第二章 核酸的结构和功能.ppt

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1、第二章第二章 核酸的结构和功能核酸的结构和功能现在学习的是第1页，共33页第一节第一节 DNA结构结构 1 1 核酸的化学组成与共价结构核酸的化学组成与共价结构核酸的化学组成与共价结构核酸的化学组成与共价结构 2 双螺旋模型的特征双螺旋模型的特征双螺旋模型的特征双螺旋模型的特征 3 双螺旋结构的其他形式双螺旋结构的其他形式 4 DNA二级结构的其它形式二级结构的其它形式现在学习的是第2页，共33页核核核核酸酸酸酸脱氧核糖核酸脱氧核糖核酸（deoxyribonucleicacid,DNA）核糖核酸核糖核酸（ribonucleicacid,RNA）1 核酸的化学组成与共价结构核酸的化学组成与共价结

2、构核酸的化学组成与共价结构核酸的化学组成与共价结构组成组成组成组成类型类型类型类型现在学习的是第3页，共33页1 1 核酸的化学组成与共价结构核酸的化学组成与共价结构核酸的化学组成与共价结构核酸的化学组成与共价结构碱基碱基碱基碱基现在学习的是第4页，共33页1 1 核酸的化学组成与共价结构核酸的化学组成与共价结构核酸的化学组成与共价结构核酸的化学组成与共价结构戊糖戊糖戊糖戊糖现在学习的是第5页，共33页核苷核苷（nucleoside)：由由D核糖或核糖或D2脱氧核糖与嘌脱氧核糖与嘌呤或嘧啶通过糖苷键连接组成的化合物。核酸中的主要呤或嘧啶通过糖苷键连接组成的化合物。核酸中的主要核核苷有苷有5种。

3、种。核苷酸核苷酸(nucleotide)：核苷酸与磷酸残基构成核苷酸与磷酸残基构成的化合物，即核苷的磷的化合物，即核苷的磷酸酯。核苷酸是核酸分酸酯。核苷酸是核酸分子的结构单元。子的结构单元。3,5磷酸二酯键磷酸二酯键：核酸是由众多核苷酸聚合而核酸是由众多核苷酸聚合而成的多聚核苷酸，相邻二个核苷酸之间的连接键即：成的多聚核苷酸，相邻二个核苷酸之间的连接键即：3，5磷酸二酯键。磷酸二酯键。1 核酸的化学组成与共价结构核酸的化学组成与共价结构现在学习的是第6页，共33页1核酸的化学组成与共价结构核酸的化学组成与共价结构 DNA分子的一级结构分子的一级结构多聚核苷酸链多聚核苷酸链主链是核糖和磷酸主链是

4、核糖和磷酸侧链为碱基侧链为碱基由由3,5磷酸二酯键磷酸二酯键连接连接 链的方向：同一个磷酸基链的方向：同一个磷酸基 的的3酯键到酯键到5酯键的方向酯键的方向 (53)5-UCAGGCUA-3 =UCAGGCUA 默认书写顺序默认书写顺序53355现在学习的是第7页，共33页2 双螺旋模型的特征双螺旋模型的特征双螺旋模型的特征双螺旋模型的特征1953.Watson&Crick Watson（沃森）（沃森）和和 Crick（克（克里克）建立的双螺旋模型里克）建立的双螺旋模型 Chatgaff（查塔姆）对（查塔姆）对DNA碱基组成碱基组成的研究结果的研究结果 Wilkins（威尔金斯）及其同事（威尔

5、金斯）及其同事Franklin（富（富兰克林）等用兰克林）等用X射线衍射方法获得的射线衍射方法获得的DNA结结构资料构资料 现在学习的是第8页，共33页双螺旋双螺旋DNA的结构特点：的结构特点：l右手反平行双螺旋右手反平行双螺旋l主链位于螺旋外侧，碱基位于内侧，核糖平面与旋转轴接近平行主链位于螺旋外侧，碱基位于内侧，核糖平面与旋转轴接近平行l两条链间存在碱基互补两条链间存在碱基互补l螺旋的螺旋的每条链相邻两个碱基平面之间的距离为每条链相邻两个碱基平面之间的距离为0.34 nm，每，每10个核个核苷酸形成一个螺旋，螺距为苷酸形成一个螺旋，螺距为3.4nm，直径为，直径为2nml大沟大沟（majo

6、r groove，2.2nm）和小沟和小沟（minor groove，1.2nm）2 2 双螺旋模型的特征双螺旋模型的特征双螺旋模型的特征双螺旋模型的特征现在学习的是第9页，共33页模型中的碱基配对有何重要性？模型中的碱基配对有何重要性？A-T,G-C配对可形成很好的线性氢键；配对可形成很好的线性氢键；A-T对和对和G-C对的几何形状一样，使双链距离相近，使双螺旋保对的几何形状一样，使双链距离相近，使双螺旋保持均一；持均一；碱基对处在同一平面内。不论核苷酸的顺序如何，都不影响碱基对处在同一平面内。不论核苷酸的顺序如何，都不影响双螺旋的结构；双螺旋的结构；为为DNA半保留复制奠定了基础。半保留复

7、制奠定了基础。2 2 双螺旋模型的特征双螺旋模型的特征双螺旋模型的特征双螺旋模型的特征现在学习的是第10页，共33页影响双螺旋结构稳定性的因素影响双螺旋结构稳定性的因素碱基堆积的棒状实体碱基堆积的棒状实体氢键氢键 (Hydrogen bond 46 kc/mol)(Hydrogen bond 46 kc/mol)弱键弱键,可加热解链可加热解链氢键堆积氢键堆积,有序排列有序排列(线性线性,方向方向)现在学习的是第11页，共33页碱基堆积力碱基堆积力 (非特异性结合力非特异性结合力)磷酸骨架磷酸骨架,氨基氨基,酮基周围水分子间的有序排列酮基周围水分子间的有序排列 嘌呤环与嘧啶环作用半径嘌呤环与嘧啶

8、环作用半径 疏水作用力疏水作用力(Hydrophobic interaction)3.4A(0.34nm/碱基对间距碱基对间距)现在学习的是第12页，共33页带负电荷的磷酸基的静电斥力带负电荷的磷酸基的静电斥力带负电荷的磷酸基的静电斥力带负电荷的磷酸基的静电斥力 每一个核苷酸的磷酸基上都带有一个负电荷。每一个核苷酸的磷酸基上都带有一个负电荷。如果这些负电荷没有被中和，双链之间的这种强有如果这些负电荷没有被中和，双链之间的这种强有力的静电排斥作用将驱使两条链分开力的静电排斥作用将驱使两条链分开 现在学习的是第13页，共33页碱基分子的内能碱基分子的内能 当由于温度等因素使碱基分子内能增加时碱基的

9、定当由于温度等因素使碱基分子内能增加时碱基的定当由于温度等因素使碱基分子内能增加时碱基的定当由于温度等因素使碱基分子内能增加时碱基的定向排列遭受破坏，从而削弱碱基的氢键结合力和碱基的堆向排列遭受破坏，从而削弱碱基的氢键结合力和碱基的堆向排列遭受破坏，从而削弱碱基的氢键结合力和碱基的堆向排列遭受破坏，从而削弱碱基的氢键结合力和碱基的堆集力，会使集力，会使集力，会使集力，会使DNADNADNADNA双螺旋结构受到破坏。双螺旋结构受到破坏。双螺旋结构受到破坏。双螺旋结构受到破坏。现在学习的是第14页，共33页 综上所述综上所述综上所述综上所述 在决定在决定在决定在决定DNADNADNADNA双螺旋结

10、构状态的四点因素中，前二者双螺旋结构状态的四点因素中，前二者双螺旋结构状态的四点因素中，前二者双螺旋结构状态的四点因素中，前二者(互补碱基的氢键结合力和相邻碱基的堆集力互补碱基的氢键结合力和相邻碱基的堆集力互补碱基的氢键结合力和相邻碱基的堆集力互补碱基的氢键结合力和相邻碱基的堆集力)有利于有利于有利于有利于DNADNADNADNA维持双螺旋构型，维持双螺旋构型，维持双螺旋构型，维持双螺旋构型，而后二者而后二者而后二者而后二者(磷酸基的静电斥力和碱基分子的内能磷酸基的静电斥力和碱基分子的内能磷酸基的静电斥力和碱基分子的内能磷酸基的静电斥力和碱基分子的内能)则不利于则不利于则不利于则不利于DNAD

11、NADNADNA维持双螺旋维持双螺旋维持双螺旋维持双螺旋构型。一种构型。一种构型。一种构型。一种DNADNADNADNA分子的结构状态将是达四种因素竞争的结果。分子的结构状态将是达四种因素竞争的结果。分子的结构状态将是达四种因素竞争的结果。分子的结构状态将是达四种因素竞争的结果。现在学习的是第15页，共33页 DNA的构象现已知有的构象现已知有A，B，C，D，E，T，Z 7种。种。引起引起DNA双链构象改变有以下因素：双链构象改变有以下因素：（1）核苷酸顺序；）核苷酸顺序；（2）碱基组成；）碱基组成；（3）盐的种类；）盐的种类；（4）相对湿度。）相对湿度。3 双螺旋结构的其他形式双螺旋结构的其

12、他形式现在学习的是第16页，共33页B-DNA：生理状态下，每螺圈：生理状态下，每螺圈10.4个碱基对，右手螺旋；个碱基对，右手螺旋；A-DNA：高盐浓度下，每螺圈：高盐浓度下，每螺圈11个碱基对，右手螺旋；个碱基对，右手螺旋；Z-DNA：序列富含：序列富含GC，嘌呤和嘧啶交替出现，每螺圈，嘌呤和嘧啶交替出现，每螺圈12个碱个碱基对，左手螺旋基对，左手螺旋。DNA钠盐在相对湿度钠盐在相对湿度92或活细或活细胞生理状态下，以及胞生理状态下，以及AT较丰富较丰富的大多数自然的大多数自然DNA。DNARNA杂交分杂交分子或子或RNA双链双链在高盐的条件下，嘌呤在高盐的条件下，嘌呤-嘧啶相间嘧啶相间排

13、列，在活细胞中如果胞嘧啶被甲基排列，在活细胞中如果胞嘧啶被甲基化的（化的（m5C）现在学习的是第17页，共33页 ZDNA的生物学意义：的生物学意义：应当指出应当指出ZDNA的形成通常在热力学上是不利的。因为的形成通常在热力学上是不利的。因为ZDNA中带负电荷的磷酸根距离太近了，这会产物静电排斥。但中带负电荷的磷酸根距离太近了，这会产物静电排斥。但是，是，DNA链的局部不稳定区的存在就成为潜在的解链位点。链的局部不稳定区的存在就成为潜在的解链位点。DNA解螺旋却是解螺旋却是DNA复制和转录等过程中必要的环节，因此认为这复制和转录等过程中必要的环节，因此认为这一结构位点与基因调节有关一结构位点与

14、基因调节有关。现在学习的是第18页，共33页第二节第二节 DNA分子的高级结构分子的高级结构l单链核酸形成的发夹结构单链核酸形成的发夹结构 l回文序列形成的十字形结构回文序列形成的十字形结构 l三股螺旋三股螺旋DNA l lDNADNADNADNA的四链结构的四链结构的四链结构的四链结构lDNADNA的超螺旋结构的超螺旋结构现在学习的是第19页，共33页 当同一个核酸分子中一段碱基序列附近紧接着一段它的互当同一个核酸分子中一段碱基序列附近紧接着一段它的互补序列时，核酸链有可能自身回折配对产生一个反向平行的补序列时，核酸链有可能自身回折配对产生一个反向平行的双螺旋结构，称为发夹双螺旋结构，称为发

15、夹（hairpin）。由茎。由茎（配对区）（配对区）和环和环（非配对区）（非配对区）组成。组成。单链核酸形成的发夹结构单链核酸形成的发夹结构现在学习的是第20页，共33页 回文序列回文序列回文序列回文序列：又称反向又称反向又称反向又称反向重复序列重复序列重复序列重复序列，指，指，指，指DNADNA片段上片段上片段上片段上的一段具有二重旋转对称性的一段具有二重旋转对称性的一段具有二重旋转对称性的一段具有二重旋转对称性的反向互补序列。在双链的反向互补序列。在双链的反向互补序列。在双链的反向互补序列。在双链DNADNA中，如果两条互补链分中，如果两条互补链分中，如果两条互补链分中，如果两条互补链分开

16、，每条链上的互补序列都开，每条链上的互补序列都开，每条链上的互补序列都开，每条链上的互补序列都有机会发生碱基配对而形成有机会发生碱基配对而形成有机会发生碱基配对而形成有机会发生碱基配对而形成一个发夹。两个相对的发夹一个发夹。两个相对的发夹一个发夹。两个相对的发夹一个发夹。两个相对的发夹结构形成了一个十字形结构，结构形成了一个十字形结构，结构形成了一个十字形结构，结构形成了一个十字形结构，对应于对应于对应于对应于4 4个双螺旋区域的交个双螺旋区域的交个双螺旋区域的交个双螺旋区域的交叉点。原来的双螺旋位于叉点。原来的双螺旋位于叉点。原来的双螺旋位于叉点。原来的双螺旋位于十字形结构的两侧。十字形结构

17、的两侧。十字形结构的两侧。十字形结构的两侧。回文序列形成的十字形结构回文序列形成的十字形结构回文序列形成的十字形结构回文序列形成的十字形结构现在学习的是第21页，共33页19571957，FelsenfeldFelsenfeld发现三链核发现三链核发现三链核发现三链核酸结构（酸结构（酸结构（酸结构（triplex)triplex)，19631963，HoogsteenHoogsteen，提出，提出，提出，提出DNADNA三螺旋结构，三螺旋结构，三螺旋结构，三螺旋结构，HoogsteenHoogsteen模型中，第三个碱基以模型中，第三个碱基以模型中，第三个碱基以模型中，第三个碱基以A A或或或

18、或T T与与与与A AT T中的中的中的中的A A配对，配对，配对，配对，GG或或或或C C与与与与GG三三三三C C中的中的中的中的GG配对，只形成配对，只形成配对，只形成配对，只形成2 2个氢键，三股螺个氢键，三股螺个氢键，三股螺个氢键，三股螺旋中第三股链可以来自分子间或分子旋中第三股链可以来自分子间或分子旋中第三股链可以来自分子间或分子旋中第三股链可以来自分子间或分子内。当内。当内。当内。当DNADNA一条链或其中一段为全一条链或其中一段为全一条链或其中一段为全一条链或其中一段为全嘌呤，另一条链或其中对应的一段嘌呤，另一条链或其中对应的一段嘌呤，另一条链或其中对应的一段嘌呤，另一条链或其

19、中对应的一段为全嘧啶，责可回折产生为全嘧啶，责可回折产生为全嘧啶，责可回折产生为全嘧啶，责可回折产生HHDNADNA，这种重复序列又称，这种重复序列又称，这种重复序列又称，这种重复序列又称HH回文序列。回文序列。回文序列。回文序列。三股螺旋三股螺旋三股螺旋三股螺旋DNADNA现在学习的是第22页，共33页四股螺旋四股螺旋DNA(tetraplex DNA,Tetrable Helix DNA)1958.Poly(G)X-ray photograph碱基形成环状氢键连接结构碱基形成环状氢键连接结构Tetrable Helix DNA 均有形成均有形成四股螺旋四股螺旋DNA的可能的可能5-TTAG

20、GGTTAGGGTTAGGG-33-AATCCCAATCCC-5Poly(G),4(dG)染色体端粒高度重复的染色体端粒高度重复的DNA序列序列着丝点附近的高度重复序列着丝点附近的高度重复序列形成条件串联重复的鸟苷酸形成条件串联重复的鸟苷酸已有实验结果表明真核细胞端粒中存在四链结构已有实验结果表明真核细胞端粒中存在四链结构现在学习的是第23页，共33页结结 构构 特特 点点LinkedbyHoogsteenBondingGGGG现在学习的是第24页，共33页 DNA的超螺旋结构的超螺旋结构 超螺旋是超螺旋是DNA三级结构的主要形式，双螺旋三级结构的主要形式，双螺旋DNA进一步扭曲盘绕则形成。进

21、一步扭曲盘绕则形成。DNA的超螺旋结构的超螺旋结构现在学习的是第25页，共33页超螺旋是有方向的，有超螺旋是有方向的，有正超螺旋正超螺旋和和负超螺旋负超螺旋两种两种 现在学习的是第26页，共33页超螺旋结构的方向性超螺旋结构的方向性B-DNA紧缠紧缠overwinding(右旋右旋)正超螺旋正超螺旋（positive supercoiled）导致左手超螺旋导致左手超螺旋以一根绳子做实验：以一根绳子做实验：原来的绳子的两股以右旋原来的绳子的两股以右旋方向缠绕；在绳子的一端方向缠绕；在绳子的一端向紧缠方向捻转，再将绳向紧缠方向捻转，再将绳子的两端连接起来，则产子的两端连接起来，则产生一个左旋的超螺

22、旋以解生一个左旋的超螺旋以解除外加捻转的协变除外加捻转的协变现在学习的是第27页，共33页B-DNA松缠松缠unwinding(左旋左旋)负超螺旋负超螺旋（Negative Supercoiled）导致右手超螺旋导致右手超螺旋在绳子的一端向松缠方在绳子的一端向松缠方向捻转，再将绳子的两向捻转，再将绳子的两端连接起来，则产生一端连接起来，则产生一个右旋的超螺旋以解除个右旋的超螺旋以解除外加捻转的协变外加捻转的协变现在学习的是第28页，共33页 DNADNA超螺旋的产生超螺旋的产生 DNA超螺旋都是由超螺旋都是由DNA拓扑异构酶产生的拓扑异构酶产生的 l 拓扑异构酶拓扑异构酶I识别负超螺旋识别负超

23、螺旋DNA，引入正超螺旋，引入正超螺旋l 拓扑异构酶拓扑异构酶II 主要功能为引入负超螺旋主要功能为引入负超螺旋，在，在DNA复制复制中起十分重要的作用中起十分重要的作用 生物体通过拓扑异构酶生物体通过拓扑异构酶1和和II的相反作用而使负超螺旋达的相反作用而使负超螺旋达到一个稳定状态到一个稳定状态。DNA拓扑异构酶催化反应本质拓扑异构酶催化反应本质是先是先切断切断DNA的磷酸二脂键，改变的磷酸二脂键，改变DNA的的链环数之后再链环数之后再连接连接之，兼具之，兼具DNA内切酶和内切酶和DNA连接酶的功能然而它们并不连接酶的功能然而它们并不能连接事先已经存在的断裂能连接事先已经存在的断裂DNA，也

24、就是说，其断裂反应与连接反应是相互耦，也就是说，其断裂反应与连接反应是相互耦联的。联的。现在学习的是第29页，共33页超螺旋的意义超螺旋的意义l 原核生物、线粒体、叶绿体、质粒的原核生物、线粒体、叶绿体、质粒的DNA存在方式，存在方式，使使DNA形成高度致密状态从而得以装入核中；形成高度致密状态从而得以装入核中；l DNA结构的转化以满足功能上的需要。如负超螺旋分结构的转化以满足功能上的需要。如负超螺旋分子所受张力会引起互补链分开导致局部解链形成呼吸泡，子所受张力会引起互补链分开导致局部解链形成呼吸泡，利于复制和转录利于复制和转录现在学习的是第30页，共33页第三节第三节 真核生物染色体的组装

25、模型真核生物染色体的组装模型 染色质染色质 染色体染色体 在细胞分裂间期，基因组以染色质形式存在在细胞分裂间期，基因组以染色质形式存在 在细胞分裂期，基因组以染色体形式存在在细胞分裂期，基因组以染色体形式存在 l 常染色质常染色质 DNA的压缩比为的压缩比为1000-2000，主要，主要为单拷贝基因和中等重复序列，是基因的活为单拷贝基因和中等重复序列，是基因的活跃表达区域。跃表达区域。l 异染色质异染色质 DNA折叠压缩程度比较高，以凝折叠压缩程度比较高，以凝集状态存在，对碱性染料着色较深，集状态存在，对碱性染料着色较深，分为分为永久性的异染色质永久性的异染色质和和功能性异染色功能性异染色质质

26、 现在学习的是第31页，共33页 染色体的化学组成染色体的化学组成 DNADNA 主要化学成分主要化学成分主要化学成分主要化学成分,也是遗传信息的载体也是遗传信息的载体也是遗传信息的载体也是遗传信息的载体 RNARNA RNA RNA含量很少含量很少含量很少含量很少,还不到还不到还不到还不到DNADNA量的量的量的量的10%10%蛋白质蛋白质蛋白质蛋白质l l 组蛋白组蛋白组蛋白组蛋白 所有真核生物染色体中均含有这五种组蛋白。组蛋白的含量所有真核生物染色体中均含有这五种组蛋白。组蛋白的含量所有真核生物染色体中均含有这五种组蛋白。组蛋白的含量所有真核生物染色体中均含有这五种组蛋白。组蛋白的含量与

27、与与与DNADNA含量之比约为含量之比约为含量之比约为含量之比约为1:1 1:1，组蛋白对染色体中，组蛋白对染色体中，组蛋白对染色体中，组蛋白对染色体中DNADNA的包装有十分重的包装有十分重的包装有十分重的包装有十分重要的作用要的作用要的作用要的作用 l l 非组蛋白非组蛋白非组蛋白非组蛋白 一大类种类繁杂的各种蛋白质的总称一大类种类繁杂的各种蛋白质的总称一大类种类繁杂的各种蛋白质的总称一大类种类繁杂的各种蛋白质的总称 ，与基因表达及染色体高级，与基因表达及染色体高级，与基因表达及染色体高级，与基因表达及染色体高级结构的维持有关。结构的维持有关。结构的维持有关。结构的维持有关。现在学习的是第32页，共33页 核小体核小体染色体结构的基本单位染色体结构的基本单位现在学习的是第33页，共33页