分子生物學原理核酸結構與功能

2023/1/21

第三章

核酸的結構與

功能

NucleicAcidstructureandFunction

2023/1/21什么是核酸?核酸是遺傳信息物質2023/1/21核酸的結構與功能DNA(deoxyribonucleicacid)

RNA(ribonucleicacid)nucleicacid2023/1/21DNA（deoxyribonucleicacid)RNA(ribonucleicacid)2023/1/21核酸研究的歷史1869年，瑞士科學家Miescher在外科繃帶上得到一種含磷酸很高的酸性化合物。因存在于核中，故命名為“核質”(nuclein)。1889年，Altmann制備了不含蛋白質的核酸制品，首先使用了核酸(nucleic

acid)這個名稱。2023/1/21核酸研究的歷史1928－1932年，確立了核酸在生命現(xiàn)象中的地位。1944年，轉化作用的發(fā)現(xiàn)，證實：

核酸遺傳物質

1953年，Waston和Crick建立了雙螺旋模型，這是核酸發(fā)展史上的重要里程碑。2023/1/21核酸研究的歷史早期的研究僅將核酸看成是細胞中的一種成分，后逐步證明核酸中含有戊糖，磷酸和堿基，是一種線狀聚合物。2023/1/21DNAisthecarrierofgeneticinformation2023/1/21核苷酸的結構

左邊是電腦模型，右邊是簡化的表示法酯鍵糖苷鍵2023/1/21RiboseandDeoxyribose2023/1/21

第一節(jié)

核酸的化學

組成2023/1/21第一節(jié)核酸的化學組成

堿基水解完全水解核酸單核苷酸戊糖

磷酸2023/1/21核酸的化學組成Nucleicacidnucleotide

phosphate+

nucleoside

base+pentose

purine、pyrimidineDNARNAdeoxyribonucleotideribonucleotidedeoxyribonucleosideribonucleosidedeoxyriboseribose2023/1/21Thestructureofbase嘌呤嘧碇核酸中的堿基是含氮雜環(huán)化合物：2023/1/21

堿基的互變異構酮式－烯醇

C=OC-OHNN氨基－亞氨基

C-NH2C=NH2+

+HNHN受介質pH影響2023/1/21

堿基的共軛雙鍵260nm波長的紫外吸收強。核酸測定的基礎。2023/1/21RiboseandDeoxyribose2023/1/21pentose2023/1/21核苷是堿基與戊糖以糖苷鍵相連接形成的化合物：核苷2023/1/21核苷或脫氧核苷與磷酸通過酯鍵相連接分別構成核苷酸或脫氧核苷酸按組成分類：含有1個磷酸基團的核苷酸稱為核苷一磷酸（NMP），如CMP含有2個磷酸基團的核苷酸稱為核苷二磷酸（NDP），如GDP含有3個磷酸基團的核苷酸稱為核苷三磷酸（NTP），如ATP核苷酸2023/1/21核苷酸許多單核苷酸在體內(nèi)具有許多重要的生理功能

ATP是體內(nèi)能量的直接來源和利用形式。

腺苷酸是NAD＋、FAD、輔酶A等的組成成分。

cAMP與cGMP是細胞內(nèi)信號轉導過程中重要的調節(jié)因子。2023/1/21核苷酸的連接方式AdenosineADPATPAMP2023/1/212023/1/21

第二節(jié)

核酸的一級結構2023/1/21核苷酸的連接(連接酶)2023/1/21DNA的一級結構是通過3’,5’-磷酸二酯鍵構成一個沒有分支的線性大分子，其兩個末端分別是5’-末端（游離磷酸基）和3’-末端（游離羥基）。是指DNA分子中核苷酸的排列順序。由于脫氧核苷酸之間的差別僅是其堿基的不同，所以DNA分子堿基的排列順序就代表了核苷酸的排列順序。DNA的一級結構2023/1/215’3’DNA的

一級結構2023/1/21核酸的書寫方法5’：左側（上）3’：右側（下）AUGGC和AGUGC的堿基組成相同，但表示二段不同的核酸序列。2023/1/21

第三節(jié)

DNA的空間結構與功能2023/1/21Chargaff規(guī)則腺嘌呤與胸腺嘧啶的摩爾數(shù)相等，鳥嘌呤與胞嘧啶的摩爾數(shù)相等，即：A=T，G=C不同生物種屬的DNA,其堿基組成不同同一個體不同器官、不同組織的DNA具有相同的堿基組成。提示：A與T，G與C之間可能以互補的方式存在。2023/1/212023/1/21DNA的雙螺旋結構2023/1/212023/1/212023/1/212023/1/212023/1/212023/1/21

DNA的雙螺旋結構DNA分子由兩條脫氧核糖核酸作骨架的雙鏈組成，以右手螺旋方式盤旋糖－磷酸骨架均位于外側，堿基在內(nèi)側堿基平面之間距離為0.34nm。螺旋一周為10堿基對，螺距為3.4nm。雙螺旋的兩條鏈是反方向平行的。堿基配對：G=CA=T。穩(wěn)定力：互補堿基之間的氫鍵疏水性堆積力-堿基堆積力B型-DNA2023/1/212023/1/212023/1/212023/1/212023/1/212023/1/21DNA的三級結構原核生物和真核生物線粒體、葉綠體中的DNA是共價封閉的環(huán)狀雙螺旋，再形成超螺旋。環(huán)狀雙螺旋超螺旋2023/1/21DNA的三級結構真核生物中DNA的三級結構與蛋白質有關。和DNA結合的蛋白質有組蛋白和非組蛋白。組蛋白H2A、H2B、H3和H4各兩個分子形成八聚體，被兩圈140-145堿基對的DNA所圍繞。形成核小體。H1位于核小體之間的連接區(qū)，組成串珠狀結構。2023/1/21DNA的三級結構核小體2023/1/212023/1/212023/1/21

DNA的功能基因：就是DNA大分子的一個片段，有復制、轉錄等主要功能，是生物遺傳繁殖的物質基礎。DNA的功能：作為生物遺傳信息復制的模版和基因轉錄的模版。一個生物體的全部基因序列稱為基因組。2023/1/21

DNA功能是儲存遺傳信息，保證每一種生物機體合成它們獨特的蛋白質和RNA，使機體按一定時間和空間順序來合成細胞成分。

DNAisthestorehouse,orcellularlibrarythatcontainstheinformationrequiredtobuildacellororganism.

2023/1/21生物體內(nèi)DNA的大小2023/1/21

第四節(jié)

RNA的空間結構

與功能2023/1/21結構：RNA由一條多核苷酸鏈組成，經(jīng)卷曲盤繞可形成局部雙螺旋二級結構和三級結構RNA的結構和功能參與hnRNA的剪接轉運snRNA小核RNA成熟mRNA的前體hnRNA不均一核RNA轉運氨基酸mttRNAtRNA轉運RNA蛋白質合成的模板mtmRNAmRNA信使RNA核蛋白體的組成成分mtrRNArRNA核蛋白體RNA功能線粒體細胞核與胞液動物細胞內(nèi)主要RNA的分布與功能蛋白質合成的場所2023/1/21一、信使RNA（mRNA）傳遞DNA遺傳信息的RNA稱為信使RNA（mRNA）。細胞核內(nèi)初合成的mRNA前體是不均一核RNA（hnRNA），經(jīng)剪接生成成熟的mRNA。去掉內(nèi)含子（intron）轉錄后產(chǎn)物，留下外顯子（extron）轉錄后產(chǎn)物，重新連在一起。2023/1/212023/1/21mRNA的結構特點：⑴．大多數(shù)真核mRNA的5’-端在轉錄后均加上一個帽子結構。mRNA的帽子結構可保護mRNA免受核酸酶從5’端的降解作用，并在翻譯起始中起重要作用。⑵．絕大多數(shù)真核mRNA的3’-端有200多個腺苷酸殘基的尾巴（PolyA），其作用在于增加mRNA的穩(wěn)定性和維持其翻譯活動。2023/1/212023/1/21m7GpppG2023/1/21mRNA的功能

mRNA的功能是把核內(nèi)DNA的堿基順序（即遺傳信息）按照堿基互補原則，抄錄并轉移到細胞質，決定蛋白質合成過程中的氨基酸排列順序。mRNA通過三個核苷酸聯(lián)成的密碼子編碼氨基酸。2023/1/21二、轉運RNA（tRNA）tRNA的結構特點：tRNA分子中含有較多的稀有堿基：DHU、ψ和mG、mA等所有的tRNA均是線性多核苷酸鏈，局部片斷由于堿基互補而形成局部雙螺旋區(qū)，而非互補區(qū)則形成環(huán)狀結構。整個tRNA的二級結構呈現(xiàn)三葉草結構tRNA中的3個環(huán)分別是DHU環(huán)、TψC環(huán)和反密碼環(huán)tRNA的三級結構呈現(xiàn)倒L型，一端為氨基酸臂，另一端為反密碼子2023/1/21tRNA的功能其功能是攜帶蛋白質合成所需的氨基酸，并按mRNA上的密碼順序“對號入座”地將其轉運到mRNA分子上。2023/1/21tRNA的三葉草結構2023/1/21tRNA的三級結構tRNA的三級結構均呈倒L字母形，其3’末端含CAA-OH的氨基酸臂位于一端，反密碼環(huán)位于另一端。tRNA的三級結構的穩(wěn)定力是核苷酸之間的各種氫鍵。2023/1/21三、核蛋白體RNA(rRNA)rRNA與蛋白質結合形成的核蛋白是細胞內(nèi)蛋白質合成的場所。rRNA分子大小不均一，真核細胞的rRNA有4種，其沉降系數(shù)分別為28S、58S、5S和18S。大約與70種蛋白質結合而存在于的核蛋白體的大小亞基中rRNA的二級結構為莖環(huán)樣結構。2023/1/212023/1/212023/1/21

四、核酶(ribozyme)

rRNA前體的自我剪接是由內(nèi)含子催化的，其本質是RNA。具有酶的催化活力的RNA就稱為核酶，核酶的發(fā)現(xiàn)改變了酶都是蛋白質的傳統(tǒng)概念。2023/1/21第五節(jié)

核酸的理化性質及其應用2023/1/21核酸的一般性質核酸分子通常表現(xiàn)為較強的酸性。由于DNA分子細長，其在溶液中的粘度很高；RNA分子比DNA短，在溶液中的粘度低于DNA。

核酸的紫外線吸收核酸分子中的堿基都含有共軛雙鍵，在260nm波長處有最大紫外光吸收。蛋白質在280nm波長處有最大吸收，所以可利用溶液260nm和280nm處吸收光度（A）的比值來估計核酸的純度。2023/1/21DNA的理化性質及其應用變性復性增色效應減色效應解鏈溫度雜交探針2023/1/21DNA的理化性質及其應用變性復性增色效應減色效應解鏈溫度雜交探針2023/1/21核酸的變性與復性（一）變性DNA變性是指在某些因素的作用下，維系DNA雙螺旋的次級鍵發(fā)生斷裂，雙螺旋DNA分子被解開成單鏈的過程。引起DNA變性的因素有加熱和化學物質的作用。變性可使其粘度下降和紫外吸收值的改變等。2．增色效應和解鏈溫度（Tm）。3．G＋C含量越高，Tm值越大；A＋T含量越高，Tm越值小。（二）復性1．解開的兩條鏈重新締合形成雙螺旋，稱為DNA的復性或退火。2．退火溫度：比Tm低25℃。2023/1/21變性和復性雙鏈分開和重新形成雙鏈這樣的過程稱為變性和復性。破壞氫鍵形成的因素都可能使DNA變性，如過量的酸、堿或加熱。2023/1/21變性與復性2023/1/21增色效應和減色效應OD260:單核苷酸>單鏈DNA>雙鏈DNADNA變性時，溶液的OD260增高，稱為增色效應。在解鏈曲線中的中點稱為中點解鏈溫度，或解鏈溫度(Tm)。變性和復性是可逆的，熱變性的DNA經(jīng)緩慢冷卻后即可復性，故復性也稱為退火(annealing)2023/1/212023/1/21雜交雜交：不同的DNA鏈放在同一溶液中作變性處理，或把單鏈DNA和RNA放在一起，局部的堿基配對，就可以形成局部雙鏈。這一過程稱為雜交。雜交的應用。

核酸分子雜交是根據(jù)兩條核酸單鏈在一定條件下可按堿基互補原則退火形成雙鏈的原理，用已知的單鏈核苷酸片段作為探針檢測樣本中是否存在與其互補的同源核酸序列的方法。

常用的核酸分子雜交方法：

Southern

印跡雜交、Northern

印跡雜交斑點雜交、狹縫雜交原位雜交（菌落原位雜交、細胞原位雜交、 組織片原位雜交）夾心雜交2023/1/212