南京农业大学生化课件核酸5-5-1.ppt
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,第五章核酸(Chemistryofnucleicacid),1868年,瑞士科学家F.Miescher从外科绷带上脓细胞中分离出了一种富含磷的有机物质,称为“核素”(nuclein)。
他的论文发表在Med.Chem.Unters1872年,他从莱茵河鲑鱼中得到类似物,同时还分离到一种碱性化合物,称为鱼精蛋白(protamine),5.1概述,1889年,Altman等人又从酵母和动物的细胞核中得到了不含蛋白质的核酸,并首次使用“核酸”(NucleicAcid)命名。
1944年,Avery等人通过细菌转化实验证明核酸就是遗传物质。
5.1概述,5.1概述,NucleicAcid(NA),Mono-phosphate(Mp),Nucleoside(Ns),Deoxy-ribose(Ribose),Base,DNA分子的片段,5.1概述,5.1.1核酸的种类、分布与功能,5.1概述,5.1.1核酸的种类、分布与功能,lDNA与RNA的区别,RNA,2单磷酸核苷酸,3单磷酸核苷酸,核酸的基本结构单元,核苷酸,核酸是由许多核苷酸组成的长链,Nucleotide,5.1概述,5.1.2核酸的化学组成,5.1概述,5.1.2核酸的化学组成,1、戊糖,它们均以呋喃糖态存在,5.1概述,5.1.2核酸的化学组成,2、碱基,DNA中的4种碱基:
腺嘌呤、鸟嘌呤、胞嘧啶、胸腺嘧啶RNA中的4种碱基:
腺嘌呤、鸟嘌呤、胞嘧啶、尿嘧啶,3、磷酸,5.1概述,5.1.2核酸的化学组成,碱基,核苷,戊糖第1位碳原子上的羟基与嘌呤的第9位氮原子或与嘧啶的第1位氮原子形成的N-C糖苷键。
腺苷,脱氧鸟苷,5.1概述,5.1.2核酸的化学组成,核苷酸,5.1概述,5.1.2核酸的化学组成,Nucleotide(Nt)basicunit,5.2DNA的分子结构,DNA分子中各种脱氧核苷酸之间的连接方式和排列顺序。
四种脱氧核苷酸通过3,5-磷酸二酯键连接起来的多核苷酸链的排列顺序。
1.定义,5.2DNA的分子结构,5.2.1DNA的一级结构,5.2.1DNA的一级结构,5.2DNA的分子结构,无分枝的长链,2.多聚脱氧核苷酸链的结构特点,由糖-磷酸相互间隔连接,构成主链;碱基连接在主链的核糖上,形成侧链。
具有方向性。
两个末端分别为5端和3端。
在天然DNA中,5端常为磷酸,3端为游离羟基。
5.2.1DNA的一级结构,5.2DNA的分子结构,3、一级结构的表示方法,1)线条法,5.2.1DNA的一级结构,5.2DNA的分子结构,5pGpCpTpTpAOH35pGCTTAOH3pGCTTAOHGCTTA,2)文字式,5.2.1DNA的一级结构,5.2DNA的分子结构,DNA的二级结构是指DNA的双螺旋结构。
双螺旋结构是DNA的两条链围着同一中心轴旋绕而成的一种空间结构。
DNA的双螺旋模型是由Watson和Crick两位科学家于1953年提出的。
1.二级结构的概念,5.2DNA的分子结构,5.2.2DNA的二级结构,1953年Watsosn&Crick,RighthandedB-formDNADoublehelixModel,5.2.2DNA的二级结构,5.2DNA的分子结构,2.双螺旋结构模型提出的依据,A.DNA的X-射线衍射图:
(1)衍射斑点呈交叉状分布
(2)衍射点之间的距离与层次表明有0.34nm和3.4nm的周期性(3)图的顶上和底部是最强的衍射斑点,呈带状,5.2.2DNA的二级结构,5.2DNA的分子结构,M.H.F.Wilkins&RosalindFrankin,XrayphotographofDNAwithhighquality,1952年,5.2.2DNA的二级结构,5.2DNA的分子结构,B.DNA的碱基组成分析:
(Chargaff定则)
(1)所有DNA分子中A=T,G=C
(2)同一种生物的所有体细胞DNA的碱基组成相同,与年龄、健康状况、外界环境无关,可作为该物种的特征,用不对称比率(A+T)/(G+C)来衡量。
(3)亲缘越近的生物,其DNA的碱基组成越近,即不对称比率越相近。
5.2.2DNA的二级结构,5.2DNA的分子结构,5.2.2DNA的二级结构,5.2DNA的分子结构,C、DNA的碱基物化数据如碱基的几何大小、键长键角数据、酸碱滴定等。
5.2.2DNA的二级结构,5.2DNA的分子结构,3.双螺旋结构模型的基本特征,
(1)反向平行的双链沿中心轴盘绕成右手螺旋。
DNA的双螺旋结构,5.2.2DNA的二级结构,5.2DNA的分子结构,
(2)双螺旋表面形成两种凹槽:
较浅的叫小沟,另一条叫大沟。
5.2.2DNA的二级结构,5.2DNA的分子结构,(3)由糖-磷酸相互间隔连接构成的主链处于螺旋外侧;碱基则伸向螺旋内部,与中轴垂直。
RighthandedB-formDNADoublehelixModel,5.2.2DNA的二级结构,5.2DNA的分子结构,(4)双螺旋内部的碱基按规则配对:
A与T配对,形成2个氢键;G与C配对,形成3个氢键,称为碱基互补配对,双螺旋的两条链也呈互补关系。
5.2.2DNA的二级结构,5.2DNA的分子结构,A=T,5.2.2DNA的二级结构,5.2DNA的分子结构,(5)双螺旋直径为2nm,每对脱氧核苷酸残基沿纵轴旋转36,上升0.34nm。
所以每10个碱基对形成一个螺旋,螺距3.4nm。
5.2.2DNA的二级结构,5.2DNA的分子结构,4.影响双螺旋结构稳定性的因素,互补碱基之间的氢键(Hydrogenbond),弱键,可加热解链,氢键堆积,有序排列(线性,方向),5.2.2DNA的二级结构,5.2DNA的分子结构,碱基堆集力(Basestackingforces):
碱基堆集成非极性的区域,相互间产生疏水作用和范德华力,疏水作用力(Hydrophobicinteraction),Vandewaalsforce(1.7A/嘌呤环与嘧啶环作用半径),4.影响双螺旋结构稳定性的因素,5.2.2DNA的二级结构,5.2DNA的分子结构,离子键,磷酸酯键(phosphoesterbond)强键,需酶促解链,4.影响双螺旋结构稳定性的因素,5.2.2DNA的二级结构,5.2DNA的分子结构,在生理状态及在溶液中,DNA一般为B型(含水量90以上,NaCl浓度为2.5M)。
当水合的DNA脱水时,转变为A型(含水量75)。
还有Z型的DNA(左手螺旋,0.7MMgCl2)。
5.DNA双螺旋构象的多态性,5.2.2DNA的二级结构,5.2DNA的分子结构,DNA的分子构型(B,Z,A)比较,DNA的分子构型(B,Z,A)比较,HelixDirectionRightLeftRight,bp/circle101210.7,Distance/bp0.34nm0.38nm0.25nm,Distance/helix3.4nm4.46nm2.8nm,Diameter/helix2.0nm1.8nm1.9nm,SequenceAnyPolyG-CAnyPolyC-APolyT-GPolyT-A,0.2MNaclZ-DNA趋于稳定,rabbit,AntibodyofZ-DNA,B-DNA,Z-DNA,Z-DNA,4MNacl,Br+,Z-DNA的检测,羊抗兔二级抗体,goat,AntibodyofZ-DNA,偶联荧光标记,免疫反应,果蝇唾液腺染色体,细胞学制片,Z-DNAinDrosophilachromosomeprovedbyanti-Zantibody,Immunoligicaslid,Cytologicalslid,可能的功能,基因表达调控,基因关闭,基因表达,二级结构的形态,LinearDNA.L,OpenCircleDNAOC,SupercoiledcircleCovalentClosedCircleCCC,核酸分子的二级结构(分别出现在DNA复制,转录,重组等阶段),核酸分子的二级结构分别出现在DNA复制,转录,重组等阶段,(knot),6.三股螺旋DNA(TribleHelixDNA,T.SDNA),T.SDNA的发现与证实,l1953年以前Pauling(Chemist)提出T.SDNA存在的可能性,l1953年Watson&CrickD.SDNAmodel证明沿大沟存在多余的氢键给体与受体,潜在的专一与DNA(蛋白质)结合的能力,形成T.SDNA可能性,5.2.2DNA的二级结构,5.2DNA的分子结构,l1957年Davis,Felsenfeld,Rich发现,T.SDNA的概念,l1966年Miller&Sobell,实现RNA+D.SDNA,TriblepolyNt,asRepressor关闭基因,但由于D.SDNA的提出而被忽视,但因证明LacI产物为Repressor而被忽视,1975年Perlgut人工合成T.SDNA并证明其Tm值,沉降系数(S),l1987年Mirkin.S.MNature330(495)证明plasmidDNA在pH=4.3的溶液中,有T.SDNA的存在,1987年Dervan.MoserScience238(645)合成S.SDNA+D.SDNAT.SDNA,实现DNA的定点切割研究X-rayphotograph核磁共振结构功能,继Davis(1957)后30年第一次证明T.SDNA在生物体内的存在,D.S.DNA+D.S.DNA,T.S.DNA+S.S.DNA,6.三链DNA(T.S.DNA),5.2.2DNA的二级结构,5.2DNA的分子结构,HomologouspalindromicsequenceinaD.S.DNA,Mirkin(1987)pGG332plasmidDNA,lS.S.DNA+D.S.DNAT.S.DNAPU+PU/PY(偏碱性介质中稳定)PY+PU/PY(偏酸性介质中稳定)常见类型,第三条链位于B-DNA的Majorgroove中与D.S.DNA一起旋转,T.S.DNA可能的功能,a)T.S.DNA可阻止调节蛋白与DNA结合,关闭基因转录过程,b)T.S.DNA与基因重组,交换有关,加入第三条S.S.DNA作为分子剪刀(molecularscissors),定点切割DNA分子,d)加入反义的第三条链(anti-sencepolydNt)终止基因的表达,e)相反的观点-T.S.DNA与基因表达呈正相关!
?
四股螺旋DNA(tetraplexDNA,TetrableHelixDNA),发现,1958.Poly(I)X-rayphotograph,碱基形成环状氢键连接结构,TetrableHelixDNA,均有形成四股螺旋DNA的可能,结构特点,LinkedbyHoogsteenBonding,G,G,G,G,2d(T4G4)2d(G4C4),结构特点,可能的功能,A稳定真核生物染色体结构,B保证DNA末端准确复制,C与DNA分子的组装有关,D与染色体的meiosis(减数分裂)&mitosis(有丝分裂)有关,超螺旋:
双螺旋进一步扭曲形成的更高层次的空间结构,包括DNA扭曲、超螺旋、多重螺旋和连环等。
1.DNA超螺旋的概述,DNA正常的双螺旋结构处于能量最低状态,双螺旋中没有张力而处于松弛状态。
如果这种正常双螺旋额外增加或减少螺旋圈数,就会使双螺旋内的原子偏离正常的位置而产生张力,这样正常的双螺旋就发生扭曲而形成超螺旋。
超螺旋总是向着抵消初级螺旋改变的方向发展。
5.2DNA的分子结构,5.2.3DNA的三级结构,2.DNA超螺旋的特点,1)线状DNA分子双螺旋与蛋白质结合后扭曲盘绕而形成螺旋的螺旋结构。
5.2.3DNA的三级结构,5.2DNA的分子结构,positivesupercoiled,2)环状DNA分子双螺旋扭曲而形成麻花状的超螺旋结构,5.2.3DNA的三级结构,5.2DNA的分子结构,所有生物的DNA几乎有5%为NegativeSuperhelix,NegativeSupercoiled,5.2.3DNA的三级结构,5.2DNA的分子结构,负超螺旋:
当螺旋旋转360时,其相应碱基对数小于10,二级结构处于松缠状态。
正超螺旋:
当螺旋旋转360时,其相应碱基对数大于10,二级结构处于紧缠状态。
5.2.3DNA的三级结构,5.2DNA的分子结构,lB-DNA是力学上稳定的结构(10bp/helix),l虽交叉数减少,但需转换为一种应力,以维持10bp/helix的螺旋数,,l应力的重新分配或在B-DNA状态中保留一单链区或螺旋力将维持B-DNA的右旋结构,形成超螺旋,420bp,L=42T=42W=0,无应力状态,应力的分配,松开6圈螺旋L=6,L=36T=36W=0,L=36T=42W=-6,360o/helix360o-26o/helix/0neofEBinserted,EB对超螺旋结构的影响,l拓扑异构酶(topoisomeraseI,II)参与构型的改变,TopI(swivelaseorenzymeorniking-closingenzyme),Thetop-1attachtoonestrandofDNAandnickit,thecomplexthenrotates,andthestrandisresealed.Foreachcompleterotation,theLinkingNumberisdecreasedby1andonesupercoilisremoved,l拓扑异构酶(topoisomeraseI,II)参与构型的改变,TopI(swivelase,niking-closingenzyme),Breakage&rejoiningofS.S.DNAatphosphor-diesterbonds,减少L(在酶的作用下,DNA单链断裂),松弛双螺旋,消除负超螺旋,CCCOCNoATP,NAD,TopII(gyrase)ATPneeded,Cutting&ligationofD.S.DNA,使松弛的双螺旋,紧缩,形成双螺旋,tetramer,TopI对负超螺旋处的单链DNA具有极强的亲合力TopII,TopI与TopII,功能比较,拓扑酶功能比较,3、DNA超螺旋的生物学意义,DNA被压缩和包装,使其体积大大减小增加了DNA的稳定性可能与复制和转录的调控有关,5.2.3DNA的三级结构,5.2DNA的分子结构,
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- 南京农业大学 生化 课件 核酸