第六章 核酸 核酸是遗传物质 868年瑞士 Meshε从脓细胞的细胞核中分离出可溶于碱而不溶于稀酸的酸性物质 间接证据:同一种生物的不同种类的不同生长期的细胞,DNA含量基本恒定 直接证据:T2噬菌体DNA感染Ecoi 用35S标记噬菌体蛋白质,感染 E coli,又用3P标记噬菌体核酸,感染Ecol DNA、RNA的分布(DNA在核内,RNA在核外) 第一节核酸的化学组成 核酸是一种线形多聚核苷酸,基本组成单位是核苷酸。 构层次 核酸 核苷酸 磷酸 核苷 戊糖碱基 组成核酸的戊糖有两种::D核糖和D2-脱氧核糖,据此,可以将核酸分为两种:核糖核酸(RNA和脱氧核糖核酸 (DNA) P330表5-1两类核酸的基本化学组成 碱基 1.嘌呤碱: 腺嘌呤 鸟嘌呤 2.嘧啶碱: 胞嘧啶尿嘧啶胸腺嘧啶 P331结构式 3.修饰碱基 植物中有大量5-甲基胞嘧啶。 E.col噬菌体中,5羟甲基胞嘧啶代替C。 稀有碱基:100余种,多数是甲基化的产物 DNA由A、G、C、T碱基构成。 RNA由A、G、C、U碱基构成 核苷 核苷由戊糖和碱基缩合而成,糖环上C1与嘧啶碱的№或与嘌呤碱的N连接。 核酸中的核苷均为β型核苷
第六章 核 酸 核酸是遗传物质 1868 年瑞士Miesher.从脓细胞的细胞核中分离出可溶于碱而不溶于稀酸的酸性物质。 间接证据：同一种生物的不同种类的不同生长期的细胞，DNA含量基本恒定。 直接证据：T2噬菌体DNA感染E.coli 用 35S标记噬菌体蛋白质，感染E.coli，又用32P标记噬菌体核酸，感染E.coli DNA、RNA的分布（DNA 在核内，RNA在核外）。 第一节 核酸的化学组成 核酸是一种线形多聚核苷酸，基本组成单位是核苷酸。 结构层次： 核 酸 核苷酸 磷酸 核苷 戊糖 碱基 组成核酸的戊糖有两种：：D-核糖和 D-2-脱氧核糖，据此，可以将核酸分为两种：核糖核酸（RNA）和脱氧核糖核酸 （DNA） P330 表 5-1 两类核酸的基本化学组成 一、 碱基 1. 嘌呤碱： 腺嘌呤 鸟嘌呤 2. 嘧啶碱： 胞嘧啶 尿嘧啶 胸腺嘧啶 P331 结构式 3. 修饰碱基 植物中有大量5-甲基胞嘧啶。 E.coli噬菌体中，5-羟甲基胞嘧啶代替C。 稀有碱基：100余种，多数是甲基化的产物。 DNA 由 A、G、C、T 碱基构成。 RNA 由 A、G、C、U 碱基构成。 二、 核苷 核苷由戊糖和碱基缩合而成，糖环上C1与嘧啶碱的N1或与嘌呤碱的N9连接。 核酸中的核苷均为β-型核苷
P332结构式腺嘌呤核苷胞嘧啶脱氧核苷 DNA的戊糖是:脱氧核糖 RNA的戊糖是:核糖 核苷酸 核苷中戊糖C3、C羟基被磷酸酯化,生成核苷酸。 l、构成DNA、RNA的核苷酸 P333表53 2、细胞内游离核苷酸及其行生物 ①核苷5-多磷酸化合物 ATP、GTP、CTP、ppA、pG 在能量代谢和物质代谢及调控中起重要作用。 ②环核苷酸 CAMP (3, 5 -CAMP) CGMP (3,, 5'-CGMP) 它们作为质膜的激素的第二信使起作用,cAMP调节细胞的糖代谢、脂代谢。 ③核苷5’多磷酸3’多磷酸化合物 ppGpp pppGpp ppAp ④核苷酸衍生物 HSCOA、NAD、NADP、FAD等辅助因子 GDP半乳糖、GDP-葡萄糖等是糖蛋白生物合成的活性糖基供体。 第二节DNA的结构 级:脱氧核苷酸分子间连接方式及排列顺序 级:DNA的两条多聚核苷酸链间通过氢键形成的双螺旋结构。 三级:DNA双链进步折叠卷曲形成的构象。 DNA的一级结构 DNA的一级结构是4种脱氧核苷酸(dAMP、dGMP、dOMP、dIM)通过3、5磷酸二酯键连接起来的线形多聚体。 3/、5/磷酸二酯键是DNA、RNA的主链结构。 P334图5-1 书写方法:5→3/: 5'- pApCpTpG-3,或5…ACTG…3”(在DNA中,3/OH一般是游离的)
P332 结构式 腺嘌呤核苷 胞嘧啶脱氧核苷 DNA 的戊糖是：脱氧核糖 RNA 的戊糖是：核糖 三、 核苷酸 核苷中戊糖C3、C5羟基被磷酸酯化，生成核苷酸。 1、构成 DNA、RNA的核苷酸 P333 表 5-3 2、细胞内游离核苷酸及其衍生物 ①核苷 5’-多磷酸化合物 ATP、GTP、CTP、ppppA、ppppG 在能量代谢和物质代谢及调控中起重要作用。 ②环核苷酸 cAMP（3’，5’-cAMP） cGMP（3’，5’-cGMP） 它们作为质膜的激素的第二信使起作用，cAMP调节细胞的糖代谢、脂代谢。 ③核苷 5’多磷酸3’多磷酸化合物 ppGpp pppGpp ppApp ④核苷酸衍生物 HSCoA、 NAD+、NADP+、FAD 等辅助因子。 GDP-半乳糖、GDP-葡萄糖等是糖蛋白生物合成的活性糖基供体。 第二节 DNA 的结构 一级：脱氧核苷酸分子间连接方式及排列顺序。 二级：DNA 的两条多聚核苷酸链间通过氢键形成的双螺旋结构。 三级：DNA 双链进一步折叠卷曲形成的构象。 一、 DNA 的一级结构 DNA的一级结构是4种脱氧核苷酸（dAMP、dGMP、dCMP、dTMP）通过3/、5/-磷酸二酯键连接起来的线形多聚体。 3/、5/-磷酸二酯键是DNA、RNA的主链结构 。 P334 图 5-1 书写方法：5/ → 3/： 5’-pApCpTpG-3’，或5’…ACTG…3’（在DNA 中，3/-OH一般是游离的）
在DNA分子中,不变的骨架成分磷酸二酯键被逐渐省略,真正代表DNA生物学意义的是碱基的排列顺序。 遗传信息贮存在DNA的碱基排列顺序中,生物界生物的多样性即寓于DNA分子4种核苷酸千变万化的精确的排列顺 序中 DNA的二级结构 1953年, Watson和αidk根据 haran规律和DNA№a盐纤维的Ⅹ光衍射数据提出了DNA的双螺旋结构模型 l、 Watson-〔rikk双螺旋结构建立的根据 ① Changan规律1950年 a.所有DNA中,A=,G=C且A+G=C+T P334表54。 b.DNA的碱基组成具有种的特异性,即不同生物的DNA皆有自己独特的碱基组成。 c.DNA碱基组成没有组织和器官的特异性 d.年龄、营养状况、环境等因素不影响DNA的碱基组成。 ②DNA的Na盐纤维和DNA晶体的X光衍射分析 相对湿度92%,DNA钠盐结晶,B_DNA 相对湿度75%,DNA钠盐结晶,ADNA。 DNA。 生物体内DNA均为BDNA。 Franklin的工作 2、 Watson-Crick双螺旋结构模型 P335图5-2 a两条反平行的多核苷酸链绕同一中心轴相缠绕,形成右手双股螺旋,一条5→3,另·条3ˆ-5 b嘌呤与嘧啶碱位于双螺旋的内侧,磷酸与脱氧核糖在外侧。磷酸与脱氧核糖彼比通过3、5-磷酸-酯键相连接,构 成DNA分子的骨架。 2 nm 宽0m 大沟 深075nm c.螺旋平均直径2nm 每圈螺旋含10个核苷酸 碱基堆积距离:034m 螺距:34mm d两条核苷酸链,依靠彼此碱基间形成的氢链结合在一起。碱基平面垂直于螺旋轴。A=T、G=C 图5- 碱基互补原则具有极重要的生物学意义,DNA的复制、转录、反转录等的分子基础都是碱基互补
在 DNA 分子中，不变的骨架成分磷酸二酯键被逐渐省略，真正代表DNA生物学意义的是碱基的排列顺序。 遗传信息贮存在DNA的碱基排列顺序中，生物界生物的多样性即寓于DNA分子4种核苷酸千变万化的精确的排列顺 序中。 二、 DNA 的二级结构 1953 年，Watson 和Crick 根据Chargaff 规律和DNA Na 盐纤维的X 光衍射数据提出了DNA的双螺旋结构模型。 1、Watson-Crick双螺旋结构建立的根据 ①Chargaff 规律 1950年 a. 所有 DNA中，A=T，G=C 且 A+G=C+T。 P334 表 5—4。 b. DNA 的碱基组成具有种的特异性，即不同生物的DNA 皆有自己独特的碱基组成。 c. DNA 碱基组成没有组织和器官的特异性。 d. 年龄、营养状况、环境等因素不影响DNA的碱基组成。 ② DNA 的 Na 盐纤维和DNA 晶体的X 光衍射分析。 相对湿度92%，DNA 钠盐结晶，B—DNA。 相对湿度75%，DNA 钠盐结晶，A—DNA。 Z—DNA。 生物体内DNA 均为B—DNA。 Franklin 的工作 2、Watson-Crick双螺旋结构模型 P335 图 5—2 a.两条反平行的多核苷酸链绕同一中心轴相缠绕，形成右手双股螺旋，一条5’→3’，另一条3’→5’ b.嘌呤与嘧啶碱位于双螺旋的内侧，磷酸与脱氧核糖在外侧。磷酸与脱氧核糖彼此通过 3/、5/-磷酸二酯键相连接，构 成 DNA 分子的骨架。 宽 1.2 nm 宽 0.6nm 大沟 小沟 深 0.85nm 深 0.75nm c.螺旋平均直径2nm 每圈螺旋含10个核苷酸 碱基堆积距离：0.34nm 螺距：3.4nm d.两条核苷酸链，依靠彼此碱基间形成的氢链结合在一起。碱基平面垂直于螺旋轴。A=T、G=C P336 图 5—4 碱基互补原则具有极重要的生物学意义，DNA 的复制、转录、反转录等的分子基础都是碱基互补
3、稳定双螺旋结构的因紊 ①碱基堆积力(主要因素)形成疏水环境。 ②碱基配对的氢键。GC含量越多,越稳定。 ③磷酸基上的负电荷与介质中的阳离子或组蛋白的正离子之间形成离子键,中和了磷酸基上的负电荷间的斥力,有助 于DNA稳定 ④碱基处于双螺旋内部的疏水环境中,可免受水溶性活性小分子的攻击 三、DNA二级结构的不均性和多型性 DNA二级结构的不均性 l、反向重复序列(回文序列) DNA序列中,以某一中心区域为对称轴,其两侧的碱基对顺序正读和反读都相同,即对称轴一侧的片段旋转180°后, 与另一侧片段对称重复 较长的回文结构,在某些因素作用下,可形成茎环式的十字结构和发夹结构。功能还不完全清楚,但转录的终止作用 与回文结构有关。 较短的回文序列,可作为一种特别信号,如限制性核酸内切酶的识别位点。 2、富含AT的序列 高等生物中,A+T与C+G的含量差不多相等,但在它们的染色体的某一区域,AT含量可能很高。 在很多有重要调节功能(不是蛋白质编码区)的DNA区段都富含AT碱基对。特别是在复制起点和启动的Pbw框 的DNA区中,富含AT对。这对于复制和转录的起始十分重要,因为GC对有三个氢键,而AT对只有两个氢键,此处 双键易解开。 DNA二级结构的多型性 P339表5-6A-、B-、ZDNA的比较 l、B-DNA:典型的 Watson-Crick双螺旋DN 右手双股螺旋 每圈螺旋104个碱基对 每对 螺旋扭角36 螺距:3.32nm 碱基倾角:1° 2、ADNA 在相对湿度75%以下所获得的DNA纤维
3、稳定双螺旋结构的因素 ①碱基堆积力（主要因素） 形成疏水环境。 ②碱基配对的氢键。GC含量越多，越稳定。 ③磷酸基上的负电荷与介质中的阳离子或组蛋白的正离子之间形成离子键，中和了磷酸基上的负电荷间的斥力，有助 于 DNA 稳定。 ④碱基处于双螺旋内部的疏水环境中，可免受水溶性活性小分子的攻击。 三、 DNA 二级结构的不均一性和多型性 （一） DNA 二级结构的不均一性 1、反向重复序列（回文序列） DNA序列中，以某一中心区域为对称轴，其两侧的碱基对顺序正读和反读都相同，即对称轴一侧的片段旋转180°后， 与另一侧片段对称重复。 较长的回文结构，在某些因素作用下，可形成茎环式的十字结构和发夹结构。功能还不完全清楚，但转录的终止作用 与回文结构有关。 较短的回文序列，可作为一种特别信号，如限制性核酸内切酶的识别位点。 2、富含 A T的序列 高等生物中，A+T 与C+G的含量差不多相等，但在它们的染色体的某一区域，A T 含量可能很高。 在很多有重要调节功能（不是蛋白质编码区）的DNA区段都富含A T碱基对。特别是在复制起点和启动的Pribnow框 的 DNA区中，富含A T对。这对于复制和转录的起始十分重要，因为G C对有三个氢键，而A T对只有两个氢键，此处 双键易解开。 （二） DNA 二级结构的多型性 P339 表 5-6 A-、B-、Z-DNA 的比较 1、B—DNA：典型的Watson-Crick双螺旋DNA 右手双股螺旋 每圈螺旋10.4个碱基对 每对 螺旋扭角36° 螺距：3.32nm 碱基倾角：1° 2、A-DNA 在相对湿度75%以下所获得的DNA 纤维
A-DNA也是右手双螺旋,外形粗短。 RNA-RNA、 RNA-DNA杂交分子具有这种结构。 3、ZDNA 左手螺旋的DNA。 天然B-DNA的局部区域可以形成Z0DNA。 4、DNA三股螺旋 在多聚嘧啶和多聚嘌呤组成的DNA螺旋区段,序列中有较铰长的镜像重复时,可形成局部三股螺旋,称H-DNA 镜像重复 TAT配对 CGC酸对 DNA的三链结构常出现在DNA复制、重组、转录的起始或调节位点,第三股链的存在可能使一些调控蛋白或RNA 聚合酶等难以与诙段结合,从而阻遏有关遗传信息的表达 四、环状DNA 生物体内有些DNA是以双链环状DNA的形式存在,包括: 某些病毒DNA 某些噬菌体DNA 某些细菌染色体DNA 细菌质粒DNA 真核细胞中的线粒体DNA、叶绿体DNA 环形DNA的不同构象 P340图5-8松驰环、解链环、负超螺旋 (1)、松弛环形DNA 线形DNA直接环化 (2)、解链环形DNA 线形DNA拧松后再现化 (3)、正超螺旋与负超螺旋DNA 线形DNA拧紧或拧松后再环化,成为超螺旋结构 绳子的两股以右旋方向缠绕,如果在·端使绳子向缠紧的方向旋转,再将绳子两端连接起来,会产生一个左旋的超螺 旋,以解除外加的旋转造成的胁变,这样的超螺旋叫正超螺旋。 如果在绳子一端向松缠方向旋转,再将绳子两端连接起来,会产生一个右旋的超螺旋,以解除外加的旋转所造成的胁
A-DNA 也是右手双螺旋，外形粗短。 RNA-RNA、RNA-DNA 杂交分子具有这种结构。 3、Z-DNA 左手螺旋的DNA。 天然 B-DNA的局部区域可以形成Z0-DNA。 4、DNA 三股螺旋 在多聚嘧啶和多聚嘌呤组成的DNA螺旋区段，序列中有较长的镜像重复时，可形成局部三股螺旋，称H-DNA。 镜像重复： TAT 配对 C +GC 酸对 DNA 的三链结构常出现在 DNA 复制、重组、转录的起始或调节位点，第三股链的存在可能使一些调控蛋白或 RNA 聚合酶等难以与该区段结合，从而阻遏有关遗传信息的表达。 四、 环状 DNA 生物体内有些DNA是以双链环状DNA的形式存在，包括： 某些病毒DNA 某些噬菌体DNA 某些细菌染色体DNA 细菌质粒DNA 真核细胞中的线粒体DNA、叶绿体DNA 1、环形 DNA的不同构象 P340 图 5-8 松驰环、解链环、负超螺旋 （1）、 松弛环形DNA 线形 DNA直接环化 （2）、 解链环形DNA 线形 DNA拧松后再环化 （3）、 正超螺旋与负超螺旋DNA 线形 DNA拧紧或拧松后再环化，成为超螺旋结构。 绳子的两股以右旋方向缠绕，如果在一端使绳子向缠紧的方向旋转，再将绳子两端连接起来，会产生一个左旋的超螺 旋，以解除外加的旋转造成的胁变，这样的超螺旋叫正超螺旋。 如果在绳子一端向松缠方向旋转，再将绳子两端连接起来，会产生一个右旋的超螺旋，以解除外加的旋转所造成的胁