動(dòng)物生物化學(xué)農(nóng)業(yè)第8章1 4節(jié)核酸

第八章核酸的結(jié)構(gòu)Structure

of

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。核酸(nucleic

acid)一、核酸的發(fā)現(xiàn)和研究工作進(jìn)展1868年Fridrich

Miescher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)劃基本框架二、核酸的分類及分布90%以上分布于細(xì)胞核，其余分布于分布于胞核、胞液。(deoxyribonucleic

acid,

核外如線粒體，葉綠體，質(zhì)粒等。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)。參與細(xì)胞內(nèi)DNA遺傳信息的表達(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)組成與結(jié)構(gòu)The

Chemical

Component

and

Structureof

Nucleic

Acid核酸的化學(xué)組成元素組成C、H、O、N、P（9~10%）分子組成——堿基(base)：嘌呤堿，嘧啶堿——戊糖(ribose)：核糖，脫氧核糖——磷酸(phosphate)嘌呤(purine)1

N23N546N789NHNNNHNNH2NHNHNN

NH2腺嘌呤(adenine,

A)O鳥(niǎo)嘌呤(guanine,

G)堿基NH13

N25

46嘧啶(pyrimidine)NNH2NH

O胞嘧啶(cytosine,

C)NHONHNH

O尿嘧啶(uracil,U)ONH

O胸腺嘧啶(thymine,

T)H3C戊糖1′3′

2′4′5′OHOHO

CH2OHOH核糖(ribose)（構(gòu)成RNA）OHOHO

CH2OH脫氧核糖(deoxyribose)（構(gòu)成DNA）核苷：AR,GR,

UR,CR脫氧核苷：dAR,dGR,dTR,dCR一、核苷酸的結(jié)構(gòu)1.

核苷(ribonucleoside)的形成堿基和核糖（脫氧核糖）通過(guò)糖苷鍵連接形成核苷（脫氧核苷）。OHO

CH2OH

OHNNH2O1′1NOHHOOP

HOOOOCCHH22OOHHOOHHNNNNNNHH22OO核苷酸：AMP,

GMP,

UMP,

CMP脫氧核苷酸：dAMP,

dGMP,

dTMP,

dCMP2.

核苷酸(ribonucleotide)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）。NAD+、NADP+、CoA-SH、FAD

等都含有AMPNCH2OOH

OHNNNNH2OHO

P

OOHAMPNOH

OHNN體內(nèi)重要的游離核苷酸及其衍生N

物NH2OOOH

OH多磷酸核苷酸：NMPHO，NP

DOP，P

NOTPCH2O環(huán)化核苷酸:

cAMP，cGMP含核苷酸的生物活性物AD質(zhì)P：NO

CH2OO

OHNNNNH2POOHcAMPNADP+NAD+5′端3′端3.核苷酸的連接核苷酸之間以磷酸二酯鍵連接形成多核苷酸鏈，即核酸。CGA二、核酸的一級(jí)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CGADNA分子的大小DNA的堿基組成(1)

具有種的特異性不同生物來(lái)源的DNA堿基組成不同，表現(xiàn)在A＋T/G＋C比值的不同；種系發(fā)生越接近的生物，堿基組成也越接近；沒(méi)有組織和器官的特異性同一生物的不同組 織的DNA堿基組成相同；

幾乎所有的DNA，無(wú)論種屬來(lái)源如何，其腺嘌呤摩爾含量與胸腺嘧啶摩爾含量相同(A)=（T），鳥(niǎo)嘌呤摩爾含量與胞嘧啶摩爾含量相同

(G)=（C），總的嘌呤摩爾含量與總的嘧啶摩爾含量相同(［A

＋G］=［C

＋T］)；

DNA堿基組成不隨生物的年齡、營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)或者環(huán)境變化而改變。5￠

PA

G

T

G

C

TP

P

P

P

POH

3￠書(shū)寫(xiě)方法5￠

pApCpTpGpCpT-OH

3￠5￠

A

C

T

G

C

T

3￠目錄

第二節(jié)DNA的空間結(jié)構(gòu)與功能Dimensional

Structure

andFunction

of

DNADNA的二級(jí)結(jié)構(gòu)-雙螺旋結(jié)構(gòu)DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的研究背景和歷史意義DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型要點(diǎn)DNA的超螺旋結(jié)構(gòu)及其在染色質(zhì)中的組裝DNA的超螺旋結(jié)構(gòu)原核生物DNA的高級(jí)結(jié)構(gòu)DNA在真核生物細(xì)胞核內(nèi)的組裝DNA的功能一、DNA的二級(jí)結(jié)構(gòu)——雙螺旋結(jié)構(gòu)（一）DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的研究背景堿基組成分析Chargaff

規(guī)則：[A]=[T][G]

”

[C]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-線衍射圖譜分析目錄

（二）

DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型要點(diǎn)（Watson,

Crick,

1953）DNA分子由兩條相互平行但走向相反的脫氧多核苷酸鏈組成，兩鏈以-脫氧核糖-磷酸-為骨架，以右手螺旋方式繞同一公共軸盤(pán)。螺旋直徑為2nm，形成大溝(majorgroove)及小溝(minorgroove)相間。目錄

（二）

DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型要點(diǎn)（Watson,

Crick,

1953）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對(duì)堿基。目錄

堿基互補(bǔ)配對(duì)TAGC（二）

DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型要點(diǎn)（Watson,

Crick,

1953）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。目錄

（三）DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的多樣性目錄

二、DNA的超螺旋結(jié)構(gòu)及其在染色質(zhì)中的組裝（一）DNA的超螺旋結(jié)構(gòu)超螺旋結(jié)構(gòu)(superhelix

或supercoil)DNA雙螺旋鏈再盤(pán)繞即形成超螺旋結(jié)構(gòu)。正超螺旋(positive

supercoil)盤(pán)繞方向與DNA雙螺旋方同相同負(fù)超螺旋(negative

supercoil)盤(pán)繞方向與DNA雙螺旋方向相反意義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(guò)程具有關(guān)鍵作用。（二）原核生物DNA的高級(jí)結(jié)構(gòu)（三）DNA在真核生物細(xì)胞核內(nèi)的組裝真核生物染色體由DNA和蛋白質(zhì)構(gòu)成，其基本單位是核小體(nucleosome)。核小體的組成DNA：約200bp組蛋白：H1H2A，H2BH3H4三、DNA的功能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)。基因從結(jié)構(gòu)上定義，是指DNA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。第三節(jié)RNA的結(jié)構(gòu)與功能Structure

and

Function

of

RNARNA的種類、分布、功能胞漿小RNA細(xì)胞核和胞液

線粒體

功

能mtrRNAmttRNArRNAmRNAtRNAHnRNASnRNASnoRNAscRNA/7SL-RNA核蛋白體組分mtmRNA

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)別體的組分核蛋白體RNA信使RNA轉(zhuǎn)運(yùn)RNA核內(nèi)不均一RNA核內(nèi)小RNA核仁小RNA—、信使RNA的結(jié)構(gòu)與功能hnRNA內(nèi)含子

(intron)mRNA*

mRNA成熟過(guò)程外顯子(exon)目錄

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(niǎo)苷，同時(shí)第一個(gè)核苷酸的C′2也是甲基化，形成帽子結(jié)構(gòu)：m7GpppNm-。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)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*

mRNA的功能把DNA所攜帶的遺傳信息，按堿基互補(bǔ)配對(duì)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。DNAmRNA蛋白轉(zhuǎn)錄翻譯細(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翻譯蛋白原核細(xì)胞

真核細(xì)胞tRNA的一級(jí)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)含10~20%稀有堿基，如DHU3′末端為—CCA-OH5′末端大多數(shù)為G具有Ty

C二、轉(zhuǎn)運(yùn)RNA的結(jié)構(gòu)與功能NNHNHNNOCH3CH3NNNHNHNCH2

CH

CCH3CH3NHONH

OHHHHNHN,N二甲基鳥(niǎo)嘌呤N6-異戊烯腺嘌呤雙氫尿嘧啶SNH

O4-巰尿嘧啶稀有堿基*

tRNA的二級(jí)結(jié)構(gòu)——三葉草形氨基酸臂DHU環(huán)反密碼環(huán)額外環(huán)TΨC環(huán)氨基酸臂額外環(huán)tRNA的三級(jí)結(jié)構(gòu)——倒L形tRNA的功能活化、搬運(yùn)氨基酸到核糖體，參與蛋白質(zhì)的翻譯。三、核蛋白體RNA的結(jié)構(gòu)與功能rRNA的結(jié)構(gòu)rRNA的功能參與組成核蛋白體，作為蛋白質(zhì)生物合成的場(chǎng)所。*

rRNA的種類（根據(jù)沉降系數(shù)）真核生物5S

rRNA28S

rRNA5.8S

rRNA18S

rRNA原核生物5S

rRNA23S

rRNA16S

rRNA核蛋白體的組成原核生物（以大腸桿菌為例）真核生物（以小鼠肝為例）小亞基30S40SrRNA16S1542個(gè)核苷酸18S1874個(gè)核苷酸蛋白質(zhì)21種占總重量的40%33種占總重量的50%大亞基50S60SrRNA23S2940個(gè)核苷酸28S4718個(gè)核苷酸5S120個(gè)核苷酸5.85S5S160個(gè)核苷酸120個(gè)核苷酸蛋白質(zhì)31種占總重量的30%49種占總重量的35%核酸的理化性質(zhì)The

Physical

and

Chemical

Charactersof

Nucleic

Acid第四節(jié)目錄

DNA微溶于水，呈酸性，易溶于微堿性的溶液中，但不溶于有機(jī)溶劑，故常用乙醇來(lái)沉淀DNA。DNA分子很長(zhǎng)，溶液呈粘稠狀。DNA分子本身具有剛性，易受剪切力的作用。DNA易受DNA酶作用而降解。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)用目錄

二、DNA的變性(denaturation)定義：在某些理化因素作用下，DNA雙鏈解開(kāi)成兩條單鏈的過(guò)程。方法：過(guò)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。變性后其它理化性質(zhì)變化：OD260增高比旋度下降酸堿滴定曲線改變粘度下降浮力密度升高生物活性喪失目錄

DNA變性的本質(zhì)是雙鏈間氫鍵的斷裂例：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。目錄

熱變性解鏈曲線：如果在連續(xù)加熱DNA的過(guò)程中以溫度對(duì)A260（absorbance，A，A260代表溶液