生物化學(xué) 02章核酸的結(jié)構(gòu)與功能(7版)

1、第二章核酸的結(jié)構(gòu)與功能Structure and Function of Nucleic Acid核 酸(nucleic acid) 是以核苷酸為基本組成單位的生物大分子，攜帶和傳遞遺傳信息。元素組成：C、H、O、N、P核酸的分類及分布存在于細(xì)胞核和線粒體 分布于細(xì)胞核、細(xì)胞質(zhì)、線粒體(deoxyribonucleic acid, DNA)(ribonucleic acid, RNA)脫氧核糖核酸 核糖核酸攜帶遺傳信息，決定細(xì)胞和個(gè)體的基因型(genotype)。 遺傳信息的載體是DNA轉(zhuǎn)錄的產(chǎn)物,傳遞遺傳信息RNA也可作為遺傳信息的載體第一節(jié)核酸的化學(xué)組成及其一級(jí)結(jié)構(gòu)The Chemical

2、 Component and Primary Structure of Nucleic Acid核酸(DNA和RNA)核苷酸核苷和脫氧核苷磷酸戊糖堿基嘌呤嘧啶核糖脫氧核糖核酸組成 一、核苷酸是構(gòu)成核酸的基本組成單位 堿基(base)：嘌呤堿，嘧啶堿 戊糖(ribose)：核糖，脫氧核糖磷酸(phosphate)核苷酸核苷核苷酸分子組成:堿基(base)是含氮的雜環(huán)化合物。堿基嘌呤嘧啶腺嘌呤A鳥嘌呤G尿嘧啶U胸腺嘧啶T胞嘧啶C存在于DNA和RNA中僅存在于RNA中僅存在于DNA中堿基嘌呤(purine，Pu) 腺嘌呤(adenine, A)鳥嘌呤(guanine, G)嘧啶(pyrimidine

3、，Py)胞嘧啶(cytosine, C)尿嘧啶(uracil, U)胸腺嘧啶(thymine, T)戊糖（構(gòu)成RNA）12345核糖(ribose)（構(gòu)成DNA）脫氧核糖(deoxyribose) 核苷NNNN9NH2OOHOHHHHCH2OHH12糖苷鍵嘌呤N-9 或嘧啶N-1與核糖C-1通過(guò)糖苷鍵相連形成核苷。核苷與磷酸通過(guò)酯鍵結(jié)合構(gòu)成核苷酸核苷酸(ribonucleotide)NNNN9NH2OOHOHHHHCH2H12OPO-HOO糖苷鍵酯鍵核苷酸：AMP, GMP, UMP, CMP脫氧核苷酸：dAMP, dGMP, dTMP, dCMP 體內(nèi)重要的游離核苷酸及其衍生物含核苷酸的生物

4、活性物質(zhì)： NAD+、NADP+、CoA-SH、FAD 等都含有 AMP 多磷酸核苷酸：NMP，NDP，NTP 環(huán)化核苷酸: cAMP，cGMPAMPADPATPcAMPNADP+NAD+二、DNA是脫氧核苷酸通過(guò)3 ,5 -磷酸二酯鍵連接形成的大分子一個(gè)脫氧核苷酸3-OH與另一個(gè)脫氧核苷酸5-Pi縮合形成3 ,5 -磷酸二酯鍵。 多個(gè)脫氧核苷酸通過(guò)磷酸二酯鍵構(gòu)成了具有方向性的線性分子，稱為多聚脫氧核苷酸，即DNA鏈。5-末端3-末端CGA磷酸二酯鍵磷酸二酯鍵三、RNA也是具有3,5-磷酸二酯鍵的線性大分子RNA也是多個(gè)核苷酸分子通過(guò)酯化反應(yīng)形成的線性大分子，并且具有方向性；RNA的戊糖是核糖

5、；RNA的嘧啶是胞嘧啶和尿嘧啶。四、核酸的一級(jí)結(jié)構(gòu)定義核酸中核苷酸的排列順序，即堿基序列。A G P5 P T PG PC PT P OH 3 書寫方法：5 pApCpTpGpCpT-OH 3 5 A C T G C T 3DNA和RNA的區(qū)別核糖 G、C、A、URNA脫氧核糖 G、C、A、TDNA堿基核糖核酸第二節(jié)DNA的空間結(jié)構(gòu)與功能Dimensional Structure and Function of DNA一、DNA的二級(jí)結(jié)構(gòu)是雙螺旋結(jié)構(gòu) Chargaff 規(guī)則的堿基組成分析 堿基的理化數(shù)據(jù)分析A-T、G-C以氫鍵配對(duì)較合理 DNA纖維的X-線衍射圖譜分析 （一）DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的

6、研究背景A = T；G =C兩條多聚核苷酸鏈在空間的走向呈反向平行。兩條鏈圍繞著同一個(gè)螺旋軸形成右手螺旋的結(jié)構(gòu)。雙螺旋結(jié)構(gòu)的直徑為2nm，螺距為3. 4nm。脫氧核糖和磷酸基團(tuán)組成的親水性骨架位于雙螺旋結(jié)構(gòu)的外側(cè)，疏水的堿基位于內(nèi)側(cè)。雙螺旋結(jié)構(gòu)的表面形成了一個(gè)大溝和一個(gè)小溝。 （二） DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型要點(diǎn)1.DNA是反向平行、右手螺旋的雙鏈結(jié)構(gòu)2.DNA雙鏈之間形成了互補(bǔ)堿基對(duì)堿基配對(duì)關(guān)系稱為互補(bǔ)堿基對(duì)(complementary base pair)。DNA的兩條鏈則互為互補(bǔ)鏈(complementary strand)。堿基對(duì)平面與螺旋軸垂直。相鄰兩個(gè)堿基對(duì)會(huì)有重疊，產(chǎn)生了疏水性的堿基

7、堆積力(base stacking interaction)。堿基堆積力(主要)和互補(bǔ)堿基對(duì)的氫鍵共同維系著DNA結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。3.疏水作用力和氫鍵共同維系著DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。（三）DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的多樣性二、DNA的高級(jí)結(jié)構(gòu)是超螺旋結(jié)構(gòu)超螺旋結(jié)構(gòu)(superhelix 或supercoil)DNA雙螺旋鏈再盤繞即形成超螺旋結(jié)構(gòu)。 正超螺旋(positive supercoil)盤繞方向與DNA雙螺旋方同相同。 負(fù)超螺旋(negative supercoil)盤繞方向與DNA雙螺旋方向相反。 （一）原核生物DNA的環(huán)狀超螺旋結(jié)構(gòu)原核生物DNA多為環(huán)狀，以負(fù)超螺旋的形式存在，平均每200堿基

8、就有一個(gè)超螺旋形成。DNA超螺旋結(jié)構(gòu)的電鏡圖象（二）真核生物DNA的高度有序和高度致密的結(jié)構(gòu)真核生物DNA以非常有序的形式存在于細(xì)胞核內(nèi)。在細(xì)胞周期的大部分時(shí)間里，DNA以松散的染色質(zhì)(chromatin)形式存在，在細(xì)胞分裂期，則形成高度致密的染色體(chromosome)。 DNA染色質(zhì)呈現(xiàn)出的串珠樣結(jié)構(gòu)。染色質(zhì)的基本單位是核小體(nucleosome)。DNA染色質(zhì)的電鏡圖像核小體的構(gòu)成核心顆粒 連接區(qū) 核心組蛋白：組蛋白八聚體H2A、H2B、H3 、H4各2分子DNA雙螺旋分子(150bp)在核心組蛋白纏繞 1.75圈DNA（60bp） 組蛋白H1 連接核心顆粒核小體結(jié)構(gòu)圖核小體的折疊

9、及染色體組裝2nm11nm30nm300nm1400nm700nm逐級(jí)盤曲折疊真核生物DNA在細(xì)胞核內(nèi)的組裝DNA的基本功能是以基因的形式荷載遺傳信息，并作為基因復(fù)制和轉(zhuǎn)錄的模板。它是生命遺傳的物質(zhì)基礎(chǔ)，也是個(gè)體生命活動(dòng)的信息基礎(chǔ)?；颍菏侵窪NA分子中的特定區(qū)段，其中的核苷酸排列順序決定了基因的功能。 三、DNA是遺傳信息的物質(zhì)基礎(chǔ)基因組：一個(gè)遺傳體系所有基因總和的一整套遺傳信息。第三節(jié) RNA的結(jié)構(gòu)與功能Structure and Function of RNARNA與蛋白質(zhì)共同負(fù)責(zé)基因的表達(dá)和表達(dá)過(guò)程的調(diào)控。RNA通常以單鏈的形式存在，但有復(fù)雜的局部二級(jí)結(jié)構(gòu)或三級(jí)結(jié)構(gòu)。RNA比DNA小的

10、多。RNA的種類、大小和結(jié)構(gòu)遠(yuǎn)比DNA表現(xiàn)出多樣性。RNA的種類、分布、功能信使RNA(messenger RNA, mRNA)是合成蛋白質(zhì)的模板。其前體hnRNA含有內(nèi)含子(intron)和外顯子(exon)。 外顯子是氨基酸的編碼序列，而內(nèi)含子是非編碼序列。壽命最短的RNA一、mRNA是蛋白質(zhì)合成的模板hnRNA 內(nèi)含子(intron)mRNA mRNA成熟過(guò)程 外顯子(exon)5-末端的m7Gppp帽子結(jié)構(gòu)3-末端的poly A尾。 從AUG 開始，每三個(gè)核苷酸為一組編碼一個(gè)氨基酸，稱為三聯(lián)體密碼(codon)。成熟的mRNA由氨基酸編碼區(qū)和非編碼區(qū)構(gòu)成。 成熟的真核生物mRNAmRN

11、A功能：是蛋白質(zhì)合成的模板1、 tRNA的一級(jí)結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 含 1020% 稀有堿基，如 DHU 3末端為 CCA-OH分子量最小、含稀有堿基比例最高的一類RNA二、tRNA是蛋白質(zhì)合成中的氨基酸載體3. tRNA的三級(jí)結(jié)構(gòu) 倒L形2. tRNA的二級(jí)結(jié)構(gòu)三葉草形4.tRNA的功能： 把活化的氨基酸搬運(yùn)到核糖體，tRNA的反密碼子與mRNA的密碼子特異性結(jié)合，使氨基酸對(duì)號(hào)入座。 2.rRNA的結(jié)構(gòu)：參與組成核蛋白體，為蛋白質(zhì)生物合成的場(chǎng)所。3.rRNA的種類：4.rRNA的功能：多個(gè)莖環(huán)結(jié)構(gòu)組成三、以rRNA為組分的核蛋白體是蛋白 質(zhì)合成的場(chǎng)所1.含量最多的RNA核蛋白體結(jié)構(gòu)原核生物翻譯過(guò)程中核蛋

12、白體結(jié)構(gòu)模式:A位：氨基酰位(aminoacyl site)P位：肽酰位(peptidyl site)E位：排出位(exit site)目 錄轉(zhuǎn)肽酶活性部位肽鏈延長(zhǎng)tRNArRNAmRNACCAOH 3含稀有堿基多二級(jí):三葉草形三級(jí):倒L形呈花狀5 -m7GpppNm、3 -polyA結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)合成的模板搬運(yùn)活化的aa到核糖體組成核蛋白體種類最多壽命最短分子量最小稀有堿基比例最高含量最多三種RNA內(nèi)容小結(jié)功能特點(diǎn)四、其它小分子RNA及RNA組學(xué)核酶:具有催化功能的小RNA.The Nobel Prize in Chemistry 1989 for their discovery of cata

13、lytic properties of RNASidney AltmanThomas R.Cech原核生物基因表達(dá)的特異性五、核酸在真核細(xì)胞和原核細(xì)胞中表現(xiàn)了不同的時(shí)空特性真核生物基因表達(dá)的特異性核酸的理化性質(zhì)The Physical and Chemical Characters of Nucleic Acid第四節(jié)核酸在波長(zhǎng) 260nm 處有強(qiáng)烈的吸收，是由堿基的共軛雙鍵所決定的。這一特性常用作核酸的定性和定量分析。一、核酸分子具有強(qiáng)烈的紫外吸收240290nm范圍，最大吸收峰在260nm481216吸光度8103AGTCU220 240 260 280 300 320nm波長(zhǎng)各種堿基的紫

14、外吸收光譜1.DNA或RNA的定量OD260=1.0相當(dāng)于50g/ml雙鏈DNA40g/ml單鏈DNA（或RNA）20g/ml寡核苷酸2.判斷核酸樣品的純度DNA純品: OD260/OD280 = 1.8RNA純品: OD260/OD280 = 2.0OD260的應(yīng)用定義DNA變性的本質(zhì)：堿基堆積力和雙鏈間氫鍵的破壞。DNA熱變性：特點(diǎn) 驟然、突發(fā)式融解溫度Tm：A260變化值達(dá)到最大變化值一半時(shí)的溫度，即50DNA雙鏈被解開時(shí)候的溫度。Tm與G+C含量成正比增色效應(yīng)： DNA變性時(shí)其溶液A260增高的現(xiàn)象三、變性的核酸可以復(fù)性或形成雜交雙鏈當(dāng)變性條件緩慢地除去后，兩條解離的互補(bǔ)鏈可重新配對(duì)，

15、恢復(fù)原來(lái)的雙螺旋結(jié)構(gòu)，這一現(xiàn)象稱為DNA復(fù)性。減色效應(yīng)：DNA復(fù)性時(shí)，其溶液A260降低。熱變性的DNA經(jīng)緩慢冷卻后即可復(fù)性，這一過(guò)程稱為退火。只要兩種單鏈分子之間存在著一定程度的堿基配對(duì)關(guān)系，在適宜的條件可以在不同的分子間形成雜化雙鏈。這種雜化雙鏈可以在不同的DNA與DNA之間形成，也可以在DNA和RNA分子間或者RNA與RNA分子間形成。這種現(xiàn)象稱為核酸分子雜交。核酸分子雜交(hybridization) 雙鏈DNA1雙鏈DNA2+加熱變性DNA變性、復(fù)性及分子雜交緩慢降溫復(fù)性形成單鏈雜化雙鏈雙鏈DNA1雙鏈DNA2+注：也可發(fā)生在DNA與RNA或RNA與RNA之間第五節(jié) 核酸酶 Nuclease依據(jù)底物不同分類DNA酶(DNase)：專一降解DNA。RNA酶 (RNase)：專一降解RNA。依據(jù)切割部位不同核酸內(nèi)切酶：分為限制性核酸內(nèi)切酶和非特異性核酸內(nèi)切酶。限制性核酸內(nèi)切酶： 識(shí)別并切割特異核苷酸序列（回文結(jié)構(gòu)）。核酸外切酶：53或35核酸外切酶核酸酶是指所有可以水解核酸的酶。Bam HGTCCAGGCCTAGGATCC