第二章核酸的結(jié)構(gòu)與功能

第二章：核酸的結(jié)構(gòu)與功能核酸是以核苷酸為基本組成單位的一類重要的生物大分子，擔(dān)負(fù)著生命信息的儲(chǔ)存與傳遞。核酸是現(xiàn)代生物化學(xué)、分子生物學(xué)的重要研究領(lǐng)域，是基因工程操作的核心分子。核酸概述第一節(jié)核酸的化學(xué)組成一、核酸的研究發(fā)現(xiàn)史1869年，F(xiàn).Miescher從膿細(xì)胞核中分離得到一種酸性物質(zhì)，即現(xiàn)在被稱為核酸的物質(zhì)。核酸的發(fā)現(xiàn)為人類提出了解開生命之謎的鑰匙。1944年，OswaldAvery經(jīng)實(shí)驗(yàn)證實(shí)了DNA是遺傳的物質(zhì)基礎(chǔ)。1953年，Watson和Crick提出了DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)模型。

98％核中（染色體中）真核線粒體（mDNA）核外葉綠體（ctDNA）DNA擬核原核核外：質(zhì)粒（plasmid）病毒：DNA病毒二、核酸的分類與分布

核酸分為兩大類：脫氧核糖核酸DeoxyribonucleicAcid（DNA）核糖核酸RibonucleicAcid（RNA）RNA主要存在于細(xì)胞質(zhì)中

tRNA

rRNAmRNA

其它

RNA病毒：SARS三、核酸的基本化學(xué)組成核酸核苷酸核苷磷酸堿基（嘌呤堿和嘧啶堿）戊糖（核糖或脫氧核糖）元素組成：CHONP（9-10%）

核酸經(jīng)核酸酶水解產(chǎn)生核苷酸，核苷酸是核酸的基本組成單位，經(jīng)完全水解可產(chǎn)生嘌呤和嘧啶等堿性物質(zhì)、戊糖（核糖或脫氧核糖）和磷酸的混合物。組成核酸的戊糖有兩種。DNA所含的糖為β-D-2-脫氧核糖；RNA所含的糖則為β-D-核糖。（一）戊糖RiboseDeoxyribose（二）堿基1.嘌呤（Purine）123456978腺嘌呤AdenineA鳥嘌呤guanineG2.嘧啶（Pyrimidine）123456尿嘧啶uracilU胞嘧啶cytosineC胸腺嘧啶thymineT核酸中也存在一些不常見(jiàn)的稀有堿基。稀有堿基的種類很多，大部分是上述堿基的甲基化產(chǎn)物。假尿嘧啶（ψ）次黃嘌呤I黃嘌呤X二氫尿嘧啶DHU甲基化嘌呤mG、mA7-甲基鳥苷m7G（三）核苷（nucleoside）核苷戊糖+堿基

糖與堿基之間的C-N鍵，稱為C-N糖苷鍵1’2’3’4’5’(OH)1’2’3’4’5’(OH)AdenosineGuanosineCytidineUridine（四）核苷酸（nucleotide）

（脫氧）核苷酸（脫氧）核苷+磷酸

戊糖+堿基+磷酸

HHHHHHHHHC-5（五）核苷酸衍生物1.繼續(xù)磷酸化AMPADPATP在體內(nèi)能量代謝中的作用：ATP——能量“貨幣”UTP——參加糖的互相轉(zhuǎn)化與合成CTP——參加磷脂的合成GTP——參加蛋白質(zhì)和嘌呤的合成2.環(huán)化磷酸化

cAMP

cGMP（六）多聚核苷酸（核酸）多聚核苷酸是通過(guò)一個(gè)核苷酸的C3’-OH與另一分子核苷酸的5’-磷酸基形成3’,5’-磷酸二酯鍵相連而成的鏈狀聚合物。5’5’3’3’5′-磷酸端（常用5’-P表示）；3′-羥基端（常用3’-OH表示）多聚核苷酸鏈具有方向性，當(dāng)表示一個(gè)多聚核苷酸鏈時(shí)，必須注明它的方向是5′→3′或是3′→5′。多聚核苷酸的表示方式DNARNA5′PdAPdCPdGPdTOH3′5′PAPCPGPUOH′或5′ACGTGCGT3′5′ACGUAUGU3′

ACGTGCGTACGUAUGUT5’3’OHU5’3’OHOHOHOHOHDNA與RNA組成成分的區(qū)別第二節(jié)DNA的結(jié)構(gòu)與功能一、DNA的一級(jí)結(jié)構(gòu)指核酸分子中各種核苷酸排列的順序?？梢杂脡A基排列順序表示；連接鍵：3’，5’-磷酸二酯鍵；磷酸與戊糖順序相連形成主鏈骨架堿基形成側(cè)鏈核酸的方向性：從5’-末端至3’-末端；大小的表示：b/bp（basepair)DNA一級(jí)結(jié)構(gòu)的多樣性：4n。

二、DNA的二級(jí)結(jié)構(gòu)DNA的雙螺旋模型1953年，J.Watson和F.Crick在前人研究工作的基礎(chǔ)上，根據(jù)DNA結(jié)晶的X-衍射圖譜和分子模型，提出了著名的DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型，并對(duì)模型的生物學(xué)意義作出了科學(xué)的解釋和預(yù)測(cè)。DNA雙螺旋模型要點(diǎn)B型結(jié)構(gòu)1.兩條鏈反向平行，右手螺旋；2.堿基在內(nèi)（A＝T，G≡C）堿基平面垂直于螺旋軸；A+C=G+T3.戊糖在外，雙螺旋每轉(zhuǎn)一周包含10堿基對(duì)（bp），螺距3.54nm，直徑2.37nmA型結(jié)構(gòu)堿基平面傾斜20o，螺旋變粗變短，螺距2～3nm。Z型結(jié)構(gòu)左手螺旋，只有小溝2.0nm小溝大溝DNA雙螺旋的結(jié)構(gòu)參數(shù)類型旋轉(zhuǎn)方向螺旋直徑（nm）螺距（nm）每轉(zhuǎn)堿基對(duì)數(shù)目堿基對(duì)間垂直距離（nm）堿基對(duì)與水平面傾角A－DNAB－DNAZ－DNA右右左2.552.371.842.533.544.561110.4120.230.340.2720o0o7o維持雙螺旋穩(wěn)定的力

氫鍵：太弱（維持橫向穩(wěn)定）；

堿基堆積力：是由芳香族堿基π電子間的相互作用引起的，能形成疏水核心，是穩(wěn)定DNA最重要的因素（維持縱向穩(wěn)定）；

離子鍵：（減少雙鏈間的靜電斥力）；DNA變性劑（熱、pH、脲/酰胺、有機(jī)溶劑）DNA的存在形式三、DNA的高級(jí)結(jié)構(gòu)DNA雙螺旋的進(jìn)一步扭曲構(gòu)成高級(jí)結(jié)構(gòu)（超螺旋結(jié)構(gòu)）正超螺旋/負(fù)超螺旋原核雙鏈環(huán)狀DNA（dcDNA）病毒單鏈環(huán)狀DNA（scDNA）單鏈線性DNA（ssDNA）

真核雙鏈線性DNA（dsDNA）染色體包裝的結(jié)構(gòu)模型多級(jí)螺旋模型壓縮倍數(shù)76405（8400）

DNA→核小體→螺線管→超螺線管→染色單體2nm10nm30(10)nm400nm2~10μm

一級(jí)包裝二級(jí)包裝三級(jí)包裝四級(jí)包裝

第三節(jié)RNA的結(jié)構(gòu)與功能一、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)堿基組成A、G、C、U（A＝U/G≡C）稀有堿基較多，穩(wěn)定性較差，易水解多為單鏈結(jié)構(gòu)，少數(shù)局部形成螺旋分子較小分類mRNA（hnRNA

核不均一RNA）tRNA

rRNA（snRNA/asRNA）少數(shù)RNA病毒二、tRNA是蛋白質(zhì)合成的氨基酸載體占RNA總量的15％一種氨基酸對(duì)應(yīng)最少一種RNA大約由70－90個(gè)核苷酸組成。結(jié)構(gòu)特征：1.四臂四環(huán)；2.氨基酸臂3′端有CCA-OH的共有結(jié)構(gòu)；3.D環(huán)上有二氫尿嘧啶（DHU）；4.反密碼環(huán)上的反密碼子與mRNA相互作用；5.可變環(huán)上的核苷酸數(shù)目可以變動(dòng)；6.TψC環(huán)含有T和ψ；7.含有稀有堿基。tRNA的三級(jí)結(jié)構(gòu)核蛋白體的組成核蛋白體亞單位rRNA蛋白質(zhì)原核生物(70S)小亞基(30S)大亞基(50S)16SrRNA5SrRNA23SrRNA21種rpS36種rpL真核生物(80S)小亞基(40S)大亞基(60S)18SrRNA5.8SrRNA5SrRNA28SrRNA33種49種三、以rRNA為組分的核糖體是蛋白質(zhì)合成的場(chǎng)所占RNA總量的80％核蛋白體的組成原核生物翻譯過(guò)程中核蛋白體結(jié)構(gòu)模式A位（受位）：氨基酰位(aminoacylsite)P位（給位）：肽酰位(peptidylsite)E位：排出位(exitsite)真核生物核糖體只有兩個(gè)位點(diǎn)四、mRNA和hnRNA占細(xì)胞總RNA的3％～5％（最少），壽命最短但種類最多。結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：真核細(xì)胞mRNA的3‘-末端有一段長(zhǎng)達(dá)200個(gè)核苷酸左右的多聚腺苷酸(polyA)，稱為“尾結(jié)構(gòu)”；5’-末端有一個(gè)甲基化的鳥苷酸，稱為“帽結(jié)構(gòu)”；由編碼區(qū)和非編碼區(qū)構(gòu)成；攜帶遺傳密碼子，是蛋白質(zhì)合成的模板。5’加帽(m7GpppGp—)ppi5’pppGC…磷酸酶pi5’ppGC…pppG5’GpppGC甲基化酶＋CH3m7GpppGCOHOH帽1帽0帽2NNNNOH2NCH3+OHHCH2HOPOPOPOPPPN1N2N3OOHOOHOOHOCH3OCH32'OH79H7-甲基鳥苷5’，5’-三磷酸5’-5’磷酸鍵TTATTTCACACAC-----AAUAAAGUGUGUGAAUAAAGUGUGUG酶切加尾信號(hào)GT豐富序列TTATTTCACACAC-----AAUAAAGUGUGUG酶切(繼續(xù)轉(zhuǎn)錄，但5’端沒(méi)有“帽子”，產(chǎn)物被降解）加尾3’加尾

mRNA上存在遺傳密碼mRNA分子上從5

至3

方向，由AUG開始，每3個(gè)相鄰核苷酸為一組，決定肽鏈上某一個(gè)氨基酸或蛋白質(zhì)合成的起始、終止信號(hào)，稱為三聯(lián)體密碼(tripletcoden)。起始密碼(initiationcoden):AUG終止密碼(terminationcoden):UAA，UAG，UGA61組密碼編碼20種氨基酸（有意義密碼）數(shù)量：64（43）從mRNA5

端起始密碼子AUG到3

端終止密碼子之間的核苷酸序列，稱為開放閱讀框架(openreadingframe,ORF)。通常的ORF包含500個(gè)以上的密碼子。外顯子內(nèi)含子DNAmRNA轉(zhuǎn)錄形成套索RNA，外顯子靠近剪接體去除套索RNA，外顯子連接成熟mRNAmRNA的剪接五、snmRNA分類：snRNA

（smallnucleicRNA核內(nèi)小RNA）snoRNA(smallnucleolarRNA核仁小RNA）scRNA

（smallcytoplasmicRNA）asRNA

（antisenseRNA）可通過(guò)互補(bǔ)序列與特定的mRNA結(jié)合，抑制mRNA的翻譯，還可抑制DNA的復(fù)制和轉(zhuǎn)錄。催化性小RNA（核酶）小片段干擾RNA功能：參與轉(zhuǎn)錄后加工修飾及基因表達(dá)調(diào)控。1981年，Cech發(fā)現(xiàn)RNA的催化活性，提出核酶（ribozyme）。大部分核酶參加RNA的降解、加工和成熟，也能催化C-N鍵的合成。RNA在DNA復(fù)制、轉(zhuǎn)錄、翻譯中均有一定的調(diào)控作用，與某些物質(zhì)的運(yùn)輸與定位有關(guān)。核酶的功能六、核酸在真核生物和原核生物表現(xiàn)出不同的時(shí)空特性時(shí)間特異性：空間特異性：第四節(jié)核酸的性質(zhì)一、一般的理化性質(zhì)兩性解離/一般呈酸性（在中性溶液中帶負(fù)電荷），微溶于水，不溶于有機(jī)溶劑DNA為白色纖維狀固體，RNA為白色粉末。DNA溶液的粘度極高，而RNA溶液要小得多?？捎秒娪净螂x子交換（色譜）進(jìn)行分離室溫條件下，DNA在堿中變性，但不水解，RNA水解加熱條件下，D－核糖＋濃鹽酸＋苔黑酚綠色

D－2－脫氧核糖＋酸