結(jié)構(gòu)與性能 第六章

第六章核酸第一節(jié)概述第二節(jié)核酸的水解和組成第三節(jié)體內(nèi)某些重要核苷酸第四節(jié)核酸的結(jié)構(gòu)第五節(jié)核酸的理化性質(zhì)

第一節(jié)概述研究史：1869J.F.Miescher

nuclein1889Altmannnucleicacid1909W.Johannsengene1910T.H.Morganroleofthechromosomeinheredity1941G.W.Beadle,E.L.Tetumonegeneoneenzyme1944O.Averydiplococcus

pneumoniaetransform1953J.WatsonF.CrickDNAdoublehelix1966

R.W.Holleyetalinterpretationofthegeneticcode

1991USAtheHumanGenomeProject1997L.Wilmutet.alDollysheep2001USA,UK,France,Germany,JapanandChinaHumanGenomeMapping2002JunYuetal

DraftSequenceoftheRiceGenome

JamesWatson(left)andFrancisCrickFrancisHarryComptonCrickJamesDeweyWatsonMauriceHughFrederickWilkins

GreatBritainUSAGreatBritainInstituteofMolecularBiology

Cambridge,GreatBritainHarvardUniversity

Cambridge,MA,USAUniversityofLondon

London,GreatBritain

"fortheirdiscoveriesconcerningthemolecularstructureofnucleicacidsanditssignificanceforinformationtransferinlivingmaterial"TheNobelPrizeinPhysiologyorMedicine1962RobertW.HolleyHar

GobindKhoranaMarshallW.Nirenberg

USAUSAUSACornellUniversity

Ithaca,NY,USAUniversityofWisconsin

Madison,WI,USANationalInstitutesofHealth

Bethesda,MD,USA

TheNobelPrizeinPhysiologyorMedicine1968"fortheirinterpretationofthegeneticcodeanditsfunctioninproteinsynthesis"

人類基因組計劃

HumanGenomeProject1990年10月：被譽為生命科學(xué)“阿波羅登月計劃”的HGP啟動。1998年5月：美國科學(xué)家克里格文特創(chuàng)建的塞萊拉遺傳公司，目標(biāo)是投入3億美元，到2001年繪制出完整的人體基因組圖譜，與國際HGP展開競爭。1999年12月1日：國際HGP聯(lián)合研究小組宣布，他們完整地破譯出人體第22對染色體的遺傳密碼。2000年3月14日：當(dāng)時的美國總統(tǒng)克林頓和英國首相布萊爾發(fā)表聯(lián)合聲明，呼吁將人類基因組研究成果公開，以便世界各國科學(xué)家都能自由地使用這些成果。2000年5月：國際HGP完成時間預(yù)計從原定的2003年6月提前至2001年6月。2000年6月26日：科學(xué)家公布人類基因組“工作框架圖”。2001年2月：國際HGP(美、英、日、德、法和中國)的科學(xué)家和美國塞萊拉公司分別宣布完成繪制人類基因組測序草圖。分別在15日出版的《Nature》和16日的《Science》公布。青山襯托之下，是一片金燦燦的中國水稻梯田。2002年4月5日以中國梯田為封面的《Science》雜志以14頁篇幅率先發(fā)表了一個重大成果—中國人獨立完成的論文《水稻（秈稻）基因組的工作框架序列》，顯示對中國科學(xué)家成就充分肯定。COVERPhotographoftheHongheHaniriceterracesinYunnanProvince,China.Inthisissue,twoseparateresearchgroupsreportdraftsequencesoftwostrainsofrice--japonicaandindica.Inaddition,theEditorial,NewsFocus,Letters,andPerspectiveshighlightthesignificanceofthericegenometotheworld'spopulation.[Image:LiwenMaandBaoxing

Qiu,BeijingGenomicsInstitute]核酸（Nucleicacid）的分類和生物功能

脫氧核糖核酸（DNA）：遺傳信息的載體

核糖體RNA：蛋白質(zhì)合成場所

核糖核酸（RNA）

轉(zhuǎn)運RNA：轉(zhuǎn)運氨基酸

信使RNA：轉(zhuǎn)錄遺傳信息，

指導(dǎo)蛋白質(zhì)合成第二節(jié)核酸的水解與組成一、核酸的水解產(chǎn)物核酸

水解水解水解單核苷酸（B-R-P）磷酸（P）戊糖（R）堿基（B）核苷（B-R）核糖脫氧核糖戊糖：β-D-核糖β-D-2-脫氧核糖堿基（Base)：腺嘌呤(adenine,A)

鳥嘌呤(guanine,G)

嘌呤(purine)嘌呤

腺嘌呤（A）（6-氨基嘌呤）鳥嘌呤（G）（2-氨基-6-氧嘌呤）胞嘧啶(cytosine,C)胸腺嘧啶(thymine,T)

尿嘧啶(uracil,U)

嘧啶(pyrimidine)嘧啶胞嘧啶（C）（2-氧-4-氨基嘧啶）

胸腺嘧啶（T）（5-甲基尿嘧啶）

尿嘧啶（U）（2，4-二氧嘧啶）

兩類核酸的基本成分二、核酸的組成—核苷、核苷酸1、核苷（Nucleoside）核苷=堿基+戊糖連接方式：糖苷鍵嘌呤環(huán)上的N-9或嘧啶環(huán)上的N-1與糖的C-1’以糖苷鍵相連。腺嘌呤核苷（腺苷）胞嘧啶脫氧核苷（脫氧胞苷）1911核苷酸=核苷+磷酸連接方式：磷酸酯鍵

——糖環(huán)上所有游離羥基（核糖的C-2、C-3、C-5及脫氧核糖的C-3、C-5

）均能與磷酸發(fā)生酯化結(jié)合。生物體內(nèi)多數(shù)核苷酸是5-核苷酸，即糖環(huán)上的C-5

與磷酸酯化。2、核苷酸（Nucleotide）腺嘌呤核苷酸

（腺苷酸）脫氧胞嘧啶核苷酸（脫氧胞苷酸）第三節(jié)體內(nèi)某些重要核苷酸能量物質(zhì)：ATP等輔酶：NAD+、NADP+

和FAD等信號傳導(dǎo)：環(huán)腺苷酸（cyclicAMP,cAMP）,環(huán)鳥苷酸（cyclicGMP,cGMP）重要代謝中間物：PAPS、SAM、UDPG、UDPGA、CDP-膽堿（乙醇胺）等

AMP（一磷酸腺苷：腺嘌呤核糖核苷酸）ADP

（二磷酸腺苷）ATP（三磷酸腺苷）353,5-cAMP環(huán)腺苷酸第四節(jié)核酸的結(jié)構(gòu)核酸分子中核苷酸的排列順序，即堿基的排列順序稱核酸的一級結(jié)構(gòu)。3',5'–磷酸二酯鍵5'末端的磷酸基團3'末端的羥基GAATTOH連接鍵：3,5-磷酸二酯鍵，即第一個核苷酸糖環(huán)上原來游離的C-3羥基與第二個核苷酸C-5磷酸組成3，5磷酸二酯鍵。二個游離末端:5末端(游離磷酸基)，3末端(游離羥基)5′

pGpCpApTpT-OH

3′5′GCATT3′OH5′3′PPPPPGCATT

GCATT書寫規(guī)則：方向53，從繁到簡有多種表示方法一、DNA的結(jié)構(gòu)

1、DNA的一級結(jié)構(gòu)由dAMP、dGMP、dCMP、dTMP四種脫氧核苷酸通過3’，5’-磷酸二酯鍵按一定順序排列而成的高分子化合物。不同物種的DNA堿基組成不同同一生物體的不同組織的DNA的堿基組成相同[A]=[T]，[G]=[C]，[A]+[G]=[T]+[C]2、DNA的二級結(jié)構(gòu)—雙螺旋模型DNA雙螺旋模型的基本內(nèi)容反向平行、互補雙鏈脫氧核糖和磷酸骨架位于雙鏈外側(cè)，走向相反（5′→3′、3′→5′）；堿基配對，A-T，G-C右手螺旋，并有大溝和小溝螺旋直徑2nm螺距3.4nm螺旋一周10個堿基對，堿基平面距離0.34nm雙螺旋結(jié)構(gòu)穩(wěn)定力：橫向是堿基對氫鍵；縱向是堿基平面間的疏水堆積力（base-stackingforce）DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的多樣性右手雙螺旋（B-DNA）：生理條件下最穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)；A-DNA：脫水條件下DNA雙螺旋及生理條件下的RNA雙螺旋和DNA-RNA雜合雙螺旋中。結(jié)構(gòu)特征：右手雙螺旋、螺旋直徑2.6nm、螺距2.5nm，11個堿基/周；Z-DNA：存在與CGCGCGCG結(jié)晶體結(jié)構(gòu)中。結(jié)構(gòu)特征：左手螺旋、螺旋直徑1.8nm、螺距4.5nm、12堿基/周、核酸鏈骨架顯Z字型走行。3、DNA的超螺旋結(jié)構(gòu)（一）原核生物DNA的高級結(jié)構(gòu)在共價閉環(huán)雙螺旋基礎(chǔ)上進一步扭轉(zhuǎn)盤曲，形成超螺旋(supercoil)體積進一步壓縮。（二）真核生物DNA分子高級結(jié)構(gòu)：多層次壓縮包裝整個中期染色體壓縮部分的中期染色體部分伸展的染色體堆積核小體的染色質(zhì)纖維絲串珠狀染色質(zhì)染色體染色單體DNA分子的一條鏈和另一條鏈互補。從信息的角度似乎是多余的，從穩(wěn)定性來看，一條鏈有問題的話可以通過另一條鏈來修補。DNA雙螺旋更重要的意義在于雙螺旋為堿基抵抗化學(xué)攻擊提供了保護。堿基是疏水環(huán)上的帶電基團，化學(xué)上稱為活潑基團，正是這些帶電基團需要保護。這些堿基之間的氫鍵為其提供了第二道防線，氫鍵使帶電離子的電荷被屏蔽了，堿基的疏水性使堿基堆積，大大減少了被攻擊的可能性，因其使水分子不易進入，而有害化合物通常必須溶于水，因此無法接近堿基。

DNA分子的核糖-磷酸骨架是極端穩(wěn)定的，DNA的戊糖是2’-脫氧核糖而不是核糖。而RNA分子的核糖-磷酸骨架不太穩(wěn)定，其原因是在堿性(如pH=8)條件下，RNA很快被水解成自由的單核苷酸，這主要是在糖環(huán)上有羥基，使RNA迅速被降解。一個堿基在化學(xué)結(jié)構(gòu)上的改變肯定就意味著遺傳信息的丟失。在一個細(xì)胞里有相當(dāng)大量的化合物能攻擊一個自由的堿基，考慮到這個問題，人們就可以看到DNA采取雙螺旋的重要意義。

除了胞嘧啶外，堿基本身是穩(wěn)定的，胞嘧啶以很低的頻率脫氨基形成尿嘧啶U，這個變化是災(zāi)難性的，因為U與A配對，而C應(yīng)與G配對，在細(xì)胞由DNA用T代替U，避免了這一問題。4、DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的意義

動物細(xì)胞內(nèi)主要RNA的種類與功能

細(xì)胞核和胞液線粒體功能核蛋白體RNArRNA

mt

rRNA

核糖體的組分信使RNAmRNAmtmRNA蛋白質(zhì)合成膜板轉(zhuǎn)運RNAtRNA

mt

tRNA

轉(zhuǎn)運氨基酸不均一核RNAHnRNAmRNA的前體小核RNASnRNA

參與HnRNA的剪接、轉(zhuǎn)運小核仁RNASnoRNA

rRNA的加工、修飾小胞質(zhì)RNAscRNA/7SL-RNA蛋白質(zhì)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)定位合成的信號識別體的組分二、RNA的結(jié)構(gòu)與功能1、tRNA的結(jié)構(gòu)與功能結(jié)構(gòu)特點:稀有堿基：DHU、T、、mG和mA等；三葉草形二級結(jié)構(gòu)：DHU環(huán)、反密碼環(huán)（有反密碼子）、T環(huán)和3端氨基酸臂倒“L”型三級結(jié)構(gòu)51111911假尿嘧啶核苷次黃嘌呤核苷二氫尿嘧啶核苷7甲基鳥嘌呤

(pseudouridine,)(inosine,I)(dihydrouridine,DHU)(7-methylguanosine,mG)三葉草模型3′OHACCAC-GU-AC-GUG5′PCGC-GG-CCGCGGCCGUCAmCCφTUAGmCCGCGAAGDDGmGDDDAACmDAGAGCGAUGCAUAφCUGUAAATψ環(huán)CCA末端DHU環(huán)反密碼子Tψ環(huán)DHU環(huán)反密碼子環(huán)反密碼子環(huán)tRNA

的倒L型三級結(jié)構(gòu)酵母的一級結(jié)構(gòu)與二級結(jié)構(gòu)2、mRNA的結(jié)構(gòu)AAAA……Anm7GpppAUGGUGUAA………………5′3′5′帽子結(jié)構(gòu)密碼子

3′多聚A尾

5′非編碼區(qū)編碼區(qū)3′非編碼區(qū)真核生物mRNA：①單順反子結(jié)構(gòu)，只能編碼一條多肽鏈②3’-端具有polyA結(jié)構(gòu)：不是由DNA編碼的；防止mRNA被核酸酶水解；核質(zhì)轉(zhuǎn)運有關(guān)③mRNA的5’端有一個“帽子”結(jié)構(gòu)（m7G5’pppN），防止核酸外切酶對mRNA的降解，識別起始點（核糖體識別mRNA）(m6A.A.G.C.U)(m6A.A.G.C.U)mRNA的5帽子結(jié)構(gòu)—m7GpppNm553、rRNA的結(jié)構(gòu)真核生物18SrRNA原核生物16SrRNArRNA含量大，占細(xì)胞RNA總量的80％左右，是構(gòu)成核糖體的骨架。大腸桿菌核糖體中有三類rRNA：