核酸的結(jié)構(gòu)與功能

核酸的結(jié)構(gòu)與功能核酸的結(jié)構(gòu)與功能第1頁(yè)核酸與蛋白質(zhì)一樣，是一切生物機(jī)體不可缺乏組成個(gè)別。核酸是生命遺傳信息攜帶者和傳遞者，它不但對(duì)于生命延續(xù)，生物物種遺傳特征保持，生長(zhǎng)發(fā)育，細(xì)胞分化等起著主要作用，而且與生物變異，如腫瘤、遺傳病、代謝病等也親密相關(guān)。所以，核酸是當(dāng)代生物化學(xué)、分子生物學(xué)和醫(yī)學(xué)主要基礎(chǔ)之一。核酸的結(jié)構(gòu)與功能第2頁(yè)核酸與遺傳早在1868年，F(xiàn).Miescher從細(xì)胞核中分離得到一個(gè)酸性物質(zhì)，即現(xiàn)在被稱為核酸物質(zhì)。1939年，E.Knapp等第一次用試驗(yàn)方法證實(shí)核酸是生命遺傳基礎(chǔ)物質(zhì)。核酸的結(jié)構(gòu)與功能第3頁(yè)第一節(jié)核酸分類和組成核酸分為兩大類.脫氧核糖核酸（DNA）DeoxyribonucleicAcid核糖核酸（RNA）RibonucleicAcid。一、核酸分類核酸的結(jié)構(gòu)與功能第4頁(yè)DNA分子含有生物物種全部遺傳信息，分子量普通都很大。DNA為雙鏈分子，其中大多數(shù)是鏈狀結(jié)構(gòu)大分子，也有少個(gè)別呈環(huán)狀結(jié)構(gòu)。脫氧核糖核酸（DNA）核酸的結(jié)構(gòu)與功能第5頁(yè)核糖核酸（RNA）RNA主要是負(fù)責(zé)DNA遺傳信息翻譯和表示，分子量要比DNA小得多。RNA為單鏈分子。核酸的結(jié)構(gòu)與功能第6頁(yè)RNA類別依據(jù)RNA功效，能夠分為mRNA、tRNA和rRNA三種。核酸的結(jié)構(gòu)與功能第7頁(yè)mRNA(信使RNA)約占總RNA5%。不一樣細(xì)胞mRNA鏈長(zhǎng)和分子量差異很大。它功效是將DNA遺傳信息傳遞到蛋白質(zhì)合成基地–

核糖核蛋白體。MessengerRNA核酸的結(jié)構(gòu)與功能第8頁(yè)tRNA(轉(zhuǎn)移RNA)約占總RNA10-15%。它在蛋白質(zhì)生物合成中起翻譯氨基酸信息，并將對(duì)應(yīng)氨基酸轉(zhuǎn)運(yùn)到核糖核蛋白體作用。已知每一個(gè)氨基酸最少有一個(gè)對(duì)應(yīng)tRNA。RNA分子大小很相同，鏈長(zhǎng)普通在73-78個(gè)核苷酸之間。TransferRNA核酸的結(jié)構(gòu)與功能第9頁(yè)rRNA(核糖體RNA)約占全部RNA80%，是核糖核蛋白體主要組成個(gè)別。rRNA功效與蛋白質(zhì)生物合成相關(guān)。RibosomeRNA核酸的結(jié)構(gòu)與功能第10頁(yè)二核酸化學(xué)組成核酸（DNA和RNA）是一個(gè)線性多聚核苷酸，它基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)單元是核苷酸。核苷酸本身由核苷和磷酸組成,而核苷則由戊糖和堿基形成DNA與RNA結(jié)構(gòu)相同，但在組成成份上略有不一樣。核酸的結(jié)構(gòu)與功能第11頁(yè)核酸的結(jié)構(gòu)與功能第12頁(yè)1．核苷酸（1）組成核酸堿基腺嘌呤Adenine核酸的結(jié)構(gòu)與功能第13頁(yè)1．核苷酸（1）組成核酸堿基鳥嘌呤guanine核酸的結(jié)構(gòu)與功能第14頁(yè)1．核苷酸（1）組成核酸堿基尿嘧啶uracil核酸的結(jié)構(gòu)與功能第15頁(yè)1．核苷酸（1）組成核酸堿基胞嘧啶cytosine核酸的結(jié)構(gòu)與功能第16頁(yè)1．核苷酸（1）組成核酸堿基胸腺嘧啶thymine核酸的結(jié)構(gòu)與功能第17頁(yè)1．核苷酸堿基結(jié)構(gòu)特征堿基都含有芳香環(huán)結(jié)構(gòu)特征。嘌呤環(huán)和嘧啶環(huán)均呈平面或靠近于平面結(jié)構(gòu)。堿基芳香環(huán)與環(huán)外基團(tuán)能夠發(fā)生酮式—烯醇式或胺式—亞胺式互變異構(gòu)。核酸的結(jié)構(gòu)與功能第18頁(yè)胺式

亞胺式互變異構(gòu)核酸的結(jié)構(gòu)與功能第19頁(yè)酮式烯醇式互變異構(gòu)核酸的結(jié)構(gòu)與功能第20頁(yè)1．核苷酸堿基結(jié)構(gòu)特征嘌呤堿和嘧啶堿分子中都含有共軛雙鍵體系，在紫外區(qū)有吸收（260nm左右）。核酸的結(jié)構(gòu)與功能第21頁(yè)1．核苷酸（2）戊糖組成核酸戊糖有兩種。DNA所含糖為β-D-2-脫氧核糖；RNA所含糖則為β-D-核糖。核酸的結(jié)構(gòu)與功能第22頁(yè)1．核苷酸（3）核苷nucleoside糖與堿基之間C-N鍵，稱為C-N糖苷鍵。核酸的結(jié)構(gòu)與功能第23頁(yè)1．核苷酸（4）核苷酸nucleotide核苷酸是核苷磷酸酯。作為DNA或RNA結(jié)構(gòu)單元核苷酸分別是5′-磷酸-脫氧核糖核苷和5′-磷酸-核糖核苷。核酸的結(jié)構(gòu)與功能第24頁(yè)1．核苷酸(5)修飾成份核酸中也存在一些不常見稀有堿基。稀有堿基種類很多，大個(gè)別是上述堿基甲基化產(chǎn)物。核酸的結(jié)構(gòu)與功能第25頁(yè)2．核苷酸衍生物ATP是生物體內(nèi)分布最廣和最主要一個(gè)核苷酸衍生物。它結(jié)構(gòu)以下：（1）ATP(腺嘌呤核糖核苷三磷酸)核酸的結(jié)構(gòu)與功能第26頁(yè)ATP性質(zhì)ATP分子最顯著特點(diǎn)是含有兩個(gè)高能磷酸鍵。ATP水解時(shí),能夠釋放出大量自由能。ATP是生物體內(nèi)最主要能量轉(zhuǎn)換中間體。ATP水解釋放出來(lái)能量用于推進(jìn)生物體內(nèi)各種需能生化反應(yīng)。ATP也是一個(gè)很好磷?；瘎?。磷?；磻?yīng)底物能夠是普通有機(jī)分子，也能夠是酶。磷酰化底物分子含有較高能量（活化分子），是許多生物化學(xué)反應(yīng)激活步驟。核酸的結(jié)構(gòu)與功能第27頁(yè)

(2)GTP(鳥嘌呤核糖核苷三磷酸)GTP是生物體內(nèi)游離存在另一個(gè)主要核苷酸衍生物。它含有ATP類似結(jié)構(gòu),也是一個(gè)高能化合物。GTP主要是作為蛋白質(zhì)合成中磷?；w。在許多情況下,ATP和GTP能夠相互轉(zhuǎn)換。

核酸的結(jié)構(gòu)與功能第28頁(yè)（3）cAMP和cGMPcAMP(3’,5’-環(huán)腺嘌呤核苷一磷酸)和cGMP(3’,5’-環(huán)鳥嘌呤核苷一磷酸)主要功效是作為細(xì)胞之間傳遞信息信使。cAMP和cGMP環(huán)狀磷酯鍵是一個(gè)高能鍵。在pH7.4條件下,cAMP和cGMP水解能約為43.9kj/mol，比ATP水解能高得多。核酸的結(jié)構(gòu)與功能第29頁(yè)3．多聚核苷酸多聚核苷酸是經(jīng)過核苷酸5’-磷酸基與另一分子核苷酸C3’-OH形成磷酸二酯鍵相連而成鏈狀聚合物。由脫氧核糖核苷酸聚合而成稱為DNA鏈；由核糖核苷酸聚合而成則稱為RNA鏈。核酸的結(jié)構(gòu)與功能第30頁(yè)多聚核苷酸特點(diǎn)在多聚核苷酸中，兩個(gè)核苷酸之間形成磷酸二酯鍵通常稱為5′—3′磷酸二酯鍵。多聚核苷酸鏈一端C5′帶有一個(gè)自由磷酸基，稱為5′-磷酸端（常見5’-P表示）；另一端C3’帶有自由羥基，稱為3′-羥基端（常見3’-OH表示）。多聚核苷酸鏈含有方向性，當(dāng)表示一個(gè)多聚核苷酸鏈時(shí)，必須注明它方向是5′→3′或是3′→5′。核酸的結(jié)構(gòu)與功能第31頁(yè)方向性在多聚核苷酸（DNA或RNA）鏈中，因?yàn)榻M成核苷酸單元戊糖和磷酸基是相同，表達(dá)核苷酸差異實(shí)際上只是它所帶堿基，所以多聚核苷酸鏈結(jié)構(gòu)也可表示為：核酸的結(jié)構(gòu)與功能第32頁(yè)在討論相關(guān)核酸問題時(shí)，普通只關(guān)心其中堿基種類和次序，所以上式能夠深入簡(jiǎn)化為：5′PAPCPGPCPTPGPTPA3′

或5′ACGCTGTA3′核酸的結(jié)構(gòu)與功能第33頁(yè)第二節(jié)核酸一級(jí)結(jié)構(gòu)多聚核苷酸是由四種不一樣核苷酸單元按特定次序組合而成線性結(jié)構(gòu)聚合物，所以，它含有一定核苷酸次序，即堿基次序。核酸堿基次序是核酸一級(jí)結(jié)構(gòu)。DNA堿基次序本身就是遺傳信息存放分子形式。生物界物種多樣性即寓于DNA分子中四種核苷酸千變?nèi)f化不一樣排列組合之中。而mRNA(信息RNA)堿基次序，則直接為蛋白質(zhì)氨基酸編碼，并決定蛋白質(zhì)氨基酸次序。核酸的結(jié)構(gòu)與功能第34頁(yè)第三節(jié)DNA空間結(jié)構(gòu)與功效1953年，J.Watson和F.Crick在前人研究工作基礎(chǔ)上，依據(jù)DNA結(jié)晶X-衍射圖譜和分子模型，提出了著名DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型，并對(duì)模型生物學(xué)意義作出了科學(xué)解釋和預(yù)測(cè)。核酸的結(jié)構(gòu)與功能第35頁(yè)1．DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)特點(diǎn)DNA分子由兩條DNA單鏈組成。DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)是分子中兩條DNA單鏈之間基團(tuán)相互識(shí)別和作用結(jié)果。雙螺旋結(jié)構(gòu)是DNA二級(jí)結(jié)構(gòu)最基礎(chǔ)形式。核酸的結(jié)構(gòu)與功能第36頁(yè)DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)關(guān)鍵點(diǎn)（1）DNA分子由兩條多聚脫氧核糖核苷酸鏈(簡(jiǎn)稱DNA單鏈)組成。兩條鏈沿著同一根軸平行盤繞，形成右手雙螺旋結(jié)構(gòu)。螺旋中兩條鏈方向相反，即其中一條鏈方向?yàn)?′→3′，而另一條鏈方向?yàn)?′→5′。核酸的結(jié)構(gòu)與功能第37頁(yè)（2）嘌呤堿和嘧啶堿基位于螺旋內(nèi)側(cè)，磷酸和脫氧核糖基位于螺旋外側(cè)。堿基環(huán)平面與螺旋軸垂直。DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)關(guān)鍵點(diǎn)核酸的結(jié)構(gòu)與功能第38頁(yè)（3）螺旋直徑約為2nm，螺旋每旋轉(zhuǎn)一周包含10對(duì)堿基，每個(gè)堿基旋轉(zhuǎn)角度為36度。螺距為3.4nm，每個(gè)堿基平面之間距離為0.34nmDNA雙螺旋結(jié)構(gòu)關(guān)鍵點(diǎn)核酸的結(jié)構(gòu)與功能第39頁(yè)DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)關(guān)鍵點(diǎn)（4）維系DNA雙螺旋穩(wěn)定化學(xué)鍵：橫向是氫鍵。A和T之間形成兩個(gè)氫鍵，G與C之間形成三個(gè)氫鍵。縱向是堿基平面間疏水性堆積力。核酸的結(jié)構(gòu)與功能第40頁(yè)原核生物DNA高級(jí)結(jié)構(gòu)真核生物DNA高級(jí)結(jié)構(gòu)2．DNA超螺旋結(jié)構(gòu)核酸的結(jié)構(gòu)與功能第41頁(yè)DNA存在形式核酸的結(jié)構(gòu)與功能第42頁(yè)3．DNA功效復(fù)制模板轉(zhuǎn)錄模板核酸的結(jié)構(gòu)與功能第43頁(yè)tRNA一級(jí)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)tRNA分子含有以下特點(diǎn)：是分子量最小一類核酸。大約由70－90個(gè)核苷酸組成。分子中含有較多稀有堿基3'-末端都含有CCA結(jié)構(gòu)。第四節(jié)RNA結(jié)構(gòu)與功效核酸的結(jié)構(gòu)與功能第44頁(yè)mRNA一級(jí)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)真核細(xì)胞mRNA3‘-末端有一段長(zhǎng)達(dá)200個(gè)核苷酸左右聚腺苷酸(polyA)，稱為“尾結(jié)構(gòu)”，5’-末端有一個(gè)甲基化鳥苷酸，稱為”帽結(jié)構(gòu)“。核酸的結(jié)構(gòu)與功能第45頁(yè)極大多數(shù)真核細(xì)胞mRNA在3‘-末端有一段長(zhǎng)約200核苷酸polyA。polyA是在轉(zhuǎn)錄后經(jīng)polyA聚合酶作用而添加上去。原核生物mRNA普通無(wú)polyA，但一些病毒mBNA也有3’-polyA,polyA可能有多方面功效,與mRNA從細(xì)胞核到細(xì)胞質(zhì)轉(zhuǎn)移相關(guān)；與mRNA半壽期相關(guān)，新合成mRNA,．polyA鏈較長(zhǎng)，而衰老mRNA，polyA鏈縮短核酸的結(jié)構(gòu)與功能第46頁(yè)rRNA真核生物rRNA有四類：5SrRNA，5.8SrRNA，18SrRNA，28SRNA；原核生物rRNA有三類：5SrRNA，16SrRNA，23SrRNA.核酸的結(jié)構(gòu)與功能第47頁(yè)RNA高級(jí)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)RNA是單鏈分子，所以，在RNA分子中，并不恪守堿基種類數(shù)量百分比關(guān)系，即分子中嘌呤堿基總數(shù)不一定等于嘧啶堿基總數(shù)。RNA分子中，個(gè)別區(qū)域也能形成雙螺旋結(jié)構(gòu)，不能形成雙螺旋個(gè)別，則形成突環(huán)。這種結(jié)構(gòu)能夠形象地稱為“發(fā)夾型”結(jié)構(gòu)。核酸的結(jié)構(gòu)與功能第48頁(yè)在RNA雙螺旋結(jié)構(gòu)中，堿基配對(duì)情況不象DNA中嚴(yán)格。G除了能夠和C配對(duì)外，也能夠和U配對(duì)。G-U配對(duì)形成氫鍵較弱。不一樣類型RNA,其二級(jí)結(jié)構(gòu)有顯著差異。tRNA中除了常見堿基外，還存在一些稀有堿基，這類堿基大個(gè)別位于突環(huán)個(gè)別.核酸的結(jié)構(gòu)與功能第49頁(yè)tRNA高級(jí)結(jié)構(gòu)1，tRNA二級(jí)結(jié)構(gòu)tRNA二級(jí)結(jié)構(gòu)都呈”三葉草”形狀，在結(jié)構(gòu)上含有一些共同之處，普通可將其分為五臂四環(huán)：包含氨基酸接收區(qū)、反密碼區(qū)、二氫尿嘧啶區(qū)、TC區(qū)和可變區(qū)。除了氨基酸接收區(qū)外，其余每個(gè)區(qū)均含有一個(gè)突環(huán)和一個(gè)臂。

核酸的結(jié)構(gòu)與功能第50頁(yè)(1)氨基酸接收區(qū)

包含有tRNA3’-末端和5’-末端，3’-末端最終3個(gè)核苷酸殘基都是CCA，A為核苷。氨基酸可與其成酯，該區(qū)在蛋白質(zhì)合成中起攜帶氨基酸作用。

(2)反密碼區(qū)

與氨基酸接收區(qū)相正確普通含有7個(gè)核苷酸殘基區(qū)域，其中正中3個(gè)核苷酸殘基稱為反密碼核酸的結(jié)構(gòu)與功能第51頁(yè)3)二氫尿嘧啶區(qū)該區(qū)含有二氫尿嘧啶。(4)TC區(qū)該區(qū)與二氫尿嘧啶區(qū)相對(duì)，假尿嘧啶核苷—胸腺嘧啶核糖核苷環(huán)(TC)由7個(gè)核苷酸組成，經(jīng)過由5對(duì)堿基組成雙螺旋區(qū)(TC臂)與tRNA其余個(gè)別相連。除個(gè)別例外，幾乎全部tBNA在此環(huán)中都含有TC。(5)可變區(qū)位于反密碼區(qū)與TC區(qū)之間，不一樣tRNA該區(qū)改變較大。核酸的結(jié)構(gòu)與功能第52頁(yè)2,tRNA三級(jí)結(jié)構(gòu)在三葉草型二級(jí)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，突環(huán)上未配正確堿基因?yàn)檎麄€(gè)分子扭曲而配成對(duì)，當(dāng)前已知tRNA三級(jí)結(jié)構(gòu)均為倒L型核酸的結(jié)構(gòu)與功能第53頁(yè)核酸的結(jié)構(gòu)與功能第54頁(yè)核酸的結(jié)構(gòu)與功能第55頁(yè)第五節(jié)、核酸理化性質(zhì)一．核酸普通理化性質(zhì)

1.酸性

2.DNA粘度大

核酸的結(jié)構(gòu)與功能第56頁(yè)3核酸紫外吸收在核酸分子中，因?yàn)猷堰蕢A和嘧啶堿含有共軛雙鍵體系，因而含有獨(dú)特紫外線吸收光譜，普通在260nm左右有最大吸收峰，能夠作為核酸及其組份定性和定量測(cè)定依據(jù)。核酸的結(jié)構(gòu)與功能第57頁(yè)二．DNA變性DNA變性是指DNA雙螺旋區(qū)多聚核苷酸鏈間氫鍵斷裂，變成單鏈結(jié)構(gòu)過程。變性核酸將失去其個(gè)別或全部生物活性。核酸變性并不包括磷酸二酯鍵斷裂，所以它一級(jí)結(jié)構(gòu)(堿基次序)保持不變。能夠引發(fā)核酸變性原因很多。溫度升高、酸堿度改變、甲醛和尿素等存在均可引發(fā)核酸變性。核酸的結(jié)構(gòu)與功能第58頁(yè)RNA本身只有局部雙螺旋區(qū)，所以變性行為所引發(fā)性質(zhì)改變沒有DNA那樣顯著。利用紫外吸收改變，能夠檢測(cè)核酸變性情況。比如，天然狀態(tài)DNA在完全變性后，紫外吸收(260nm)值增加25－40%.而RNA變性后，約增加1.1%。這種現(xiàn)象稱為增色效應(yīng).核酸的結(jié)構(gòu)與功能第59頁(yè)DNA變性特征DNA變性過程是突變性，它在很窄溫度區(qū)間內(nèi)完成。所以，通常將引發(fā)DNA變性溫度稱為融點(diǎn)（或解鏈溫度），用Tm表示。普通DNATm值在70-85

C之間。DNATm值與分子中G和C含量相關(guān)。G和C含量高，Tm值高。