大學(xué)生物化學(xué)教學(xué)課件核酸的結(jié)構(gòu)與功能

1、第二章 核酸的結(jié)構(gòu)與功能第一節(jié) 核酸的化學(xué)組成第二節(jié) DNA的結(jié)構(gòu)與功能第三節(jié) RNA的結(jié)構(gòu)與功能 第四節(jié) 核酸的理化性質(zhì)及應(yīng)用核酸的研究歷史： 1868年，瑞士外科醫(yī)生Fridrich Miescher從膿細(xì)胞核中分離到核酸樣物質(zhì)。 1944年，Oswald Avery通過(guò)肺炎雙球菌轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)證實(shí)了DNA是遺傳的物質(zhì)基礎(chǔ)。 1953年，Watson/crick提出 DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型。核酸分為DNA和RNA。DNA存在于細(xì)胞核和線粒體內(nèi)，RNA存在于細(xì)胞質(zhì)和細(xì)胞核內(nèi)。第一節(jié) 核酸的化學(xué)組成核酸 在核酸酶作用下水解為核苷酸，核苷酸由堿基、戊糖和磷酸組成。 核苷酸磷酸核苷堿基戊糖核酸核糖脫氧核糖

2、嘌呤嘧啶 戊糖堿 基嘌 呤(purine)腺嘌呤（6-氨基嘌呤）Adenine(A)鳥(niǎo)嘌呤（2-氨基6-氧嘌呤）Guanine(G)嘧 啶(pyrimidine)在DNA和RNA中都有胞嘧啶（C），胸腺嘧啶只出現(xiàn)在DNA分子中，尿嘧啶則只出現(xiàn)于RNA分子中。嘌呤嘧啶核糖磷酸DNAA，GC，T脫氧核糖磷酸RNAA，GC，U核糖磷酸兩類(lèi)核酸分子的組成比較 嘌呤、嘧啶環(huán)上由于有共軛雙鍵，在260nm波長(zhǎng)附近對(duì)紫外光有較強(qiáng)的吸收。核苷=核糖+堿基堿基和核糖通過(guò)糖苷鍵連成核苷。連接方式是嘌呤環(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（脫氧脫苷）核苷酸=核苷+

3、磷酸磷酸基團(tuán)位于核糖的第五位碳原子C-5上。 NMP（nucleoside monophosphate) NDP (nucleoside diphosphate) NTP (nucleoside triphosphate)核酸的一級(jí)結(jié)構(gòu)一級(jí)結(jié)構(gòu)指其核苷酸的排列順序。由于核苷酸間的差異主要是堿基不同，也稱(chēng)堿基序列。 DNA：四種脫氧核苷酸按一定順序以磷酸二酯鍵相連形成的聚脫氧核苷酸鏈（polydeoxynucleotides）。 DNA的書(shū)寫(xiě)順序是5 3。5末端的磷酸基團(tuán)3，5-磷酸二酯鍵3末端羥基第二節(jié) DNA的結(jié)構(gòu)與功能 （一）研究背景Chargaff規(guī)律： 1 A=T， G=C， 嘌呤=

4、嘧啶 2. DNA堿基組成具有種的特異性 （不同生物堿基組成不同） 3. DNA堿基組成無(wú)組織器官特異性 （相同生物堿基組成相同） 4. 年齡、營(yíng)養(yǎng)狀況、環(huán)境改變不影響DNA堿基組成。 Franklin獲得了高質(zhì)量的X線衍射照片，顯示出DNA是螺旋型分子，從密度上也提示了DNA為雙鏈分子 .二、DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的要點(diǎn)DNA是一反向平行的互補(bǔ)雙鏈結(jié)構(gòu)。在雙鏈結(jié)構(gòu)中糖-磷酸骨架居外側(cè)，而堿基位于內(nèi)側(cè)，兩條鏈之間的堿基以氫鍵相結(jié)合。堿基互補(bǔ)配對(duì)，A=T,GC,兩條鏈反向平行，一條鏈的走向?yàn)? 3 ，另一條為3 5。DNA雙螺旋為右手螺旋。螺旋直徑為2nm，螺旋每旋轉(zhuǎn)一周為10對(duì)堿基，螺距為3.4nm

5、，每個(gè)堿基平面之間的距離為0.34nm,并形成大溝和小溝。 DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定橫向靠?jī)蓷l鏈間的互補(bǔ)堿基的氫鍵維持，縱向靠堿基平面之間的堿基堆積力。三、DNA結(jié)構(gòu)的多樣性B-DNA1979年，Alexander Rich發(fā)現(xiàn)了左手螺旋，稱(chēng)為Z-DNA另外也有A-DNA的存在。單鏈結(jié)構(gòu)：phageX174，phageM13的DNA都是單鏈環(huán)狀的。 phage-噬菌體三鏈DNA四、DNA的超螺旋結(jié)構(gòu)原核生物： 大部分原核生物的DNA是共價(jià)封閉的環(huán)狀雙螺旋，這種雙螺旋還可以再次螺旋化形成 超螺旋。(supercoil, superhelix)正超螺旋:盤(pán)繞方向與DNA螺旋方向相同. (positi

6、ve supercoil)負(fù)超螺旋:盤(pán)繞方向與DNA螺旋方向相反. (negative supercoil)真核生物：DNA和蛋白質(zhì)組裝成染色體，染色體的基本單位是核小體。核小體由DNA和組蛋白構(gòu)成。組蛋白有H1，H2A，H2B，H3和H4。 H2A，H2B，H3和H4各兩分子構(gòu)成核小體的核心，稱(chēng)為組蛋白八聚體。 DNA雙螺旋分子纏繞在八聚體上構(gòu)成核小體的核心顆粒。核小體的核心顆粒之間再由DNA和組蛋白H1構(gòu)成的連接區(qū)連接起來(lái)形成串珠狀結(jié)構(gòu)。 核小體進(jìn)一步旋轉(zhuǎn)折疊形成棒狀染色體，將近1 m長(zhǎng)的DNA分子容納于直徑只有數(shù)微米的細(xì)胞核中。DNA的功能 【基因】(gene) ：合成有功能的蛋白質(zhì)（多

7、肽）或RNA所必須的全部DNA順序。 【基因組】(genome) ： 一個(gè)生物體的全部基因序列。人類(lèi)基因組：人22條染色體 + X、Y兩條染色體的全部遺傳物質(zhì) + mt基因組。SV40病毒的基因組僅含有5100 bp， 大腸桿菌基因組的大小為5700 kbp，人的基因組則由大約2.8109個(gè)bp組成。DNA的基本功能用為生物遺傳信息復(fù)制的模板和基因轉(zhuǎn)錄的模板，它是遺傳繁殖的物質(zhì)基礎(chǔ)。第三節(jié) RNA的空間結(jié)構(gòu)與功能功能核蛋白體RNArRNA核蛋白體組成成分 信使RNAmRNA蛋白質(zhì)合成模板轉(zhuǎn)運(yùn)RNAtRNA轉(zhuǎn)運(yùn)氨基酸不均一核RNAHnRNA成熟mRNA的前體小核RNASnRNA參與HnRNA的剪

8、接轉(zhuǎn)運(yùn)小核仁RNASnoRNArRNA的加工和修飾小胞質(zhì)RNAScRNA蛋白質(zhì)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)定位合成的信號(hào)識(shí)別的組成成分階段一、信使RNA的結(jié)構(gòu)與功能信使RNA（messenger RNA，mRNA）不均一核RNA（heterogeneou nuclear RNA，hnRNA）： 在細(xì)胞核內(nèi)合成的mRNA的初級(jí)產(chǎn)物，經(jīng)過(guò)剪接成為成熟的mRNA并移到細(xì)胞質(zhì)。真核生物成熟mRNA的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：1、5端帽子結(jié)構(gòu)（cap sequence): mGpppNm. 帽子結(jié)構(gòu)能促進(jìn)核蛋白體與mRNA的結(jié)合,加速翻譯起始速度,同時(shí)可以增強(qiáng)mRNA的穩(wěn)定性。2、3末端多聚A的尾巴。可能與mRNA從核內(nèi)向胞質(zhì)的轉(zhuǎn)位及mRN

9、A的穩(wěn)定有關(guān)。mRNA的功能: 把核內(nèi)DNA的堿基順序按照堿基互補(bǔ)的原則，抄錄并轉(zhuǎn)送至胞質(zhì)，指導(dǎo)蛋白質(zhì)的合成。二、轉(zhuǎn)運(yùn)RNA的結(jié)構(gòu)與功能轉(zhuǎn)運(yùn)RNA（transfer RNA，tRNA）是細(xì)胞內(nèi)分子量最小的一類(lèi)核酸， 其功能是在細(xì)胞蛋白質(zhì)合成過(guò)程中作為各種氨基酸的載體。tRNA的特點(diǎn)：1、tRNA分子中含有10%-20%的稀有堿基，包括雙氫尿嘧啶（DHU）、假尿嘧啶（）和甲基化的嘌呤（mG，mA）。I：次黃嘌呤核苷mG：7-甲基鳥(niǎo)嘌呤核苷假尿嘧啶核苷DHU:雙氫尿嘧啶2、tRNA中存在一些能局部互補(bǔ)配對(duì)的區(qū)域，能形成局部莖-環(huán)狀或發(fā)夾結(jié)構(gòu)，由于莖環(huán)結(jié)構(gòu)的存在，使tRNA形成了三葉草形的二級(jí)結(jié)構(gòu)。

10、3. tRNA末端有AA臂4. tRNA序列中有反密碼子5.tRNA共同的三級(jí)結(jié)構(gòu)：倒L型 。三、核蛋白體RNA的結(jié)構(gòu)與功能核蛋白體RNA（ribosomal RNA，rRNA）， 是細(xì)胞內(nèi)含量最多的RNA，約占RNA總量的80%以上。rRNA與核蛋白體蛋白共同構(gòu)成核糖體（ribosome）,是合成蛋白質(zhì)的場(chǎng)所。小亞基大亞基四、其它小分子RNAsnmRNA: small non-messenger RNARNA組學(xué)(RNomics): 研究細(xì)胞中snmRNA的種類(lèi),結(jié)構(gòu)和功能snmRNA: 核內(nèi)小RNA(small nuclear RNA,snRNA) 核仁小RNA(small nucleol

11、ar RNA,snoRNA) 胞質(zhì)小RNA(small cytoplasmic RNA,scRNA) 催化性小RNA(small catalytic RNA) 小片段干擾小RNA(small interfering RNA, siRNA)核酶某些RNA分子本身具有自我催化能力，可以完成rRNA的剪接。這種有催化作用的RNA被稱(chēng)為核酶（Ribozyme）。 1989年，美國(guó)科學(xué)家Altman和Cech由于發(fā)現(xiàn)核酶而獲Nobel 化學(xué)獎(jiǎng)。是對(duì)傳統(tǒng)觀念的一種挑戰(zhàn)。siRNARNA干涉 (RNA interference RNAi) 又叫基因敲低( gene knockdown) 基因敲除( gene

12、 knockout)第四節(jié) 核酸的理化性質(zhì)及應(yīng)用一、核酸的一般理化性質(zhì)多元酸，較強(qiáng)的酸性。 DNA為線性高分子，粘度極大，而RNA分子遠(yuǎn)小于DNA，粘度也小得多。由于堿基成分的紫外吸收特征，DNA和RNA溶液均具有260nm紫外吸收峰。二、DNA的變性【定義】：指雙螺旋DNA在某些因素作用下，H鍵破壞，成為兩股單鏈DNA的現(xiàn)象。 監(jiān)測(cè)指標(biāo)為A260的變化。變性因素：加熱，極端PH，一定濃度的極性有機(jī)溶劑，尿素等。本質(zhì)：變性指鍵斷裂，不涉及核苷酸之間的共價(jià)鍵斷裂。常用的變性方法為加熱。增色效應(yīng)（hyperchromic effect）：DNA解鏈過(guò)程中，其A260增加，并與解鏈程度有一定的關(guān)系。

13、解鏈曲線：在連續(xù)加熱過(guò)程中以溫度對(duì)A260的關(guān)系作圖。解鏈溫度：DNA變性從開(kāi)始到完全解鏈?zhǔn)窃谝粋€(gè)相當(dāng)窄的范圍內(nèi)完成 的。要這一范圍內(nèi)A260達(dá)到最大值的50%時(shí)的溫度稱(chēng)為解鏈溫度，又稱(chēng)為融解溫度（melting temperature，Tm）。 Tm的大小與其所含堿基中的G+C比例相關(guān)，G+C比例越高，Tm值越高。三、DNA的復(fù)性與分子雜交復(fù)性；變性DNA在適當(dāng)條件下，兩條互補(bǔ)鏈可重新恢復(fù)天然的雙螺旋構(gòu)象，稱(chēng)為復(fù)性。熱變性DNA經(jīng)緩慢冷卻后即可復(fù)性，也稱(chēng)為退火（annealing）。DNA復(fù)性速度受溫度的影響。復(fù)性時(shí)溫度緩慢下降才可使其重新配對(duì)復(fù)性。如加熱后將其迅速冷卻至4 以下，則不可能發(fā)生復(fù)性。比Tm低25為DNA復(fù)性的最佳條件。核酸的分子雜交(hybridization):加熱雙鏈DNA單鏈DNA雜交雜化雙鏈在DNA復(fù)性過(guò)程中,雙鏈分子的再形成既可以發(fā)生在序列完全互補(bǔ)的核酸分子之間,也可以發(fā)生在堿基序列