生物化学第二章 核酸化学1-结构.ppt

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1、生物化学第二章 核酸化学1-结构 Still waters run deep.流静水深流静水深,人静心深人静心深 Where there is life,there is hope。有生命必有希望。有生命必有希望【目的与要求】2.1 核酸概述2.2 核酸的化学组成2.3 核酸的分子结构【目的与要求目的与要求】1 1、了解核酸的发展简史及核酸对生物体的重要意义。、了解核酸的发展简史及核酸对生物体的重要意义。2 2、了解核酸的分类，掌握两类核酸的化学组成特点及核、了解核酸的分类，掌握两类核酸的化学组成特点及核苷酸的结构。苷酸的结构。3 3、掌握、掌握DNADNA的一级结构及一级结构的意义；的一级结

2、构及一级结构的意义；DNADNA双螺旋结双螺旋结构模型要点；构模型要点；DNADNA双螺旋结构模型提出对生命科学的重要双螺旋结构模型提出对生命科学的重要意义。了解意义。了解DNADNA双螺旋的一些特殊的构型、与碱基组成有双螺旋的一些特殊的构型、与碱基组成有关的特殊结构及意义。关的特殊结构及意义。4 4、了解、了解RNARNA的种类，重点掌握与蛋白质合成有关的三种的种类，重点掌握与蛋白质合成有关的三种RNARNA的功能；掌握的功能；掌握tRNAtRNA的结构以及与该结构有关的生物学的结构以及与该结构有关的生物学功能。功能。5 5、掌握核酸紫外吸收的特性及热变性的性质，从核酸热、掌握核酸紫外吸收的

3、特性及热变性的性质，从核酸热变性的基础上理解变性的基础上理解DNADNA的复性与分子杂交，掌握的复性与分子杂交，掌握DNADNA的熔的熔解温度、增色效应的概念。解温度、增色效应的概念。6 6、了解核酸的化学反应；各种核酸酶对核酸的水解作用；、了解核酸的化学反应；各种核酸酶对核酸的水解作用；限制性内切酶的作用特点及该酶的应用。限制性内切酶的作用特点及该酶的应用。7 7、了解、了解DNADNA一级结构的测定原理。一级结构的测定原理。8 8、了解、了解DNADNA在生物体内的存在方式及由在生物体内的存在方式及由DNADNA构成的染色体构成的染色体的结构。的结构。一、核酸的发现与早期研究一、核酸的发现

4、与早期研究 18681868年，年，瑞士的内科医生瑞士的内科医生Friedrich MiescherFriedrich Miescher从外从外科医院包扎伤口的绷带上的脓细胞核中提取到一种富科医院包扎伤口的绷带上的脓细胞核中提取到一种富含磷元素的酸性化合物，将其称为含磷元素的酸性化合物，将其称为核素核素(nuclein)(nuclein)；后后来他又从鲑鱼精子中分离出类似的物质，并指出它是来他又从鲑鱼精子中分离出类似的物质，并指出它是由一种碱性蛋白质与一种酸性物质组成的，此酸性物由一种碱性蛋白质与一种酸性物质组成的，此酸性物质即是现在所知的质即是现在所知的核酸核酸(nucleic acid)(

5、nucleic acid)。19441944年年,Oswald Avery,Colin MacleodOswald Avery,Colin Macleod和和Maclyn Maclyn McCartyMcCarty发现，一种发现，一种有夹膜、表面光滑、具致病性的有夹膜、表面光滑、具致病性的肺炎球菌肺炎球菌中提取的核酸中提取的核酸DNA(deoxyribonucleic acid,DNA(deoxyribonucleic acid,脱氧核糖核酸脱氧核糖核酸)，可使另一种，可使另一种无夹膜，表面粗糙、不无夹膜，表面粗糙、不具致病性的肺炎球菌具致病性的肺炎球菌的遗传性状发生改变，转变为的遗传性状发生

6、改变，转变为有有夹膜，具有致病性的肺炎球菌夹膜，具有致病性的肺炎球菌，且转化率与，且转化率与DNADNA纯度纯度呈呈正相关正相关，若将，若将DNADNA预先用预先用DNADNA酶降解，转化就不发生。酶降解，转化就不发生。该项实验彻底纠正了蛋白质携带遗传信息这一错误认该项实验彻底纠正了蛋白质携带遗传信息这一错误认识，确立了核酸是遗传物质的重要地位；识，确立了核酸是遗传物质的重要地位；DNADNA遗传作用的进一步肯定遗传作用的进一步肯定来自来自Alfred HersheyAlfred Hershey和和Martha ChaseMartha Chase对一个感染大肠杆菌的病毒的研究。即对一个感染大肠

7、杆菌的病毒的研究。即用放谢性同位素用放谢性同位素3232P P标记噬菌体标记噬菌体DNADNA，3535S S标记其蛋白质外标记其蛋白质外壳，再用标记的噬菌体去感染培养的大肠杆菌，结果壳，再用标记的噬菌体去感染培养的大肠杆菌，结果发现进入细菌体内，使细菌生长、繁殖发生变化的是发现进入细菌体内，使细菌生长、繁殖发生变化的是3232P P标记的标记的DNADNA，而不是，而不是3535S S标记的蛋白质，并且新繁殖标记的蛋白质，并且新繁殖生成的噬菌体不含生成的噬菌体不含3535S S，只含，只含3232P P。1953 1953年年,WatsonWatson和和CrickCrick创立的创立的DN

8、ADNA双螺旋结构模型双螺旋结构模型，不仅，不仅阐明了阐明了DNADNA分子的结构特征，而且提出了分子的结构特征，而且提出了DNADNA作为执行生物作为执行生物遗传功能的分子，从亲代到子代的遗传功能的分子，从亲代到子代的DNADNA复制复制(replication)(replication)过程中，遗传信息的传递方式及高度保真性，为遗传学进过程中，遗传信息的传递方式及高度保真性，为遗传学进入入分子水平分子水平奠定了基础，成为现代分子生物学发展史上最奠定了基础，成为现代分子生物学发展史上最为辉煌的里程碑。为辉煌的里程碑。后来的研究又发现了后来的研究又发现了另一类核酸：另一类核酸：核糖核糖核酸核酸

9、RNARNA(ribonucleic acid)(ribonucleic acid)，RNARNA在遗传信息在遗传信息的传递中起着重要的作用。从此，核酸研究的的传递中起着重要的作用。从此，核酸研究的进展日新月异，如今，由核酸研究而产生的分进展日新月异，如今，由核酸研究而产生的分子生物学及其基因工程技术已渗透到医药学、子生物学及其基因工程技术已渗透到医药学、农业、化工等领域的各个学科，人类对生命本农业、化工等领域的各个学科，人类对生命本质的认识进入了一个崭新的天地。质的认识进入了一个崭新的天地。二、核酸的种类、分布和含量二、核酸的种类、分布和含量(一一)种类种类 DNA(DNA(Deoxyrib

10、onucleic acid DNADeoxyribonucleic acid DNA)，脱氧核糖核酸，脱氧核糖核酸RNARNA（Ribonucleic acid RNARibonucleic acid RNA）：核糖核酸）：核糖核酸RNARNA主要有下几种：主要有下几种：1 1、rRNA(ribosome RNA)rRNA(ribosome RNA)，核糖体，核糖体RNARNA，细胞中最主要的，细胞中最主要的RNARNA，占细胞中总，占细胞中总RNA80%RNA80%左右。大肠杆菌左右。大肠杆菌rRNArRNA中有三种，分别是：中有三种，分别是：16SrRNA16SrRNA、23SrRNA23

11、SrRNA、5SrRNA5SrRNA；真核细胞；真核细胞rRNArRNA中有四种，分别中有四种，分别是：是：28SrRNA28SrRNA、18SrRNA18SrRNA、5.8SrRNA5.8SrRNA、5SrRNA5SrRNA。核糖体是蛋白。核糖体是蛋白质合成的场所。质合成的场所。（二）分布（二）分布（三）含量（三）含量DNADNA含量恒定，含量恒定，RNARNA含量与含量与细胞生长状态细胞生长状态有关。有关。2 2、tRNA(transfer RNA)tRNA(transfer RNA)，转移，转移RNARNA，是细胞中最小的一种，是细胞中最小的一种RNARNA分子，占细胞总分子，占细胞总R

12、NARNA的的15%15%左右。是结构研究最清楚的一类左右。是结构研究最清楚的一类RNARNA。在蛋白质的生物合成中，在蛋白质的生物合成中，tRNAtRNA起起携带氨基酸携带氨基酸的作用。的作用。33、mRNA(messenger RNA)mRNA(messenger RNA)，信使，信使RNARNA，占细胞总，占细胞总RNARNA的的5%5%左右，含量最少，代谢活跃。左右，含量最少，代谢活跃。mRNAmRNA在蛋白质的生物合成中起在蛋白质的生物合成中起模板作用模板作用。它将。它将DNADNA的遗传信息传递给蛋白质。的遗传信息传递给蛋白质。另外，在细胞质里还存在另外，在细胞质里还存在胞质小胞质

13、小RNA(sc RNA)RNA(sc RNA).上述上述RNARNA存在于存在于细胞质细胞质，另外在，另外在细胞核细胞核里面还存在一些里面还存在一些RNARNA，如核不均一，如核不均一RNARNA（hnRNAhnRNA）、核内小）、核内小RNARNA（snRNAsnRNA）、核仁小）、核仁小RNARNA、反义、反义RNARNA（asRNAasRNA）等。）等。三、核酸的功能三、核酸的功能1 1、核酸是生物体遗传变异的物质基础，、核酸是生物体遗传变异的物质基础，DNADNA是大多是大多数生物体的遗传物质。数生物体的遗传物质。2 2、RNARNA主要参与蛋白质的生物合成。主要参与蛋白质的生物合成。

14、3 3、RNARNA的功能多样性。主要有：参与基因表达的调的功能多样性。主要有：参与基因表达的调控、催化作用、遗传信息的加工、病毒控、催化作用、遗传信息的加工、病毒RNARNA是遗传是遗传信息的载体。信息的载体。4 4、核酸与分子病、核酸与分子病一、元素组成一、元素组成 组成核酸的元素有组成核酸的元素有C C、H H、O O、N N、P P等，与蛋白等，与蛋白质比较，其组成上有质比较，其组成上有两个特点两个特点：一是核酸一般不：一是核酸一般不含元素含元素S S，二是核酸中，二是核酸中P P元素的含量较多并且恒定，元素的含量较多并且恒定，约占约占9 911%11%。因此，核酸定量测定的经典方法，

15、。因此，核酸定量测定的经典方法，是以测定是以测定P P含量含量来代表核酸量。来代表核酸量。二、基本结构单位二、基本结构单位核苷酸核苷酸（一）核酸的水解（一）核酸的水解核核酸酸经经水水解解可可得得到到很很多多核核苷苷酸酸，因因此此核核苷苷酸酸是是核核酸酸的的基基本本单单位位。核核酸酸就就是是由由很很多多单单核核苷苷酸酸聚聚合合形形成成的的多多聚聚核核苷苷酸酸。核核苷苷酸酸可可被被水水解解产产生生核核苷苷和和磷磷酸酸，核核苷苷还还可可再再进进一一步步水水解解，产生产生戊糖戊糖和和含氮碱基含氮碱基。如下图所示：。如下图所示：(二二)核酸水解产物的结构核酸水解产物的结构1 1、碱基：、碱基：核核苷苷酸

16、酸中中的的碱碱基基均均为为含含氮氮杂杂环环化化合合物物，它它们们分分别别属属于于嘌嘌呤呤衍衍生生物物和和嘧嘧啶啶衍衍生生物物。核核苷苷酸酸中中的的嘌嘌呤呤碱碱(purine)(purine)主主要要是是鸟鸟嘌嘌呤呤(guanine,G)(guanine,G)和和腺腺嘌嘌呤呤(adenine,A)(adenine,A)，嘧嘧啶啶碱碱(pyrimidine)(pyrimidine)主主要要是是胞胞嘧嘧啶啶(cytosine,C)(cytosine,C)、尿尿嘧嘧啶啶(uracil,U)(uracil,U)和和胸胸腺腺嘧嘧啶啶(thymine,T)(thymine,T)。碱基的结构式如下图所示碱基的

17、结构式如下图所示:核酸中五种碱基中的核酸中五种碱基中的酮基酮基和和氨基氨基，均位于碱基环中氮原，均位于碱基环中氮原子的邻位，可以发生酮式子的邻位，可以发生酮式-烯醇式或氨基烯醇式或氨基-亚氨基之间的结构亚氨基之间的结构互变。这种互变。这种互变异构互变异构在基因的突变和生物的进化中具有重要在基因的突变和生物的进化中具有重要作用。作用。有些核酸中还含有有些核酸中还含有修饰碱基修饰碱基(modified component)(modified component)或或稀有稀有碱基碱基（unusual componentunusual component），这些碱基大多是在上述嘌呤），这些碱基大多是在

18、上述嘌呤或嘧啶碱的不同部位被或嘧啶碱的不同部位被甲基化甲基化(methylation)(methylation)或进行其它的化或进行其它的化学修饰而形成的衍生物。一般这些碱基在核酸中的含量稀少，学修饰而形成的衍生物。一般这些碱基在核酸中的含量稀少，在各种类型核酸中的分布也不均一。在各种类型核酸中的分布也不均一。DNADNA中的修饰碱基主要见中的修饰碱基主要见于于噬菌体噬菌体DNADNA，如，如5-5-甲基胞嘧啶甲基胞嘧啶(m(m5 5C)C)，5-5-羟甲基胞嘧啶羟甲基胞嘧啶hmhm5 5C C；RNARNA中以中以tRNAtRNA含修饰碱基最多，如含修饰碱基最多，如1-1-甲基腺嘌呤甲基腺嘌

19、呤(m(m1 1A)A)，2,2-2,2-二甲基鸟嘌呤二甲基鸟嘌呤(m(m2 22 2G)G)和和5,6-5,6-二氢尿嘧啶二氢尿嘧啶(DHU)(DHU)等。等。嘌呤和嘧啶环中含有嘌呤和嘧啶环中含有共轭双键共轭双键，对，对260nm260nm左左右波长的紫外光有较强的吸收。碱基的这一特右波长的紫外光有较强的吸收。碱基的这一特性常被用来对碱基、核苷、核苷酸和核酸进行性常被用来对碱基、核苷、核苷酸和核酸进行定性和定量分析定性和定量分析.2 2、戊糖、戊糖 核酸中的戊糖有核酸中的戊糖有核糖核糖(ribose)(ribose)和和脱氧核糖脱氧核糖(deoxyribose)(deoxyribose)两种

20、，分别存在于核糖核苷酸和脱氧核糖核苷酸中。为了两种，分别存在于核糖核苷酸和脱氧核糖核苷酸中。为了与碱基标号相区别，通常将戊糖的与碱基标号相区别，通常将戊糖的C C原子编号都加上原子编号都加上“”，如，如C1C1表示糖的第一位碳原子。核糖的结构如下：表示糖的第一位碳原子。核糖的结构如下：3 3、核苷、核苷 戊糖与嘧啶或嘌呤碱以戊糖与嘧啶或嘌呤碱以糖苷键糖苷键连接就称为核苷，通常是连接就称为核苷，通常是戊糖的戊糖的C C1 1与嘧啶碱的与嘧啶碱的N N1 1或嘌呤碱的或嘌呤碱的N N9 9相连接。相连接。4 4、核苷酸及其衍生物的结构、核苷酸及其衍生物的结构（1 1）核苷酸的结构式如下图）核苷酸的

21、结构式如下图（2 2）脱氧核苷酸的结构如下图所示：）脱氧核苷酸的结构如下图所示：（3 3）(脱氧脱氧)核苷二磷酸、核苷二磷酸、(脱氧脱氧)核苷三磷酸、双脱氧核核苷三磷酸、双脱氧核 苷酸的结构苷酸的结构 ADPADP、ATPATP是是生生物物体体中中重重要要的的能能量量转转换体。换体。ddNTPddNTP在在 DNADNA的的序序列列测测定定中使用。中使用。（4 4）环化核苷酸）环化核苷酸cAMPcAMP、cGMPcGMP：被称为第二信使，有放大：被称为第二信使，有放大激素的作用。激素的作用。（5 5）、辅辅酶酶：NADNAD+、NADPNADP+、FADFAD、FMNFMN、HSCHSC0 0

22、A A是是核核酸酸的的衍生物，在物质代谢和能量代谢中起重要作用。衍生物，在物质代谢和能量代谢中起重要作用。一一、DNADNA一级结构一级结构核核酸酸分分子子中中核核苷苷酸酸的的连连接接方方式式：3,5-3,5-磷酸二酯键磷酸二酯键(一一)DNA)DNA一级结构的概念一级结构的概念 概念：概念：构成构成DNADNA的脱氧核苷酸按照一定的排列顺的脱氧核苷酸按照一定的排列顺序，通过序，通过3,5-3,5-磷酸二酯键磷酸二酯键相连形成的线形结构。相连形成的线形结构。(二二)真核生物基因组结构特点真核生物基因组结构特点 1.1.真核生物基因组真核生物基因组DNADNA与蛋白质结合形成染色体，储与蛋白质结

23、合形成染色体，储存于细胞核内，除配子细胞外，体细胞内的基因组存于细胞核内，除配子细胞外，体细胞内的基因组是双份的是双份的(即双倍体，即双倍体，diploid)diploid)，即有两份同源的基，即有两份同源的基因组。因组。2.2.真核细胞基因转录产物为真核细胞基因转录产物为单顺反子单顺反子(monocistron)(monocistron)，即一个结构基因转录、翻译成一个，即一个结构基因转录、翻译成一个mRNAmRNA分子，一条分子，一条多肽链。多肽链。3.3.存在大量重复序列，即在整个存在大量重复序列，即在整个DNADNA中有许多重复出现的核中有许多重复出现的核苷酸顺序，重复序列长度可长可短

24、，短的仅含两个核苷酸，苷酸顺序，重复序列长度可长可短，短的仅含两个核苷酸，长的多达数百、乃至上千。重复频率也不尽相同：长的多达数百、乃至上千。重复频率也不尽相同：（1 1）高度重复序列：重复频率可达高度重复序列：重复频率可达10106 6次，约次，约5 5100bp100bp，这种序列这种序列G-CG-C含量高于含量高于DNADNA的其它结构，因此在氯化铯密度的其它结构，因此在氯化铯密度梯度离心时，常在梯度离心时，常在DNADNA的主峰旁显示一个小峰，此小峰称的主峰旁显示一个小峰，此小峰称为卫星峰，故将这部分为卫星峰，故将这部分DNADNA称为卫星称为卫星DNADNA。（2 2）中度重复序列：

25、重复频率可达中度重复序列：重复频率可达10103 310104 4次，长度约次，长度约100100300bp300bp，rRNArRNA基因、基因、tRNAtRNA基因、组蛋白基因等，大多基因、组蛋白基因等，大多为中度重复序列。此外在这类重复序列中，还有一类可移为中度重复序列。此外在这类重复序列中，还有一类可移动的片段，称为逆转座子（动的片段，称为逆转座子（retroposonretroposon），它们可能在进），它们可能在进化过程中发挥重要作用。化过程中发挥重要作用。（3 3）单拷贝或低度重复序列：单拷贝或低度重复序列：指在整个基因组中只出现指在整个基因组中只出现一次或很少几次的核苷酸序列

26、。在真核细胞中，除组蛋白一次或很少几次的核苷酸序列。在真核细胞中，除组蛋白以外，其它所有蛋白质都是由以外，其它所有蛋白质都是由DNADNA中这种单拷贝序列决定的。中这种单拷贝序列决定的。这种序列大小不等，每一个顺序决定一个蛋白质的结构，这种序列大小不等，每一个顺序决定一个蛋白质的结构，称之为称之为结构基因结构基因。在人基因组中占约。在人基因组中占约606065%65%，因此所含信，因此所含信息量最大。息量最大。4.4.基因组中不编码的区域多于编码区域。基因组中不编码的区域多于编码区域。5.5.基因是不连续的，在真核生物结构基因的内部存在许基因是不连续的，在真核生物结构基因的内部存在许多不编码蛋

27、白质的间隔序列多不编码蛋白质的间隔序列(intervening sequences)(intervening sequences)，称为称为内含子内含子(intron)(intron)，编码区则称为，编码区则称为外显子外显子(exon)(exon)。内含。内含子与外显子相间排列，转录时一起被转录下来，然后子与外显子相间排列，转录时一起被转录下来，然后RNARNA中的内含子被切掉，外显子连接在一起成为成熟的中的内含子被切掉，外显子连接在一起成为成熟的mRNAmRNA，作为指导蛋白质合成的模板。作为指导蛋白质合成的模板。6.6.基因组远大于原核生物的基因组。基因组远大于原核生物的基因组。（三）原核

28、生物基因组结构特点（三）原核生物基因组结构特点 1.1.基因组较小，没有核膜包裹，且形式多样，如病毒基因基因组较小，没有核膜包裹，且形式多样，如病毒基因组可能是组可能是DNADNA，也可能是，也可能是RNARNA，可能是单链的，也可能是双，可能是单链的，也可能是双链的，可能是闭环分子，也可能是线性分子；细菌染色体链的，可能是闭环分子，也可能是线性分子；细菌染色体基因组则常为环状双链基因组则常为环状双链DNADNA分子，并与其中央的分子，并与其中央的RNARNA和支架和支架蛋白构成一致密的区域，称为类核蛋白构成一致密的区域，称为类核(nucleoid)(nucleoid)。2.2.功能相关的结构

29、基因常常串连在一起，并转录在同一个功能相关的结构基因常常串连在一起，并转录在同一个mRNAmRNA分子中，称为多顺反子分子中，称为多顺反子mRNA(polycistronic mRNA)mRNA(polycistronic mRNA)，然后再加工成各种蛋白质的模板然后再加工成各种蛋白质的模板mRNAmRNA。3.DNA3.DNA分子绝大部分用于编码蛋白质，不编码部分分子绝大部分用于编码蛋白质，不编码部分(又称间隔又称间隔区区)通常包含控制基因表达的顺序。例如，噬菌体通常包含控制基因表达的顺序。例如，噬菌体X 174X 174中只中只有有5%5%是非编码区。是非编码区。4.4.基因重叠是病毒基因

30、组的结构特点，即同一段基因重叠是病毒基因组的结构特点，即同一段DNADNA片段能够片段能够编码两种甚至三种蛋白质分子。编码两种甚至三种蛋白质分子。5.5.除真核细胞病毒外，基因是连续的，即不含内含子序列。除真核细胞病毒外，基因是连续的，即不含内含子序列。二、二、DNADNA的二级结构的二级结构（一）（一）DNADNA的碱基组成（的碱基组成（ChargaffChargaff法则）法则）本世纪本世纪2020年代，年代，LeveneLevene研究了核酸的化学结构并提出四研究了核酸的化学结构并提出四核苷酸假说；核苷酸假说；4040年代末，年代末，Avery,HersheyAvery,Hershey和

31、和ChaseChase的实验严的实验严密地证实了密地证实了DNADNA就是遗传物质；就是遗传物质；5050年代初，年代初，ChargaffChargaff应用应用紫外分光光度法结合纸层析等简单技术，对多种生物紫外分光光度法结合纸层析等简单技术，对多种生物DNADNA作碱基定量分析，发现作碱基定量分析，发现DNADNA碱基组成有如下规律：碱基组成有如下规律：不同生物来源的不同生物来源的DNADNA四种碱基比例关系四种碱基比例关系DNA来源来源腺嘌呤腺嘌呤（A）胸腺嘧啶胸腺嘧啶（T）鸟嘌呤鸟嘌呤（G）胞嘧啶胞嘧啶（C）（A+T）/（G+C）大肠杆菌大肠杆菌25.424.824.125.71.01小

32、麦小麦27.327.122.822.71.21鼠鼠28.628.421.421.51.33猪：肝猪：肝29.429.720.520.51.43胸腺胸腺30.028.920.420.7脾脾29.629.220.420.8酵母酵母31.332.918.717.51.0791.1.同一生物的不同组织的同一生物的不同组织的DNADNA碱基组成相同；碱基组成相同；2.2.同一种生物同一种生物DNADNA碱基组成不随生物体的年龄、营养状态碱基组成不随生物体的年龄、营养状态或者环境变化而改变；或者环境变化而改变；3.3.几乎所有的几乎所有的DNADNA，无论种属来源如何，其腺嘌呤摩尔含，无论种属来源如何，其

33、腺嘌呤摩尔含量与胸腺嘧啶摩尔含量相同量与胸腺嘧啶摩尔含量相同A A=T T，鸟嘌呤摩尔含，鸟嘌呤摩尔含量与胞嘧啶摩尔含量相同量与胞嘧啶摩尔含量相同G G=C C，总的嘌呤摩尔含，总的嘌呤摩尔含量与总的嘧啶摩尔含量相同量与总的嘧啶摩尔含量相同A AG G=C CT T。4.4.不同生物来源的不同生物来源的DNADNA碱基组成不同，表现在碱基组成不同，表现在A AT/GT/GC C比比值的不同。这些结果后来为值的不同。这些结果后来为DNADNA的双螺旋结构模型提供了一的双螺旋结构模型提供了一个有力的佐证。个有力的佐证。DNADNA碱基组成规律：碱基组成规律：（二）（二）DNADNA的二级结构的二级

34、结构双螺旋结构双螺旋结构 Watson,Crick Watson,Crick （19531953）在）在ChargaffChargaff法则及法则及Wilkins,FranklinWilkins,Franklin的的X X线衍射工作基础上提出线衍射工作基础上提出DNADNA的双螺旋（的双螺旋（double helixdouble helix）结构模型：）结构模型：(1)DNA(1)DNA双螺旋中的两股链走向是双螺旋中的两股链走向是反平行反平行的，一股链是的，一股链是5353走向，另一股链是走向，另一股链是3535走向。两股走向。两股DNADNA链围链围绕一假想的共同轴心形成一绕一假想的共同轴心

35、形成一右手螺旋右手螺旋结构，双螺旋的螺结构，双螺旋的螺距为距为3.4nm3.4nm，直径为，直径为2.0nm2.0nm。表面形成一条大沟，一条小。表面形成一条大沟，一条小沟。沟。大沟与小沟是蛋白质识别大沟与小沟是蛋白质识别DNADNA的碱基序列，与其发的碱基序列，与其发生作用的基础。生作用的基础。(2)(2)链链的的骨骨架架(backbone)(backbone)由由交交替替出出现现的的亲亲水水的的脱脱氧氧核核糖糖基基和和磷磷酸酸基基构构成成，位位于于双双螺螺旋旋的的外外侧侧。碱碱基基位位于于双双螺螺旋旋的的内内侧侧，两两股股链链中中的的嘌嘌呤呤和和嘧嘧啶啶碱碱基基以以其其疏疏水水的的、近近于

36、于平平面面的的环环形形结结构彼此密切相近，平面与双螺旋的长轴相垂直。构彼此密切相近，平面与双螺旋的长轴相垂直。(3)(3)一股链中的嘌呤碱基与另一股链中位于同一平面的嘧啶一股链中的嘌呤碱基与另一股链中位于同一平面的嘧啶碱基之间以碱基之间以氢链氢链相连，称为相连，称为碱基互补配对碱基互补配对或或碱基配对碱基配对(base(base pairing)pairing)，碱基对层间的距离为，碱基对层间的距离为0.34nm0.34nm。碱基互补配对总是。碱基互补配对总是出现于出现于A A与与T T之间之间(A=T)(A=T)，形成，形成两个氢键两个氢键；或者出现于；或者出现于G G与与C C之间之间(G

37、=C)(G=C)，形成，形成三个氢键三个氢键。DNADNA的双螺旋结构如图所示的双螺旋结构如图所示:碱基配对的结构如图所示碱基配对的结构如图所示:DNA DNA结构双螺旋结构的提出，被认为是本世结构双螺旋结构的提出，被认为是本世纪生命科学史最重要的贡献之一，同时也是自纪生命科学史最重要的贡献之一，同时也是自然科学史上的重大贡献。它直接解释了生物遗然科学史上的重大贡献。它直接解释了生物遗传信息的传递与表达的规律，使生命科学从此传信息的传递与表达的规律，使生命科学从此进入一个崭新的时代即进入一个崭新的时代即分子生物学时代。分子生物学时代。(三三)DNA)DNA二级结构的多态性二级结构的多态性 所谓

38、所谓DNADNA二级结构的多态性，是指二级结构的多态性，是指DNADNA不仅具有不仅具有多种形式的双螺旋结构，而且还能形成三链、四链多种形式的双螺旋结构，而且还能形成三链、四链结构，说明结构，说明DNADNA的结构是的结构是动态的动态的，而不是静态的。，而不是静态的。核酸的构型的多样性是由于核酸主干链上各键和碱核酸的构型的多样性是由于核酸主干链上各键和碱基的旋转造成的，而多链的基的旋转造成的，而多链的DNADNA是特定的碱基序列是特定的碱基序列导致的结果。导致的结果。1.DNA1.DNA双螺旋的不同构型：双螺旋的不同构型：(1)(1)B-DNAB-DNA螺旋：螺旋：标准的标准的Watson,C

39、rickWatson,Crick双螺旋，细双螺旋，细胞胞正常状态下正常状态下DNADNA存在的构型。存在的构型。(2)(2)A-DNAA-DNA螺旋：螺旋：DNADNA在在75%75%相对湿度的钠盐中的构型。相对湿度的钠盐中的构型。(3)(3)C-DNAC-DNA螺旋：螺旋：DNADNA在在66%66%相对湿度的锂盐中的构型。相对湿度的锂盐中的构型。(4)(4)Z-DNAZ-DNA螺旋：螺旋：左手的左手的DNADNA螺旋，这种螺旋可能在基螺旋，这种螺旋可能在基因表达或遗传重组中起作用。因表达或遗传重组中起作用。双螺旋双螺旋碱基倾碱基倾角（角（）碱基夹碱基夹角（角（）碱基间距碱基间距/nm螺距螺

40、距nm每轮碱每轮碱基数基数大沟大沟小沟小沟B-DNA036.00.343.610.5很宽、较深很宽、较深窄、深窄、深Z-DNA9 9-60.00.384.5612平坦平坦较窄、很深较窄、很深A-DAN2032.70.2562.811很窄、很深很窄、很深很宽、浅很宽、浅C-DNA6380.3313.19.3较宽、较深较宽、较深很窄、很深很窄、很深 与与DNADNA碱基顺序相关的特殊二级结构碱基顺序相关的特殊二级结构:(1)(1)回文序列回文序列 所谓回文序列就是指所谓回文序列就是指DNADNA某一片段旋转某一片段旋转180180。后后,顺顺序不变的序列序不变的序列，回文序列中的单链可形成回文序列

41、中的单链可形成发夹结构发夹结构。双链可形成双链可形成十字架结构十字架结构。这种发夹结构或十字架结。这种发夹结构或十字架结构在构在大肠杆菌细胞大肠杆菌细胞DNADNA中已有发现中已有发现.核酸分子中的回文序列核酸分子中的回文序列 回文序列中的单回文序列中的单链可形成发卡结构链可形成发卡结构双链回文序列可双链回文序列可形成十字架结构形成十字架结构（2 2）镜象结构镜象结构 所谓镜象结构就是指所谓镜象结构就是指DNADNA某一片段在一条链上出某一片段在一条链上出现现颠倒重复颠倒重复的序列的序列。多嘌呤多嘌呤-多嘧啶的镜象序列多嘧啶的镜象序列可形成可形成三螺旋三螺旋结结构构(H-(H-螺旋或螺旋或Ho

42、ogsteenHoogsteen螺旋螺旋):):该螺旋常处在该螺旋常处在许多真核细胞基因的表达调节区许多真核细胞基因的表达调节区。可能与可能与基因基因表达的调节表达的调节有关有关.2 2、四链、四链DNADNA：可能存在于真核细胞染色体的端粒中。：可能存在于真核细胞染色体的端粒中。稳定稳定DNADNA二级结构的作用力：二级结构的作用力：氢键（横向作用力）氢键（横向作用力）碱基堆积力（纵向作用力）碱基堆积力（纵向作用力）三、三、DNA DNA 的三级结构和真核细胞的三级结构和真核细胞DNADNA的的组装组装(一一)DNA)DNA的三级结构的三级结构:超螺旋超螺旋 双螺旋双螺旋DNADNA进一步扭

43、曲盘绕则形成其三级结构，进一步扭曲盘绕则形成其三级结构，超螺超螺旋旋是是DNADNA三级结构的主要形式。三级结构的主要形式。自从自从19651965年年VinogradVinograd等人发现多瘤病毒的环形等人发现多瘤病毒的环形DNADNA的超的超螺旋以来，现已知道绝大多数原核生物都是螺旋以来，现已知道绝大多数原核生物都是共价封闭环共价封闭环(covalently closed circle,CCC)(covalently closed circle,CCC)分子，这种双螺旋环分子，这种双螺旋环状分子再度螺旋化成为状分子再度螺旋化成为超螺旋结构超螺旋结构(superhelix(superhel

44、ix或或supercoil)supercoil)。有些单链环形染色体有些单链环形染色体(如如174)174)或双链线形染色体或双链线形染色体(如噬菌体入如噬菌体入)，在其生活周期的某一阶段，也必将其染色，在其生活周期的某一阶段，也必将其染色体变为超螺旋形式。对于真核生物来说，虽然其染色体多体变为超螺旋形式。对于真核生物来说，虽然其染色体多为线形分子但其为线形分子但其DNADNA均与蛋白质相结合，两个结合点之间均与蛋白质相结合，两个结合点之间的的DNADNA形成一个形成一个突环突环(loop)(loop)结构结构，类似于，类似于CCCCCC分子，同样具分子，同样具有超螺旋形式。有超螺旋形式。超螺

45、旋按其方向分为超螺旋按其方向分为正超螺旋正超螺旋和和负超螺旋负超螺旋两种。真核生两种。真核生物中，物中，DNADNA与组蛋白八聚体形成核小体结构时，存在着负与组蛋白八聚体形成核小体结构时，存在着负超螺旋。研究发现，所有的超螺旋。研究发现，所有的DNADNA超螺旋都是由超螺旋都是由DNADNA拓扑异构拓扑异构酶酶产生的。产生的。(二二)真核细胞染色体的组装真核细胞染色体的组装 染色体的基本结构单位是染色体的基本结构单位是核小体核小体。核小体是由。核小体是由DNADNA和组和组蛋白组成的。蛋白组成的。组蛋白有组蛋白有五种五种，H H2 2A,HA,H2 2B,HB,H3 3,H,H4 4 各两分子

46、构成一个各两分子构成一个八聚体八聚体，其外再由双螺旋其外再由双螺旋DNADNA绕其旋转绕其旋转1.751.75圈圈(为为DNADNA的三级结构的三级结构)，约含约含140bp 140bp。称为。称为核小体的核心颗粒核小体的核心颗粒(core particle)(core particle)。两。两个核心颗粒之间由一段双螺旋个核心颗粒之间由一段双螺旋DNADNA链链(约约60bp)60bp)相连，称为相连，称为连连接部接部。组蛋白。组蛋白H H1 1结合在此部位。若干个核小体再螺旋形成核结合在此部位。若干个核小体再螺旋形成核小体纤维，再进一步螺旋化形成染色体。从双螺旋小体纤维，再进一步螺旋化形成

47、染色体。从双螺旋DNADNA到染到染色体，色体，DNADNA总共压缩了约总共压缩了约800080001000010000倍倍.核小体结构如图所示核小体结构如图所示:染色体组装的层次如下图所示：染色体组装的层次如下图所示：四、四、RNARNA的分的分子结构子结构(一一)RNA)RNA的一级结构：的一级结构：组成组成RNARNA的核苷酸按特定序列通过的核苷酸按特定序列通过 3,5-3,5-磷酸磷酸二酯键二酯键连接的线性结构。连接的线性结构。对于对于RNARNA的一级结构，研究最多的是的一级结构，研究最多的是tRNAtRNA。tRNAtRNA的的5 5，-末末端总是磷酸化，而且常是端总是磷酸化，而且

48、常是pG pG；3 3，-末端最后三个氨基酸顺末端最后三个氨基酸顺序相同，总是序相同，总是CCACCAOH OH；tRNAtRNA中含有较多的稀有碱基，每分子中含有较多的稀有碱基，每分子含含7 71515个，稀有碱基中最常见的是个，稀有碱基中最常见的是甲基化的碱基甲基化的碱基。在在rRNArRNA分子中，研究最多的是分子中，研究最多的是5SrRNA5SrRNA和和16SrRNA16SrRNA。大。大肠杆菌中的肠杆菌中的5SrRNA5SrRNA的的5 5，-端常出现端常出现pppUpppU，3 3，-端为端为U UOH OH；第第43434747位的核苷酸顺序为位的核苷酸顺序为CGAACCGAA

49、C（真核细胞此序列则（真核细胞此序列则出现在出现在5.8SrRNA5.8SrRNA），这是），这是rRNArRNA与与tRNAtRNA相互识别、相互作相互识别、相互作用的部位；原核细胞用的部位；原核细胞16SrRNA16SrRNA的的3 3，-端总存在序列端总存在序列ACCUCCUACCUCCU，这是，这是mRNAmRNA的识别位点。的识别位点。mRNA mRNA相对分子质量不均一，代谢活跃，这给一级结构的研相对分子质量不均一，代谢活跃，这给一级结构的研究带来一定困难。真核细胞究带来一定困难。真核细胞mRNAmRNA与原核与原核mRNAmRNA比较，在结构上比较，在结构上具有明显的区别。真核细

50、胞具有明显的区别。真核细胞mRNAmRNA的的3 3，-末端有一段可长达末端有一段可长达200200个左右的聚腺苷酸（个左右的聚腺苷酸（poly Apoly A），称为），称为“尾尾”结构结构；5 5，-末端有末端有一个甲基化的鸟苷酸一个甲基化的鸟苷酸,称为称为“帽帽”结构结构，表示，表示m m7 7G Gp p5 5p p5 5p pX Xp pm mY Y，其，其中中X X、Y Y为任意碱基。这种为任意碱基。这种“尾尾”和和“帽帽”的结构在的结构在mRNAmRNA功能功能表现中具有重要作用。表现中具有重要作用。（二）（二）RNA RNA二级结构二级结构 单链单链RNARNA自行盘绕形成局部