分子生物學(xué)講座1-核酸的結(jié)構(gòu)和功能

分子生物學(xué)競賽輔導(dǎo)講座之

分子生物學(xué)概念及研究內(nèi)容廣義:研究蛋白質(zhì)及核酸等生物大分子結(jié)構(gòu)和功能，也就是從分子水平闡明生命現(xiàn)象和生物學(xué)規(guī)律。

狹義:偏重于核酸(或基因)的分子生物學(xué)，主要研究基因或DNA的復(fù)制、轉(zhuǎn)錄、表達(dá)和調(diào)節(jié)控制等過程，也涉及這些過程中有關(guān)的蛋白質(zhì)和酶的結(jié)構(gòu)與功能的研究。一核酸的研究歷史和重要性二核酸的分類和基本結(jié)構(gòu)單位—核苷酸三DNA的分子結(jié)構(gòu)四RNA的分子結(jié)構(gòu)五核酸的某些理化性質(zhì)及核酸研究常用技術(shù)

第一章核酸的結(jié)構(gòu)與功能

一、核酸的研究歷史1869

Miescher從膿細(xì)胞的細(xì)胞核中分離出了一種含磷酸的有機(jī)物，當(dāng)時(shí)稱為核素（nuclein）,后稱為核酸（nucleicacid）1944Avery

等通過肺炎球菌轉(zhuǎn)化試驗(yàn)證明DNA是遺傳物質(zhì)1953

Watson和Crick提出DNA結(jié)構(gòu)的雙螺旋模型1958

Crick提出遺傳信息傳遞的中心法則70年代建立DNA重組技術(shù)80年代以后分子生物學(xué)、分子遺傳學(xué)等學(xué)科突飛猛進(jìn)發(fā)展，實(shí)施人類基因組計(jì)劃（HGP）

二、核酸分類和分布1、脫氧核糖核酸（deoxyribonucleicacid,DNA）:遺傳信息的貯存和攜帶者，生物的主要遺傳物質(zhì)。（1）有DNA的生物，DNA是遺傳物質(zhì)。所有的原核、真核生物，DNA病毒（2）RNA病毒，RNA是遺傳物質(zhì)。如：TMV、HRV、HIV、SARS病毒、禽流感病毒等在真核細(xì)胞中，DNA主要集中在細(xì)胞核內(nèi)的染色體上（每條染色體上含1個(gè)DNA分子，線粒體和葉綠體中均含有少量的DNA。原核細(xì)胞沒有真正的細(xì)胞核，DNA存在于擬核。每個(gè)原核細(xì)胞擬核中只有一個(gè)DNA分子。某些細(xì)菌細(xì)胞中擬核DNA外還含有質(zhì)粒DNA。

2、核糖核酸（ribonucleicacid,RNA）：主要參與遺傳信息的傳遞和表達(dá)過程，細(xì)胞內(nèi)的RNA主要存在于細(xì)胞質(zhì)中，少量存在于細(xì)胞核中。RNA病毒中RNA本身就是遺傳信息的儲存者。另外在植物中還發(fā)現(xiàn)了一類比病毒還小得多的侵染性致病因子稱為類病毒，它是不含蛋白質(zhì)的游離的RNA分子，還發(fā)現(xiàn)有些RNA具生物催化作用（核酶ribozyme）。2005安徽預(yù)賽

71、下列有關(guān)“DNA是生物的主要遺傳物質(zhì)”的敘述，正確的是（）

A.所有生物的遺傳物質(zhì)都是DNA

B.真核生物、原核生物、病毒中有的種類的遺傳物質(zhì)是DNA,少部分病毒的遺傳物質(zhì)是RNA或其他物質(zhì)

C.動物、植物、真菌的遺傳物質(zhì)是DNA,除此以外的其他生物遺傳物質(zhì)是RNA

D.真核生物、原核生物的遺傳物質(zhì)是DNA，其他生物的遺傳物質(zhì)是RNA

B2005全國多選：9．病毒的特點(diǎn)是：A．可采用光學(xué)顯微鏡觀察病毒的形態(tài)特征B．病毒不能產(chǎn)生ATP，不能獨(dú)立進(jìn)行各種生命過程C．病毒毒粒內(nèi)含有DNA和RNAD．病毒能通過細(xì)菌濾器E．沒有細(xì)胞結(jié)構(gòu)BDE三、核酸的基本結(jié)構(gòu)單位—核苷酸1核酸分子中核苷酸的化學(xué)組成與命名(1)堿基、核苷、核苷酸的概念和關(guān)系

(2)

常見堿基的結(jié)構(gòu)與命名法

(3)

常見（脫氧）核苷酸的基本結(jié)構(gòu)與命名(4)稀有核苷酸2細(xì)胞內(nèi)游離核苷酸及其衍生物核苷酸=五碳糖+含氮堿基+磷酸核糖核苷酸=核糖+含氮堿基+磷酸脫氧核糖核苷酸=脫氧核糖+含氮堿基+磷酸5′-磷酸核苷酸的基本結(jié)構(gòu)OO（N=A、G、C、U、T）HH(O)H1′2′NOHCH2HH5′4′3′PO-OOO-

-2’-deoxyribose核糖和脫氧核糖Pyrimidines嘧啶Purines嘌呤Uracil(U)堿基、核苷、核苷酸的概念和關(guān)系

NitrogenousbasePentosesugarHOCH2HOHDoxyribose(inDNA)HOCH2HOOHRibose(inRNA)PhosphatePyrimidinesCytosineThymineUracilCUTPurihesAdenineGuanineAGPPPPPPPP常見（脫氧）核苷酸的結(jié)構(gòu)和命名鳥嘌呤核苷酸（GMP）尿嘧啶核苷酸（UMP）胞嘧啶核苷酸（CMP）腺嘌呤核苷酸（AMP）腺嘌呤脫氧核苷酸（dAMP）鳥嘌呤脫氧核苷酸（dGMP）胞嘧啶脫氧核苷酸（dCMP）胸腺嘧啶脫氧核苷酸（dTMP）幾種稀有核苷假尿苷（

）二氫尿嘧啶（DHU）AmCH3CH3H3Cm26GHH5細(xì)胞內(nèi)游離核苷酸及其衍生物

多磷酸核苷酸

環(huán)核苷酸

5′-NMP5′-NDP5′-NTPN=A、G、C、U

5′-dNMP5′-dNDP5′-dNTPN=A、G、C、T腺苷酸及其多磷酸化合物

AMPAdenosine

monophosphate

ADPAdenosine

diphosphate

ATPAdenosine

triphosphateOPOOHOA(G)OOOHCH2HHHHcAMP(cGMP)的結(jié)構(gòu)

Cyclicadenylie(Guanine)acid四DNA的分子結(jié)構(gòu)

（一）DNA一級結(jié)構(gòu)（二）DNA的二級結(jié)構(gòu)（三）DNA的三級結(jié)構(gòu)（一）DNA的一級結(jié)構(gòu)

DNA分子中各脫氧核苷酸之間的連接方式（3′-5′磷酸二酯鍵）和排列順序叫做DNA的一級結(jié)構(gòu)，簡稱為堿基序列。一級結(jié)構(gòu)的方向的規(guī)定為5′→3′。不同的DNA分子具有不同的核苷酸排列順序，因此攜帶有不同的遺傳信息。

一級結(jié)構(gòu)的表示法結(jié)構(gòu)式，線條式，字母式

一級結(jié)構(gòu)測定5′3′5′5′3′3′-5′磷酸二酯鍵3′5′5′3′3′5′TTT

DNA一級結(jié)構(gòu)5′3′OHOHOH5′3′RNA一級結(jié)構(gòu)DNA一級結(jié)構(gòu)的表示法5′3′結(jié)構(gòu)式5′3′

p

p

p

pOH3′ACTG1′線條式5′

ACTGCATAGCTCGA3′字母式（二）DNA的二級結(jié)構(gòu)

（1）DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)(Watson-Crick模型)

DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)特征及意義（2）DNA雙螺旋的多態(tài)性DNA的二級結(jié)構(gòu)(Watson-Crick模型)：1953年，（美）沃森和（英）克里克共同提出DNA分子的雙螺旋結(jié)構(gòu)模型DNA的雙螺旋模型特點(diǎn)

兩條反向平行的多聚核苷酸鏈沿一個(gè)假設(shè)的中心軸右旋相互盤繞而形成。

磷酸和脫氧核糖單位作為不變的骨架組成位于外側(cè)，作為可變成分的堿基位于內(nèi)側(cè)，鏈間堿基按A—T，G—C配對（堿基互補(bǔ)配對原則，Chargaff定律）

螺旋直徑2nm，相鄰堿基平面垂直距離0.34nm,螺旋結(jié)構(gòu)每隔10個(gè)堿基對（basepair,bp）重復(fù)一次，間隔為3.4nm

大溝和小溝：雙螺旋表面形成一條寬的大溝和窄的小溝，大溝是蛋白質(zhì)結(jié)合特異DNA的區(qū)域，對于蛋白質(zhì)識別特異信息很重要。5′5′5′5′3′3′3′3′DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)的形成5′3′5′3′5′3′5′3′磷酸核糖堿基DNA相關(guān)計(jì)算①在整個(gè)DNA分子中，A=T、G=C；

A+G=T+C，A+C=T+G；(A+G）/（T+C）=1②兩個(gè)非配對堿基之和占堿基總數(shù)的50%。即

A+C=T+G=50%，A+G=T+C=50%③

A1+T1%=A2+T2%=總A+T%G1+C1%=G2+C2%=總G+C%

氫鍵

堿基堆集力

磷酸基上負(fù)電荷被胞內(nèi)組蛋白或正離子中和

堿基處于疏水環(huán)境中DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)穩(wěn)定因素

（2）DNA雙螺旋的不同構(gòu)象

ABZMiMaMaMiMiMa12三種DNA雙螺旋構(gòu)象比較AB

Z外型粗短適中細(xì)長螺旋方向右手右手左手螺旋直徑2.55nm2.37nm1.84nm堿基直升0.23nm0.34nm0.38nm堿基夾角32.7034.6060.00每圈堿基數(shù)1110.412軸心與堿基對關(guān)系2.46nm3.32nm4.56nm堿基傾角1901090大溝很窄很深很寬較深平坦小溝很寬、淺窄、深較窄很深DNA雙螺旋構(gòu)象的類型A-DNAZ-DNAB-DNA2005全國1．關(guān)于DNA分子的構(gòu)象，以下哪些說法是正確的？A.DNA二級結(jié)構(gòu)（雙螺旋）主要具有A、B、D、E、Z等構(gòu)象B.B型是右手螺旋，其它是左手螺旋C．活細(xì)胞中B型最多，且穩(wěn)定不變D．細(xì)胞中A、B、Z型等都可能存在，在一定的生理?xiàng)l件下發(fā)生部分變構(gòu)E．不同的構(gòu)象轉(zhuǎn)錄活性不一樣，A型最高AD

（三）DNA的高級結(jié)構(gòu)

在細(xì)胞內(nèi)，由于DNA分子與其它分子（主要是蛋白質(zhì)）的相互作用，使DNA雙螺旋進(jìn)一步扭曲形成的高級結(jié)構(gòu).實(shí)例：超螺旋

染色體（chromosome）

DNA超螺旋結(jié)構(gòu)的形成

真核生物的染色體DNA的念珠狀結(jié)構(gòu)D61．下列哪項(xiàng)不是染色體組成的要素：A.DNA復(fù)制起始點(diǎn)B．端粒C．著絲粒D．啟動子2005全國核小體盤繞及染色質(zhì)示意圖146bp組蛋白核心：八聚體

組蛋白組蛋白類型堿性氨基酸氨基酸數(shù)分子量（Da）LysArgH129%1%21523,000H2A11%9%12913,960H2B16%6%12513,775H310%13%13515,340H411%14%10211,280表12－2小牛胸腺DNA的組蛋白的特點(diǎn)組蛋白與DNA的結(jié)合146bp組蛋白核心：八聚體真核生物染色體DNA組裝不同層次的結(jié)構(gòu)

DNA（2nm）核小體鏈（11nm，平均每個(gè)核小體200bp）纖絲（30nm，每圈6個(gè)核小體）突環(huán)（150nm，每個(gè)突環(huán)大約75000bp）玫瑰花結(jié)（300nm，6個(gè)突環(huán)）螺旋圈（700nm，每圈30個(gè)玫瑰花）染色體（1400nm，每個(gè)染色單體含10個(gè)螺旋圈）2005全國5．原核細(xì)胞與真核細(xì)胞相同的特性是：A．均含有環(huán)狀DNAB．均含有線狀DNAC．染色體的基本單位是核小體D．均含有作為蛋白質(zhì)合成的機(jī)器-----核糖體ADB、

RNA的分子結(jié)構(gòu)

（一）RNA一級結(jié)構(gòu)和類別（二）tRNA的分子結(jié)構(gòu)（三）rRNA的分子結(jié)構(gòu)（四）mRNA的分子結(jié)構(gòu)（一）RNA的一級結(jié)構(gòu)和分類

RNA分子中各核苷酸之間的連接方式（3′-5′磷酸二酯鍵）和排列順序叫做RNA的一級結(jié)構(gòu)OHOHOH5′3′

RNA與DNA的差異

DNARNA五碳糖脫氧核糖核糖堿基AGCTAGCU不含稀有堿基含稀有堿基RNA的分類

信使RNA（messengerRNA，mRNA）：在蛋白質(zhì)合成中起模板作用；核糖體RNA（ribosoalRNA，rRNA）：與蛋白質(zhì)結(jié)合構(gòu)成核糖體（ribosome）,核糖體是蛋白質(zhì)合成的場所；

轉(zhuǎn)運(yùn)RNA（transforRNA，tRNA）：在蛋白質(zhì)合成時(shí)起著攜帶活化氨基酸的作用。其它：小RNA(smallRNA,sRNA)：例snRNA（核內(nèi)小RNA）

反義RNA(antisenseRNA)

核酶（ribozyme）

（二）tRNA的結(jié)構(gòu)二級結(jié)構(gòu)特征：單鏈

三葉草形四臂四環(huán)三級結(jié)構(gòu)特征：在二級結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上進(jìn)一步折疊扭曲形成倒L型酵母tRNAAla

的二級結(jié)構(gòu)

DHU環(huán)IGC反密碼子反密碼環(huán)氨基酸臂可變環(huán)TψC環(huán)CCAAla3′5′tRNA的三級結(jié)構(gòu)

（三）rRNA的分子結(jié)構(gòu)特征：

單鏈，螺旋化程度較tRNA低

與蛋白質(zhì)組成核糖體后方能發(fā)揮其功能5sRNA的二級結(jié)構(gòu)

（四）mRNA的分子結(jié)構(gòu)原核生物mRNA特征：先導(dǎo)區(qū)+翻譯區(qū)（多順反子）+末端序列真核生物mRNA特征：“帽子”（m7G-5′ppp5′-N-3′p）+單順反子+“尾巴”（PolyA）

單鏈原核細(xì)胞mRNA的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)5′3′順反子順反子順反子插入順序插入順序先導(dǎo)區(qū)末端順序真核細(xì)胞mRNA的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)AAAAAAA-OH5′

“帽子”PolyA

3′

順反子m7G-5′ppp-N-3′p五核酸的某些理化性質(zhì)（一）核酸的紫外吸收特性（λmax=260nm）（二）核酸的變性、復(fù)性和分子雜交DNA的紫外吸收光譜天然DNA變性DNA核苷酸總吸收值1232202402602800.10.20.30.4波長（nm）光吸收123（一）核酸的紫外吸收特性（λmax=260nm）（二）核酸的變性、復(fù)性和雜交變性（加熱）探針雜交（緩慢