生物化學(xué)課件：第二章 核酸的結(jié)構(gòu)和功能

第二章

核酸的結(jié)構(gòu)和功能StructureandFunctionofNucleicAcid結(jié)構(gòu)—以核苷酸為基本組成單位的生物信息大分子功能—儲(chǔ)存、攜帶和傳遞遺傳信息核酸(nucleicacid)3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(deoxyribonucleicacid,DNA)(ribonucleicacid,RNA)脫氧核糖核酸

核糖核酸攜帶遺傳信息，并通過復(fù)制傳遞給下一代。是DNA轉(zhuǎn)錄的產(chǎn)物，參與遺傳信息的復(fù)制與表達(dá)。某些病毒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)TheChemicalComponentandPrimaryStructureofNucleicAcid一、核酸的基本組成單位—核苷酸

元素組成:C、H、O、N、P（9-10%）核苷酸分子組成—三部分堿基(base)：嘌呤堿，嘧啶堿戊糖(ribose)：核糖，脫氧核糖磷酸(phosphate)（一）堿基嘌呤(purine)

2種嘧啶(pyrimidine)3種對(duì)堿基的說明：嘌呤環(huán)GA153467892嘧啶環(huán)UCT153462堿基原子編號(hào)：1、2…通常嘌呤9位N、嘧啶1位N和戊糖的C-1ˊ形成N-C糖苷鍵。堿基260nm的紫外吸收性質(zhì)。堿基酮式烯醇式、氨基亞氨基的互變。

DNA中：A、G、C、TRNA中：A、G、C、U。還有稀有堿基。對(duì)堿基的說明：（二）2種戊糖（RNA成分）核糖(ribose)（DNA成分）1′2′3′4′5′脫氧核糖(deoxyribose)原子編號(hào)：1'、2'…核苷…脫氧核苷（三）核苷(ribonucleoside)堿基種類及名稱：核苷嘌呤9位N/嘧啶1位N與糖1'C形成糖苷鍵1ONNNH21′OHOCH2OHOH核糖（四）核苷酸(ribonucleotide)結(jié)構(gòu)舉例核苷/脫氧核苷磷酸酯鍵核苷酸的結(jié)構(gòu)：磷酸13OCH2OHOHPOOOHOHNNNNNH2ONNNH2OCH2OHOHPOOOHOHCMPAMP常見堿基可為5種堿基的一種核糖可為核糖或脫氧核糖酸的部分可為一磷酸、二磷酸、三磷酸或環(huán)磷酸中的一種根據(jù)三個(gè)組成部分(酸甜苦)例如：dADP—脫氧腺嘌呤核苷二磷酸（脫氧腺苷二磷酸）核苷酸種類和名稱：ATP核苷酸的主要功能：是合成核酸原料，又能提供能量?；罨虚g代謝物,如UDP-葡萄糖等。還是一些輔酶的成分。是核酸的組分。在細(xì)胞信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)中起重要作用。（五）多核苷酸（核酸）多個(gè)核苷酸（nucleitide）通過3

，5

-磷酸二酯鍵（phosphodiesterbond）連接、形成的鏈狀聚合物，即多聚核苷酸（polynucleotides）。173

,5

-磷酸二酯鍵3

,5

-磷酸二酯鍵是核酸的基本結(jié)構(gòu)鍵185

端3

端CGA多聚核苷酸鏈有方向性二、核酸的一級(jí)結(jié)構(gòu)核酸中核苷酸的排列順序/堿基序列。連接鍵：3'，5'磷酸二酯鍵方向性：5'→3'定義：一級(jí)結(jié)構(gòu)的定義適用于DNA和RNA，二者結(jié)構(gòu)組分的異同？5′端3′端AOCH2OHPOOO-O5'COCH2POOO-O3'5'TOCH2POOO--O3'5'多個(gè)核苷酸5′端到3′端核苷酸/堿基的排列順序核酸的一級(jí)結(jié)構(gòu)書寫方法5

pApCpTpGpCpT-OH

3

5

A

C

T

G

C

T

3

簡(jiǎn)化：再簡(jiǎn)化：AG

P5

PT

PG

PC

PT

POH3

核酸分子大小表示法：堿基數(shù)目表示

base、kilobase、用于單鏈DNA或RNA堿基對(duì)數(shù)目

basepair(bp),kilobasepair(kbp)用于雙鏈DNA或RNA小的核酸片斷（小于50bp）稱寡核苷酸第二節(jié)DNA的空間結(jié)構(gòu)與功能DimensionalStructureandFunctionofDNA

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

DNA是雙螺旋分子（一）DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的研究背景[A]=[T]；[G]=[C]一、DNA的二級(jí)結(jié)構(gòu)——doublehelix*

Chargaff’srule不同種屬生物的DNA堿基組成不同；同一個(gè)體不同器官、不同組織的DNA具有相同的堿基組成；對(duì)于一個(gè)特定的組織的DNA，其堿基組份不隨其年齡、營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)和環(huán)境而變化；A與T的摩爾數(shù)、G與C的摩爾數(shù)總是相等；ErwinChargaff(1905－1995)(二)B-DNA(Watson-Crick)結(jié)構(gòu)要點(diǎn)：結(jié)構(gòu)模式圖要點(diǎn)小結(jié)：小溝大溝螺距3.54nm3'5'注：鏈的走向主鏈骨架大小溝螺距:10.5bpDNAdoublehelix示意圖29DNA是反向平行、右手螺旋的雙鏈結(jié)構(gòu)兩條多聚核苷酸鏈反向平行，圍繞同一螺旋軸由脫氧核糖和磷酸基團(tuán)構(gòu)成的親水性骨架位于雙螺旋結(jié)構(gòu)的外側(cè)，而疏水的堿基位于內(nèi)側(cè)。直徑為2.37nm，螺距為3.4nm。結(jié)構(gòu)表面存在一個(gè)大溝和一個(gè)小溝。DNA二級(jí)結(jié)構(gòu)是右手雙螺旋（Watson,Crick,1953）30DNA雙鏈之間具有堿基互補(bǔ)關(guān)系堿基垂直螺旋軸居雙螺旋內(nèi)側(cè)，與對(duì)側(cè)堿基形成氫鍵配對(duì)（互補(bǔ)配對(duì)形式：A=T;G

C）相鄰堿基平面距離0.34nm，螺旋一圈螺距3.4nm，一圈10.5對(duì)堿基31疏水作用力和氫鍵維系DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定相鄰的兩個(gè)堿基對(duì)平面在旋進(jìn)過程中發(fā)生相互重疊（overlapping），由此產(chǎn)生了疏水性的堿基堆積力（basestackinginteraction）。這種堿基堆積力和互補(bǔ)堿基對(duì)的氫鍵共同維系著DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定，并且堿基堆積力在雙螺旋結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定中起著更為重要的作用。32

DNA雙鏈模型

propellertwisting(三)DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的多樣性（四）DNA的多鏈結(jié)構(gòu)1.Hoogsteen堿基配對(duì)形成三股螺旋DNAH-DNA的結(jié)構(gòu)C＋GC三鏈結(jié)構(gòu)及Hoogsteen氫鍵示意圖Watson-Crick氫鍵Hoogsteen氫鍵胞嘧啶的N-3原子被質(zhì)子化，可與鳥嘌呤的N-7原子形成氫鍵;胞嘧啶的N-4的氫原子也可與鳥嘌呤的O-6形成氫鍵.GCC3746362．4條多聚鳥嘌呤核苷酸鏈形成四螺旋DNA二、DNA的高級(jí)結(jié)構(gòu)是超螺旋結(jié)構(gòu)（一）DNA的超螺旋結(jié)構(gòu)超螺旋結(jié)構(gòu)意義:DNA雙螺旋鏈再盤繞即形成超螺旋結(jié)構(gòu)DNA超螺旋結(jié)構(gòu)整體或局部的拓?fù)鋵W(xué)變化及其調(diào)控對(duì)于DNA復(fù)制和RNA轉(zhuǎn)錄過程具有關(guān)鍵作用。

超螺旋結(jié)構(gòu)(superhelix、supercoil)正超螺旋負(fù)超螺旋盤繞方向與DNA雙螺旋方向相同盤繞方向與DNA雙螺旋方向相反自然界閉合雙鏈多數(shù)是負(fù)超螺旋。（二）原核生物DNA的高級(jí)結(jié)構(gòu)大多原核生物的DNA是共價(jià)封閉的環(huán)形DNA雙螺旋，在細(xì)胞內(nèi)進(jìn)一步盤繞成類核。環(huán)狀和超螺旋DNA結(jié)構(gòu)示意圖（三）DNA在真核生物細(xì)胞核內(nèi)的組裝核小體(nucleosome)由DNA和蛋白質(zhì)構(gòu)成是真核生物染色體的基本單位核小體的構(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H3H2BH3H2AH4H4H2BH2AH3H2BH3H2AH4H4H2BH2A核小體的結(jié)構(gòu)模式核心顆粒連接區(qū)DNAH1、H2A、H2B、H3、H4組蛋白H1H1染色體組裝三、DNA-遺傳信息的物質(zhì)基礎(chǔ)以基因的形式儲(chǔ)存、攜帶和傳遞遺傳信息。是DNA分子中特定區(qū)段核苷酸的排列順序，即堿基序列信息，它決定了基因的功能?；颍夯蚪M：一個(gè)遺傳體系所有基因總和的一整套遺傳信息。451868年FridrichMiescher從膿細(xì)胞中提取“核素”1944年

Avery等人證實(shí)DNA是遺傳物質(zhì)1953年

Watson和Crick發(fā)現(xiàn)DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)1968年Nirenberg發(fā)現(xiàn)遺傳密碼1973年DNA重組技術(shù)1975年Temin和Baltimore發(fā)現(xiàn)逆轉(zhuǎn)錄酶1981年Gilbert和Sanger建立DNA測(cè)序方法1985年Mullis發(fā)明PCR技術(shù)1990年美國(guó)啟動(dòng)人類基因組計(jì)劃(HGP)1994年中國(guó)人類基因組計(jì)劃啟動(dòng)2001年美、英等國(guó)完成人類基因組計(jì)劃基本框架核酸的發(fā)現(xiàn)和研究進(jìn)展46肺炎球菌轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)

——證明DNA是遺傳的物質(zhì)基礎(chǔ)S型細(xì)菌有毒型肺炎球菌R型細(xì)菌無毒型肺炎球菌R型細(xì)菌菌落S型細(xì)菌菌落R型與S型細(xì)菌混合菌落OswaldAvery（1877-1955）感染感染感染死亡死亡存活S型細(xì)菌的DNA+R型肺炎球菌第三節(jié)

RNA的結(jié)構(gòu)與功能StructureandFunctionofRNA48RNA種類細(xì)胞核和胞液線粒體功能核蛋白體RNArRNAmtrRNA組成核糖核蛋白體信使RNAmRNAmtmRNA合成蛋白質(zhì)模板(密碼)轉(zhuǎn)運(yùn)RNAtRNAmttRNA轉(zhuǎn)運(yùn)、活化氨基酸核內(nèi)不均一RNAHnRNAmRNA前體核內(nèi)小RNASnRNA參與hnRNA剪接、轉(zhuǎn)運(yùn)核仁小RNASnoRNArRNA的加工修飾胞漿小RNAScRNA/7SL-RNA蛋白質(zhì)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)定位合成的信號(hào)識(shí)別體的組分微RNAmicroRNA翻譯調(diào)控5

3

AUG……………UAA密碼子編碼區(qū)5非翻譯區(qū)3

非翻譯區(qū)m7Gpppm2Npm2Np-AAA…An帽子結(jié)構(gòu)多聚A尾1.真核生物mRNA結(jié)構(gòu)一、蛋白質(zhì)合成的模板-mRNA/messenger(ORF)2.真核mRNA結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：5′帽子結(jié)構(gòu)：m7Gppp;3′末端多聚A尾polyA;mRNA經(jīng)前體hnRNA的剪接而成熟。

真核mRNA的5

-末端7-甲基鳥嘌呤核苷帽狀結(jié)構(gòu)及核糖甲基化

m7Gpppm2Npm2Np-hnRNAmRNAmRNA的剪接內(nèi)含子1(intron)內(nèi)含子2(intron)外顯子2(exon)

外顯子1(exon)

外顯子3(exon)3.mRNA的功能把DNA的遺傳信息，轉(zhuǎn)錄成mRNA的密碼序列、指導(dǎo)蛋白質(zhì)合成的氨基酸排列順序。DNA（遺傳信息）轉(zhuǎn)錄mRNA（密碼載體）翻譯蛋白質(zhì)(氨基酸序列)1.tRNA的二級(jí)結(jié)構(gòu)—三葉草形二、tRNA是蛋白質(zhì)合成中的氨基酸載體2.tRNA的三級(jí)結(jié)構(gòu)—倒L形tRNA的三葉草的框架結(jié)構(gòu)DHU環(huán)TΨC環(huán)反密碼環(huán):含稀有堿基多含反密碼子、與mRNA的密碼子結(jié)合—CCA3'結(jié)合活化的aaaa臂三環(huán)tRNA的三葉草結(jié)構(gòu)5

3

DHU環(huán)TΨ環(huán)反密碼環(huán)反密碼子

稀有堿基舉例

CAC5

3

5

3

DHU環(huán)TΨ環(huán)反密碼環(huán)tRNA的三葉草和倒L形三級(jí)結(jié)構(gòu)tRNA三級(jí)結(jié)構(gòu)圖—

倒L形CAC5

3

TΨ環(huán)DHU環(huán)反密碼環(huán)aa臂3.tRNA的功能-蛋白合成中氨基酸運(yùn)載體把活化的aa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。mRNA3′5′321

3′aa5′氨基酰-tRNA1.rRNA的結(jié)構(gòu)：三、以rRNA為組分的核糖體是蛋白質(zhì)合成的場(chǎng)所參與組成核蛋白體，為蛋白質(zhì)生物合成的場(chǎng)所。2.rRNA的種類：3.rRNA的功能：多個(gè)莖環(huán)結(jié)構(gòu)組成真核生物5SrRNA5.8SrRNA28SrRNA18SrRNA原核生物5SrRNA23SrRNA16SrRNA小亞基成分大亞基成分核蛋白體大小亞基所含的rRNA成分，S為沉降系數(shù)。（注：為記憶方便，‘5S’

是原核和真核都有的，帶‘8’的是真核具有的，原核的不帶。）局部雙鏈tRNArRNAmRNA三葉草形、倒L形含稀有堿基多反密碼子CCA—OH3'呈花狀5'—m7GpppNm、3'—polyA遺傳密碼單鏈局部雙鏈結(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分子大小不一,量少<5%,代謝快分子小

120堿基量約15%,穩(wěn)定分子大

120堿基量多約80%,穩(wěn)定三種RNA小結(jié)功能四、其他非編碼RNA參與基因表達(dá)的調(diào)控細(xì)胞的不同部位存在的其他種類的sncRNAs，也統(tǒng)稱為非mRNA小RNA（smallnon-messengerRNA,snmRNAs）.sncRNAs（<200nt）lncRNAs（>200nt）非編碼RNA(non-codingRNA,ncRNA)66snmRNAs的種類核內(nèi)小RNA（smallnuclearRNA，snRNA）核仁小RNA（smallnucleolarRNA，snoRNA）胞質(zhì)小RNA（smallcytoplasmicRNA，scRNA）催化性小RNA（smallcatalyticRNA）小干擾RNA（smallinterferingRNA,siRNA）微RNA（microRNA，miRNA）等在hnRNA和rRNA的轉(zhuǎn)錄后加工、轉(zhuǎn)運(yùn)中發(fā)揮作用，有的參與基因表達(dá)調(diào)控等；是現(xiàn)代生物學(xué)研究的新領(lǐng)域。67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)空特異性同時(shí)同地表達(dá)68真核生物基因表達(dá)的特異性先后異地表達(dá)ThePhysicalandChemicalCharactersofNucleicAcid第四節(jié)核酸的理化性質(zhì)一、核酸260nm的紫外吸收性質(zhì)二、DNA的變性(denaturation)理化因素，DNA雙鏈間氫鍵斷裂，成兩條單鏈。定義：核酸的一般理化性質(zhì)核酸是酸性較強(qiáng)的多元酸DNA是線性高分子粘度極大、RNA粘度較小DNA在機(jī)械力作用下易斷裂溶液中的核酸在離心力作用下下沉核酸的260nm紫外吸收—核酸分子中的嘌呤、嘧啶含有共軛雙鍵的緣故。240－290nm范圍，最大吸收峰在260nm481216AGTCU220240260280300320nm波長(zhǎng)各種堿基的紫外吸收光譜1.DNA或RNA的定量：OD260=1.0相當(dāng)于50μg/ml雙鏈DNA40μg/ml單鏈DNA（或RNA）20μg/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DNA變性的本質(zhì)是雙鏈間氫鍵斷裂,變成單鏈。加熱變性氫鍵斷裂緩慢冷卻復(fù)性天然雙鏈DNA變性DNADNA的變性和復(fù)性DNA熱變性：特點(diǎn)—驟然、突發(fā)式融解溫度Tm(meltingtemperature)熱變性是在一個(gè)相當(dāng)窄的溫度范圍內(nèi)完成，在這一范圍內(nèi)，紫外光吸收值達(dá)到最大值的50%時(shí)的溫度稱為DNA的解鏈溫度，又稱熔解溫度(meltingtemperature,Tm)。Tm與G+C含量成正比增色效應(yīng)：

DNA變性時(shí)其溶液OD260增高的現(xiàn)象DNA解鏈曲線8084889296100℃1.000.750.500.250.00A260Tm77例：變性引起紫外吸收值的改變DNA的紫外吸收光譜增色效應(yīng)：DNA變性時(shí)其溶液OD260增高的現(xiàn)象。增色效應(yīng)變性狀態(tài)天然狀態(tài)1.51.00.50200250300260波長(zhǎng)（nm）吸光度*****三、DNA的復(fù)性與分子雜交1.DNA復(fù)性(renaturation)/退火(annealing)定義—復(fù)性的條件—DNA復(fù)性：在適當(dāng)條件下，變性DNA的兩條互補(bǔ)鏈可恢復(fù)天然的雙螺旋構(gòu)象，這一現(xiàn)象稱為復(fù)性。退火(annealing)：熱變性的DNA經(jīng)緩慢冷卻后緩慢復(fù)性的過程。復(fù)性的條件只有溫度緩慢下降才可以復(fù)性一般認(rèn)為，比Tm低25℃是復(fù)性的最佳條件。2.減色效應(yīng)：3.核酸