生化3核酸的結(jié)構(gòu)與功能

1、第 三 章核酸的結(jié)構(gòu)與功能核酸的結(jié)構(gòu)與功能90%90%以上分布于細胞核，以上分布于細胞核，其余分布于核外如線粒體，其余分布于核外如線粒體，葉綠體，質(zhì)粒等葉綠體，質(zhì)粒等主要分布于胞液主要分布于胞液攜帶遺傳信息，決定細胞攜帶遺傳信息，決定細胞和個體的基因型和個體的基因型參與細胞內(nèi)參與細胞內(nèi)DNA遺傳信息遺傳信息的傳遞。某些病毒的傳遞。某些病毒RNA也也可作為遺傳信息的載體可作為遺傳信息的載體(deoxyribonucleic acid, DNA)(ribonucleic acid, RNA)脫氧核糖核酸脫氧核糖核酸 核糖核酸核糖核酸核核 酸酸復制復制翻譯翻譯 蛋白質(zhì)蛋白質(zhì)（病毒）（病毒） RNA（

2、病毒）（病毒）逆轉(zhuǎn)錄逆轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)錄RNA翻譯翻譯蛋白質(zhì)蛋白質(zhì)DNA復制復制中心法則中心法則:第一節(jié)第一節(jié)核酸的化學組成核酸的化學組成及一級結(jié)構(gòu)及一級結(jié)構(gòu)一、核酸的化學組成一、核酸的化學組成 核酸核酸核苷酸核苷酸核酸酶核酸酶POOHOHOH磷酸磷酸:核苷核苷戊糖戊糖：核糖或脫氧核糖：核糖或脫氧核糖堿基堿基：嘌呤堿，嘧啶堿：嘌呤堿，嘧啶堿嘌呤堿嘌呤堿(purine) NNNHN123456789NNNHNNH2腺嘌呤腺嘌呤(adenine, A)NNHNHNNH2O鳥嘌呤鳥嘌呤(guanine, G)堿堿 基基(base)NNH132456嘧啶堿嘧啶堿(pyrimidine)胞嘧啶胞嘧啶(cyto

3、sine, C)NNHNH2O尿嘧啶尿嘧啶(uracil, U)NHNHOO胸腺嘧啶胸腺嘧啶(thymine, T)NHNHOOCH3戊戊 糖糖(pentose)（構(gòu)成（構(gòu)成RNA）1 2 3 4 5 OHOCH2OHOHOH-D-核糖核糖（構(gòu)成（構(gòu)成DNA）OHOCH2OHOH-D-2-脫氧核糖脫氧核糖RNARNA所含的戊糖是所含的戊糖是核糖核糖,故稱為故稱為核糖核酸核糖核酸DNADNA所含的戊糖是所含的戊糖是脫氧核糖脫氧核糖,故稱為故稱為脫氧核糖核酸脫氧核糖核酸兩類核酸的基本化學組成比較兩類核酸的基本化學組成比較 DNA RNA 嘌呤堿嘌呤堿 腺嘌呤腺嘌呤 (A ) 腺嘌呤腺嘌呤 (A)

4、（Purine bases ） 鳥嘌呤鳥嘌呤 (G) 鳥嘌呤鳥嘌呤 (G) 堿基堿基(Base) 嘧啶堿嘧啶堿 胞嘧啶胞嘧啶 (C) 胞嘧啶胞嘧啶(C) （Pyrimidine bases） 胸腺嘧啶胸腺嘧啶(T) 尿嘧啶尿嘧啶 (U)戊糖戊糖 -D-2-脫氧脫氧核糖核糖 -D-核糖核糖(Pentose) 酸酸 磷酸磷酸 磷酸磷酸(Acid)RNA或或DNA核苷酸核苷酸或或脫氧核苷酸脫氧核苷酸核酸酶水解核酸酶水解磷酸磷酸核糖核糖或或脫氧核糖脫氧核糖堿基堿基核苷核苷或或脫氧核苷脫氧核苷1. 核苷的形成核苷的形成堿基和核糖（堿基和核糖（脫氧核糖脫氧核糖）通過）通過糖苷鍵糖苷鍵連接連接形成核苷（形成

5、核苷（脫氧核苷脫氧核苷）2OHOCHOHOH1 NNH132456NNNHN123456789CNCHCCCNNHCHNH2+CNCHCCCNNHCHNH2腺苷腺苷9CNCHCCCNNHCHNH2+CNCHCCCNNHCHNH2脫氧腺苷脫氧腺苷91POOOHOHOCH2OHOHNNNH2OOHOCH2OHOHNNNH2O核苷酸：核苷酸：AMP, GMP, UMP, CMP2. 核苷酸核苷酸(nucleotide)的結(jié)構(gòu)與命名的結(jié)構(gòu)與命名核苷（核苷（脫氧核苷脫氧核苷）和磷酸以）和磷酸以磷酸酯鍵磷酸酯鍵連接形成核苷酸（連接形成核苷酸（脫氧核苷酸脫氧核苷酸） 脫氧核苷酸：脫氧核苷酸： dAMP, d

6、GMP, dTMP, dCMP 5-脫氧胞苷酸脫氧胞苷酸 （dCMP)3-脫氧胞苷酸脫氧胞苷酸HOHO 核苷酸的命名核苷酸的命名含一個磷酸基團：核苷一磷酸（含一個磷酸基團：核苷一磷酸（NMP）含兩個磷酸基團：核苷二磷酸（含兩個磷酸基團：核苷二磷酸（NDP）含三個磷酸基團：核苷三磷酸（含三個磷酸基團：核苷三磷酸（NTP）N 代表各種堿基的名稱代表各種堿基的名稱環(huán)化核苷酸：環(huán)化核苷酸：cNMPO二、核酸的一級結(jié)構(gòu)二、核酸的一級結(jié)構(gòu)定義定義核酸中核苷酸的核酸中核苷酸的排列順序排列順序由于核苷酸間的由于核苷酸間的差異主要是堿基不同，差異主要是堿基不同，所以也稱為所以也稱為堿基序列堿基序列55端端3端端

7、CGA3,5-磷酸二酯鍵磷酸二酯鍵A G P5 P T PG PC PT P OH 3 5 pApCpTpGpCpT-OH 3 5 A C T G C T 3 書寫方法：書寫方法：A C T G C T 第二節(jié)第二節(jié)DNA的空間結(jié)構(gòu)與功能的空間結(jié)構(gòu)與功能(1) A=TG=CA+G=C+T(2) DNA的堿基組成具有種屬的堿基組成具有種屬特異性特異性 (3) DNA的堿基組成沒有組織的特異性的堿基組成沒有組織的特異性, 且較為且較為 穩(wěn)定穩(wěn)定,不隨年齡、營養(yǎng)狀態(tài)、環(huán)境改變的影響不隨年齡、營養(yǎng)狀態(tài)、環(huán)境改變的影響（一）（一）Chargaff 堿基組成規(guī)律堿基組成規(guī)律一、一、 DNA的二級結(jié)構(gòu)的二級

8、結(jié)構(gòu)1. 1. 由兩條由兩條反向平反向平 行行的脫氧多核苷酸（兩的脫氧多核苷酸（兩條鏈的走向為條鏈的走向為5353和和3535），圍繞一），圍繞一中心軸（假想軸）構(gòu)成中心軸（假想軸）構(gòu)成右手右手雙螺旋雙螺旋結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)（二）（二） DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型雙螺旋結(jié)構(gòu)模型 （Watson, Crick, 1953）53533.堿基在雙螺旋堿基在雙螺旋內(nèi)側(cè)內(nèi)側(cè)配對，配對， 形成堿基平面形成堿基平面雙鏈中相對的堿基按雙鏈中相對的堿基按和和配對連接，配對連接，形成互補形成互補2.磷酸基與脫氧核糖在磷酸基與脫氧核糖在外側(cè)外側(cè)彼此間以彼此間以磷酸二酯鍵磷酸二酯鍵相相連，構(gòu)成的骨架連，構(gòu)成的骨架3535磷酸二酯鍵磷

9、酸二酯鍵堿基互補配對堿基互補配對 4.雙螺旋的直徑為雙螺旋的直徑為2nm沿軸向，各堿基平面垂直沿軸向，各堿基平面垂直于假想中心軸，平面間距于假想中心軸，平面間距為為0.34nm每圈螺旋含有每圈螺旋含有10.4對脫氧對脫氧核苷酸，其軸向距離為核苷酸，其軸向距離為3.54nm。形成大溝及小溝形成大溝及小溝相間相間 5. 維持維持DNA雙螺旋穩(wěn)定的作用力雙螺旋穩(wěn)定的作用力氫鍵氫鍵維持雙鏈維持雙鏈橫向穩(wěn)定性橫向穩(wěn)定性堿基堆積力堿基堆積力維持雙鏈維持雙鏈縱向縱向穩(wěn)定性穩(wěn)定性（三）（三）DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的多樣性雙螺旋結(jié)構(gòu)的多樣性（一）原核生物（一）原核生物沒有典型的細胞核結(jié)構(gòu)。沒有典型的細胞核結(jié)構(gòu)。被認為

10、是原核生物的三級結(jié)構(gòu)被認為是原核生物的三級結(jié)構(gòu)超螺旋結(jié)構(gòu)超螺旋結(jié)構(gòu)二、二、DNA的超螺旋結(jié)構(gòu)的超螺旋結(jié)構(gòu)DNA雙螺旋鏈再盤繞即形成超螺旋結(jié)構(gòu)雙螺旋鏈再盤繞即形成超螺旋結(jié)構(gòu) （二）真核生物（二）真核生物真核生物的三級結(jié)構(gòu)真核生物的三級結(jié)構(gòu)是是核小核小體體(nucleosome)，由由DNA和蛋白質(zhì)構(gòu)成和蛋白質(zhì)構(gòu)成核小體的組成核小體的組成DNA：146bp 組蛋白：組蛋白：H1， H2A，H2B， H3，H4H2A、H2B、H3和和H4各兩分子組成組蛋白八聚體，各兩分子組成組蛋白八聚體， 構(gòu)成構(gòu)成核心組蛋白核心組蛋白雙螺旋雙螺旋DNA以左手以左手超超螺旋的方式繞核心顆粒螺旋的方式繞核心顆粒1.8圈

11、，圈， 纏繞在纏繞在組蛋白核心組蛋白核心表面，構(gòu)成表面，構(gòu)成核心顆粒核心顆粒核心顆粒核心顆粒和和 連接區(qū)連接區(qū)DNA及附著在連接區(qū)及附著在連接區(qū)DNA上的上的 組蛋白組蛋白H1構(gòu)成構(gòu)成核小體核小體核心顆粒核心顆粒連接部位連接部位DNA一個個核小體連接成串珠狀結(jié)構(gòu)一個個核小體連接成串珠狀結(jié)構(gòu)染色單體染色單體折疊折疊折疊折疊30nm三、三、DNA的功能的功能u以基因的形式攜帶遺傳信息以基因的形式攜帶遺傳信息u作為復制和轉(zhuǎn)錄的模板作為復制和轉(zhuǎn)錄的模板u 包括包括DNA編碼序列、非編碼調(diào)節(jié)序列編碼序列、非編碼調(diào)節(jié)序列 和內(nèi)含子序列和內(nèi)含子序列u 將遺傳信息通過轉(zhuǎn)錄傳遞給將遺傳信息通過轉(zhuǎn)錄傳遞給RNA基

12、因基因(gene)：負載特定遺傳信息的：負載特定遺傳信息的DNA片段片段基因組基因組(genome)：指來自一個遺傳體系的一：指來自一個遺傳體系的一 整套遺傳信息整套遺傳信息第三節(jié)第三節(jié) RNA的結(jié)構(gòu)與功能的結(jié)構(gòu)與功能RNA的特點：的特點： 主要堿基：主要堿基：A、G、C和和U2. RNA是單鏈結(jié)構(gòu)，只有在局部區(qū)域是單鏈結(jié)構(gòu)，只有在局部區(qū)域 形成雙螺旋結(jié)構(gòu)，因而形成雙螺旋結(jié)構(gòu)，因而A U,GC3. RNA分子比分子比DNA小小得多得多RNA的種類及功能的種類及功能核糖體核糖體RNA信使信使RNA轉(zhuǎn)運轉(zhuǎn)運RNA核內(nèi)不均一核內(nèi)不均一RNA核內(nèi)小核內(nèi)小RNA小干擾小干擾RNA種種 類類功功能能rRN

13、AmRNA tRNAHnRNASnRNASnoRNAsiRNA 核蛋白體組分核蛋白體組分蛋白質(zhì)合成模板蛋白質(zhì)合成模板轉(zhuǎn)運氨基酸轉(zhuǎn)運氨基酸成熟成熟mRNA的前體的前體參與參與hnRNA的剪接、轉(zhuǎn)運的剪接、轉(zhuǎn)運rRNA的加工、修飾的加工、修飾參與轉(zhuǎn)錄后調(diào)控參與轉(zhuǎn)錄后調(diào)控核仁小核仁小RNArRNAmRNA HnRNASnRNASnoRNA核蛋白體組分核蛋白體組分蛋白質(zhì)合成模板蛋白質(zhì)合成模板轉(zhuǎn)運氨基酸轉(zhuǎn)運氨基酸hnRNA mRNA v 真核生物真核生物mRNA成熟過程成熟過程 -由由HnRNA經(jīng)過剪接而成經(jīng)過剪接而成內(nèi)含子內(nèi)含子( (intron) ) 外顯子外顯子( (exon) )一一 、信使、信

14、使RNA的結(jié)構(gòu)與功能的結(jié)構(gòu)與功能v mRNA結(jié)構(gòu)特點結(jié)構(gòu)特點 大多數(shù)真核大多數(shù)真核mRNA的的5 末端均在轉(zhuǎn)錄后末端均在轉(zhuǎn)錄后加上一個加上一個7-甲基鳥苷，形成甲基鳥苷，形成帽子結(jié)構(gòu)帽子結(jié)構(gòu)：m7GpppN N及緊隨其后的核苷酸，其核糖的及緊隨其后的核苷酸，其核糖的C2羥羥基也常發(fā)生甲基化基也常發(fā)生甲基化2. 大多數(shù)真核大多數(shù)真核mRNA的的3 末端有一個多聚末端有一個多聚腺苷酸腺苷酸(polyA)結(jié)構(gòu)，稱為結(jié)構(gòu)，稱為多聚多聚A尾尾帽子結(jié)構(gòu)帽子結(jié)構(gòu)(m7GpppN)OCH3多聚多聚A尾尾5“穿靴戴帽穿靴戴帽”mRNA核內(nèi)向胞質(zhì)的轉(zhuǎn)位核內(nèi)向胞質(zhì)的轉(zhuǎn)位mRNA的穩(wěn)定性維系的穩(wěn)定性維系翻譯起始的調(diào)控

15、翻譯起始的調(diào)控 v 帽子結(jié)構(gòu)和多聚帽子結(jié)構(gòu)和多聚A尾的功能：尾的功能： 把把DNADNA所攜帶的遺傳信息，所攜帶的遺傳信息，按堿基互補配對原則，抄錄并傳按堿基互補配對原則，抄錄并傳送至核糖體，用以決定其合成蛋送至核糖體，用以決定其合成蛋白質(zhì)的氨基酸排列順序白質(zhì)的氨基酸排列順序* mRNA的功能：的功能：DNAmRNA蛋白蛋白轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)錄翻譯翻譯原核細胞原核細胞 細胞質(zhì)細胞質(zhì)細胞核細胞核DNA內(nèi)含子內(nèi)含子外顯子外顯子轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)錄后剪接轉(zhuǎn)錄后剪接轉(zhuǎn)運轉(zhuǎn)運mRNAhnRNA翻譯翻譯蛋白蛋白真核細胞真核細胞 二、轉(zhuǎn)運二、轉(zhuǎn)運RNA的結(jié)構(gòu)與功能的結(jié)構(gòu)與功能 1. 分子量最小的分子量最小的RNA,占占RNA總

16、量約總量約15% 2. 分子中含有約分子中含有約10%的稀有堿基的稀有堿基 tRNA的一級結(jié)構(gòu)特點：的一級結(jié)構(gòu)特點：如假尿嘧啶（如假尿嘧啶（）, 二氫尿嘧啶二氫尿嘧啶(DHU), 甲基化堿基（甲基化堿基（mG,mA)等等 3. 3末端有末端有CCA-OH, 是攜帶氨基酸的部位是攜帶氨基酸的部位 4. 具有識別密碼子功能的具有識別密碼子功能的反密碼子反密碼子二氫尿嘧啶二氫尿嘧啶甲基化堿基甲基化堿基假尿嘧啶假尿嘧啶tRNA中的稀有堿基中的稀有堿基尿嘧啶尿嘧啶NHNHOONHOONH假尿嘧啶假尿嘧啶()NHOOH2H2二氫尿嘧啶二氫尿嘧啶(DHU)NH甲基化鳥嘌呤甲基化鳥嘌呤(mG)NNHNHNNH

17、2OCH3DHU環(huán)環(huán)T 環(huán)環(huán)CCA-OH反密碼環(huán)反密碼環(huán)三葉草形三葉草形 tRNA的三級結(jié)構(gòu)的三級結(jié)構(gòu) 倒倒L形形tRNA的功能：的功能：識別密碼子，活化、識別密碼子，活化、搬運氨基酸到核糖體參搬運氨基酸到核糖體參與蛋白質(zhì)的合成與蛋白質(zhì)的合成反密碼子反密碼子氨基酸臂氨基酸臂53三、核糖體三、核糖體RNA(rRNA)的結(jié)構(gòu)與功能的結(jié)構(gòu)與功能rRNA的結(jié)構(gòu)特點：的結(jié)構(gòu)特點：1. 含量最豐富含量最豐富,約占總約占總RNA的的80%以上以上2. 與核蛋白體蛋白結(jié)合成核蛋白體與核蛋白體蛋白結(jié)合成核蛋白體, rRNA 與蛋白質(zhì)既可分離與蛋白質(zhì)既可分離,又可結(jié)合又可結(jié)合3. 核蛋白體由大小兩個亞基構(gòu)成核蛋白

18、體由大小兩個亞基構(gòu)成,兩亞基兩亞基 呈不規(guī)則形狀呈不規(guī)則形狀,聚合時中間有裂縫聚合時中間有裂縫,可通可通 過過mRNA v rRNA的功能的功能參與組成核蛋白體，作為蛋白質(zhì)參與組成核蛋白體，作為蛋白質(zhì)生物合成的場所生物合成的場所核核 酸酸 的的 理理 化化 性性 質(zhì)質(zhì)第第 四四 節(jié)節(jié)1.核酸的粘度核酸的粘度分子量越大粘度也越大分子量越大粘度也越大RNA分子比分子比DNA分子小，粘度也就小分子小，粘度也就小2.核酸的酸堿性核酸的酸堿性u磷酸殘基的酸性使核酸也表現(xiàn)較強的酸性磷酸殘基的酸性使核酸也表現(xiàn)較強的酸性u含氮堿基上有堿性基團含氮堿基上有堿性基團u堿基對之間的氫鍵在堿基對之間的氫鍵在4.0-1

19、1.0之間最穩(wěn)定之間最穩(wěn)定一、核酸的一般理化性質(zhì)一、核酸的一般理化性質(zhì) 嘌呤堿和嘧啶嘌呤堿和嘧啶堿有共軛雙鍵，都堿有共軛雙鍵，都能強烈吸收紫外光，能強烈吸收紫外光，最大吸收波長為最大吸收波長為260nm3.3.核酸的紫外吸收特性核酸的紫外吸收特性 蛋白質(zhì)對紫蛋白質(zhì)對紫外光的最大吸收外光的最大吸收波長是波長是280nm紫外分光光度法檢測核酸的純度紫外分光光度法檢測核酸的純度通過測定波長在通過測定波長在260nm260nm和和280nm280nm處吸光度的處吸光度的比值比值(A(A260260A A280280) )來估計核酸樣品的純度來估計核酸樣品的純度DNA溶液：溶液：A260A280 =1.

20、8. RNA溶液：溶液：A260A280 = 2.0二、二、DNADNA的變性的變性(denaturation)定義定義: 在某些理化因素作用下，在某些理化因素作用下， DNA雙鏈間的雙鏈間的氫鍵氫鍵斷裂斷裂(不涉及共價鍵的斷裂不涉及共價鍵的斷裂), 解開成解開成兩條兩條單鏈單鏈的過程。的過程。其生物學活性喪失其生物學活性喪失因素因素: 過量酸、堿，加熱，變性試劑如尿素、過量酸、堿，加熱，變性試劑如尿素、酰胺以及某些有機溶劑如乙醇、丙酮等酰胺以及某些有機溶劑如乙醇、丙酮等DNADNA變性的本質(zhì)是雙鏈間氫鍵的斷裂變性的本質(zhì)是雙鏈間氫鍵的斷裂變性引起紫外吸收值的改變變性引起紫外吸收值的改變增色效應

21、：增色效應：DNA變性時其溶液變性時其溶液A260增高的現(xiàn)象增高的現(xiàn)象 4. 喪失生物學活性喪失生物學活性1. 260nm處的紫外吸收值升高處的紫外吸收值升高2. 粘度下降粘度下降3. 浮力、密度升高浮力、密度升高（增色效應增色效應）變變 性性 DNA 的的 特特 點：點：分子的熱變性分子的熱變性雙螺旋結(jié)構(gòu)即遭雙螺旋結(jié)構(gòu)即遭破壞，破壞，氫鍵斷裂氫鍵斷裂，雙鏈，雙鏈分離分離將的稀鹽溶液加將的稀鹽溶液加熱至熱至8095(或以上或以上)數(shù)分鐘數(shù)分鐘DNA解鏈曲線解鏈曲線拐點所對應的溫度，拐點所對應的溫度，代表代表DNA變性變性50時時的溫度，稱的溫度，稱DNA的的熔熔點點或或融解溫度融解溫度用符號用

22、符號Tm表示表示Tm值的大小主要與下列因素有關：值的大小主要與下列因素有關：1. 中中對的含量對的含量堿基對的比例越高，堿基對的比例越高，Tm值越高值越高2. 介質(zhì)中的離子強度介質(zhì)中的離子強度離子強度低，離子強度低，Tm值低，變性溫度范圍較寬值低，變性溫度范圍較寬3. DNA分子的大小分子的大小離子強度大，離子強度大，Tm值高，變性溫度范圍較窄值高，變性溫度范圍較窄核酸的變性與降解的區(qū)別：核酸的變性與降解的區(qū)別： 降解：降解：其過程是不可逆的其過程是不可逆的是指多核苷酸鏈中的磷酸二酯鍵斷裂，是指多核苷酸鏈中的磷酸二酯鍵斷裂，使分子量降低，使分子量降低，不發(fā)生分子量的變化不發(fā)生分子量的變化空間結(jié)構(gòu)破壞，一級結(jié)構(gòu)不變。部分空間結(jié)構(gòu)破壞，一級結(jié)構(gòu)不變。部分是可逆的，是可逆的，變性：變性： 蛋白質(zhì)和蛋白質(zhì)和核酸變性的共同點：核酸變性的共同點：u兩者均不涉及共價鍵的斷裂兩者均不涉及共價鍵的斷裂u一級結(jié)構(gòu)不破壞一級結(jié)構(gòu)不破壞u粘度下降，生物活性喪失粘度下降，生物活性喪失三、三、DNA的復性與分子雜交的復性與分子雜交 1. DNA復性復性(renaturation)在適當