生化3核酸的結(jié)構(gòu)與功能

第三章

核酸的結(jié)構(gòu)與功能StructureandFunctionofNucleicAcid90%以上分布于細(xì)胞核，其余分布于核外如線粒體，葉綠體，質(zhì)粒等主要分布于胞液攜帶遺傳信息，決定細(xì)胞和個(gè)體的基因型參與細(xì)胞內(nèi)DNA遺傳信息的傳遞。某些病毒RNA也可作為遺傳信息的載體(deoxyribonucleicacid,

DNA)(ribonucleicacid,

RNA)脫氧核糖核酸核糖核酸核酸復(fù)制翻譯

蛋白質(zhì)（病毒）

RNA（病毒）逆轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)錄RNA翻譯蛋白質(zhì)DNA復(fù)制中心法則:第一節(jié)核酸的化學(xué)組成及一級結(jié)構(gòu)一、核酸的化學(xué)組成核酸核苷酸核酸酶POOHOHOH磷酸:核苷戊糖：核糖或脫氧核糖堿基：嘌呤堿，嘧啶堿嘌呤堿(purine)腺嘌呤(adenine,A)鳥嘌呤(guanine,G)堿基(base)嘧啶堿(pyrimidine)胞嘧啶(cytosine,C)尿嘧啶(uracil,U)胸腺嘧啶(thymine,T)戊糖(pentose)（構(gòu)成RNA）1′2′3′4′5′β-D-核糖（構(gòu)成DNA）β-D-2'-脫氧核糖RNA所含的戊糖是核糖,故稱為核糖核酸DNA所含的戊糖是脫氧核糖,故稱為脫氧核糖核酸兩類核酸的基本化學(xué)組成比較

DNA

RNA

嘌呤堿

腺嘌呤(A)腺嘌呤(A)

（Purinebases）鳥嘌呤(G)鳥嘌呤(G)

堿基(Base)

嘧啶堿

胞嘧啶(C)胞嘧啶(C)（Pyrimidinebases）胸腺嘧啶(T)

尿嘧啶(U)戊糖

β-D-2'-脫氧核糖

β-D-核糖(Pentose)

酸

磷酸

磷酸(Acid)RNA或DNA核苷酸或脫氧核苷酸核酸酶水解磷酸核糖或脫氧核糖堿基核苷或脫氧核苷1.核苷的形成堿基和核糖（脫氧核糖）通過糖苷鍵連接形成核苷（脫氧核苷）2OHOCHOHOH1′CNCHCCCNNHCHNH2+CNCHCCCNNHCHNH2腺苷9CNCHCCCNNHCHNH2+CNCHCCCNNHCHNH2脫氧腺苷91’核苷酸：AMP,GMP,UMP,CMP2.核苷酸(nucleotide)的結(jié)構(gòu)與命名核苷（脫氧核苷）和磷酸以磷酸酯鍵連接形成核苷酸（脫氧核苷酸）

脫氧核苷酸：dAMP,dGMP,dTMP,dCMP5’-脫氧胞苷酸（dCMP)3’-脫氧胞苷酸HO※核苷酸的命名含一個(gè)磷酸基團(tuán)：核苷一磷酸（NMP）含兩個(gè)磷酸基團(tuán)：核苷二磷酸（NDP）含三個(gè)磷酸基團(tuán)：核苷三磷酸（NTP）N

代表各種堿基的名稱環(huán)化核苷酸：cNMPO二、核酸的一級結(jié)構(gòu)定義核酸中核苷酸的排列順序由于核苷酸間的差異主要是堿基不同，所以也稱為堿基序列5′端3′端CGA3’,5’-磷酸二酯鍵A

G

P5PT

PG

PC

PT

POH35pApCpTpGpCpT-OH

35

ACTGCT

3書寫方法：ACTGCT

第二節(jié)DNA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特異性(3)DNA的堿基組成沒有組織的特異性,且較為穩(wěn)定,不隨年齡、營養(yǎng)狀態(tài)、環(huán)境改變的影響（一）Chargaff堿基組成規(guī)律一、DNA的二級結(jié)構(gòu)1.ＤＮＡ由兩條反向平行的脫氧多核苷酸（兩條鏈的走向?yàn)?’→3’和3’→5’），圍繞一中心軸（假想軸）構(gòu)成右手雙螺旋結(jié)構(gòu)（二）DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型（Watson,Crick,1953）5’3’5’3’3.堿基在雙螺旋內(nèi)側(cè)配對，形成堿基平面雙鏈中相對的堿基按Ａ＝Ｔ和Ｇ≡Ｃ配對連接，形成互補(bǔ)2.磷酸基與脫氧核糖在外側(cè)彼此間以磷酸二酯鍵相連，構(gòu)成ＤＮＡ的骨架3’5’3’5’磷酸二酯鍵堿基互補(bǔ)配對TAGC4.雙螺旋的直徑為2nm沿軸向，各堿基平面垂直于假想中心軸，平面間距為0.34nm每圈螺旋含有10.4對脫氧核苷酸，其軸向距離為3.54nm。形成大溝及小溝相間

5.維持DNA雙螺旋穩(wěn)定的作用力氫鍵維持雙鏈橫向穩(wěn)定性堿基堆積力維持雙鏈縱向穩(wěn)定性（三）DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的多樣性（一）原核生物沒有典型的細(xì)胞核結(jié)構(gòu)。被認(rèn)為是原核生物ＤＮＡ的三級結(jié)構(gòu)超螺旋結(jié)構(gòu)二、DNA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)（二）真核生物真核生物ＤＮＡ的三級結(jié)構(gòu)是核小體(nucleosome)，由DNA和蛋白質(zhì)構(gòu)成核小體的組成DNA：146bp組蛋白：H1，H2A，H2B，H3，H4H2A、H2B、H3和H4各兩分子組成組蛋白八聚體，構(gòu)成核心組蛋白雙螺旋DNA以左手超螺旋的方式繞核心顆粒1.8圈，纏繞在組蛋白核心表面，構(gòu)成核心顆粒核心顆粒和連接區(qū)DNA及附著在連接區(qū)DNA上的

組蛋白H1構(gòu)成核小體核心顆粒連接部位DNA一個(gè)個(gè)核小體連接成串珠狀結(jié)構(gòu)染色單體折疊折疊30nm三、DNA的功能以基因的形式攜帶遺傳信息作為復(fù)制和轉(zhuǎn)錄的模板包括DNA編碼序列、非編碼調(diào)節(jié)序列和內(nèi)含子序列將遺傳信息通過轉(zhuǎn)錄傳遞給RNA基因(gene)：負(fù)載特定遺傳信息的DNA片段基因組(genome)：指來自一個(gè)遺傳體系的一整套遺傳信息第三節(jié)

RNA的結(jié)構(gòu)與功能RNA的特點(diǎn)：主要堿基：A、G、C和U2.RNA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A≠U,G≠C3.RNA分子比DNA小得多RNA的種類及功能核糖體RNA信使RNA轉(zhuǎn)運(yùn)RNA核內(nèi)不均一RNA核內(nèi)小RNA小干擾RNA種類功能rRNAmRNAtRNAHnRNASnRNASnoRNAsiRNA核蛋白體組分蛋白質(zhì)合成模板轉(zhuǎn)運(yùn)氨基酸成熟mRNA的前體參與hnRNA的剪接、轉(zhuǎn)運(yùn)rRNA的加工、修飾參與轉(zhuǎn)錄后調(diào)控核仁小RNArRNAmRNAHnRNASnRNASnoRNA核蛋白體組分蛋白質(zhì)合成模板轉(zhuǎn)運(yùn)氨基酸hnRNA

mRNA

真核生物mRNA成熟過程

----由HnRNA經(jīng)過剪接而成內(nèi)含子(intron)

外顯子(exon)一、信使RNA的結(jié)構(gòu)與功能

mRNA結(jié)構(gòu)特點(diǎn)大多數(shù)真核mRNA的5′末端均在轉(zhuǎn)錄后加上一個(gè)7-甲基鳥苷，形成帽子結(jié)構(gòu)：m7GpppN

N及緊隨其后的核苷酸，其核糖的C2羥基也常發(fā)生甲基化2.大多數(shù)真核mRNA的3′末端有一個(gè)多聚腺苷酸(polyA)結(jié)構(gòu)，稱為多聚A尾帽子結(jié)構(gòu)(m7GpppN)OCH3多聚A尾5’“穿靴戴帽”mRNA核內(nèi)向胞質(zhì)的轉(zhuǎn)位mRNA的穩(wěn)定性維系翻譯起始的調(diào)控帽子結(jié)構(gòu)和多聚A尾的功能：

把DNA所攜帶的遺傳信息，按堿基互補(bǔ)配對原則，抄錄并傳送至核糖體，用以決定其合成蛋白質(zhì)的氨基酸排列順序*mRNA的功能：DNAmRNA蛋白轉(zhuǎn)錄翻譯原核細(xì)胞細(xì)胞質(zhì)細(xì)胞核DNA內(nèi)含子外顯子轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)錄后剪接轉(zhuǎn)運(yùn)mRNAhnRNA翻譯蛋白真核細(xì)胞

二、轉(zhuǎn)運(yùn)RNA的結(jié)構(gòu)與功能

1.分子量最小的RNA,占RNA總量約15%

2.分子中含有約10%的稀有堿基

tRNA的一級結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：如假尿嘧啶（ψ）,二氫尿嘧啶(DHU),甲基化堿基（mG,mA)等

3.3’末端有CCA-OH,是攜帶氨基酸的部位

4.具有識(shí)別密碼子功能的反密碼子二氫尿嘧啶甲基化堿基假尿嘧啶tRNA中的稀有堿基尿嘧啶NHNHOONHOONH假尿嘧啶(ψ)NHOOH2H2二氫尿嘧啶(DHU)NH甲基化鳥嘌呤(mG)NNHNHNNH2OCH3DHU環(huán)Tψ環(huán)CCA-OH反密碼環(huán)三葉草形

tRNA的三級結(jié)構(gòu)——倒L形tRNA的功能：識(shí)別密碼子，活化、搬運(yùn)氨基酸到核糖體參與蛋白質(zhì)的合成反密碼子氨基酸臂5’3’三、核糖體RNA(rRNA)的結(jié)構(gòu)與功能rRNA的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：1.含量最豐富,約占總RNA的80%以上2.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,又可結(jié)合3.核蛋白體由大小兩個(gè)亞基構(gòu)成,兩亞基呈不規(guī)則形狀,聚合時(shí)中間有裂縫,可通過mRNA

rRNA的功能參與組成核蛋白體，作為蛋白質(zhì)生物合成的場所核酸的理化性質(zhì)第四節(jié)1.核酸的粘度分子量越大粘度也越大RNA分子比DNA分子小，粘度也就小2.核酸的酸堿性磷酸殘基的酸性使核酸也表現(xiàn)較強(qiáng)的酸性含氮堿基上有堿性基團(tuán)堿基對之間的氫鍵在4.0-11.0之間最穩(wěn)定一、核酸的一般理化性質(zhì)嘌呤堿和嘧啶堿有共軛雙鍵，都能強(qiáng)烈吸收紫外光，最大吸收波長為260nm3.核酸的紫外吸收特性蛋白質(zhì)對紫外光的最大吸收波長是280nm紫外分光光度法檢測核酸的純度通過測定波長在260nm和280nm處吸光度的比值(A260／A280)來估計(jì)核酸樣品的純度DNA溶液：A260／A280=1.8～２.０RNA溶液：A260／A280=2.0二、DNA的變性(denaturation)定義:在某些理化因素作用下，DNA雙鏈間的氫鍵斷裂(不涉及共價(jià)鍵的斷裂),解開成兩條單鏈的過程。其生物學(xué)活性喪失因素:過量酸、堿，加熱，變性試劑如尿素、酰胺以及某些有機(jī)溶劑如乙醇、丙酮等DNA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增色效應(yīng)：DNA變性時(shí)其溶液A260增高的現(xiàn)象4.喪失生物學(xué)活性1.260nm處的紫外吸收值升高2.粘度下降3.浮力、密度升高（增色效應(yīng)）變性DNA的特點(diǎn)：ＤＮＡ分子的熱變性ＤＮＡ雙螺旋結(jié)構(gòu)即遭破壞，氫鍵斷裂，雙鏈分離將ＤＮＡ的稀鹽溶液加熱至80～95℃(或以上)數(shù)分鐘DNA解鏈曲線拐點(diǎn)所對應(yīng)的溫度，代表DNA變性50％時(shí)的溫度，稱DNA的熔點(diǎn)或融解溫度用符號(hào)Tm表示Tm值的大小主要與下列因素有關(guān)：1.ＤＮＡ中Ｇ≡Ｃ對的含量Ｇ≡Ｃ堿基對的比例越高，Tm值越高2.介質(zhì)中的離子強(qiáng)度離子強(qiáng)度低，Tm值低，變性溫度范圍較寬3.DNA分子的大小離子強(qiáng)度大，Tm值高，變性溫度范圍較窄核酸的變性與降解的區(qū)別：

降解：其過程是不可逆的是指多核苷酸鏈中的磷酸二酯鍵斷裂，使分子量降低，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。部分是可逆的，變性：蛋白質(zhì)和核酸變性的共同點(diǎn)：兩者均不涉及共價(jià)鍵的斷裂一級結(jié)構(gòu)不破壞粘度下降，生物活性喪失三、DNA的復(fù)性與分子雜交1.DNA復(fù)性(renaturation)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DNA復(fù)性熱變性的DNA經(jīng)緩慢冷卻后即可復(fù)性，這一過程稱為退火(annealing)復(fù)性后ＤＮＡ分子性質(zhì)：------一系列的理化性質(zhì)隨即恢復(fù)4.生物學(xué)活性恢復(fù)1.260nm處的紫外吸收值下降2.粘度上升3.浮力、密度降