这 正好解释了由糖和磷酸构成的主 链的亲水性。 所谓双螺旋就是 针对二条主链的形状而言的。
? (2) 碱基对 (base pair) ：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。
? 斜线与垂线部的交点 为糖基的Ｃ－ 3＇位， 斜线与垂线下端的交 点为糖基的Ｃ－ 5＇位。
DNA的一级结构
? DNA 的一级结构是指 DNA 分子中核苷酸的排 列顺序，DNA 顺序（或序列）是这一概念的简 称。由于核苷酸之间的差异仅仅是碱基的不同， 故可称为碱基顺序。
? DNA 分子中不同排列顺序的 DNA 区段构成特 定的功能单位，这就是基因，不同基因的功能 各异，各自分布在 DNA 的一定区域。