第三章_核酸的结构与功能

1核酸的结构和功能第二章StructureandFunctionofNucleicAcid什么是核酸(nucleicacid)天然存在的核酸可分为核糖核酸(RNA)和脱氧核糖核酸(DNA)两大类。核酸是以核苷酸为基本组成单位的生物大分子，携带和传递遗传信息。核酸的分类及分布90%以上分布于细胞核，其余分布于核外，如线粒体、叶绿体、质粒等。携带遗传信息，决定细胞和个体的基因型。分布于胞核、胞液。参与细胞内DNA遗传信息的表达。某些病毒RNA也可作为遗传信息的载体。(DNA)(RNA)脱氧核糖核酸核糖核酸4第一节核酸的化学组成及其一级结构TheChemicalComponentandPrimaryStructureofNucleicAcid5一、核酸的化学组成1.元素组成C、H、O、N、P（9~10%，定磷法测核酸含量。）2.分子组成组成单位——核苷酸戊糖：核糖，脱氧核糖碱基：嘌呤碱，嘧啶碱磷酸6嘌呤(purine)NNNHN123456789NNNHNNH2腺嘌呤(adenine,A)NNHNHNNH2O鸟嘌呤(guanine,G)（一）碱基NNH132456嘧啶(pyrimidine)胞嘧啶(cytosine,C)NNHNH2O尿嘧啶(uracil,U)NHNHOO胸腺嘧啶(thymine,T)NHNHOOCH3稀有碱基！！！，次黄嘌呤等8（二）戊糖（五碳糖）（构成RNA）1´2´3´4´5´OHOCH2OHOHOH核糖(ribose)（构成DNA）OHOCH2OHOH脱氧核糖(deoxyribose)9核苷：AR,GRUR,CR脱氧核苷：dAR,dGR，dTR,dCR（三）核苷核苷(ribonucleoside)的形成碱基和核糖（脱氧核糖）通过糖苷键连接形成核苷（脱氧核苷）10POOOHOHOCH2OHOHNNNH2O核苷酸：AMP,GMP,UMP,CMP脱氧核苷酸：dAMP,dGMP,dTMP,dCMP核苷（脱氧核苷）和磷酸以磷酸酯键连接形成核苷酸（脱氧核苷酸）。（四）核苷酸(ribonucleotide)Pi糖苷键OOHOCH2HOHNNNH2O磷酸酯键OPOOOHOHOCH2HOHNNNH2O重要的核苷酸衍生物12多磷酸核苷酸：NMP，NDP，NTPNOCH2OOHOHNNNNH2POOHOPOOHOHADPATPNOCH2OOHOHNNNNH2POOHOPOOHOPOOHOH5´端3´端(五)核苷酸的连接1.核苷酸之间以磷酸二酯键连接形成多核苷酸链，即核酸。CANH2NNOPOHHOOOH3COOHPHOOOH3COOHNH2NNNN磷酸二酯键AGP5PTPGPCPTPOH3书写方法5pApGpTpGpCpT-OH35AGTGCT3第二节DNA的结构与功能(StructureandFunctionofDNA)一、DNA的一级结构(一)定义核酸（DNA或RNA）中核苷酸从5’末端到3’末端的排列顺序。由于脱氧核苷酸间的差异主要是碱基不同，所以也称为碱基序列。DNA:A、T、G、CRNA:A、U、G、C16二、DNA的二级结构——双螺旋结构1.定义即平行反向的右手双螺旋结构。Watson,Crick于1953提出。2.研究背景(1)碱基组成分析Chargaff规则：[A]=[T][G][C](2)碱基的理化数据分析A-T、G-C以氢键配对较合理(3)X-线衍射图谱分析18（二）DNA双螺旋结构模型要点DNA分子由两条相互平行但走向相反的脱氧多核苷酸链组成两链以-脱氧核糖-磷酸-为骨架，以右手螺旋方式绕同一中心轴。螺旋直径为2.4nm.螺旋表面形成大沟(majorgroove)及小沟(minorgroove)相间。沟状与DNA、蛋白质之间的相互作用有关。19碱基垂直螺旋轴居双螺旋内側，与对側碱基形成氢键配对（互补配对形式：A=T;GC）。相邻碱基平面距离0.34nm，螺旋一圈螺距3.54nm，一圈10.5对碱基。（二）DNA双螺旋结构模型要点20氢键维持双链横向稳定性，碱基堆积力维持双链纵向稳定性。（二）DNA双螺旋结构模型要点ATCGHNNNNNHOHNNCH3ONNNNOHHNHNNNOHH（三）.DNA双螺旋结构的多样性不同类型DNA的结构参数A型－DNAB型－DNAZ型－DNA螺旋旋向右手螺旋右手螺旋左手螺旋螺旋直径2.55nm2.37nm1.84nm每一螺旋的碱基对数目1110.412螺距2.53nm3.54nm4.56nm相邻碱基对之间的垂直间距0.23nm0.34nm0.38nmWatson和Crick当年提出的是理想化的DNA双螺旋模型，后来发现其各项参数均与实际的DNA双螺旋结构有一定差异。(四)DNA的高级结构1.原核生物DNA的超螺旋结构(1)定义即在DNA二级结构的基础上进一步折叠成环状或麻花状的超螺旋结构(superhelix或supercoil)。环状麻花状(3)意义DNA超螺旋结构整体或局部的拓扑学变化及其调控对于DNA复制和RNA转录过程具有关键作用。①正超螺旋(positivesupercoil)盘绕方向与DNA双螺旋方同相同。②负超螺旋(negativesupercoil)盘绕方向与DNA双螺旋方向相反。(2)种类242.DNA在真核生物细胞核内的组装真核生物染色体由DNA和蛋白质构成，其基本单位是核小体(nucleosome)。核心颗粒核小体连接区核心颗粒：由长约150bp的双螺旋DNA以超螺旋方式缠绕组蛋白八聚体1.75圈组成。连接区：由连接区DNA和组蛋白H1组成连接区DNA：连接相邻两个核心颗粒25核小体的构成连接区DNA（约60bp）组蛋白H1DNA（约150bp）组蛋白八聚体组蛋白（HISTONE)组蛋白种类：H1、H2A、H2B、H3、H4组蛋白八聚体（核心组蛋白）：由各二分子H2A、H2B、H3、H4组成八聚体H1：位于连接区26H127StructureandFunctionofRNA第三节RNA的结构与功能28RNA的种类、分布、功能核蛋白体RNA信使RNA转运RNA核内不均一RNA核内小RNA胞浆小RNA细胞核和胞液线粒体功能rRNAmRNAmtrRNAtRNAmtmRNAmttRNAHnRNASnRNASnoRNAscRNA/7SL-RNA核蛋白体组分蛋白质合成模板转运氨基酸成熟mRNA的前体参与hnRNA的剪接、转运rRNA的加工、修饰蛋白质内质网定位合成的信号识别体的组分核仁小RNA核蛋白体RNA信使RNA转运RNA核内不均一RNA核内小RNA胞浆小RNA细胞核和胞液线粒体功能rRNAmRNAmtrRNAtRNAmtmRNAmttRNAHnRNASnRNASnoRNAscRNA/7SL-RNA核蛋白体组分蛋白质合成模板转运氨基酸成熟mRNA的前体参与hnRNA的剪接、转运rRNA的加工、修饰蛋白质内质网定位合成的信号识别体的组分核仁小RNA29*mRNA结构特点1.大多数真核mRNA的5´末端均在转录后加上一个7-甲基鸟苷三磷酸，形成帽子结构：m7GpppN。2.大多数真核mRNA的3´末端有一个多聚腺苷酸(polyA)结构，称为多聚A尾。一、信使RNA的结构与功能真核生物mRNA的帽子结构5＇5＇3.帽子结构和多聚A尾的功能mRNA核内向胞质的转位；mRNA的稳定性维系；翻译起始的调控。31转录核内DNA遗传信息的碱基排列顺序，并携带至细胞质，指导蛋白质合成中的氨基酸排列顺序。DNAmRNA蛋白转录翻译原核细胞细胞质细胞核DNA内含子外显子转录转录后剪接转运mRNAhnRNA翻译蛋白真核细胞mRNA的功能遗传密码：每三个相邻的核苷酸组成碱基三联体，决定蛋白质中氨基酸的排列顺序。1.tRNA分子含有较多的稀有碱基含10-20%稀有碱基，如DHU3´末端为—CCA-OH32二、转运RNA的结构与功能稀有碱基1.tRNA的二级结构(1)tRNA的二级结构为平面卷曲的三叶草构型。(2)由单链卷曲形成局部环状双链。(3)反密码环，带有反密码子可破译遗传密码。(4)氨基酸臂，直接结合被活化的氨基酸。2.tRNA的二级结构352.tRNA的二级结构——三叶草形茎环结构（发夹结构）氨基酸臂DHU环反密码环附加叉（额外环）TΨC环额外环氨基酸臂DHU环反密码环环TΨC环反密码子5＇363.tRNA的三级结构——倒L形*tRNA的功能搬运氨基酸到核糖体和识别密码子，参与蛋白质的翻译。4、氨基酸通过酯键连接在3’末端的2’-OH或3’-OH上。有的AA有一种tRNA载体，有的AA则有多个tRNA载体。5、tRNA的功能破译遗传密码；活化、搬运氨基酸到核糖体，参与蛋白质的翻译。38*rRNA的结构*rRNA的功能参与组成核蛋白体，作为蛋白质生物合成的场所。(二)rRNA由单链卷曲构成的多茎环结构。(三)rRNA参与组成核糖体的大、小亚基，作为蛋白质生物合成的场所。(一)rRNA占总RNA的80％以上。三、核糖体RNA的结构与功能40(四)rRNA的种类（根据沉降系数）真核生物5SrRNA28SrRNA5.8SrRNA18SrRNA原核生物5SrRNA23SrRNA16SrRNA41核糖体的组成原核生物（以大肠杆菌为例）真核生物（以小鼠肝为例）小亚基30S40SrRNA16S1542个核苷酸18S1874个核苷酸蛋白质21种占总重量的40%33种占总重量的50%大亚基50S60SrRNA23S5S2940个核苷酸120个核苷酸28S5.8S5S4718个核苷酸160个核苷酸120个核苷酸蛋白质31种占总重量的30%49种占总重量的35%四、小分子核内RNA与RNA组学(一)snmRNAs除了上述三种RNA外，细胞的不同部位存在的许多其他种类的小分子RNA，统称为小非信使RNA(smallnon-messengerRNAs,snmRNAs)。包括核内小RNA、核仁小RNA、胞质小RNA、催化性小RNA、小片段干涉RNA。参与hnRNA和rRNA的加工和转运。(二)RNA组学RNA组学是研究细胞中snmRNAs的种类、结构和功能。生物的不同细胞、不同时间、不同状态下snmRNAs的表达具有时间和空间特异性。43核酸的理化性质ThePhysicalandChemicalCharactersofNucleicAcid第四节核酸是含磷酸和碱基的两性电解质，通常表现为较强的酸性。可用电泳和离子交换分离纯化核酸。在碱性条件下，RNA不稳定，可在室温下水解。利用这个性质可以测定RNA的碱基组成，也可清除DNA溶液中混杂的RNA。核酸是线性的大分子，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。一、核酸的一般理化性质45一、核酸的一般理化性质中性条件下，核酸最大紫外吸收峰在260nm附件。461.DNA或RNA的定量OD260=1.0相当于50μg/ml双链DNA40μg/ml单链DNA（或RNA）20μg/ml寡核苷酸2.判断核酸样品的纯度DNA纯品:OD260/OD280=1.8RNA纯品:OD260/OD280=2.0OD260的应用二、DNA的变性与复性(一)变性(denaturation)1.定义在某些理化因素作用下，DNA双链解开成两条单链的过程。本质是双链间氢键的断裂。3.变性后其他理化性质变化①OD260增高②浮力密度升高③粘度下降④酸碱滴定曲线改变⑤比旋度下降⑥生物活性丧失(1)理化性质变化2.因素强酸，强碱，高温，高压，变性试剂如尿素以及某些有机溶剂如乙醇等。DNA变性的本质是双链间氢键的断裂(2)增色效应：DNA变性时，更多的共轭双键暴露，其溶液OD260增高的现象。DNA的紫外吸收光谱2002502603001.51.00.5波长(nm)吸光度值变性状态天然状态(3)Tm：紫外光吸收值达到最大值的50%时的温度称为DNA的解链温度，又称融解温度(meltingtemperature,Tm)。其大小与G+C含量成正比。解链曲线：在连续加热DNA的过程中，以温度为横坐标，以吸光度A260为纵