第02章核酸的结构与功能.

第二章核酸的结构与功能StructureandFunctionofNucleicAcid核酸(nucleicacid)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。元素组成：C、H、O、N、P核酸的分类及分布存在于细胞核和线粒体分布于细胞核、细胞质、线粒体(deoxyribonucleicacid,DNA)(ribonucleicacid,RNA)脱氧核糖核酸核糖核酸携带遗传信息，决定细胞和个体的基因型(genotype)。遗传信息的载体是DNA转录的产物,传递遗传信息RNA也可作为遗传信息的载体第一节核酸的化学组成及其一级结构TheChemicalComponentandPrimaryStructureofNucleicAcid核酸(DNA和RNA)核苷酸核苷和脱氧核苷磷酸戊糖碱基嘌呤嘧啶核糖脱氧核糖核酸组成分子组成碱基(base)：嘌呤碱，嘧啶碱戊糖(ribose)：核糖，脱氧核糖磷酸(phosphate)一、核苷酸是构成核酸的基本组成单位碱基(base)是含氮的杂环化合物。碱基嘌呤嘧啶腺嘌呤A鸟嘌呤G尿嘧啶U胸腺嘧啶T胞嘧啶C存在于DNA和RNA中仅存在于RNA中仅存在于DNA中碱基嘌呤(purine，Pu)NNNHN123456789NNNHNNH2腺嘌呤(adenine,A)NNHNHNNH2O鸟嘌呤(guanine,G)NNH132456嘧啶(pyrimidine，Py)胞嘧啶(cytosine,C)NNHNH2O尿嘧啶(uracil,U)NHNHOO胸腺嘧啶(thymine,T)NHNHOOCH3碱基的互变异构体HNHNCNH2+O+HNNH2NNH2亚氨式氨式+H+NCOHNCO-+H+酮式烯醇式戊糖（构成RNA）1´2´3´4´5´OHOCH2OHOHOH核糖(ribose)（构成DNA）OHOCH2OHOH脱氧核糖(deoxyribose)核苷NNNN9NH2OOHOHHHHCH2OHH1'2'糖苷键嘌呤N-9或嘧啶N-1与核糖C-1通过糖苷键相连形成核苷。核苷或脱氧核苷与磷酸通过酯键结合构成核苷酸核苷酸(ribonucleotide)NNNN9NH2OOHOHHHHCH2H1'2'OPO-HOO糖苷键酯键αβγO～OOPOOPOO----ATPADPAMPOOP～NNNNNH2OOHOHCH2O多磷酸核苷酸如:环化核苷酸：cAMP、cGMP，是细胞信号转导中的第二信使。NOCH2OOHONNNNH2POOHcAMP核苷酸衍生物二、DNA是脱氧核苷酸通过3,5-磷酸二酯键连接形成的大分子一个脱氧核苷酸3-OH与另一个核苷酸5-Pi缩合形成3,5-磷酸二酯键。多个脱氧核苷酸通过磷酸二酯键构成了具有方向性的线性分子，称为多聚脱氧核苷酸，即DNA链。5´-末端3´-末端CGA磷酸二酯键磷酸二酯键三、RNA也是具有3’,5’-磷酸二酯键的线性大分子RNA也是多个核苷酸分子通过酯化反应形成的线性大分子，并且具有方向性；RNA的戊糖是核糖；RNA的嘧啶是胞嘧啶和尿嘧啶。定义核酸中核苷酸的排列顺序，即碱基序列。5′端3′端CGA四、核酸的一级结构是核苷酸的排列顺序AGP5PTPGPCPTPOH3书写方法：5pApCpTpGpCpT-OH35ACTGCT3核酸分子的大小常用碱基(base或kilobase)数目来表示。小的核酸片段(50bp)常被称为寡核苷酸(oligonucleotide)。自然界中的DNA和RNA的长度可以高达几十万个碱基。DNA和RNA的区别核糖G、C、A、URNA脱氧核糖G、C、A、TDNA碱基核糖核酸dNMPNMP第二节DNA的空间结构与功能DimensionalStructureandFunctionofDNADNA的空间结构又分为二级结构(secondarystructure)和高级结构。DNA的空间结构(spatialstructure)构成DNA的所有原子在三维空间具有确定的相对位置关系。一、DNA的二级结构是双螺旋结构[A]=[T]，[G]=[C]不同生物种属的DNA的碱基组成不同同一个体的不同器官或组织的DNA碱基组成相同。Chargaff规则（一）DNA双螺旋结构的研究背景获得了高质量的DNA分子的X射线衍射照片ErwinChargaff（1905－1995）Chargaff’srule：A%＝T%G%＝C%DNA分子X射线衍射照片RosalindFranklin•1953年：WatsonandCrickDNA双螺旋（doublehelix）结构模型1.Doublehelix外观：双股链、反平行、右螺旋、大小沟。直径2.4nm、螺距3.54nm（0.34×10）。3.稳定因素：横向氢键:A－T两条、G－C三条，纵向碱基堆砌力更重要不是的唯一结构B-DNADNAB-DNA结构要点：2.主、侧链：主链—磷酸戊糖、螺旋外侧、戊糖平面平行假想轴。侧链—内侧碱基互补、碱基平面垂直假象轴。（二）B-DNA(Watson-Crick)结构要点：直径2.4nm小沟大沟螺距3.54nm3'5'注：链的走向主侧链大小沟螺距直径DNAdoublehelix示意图TSSPASTASPPSPSGCGCSPPS先分析结构图要点小结：CGTATATACGCGCGDNAdoublehelix平面图核糖磷酸四种碱基CGTA（三）DNA双螺旋结构的多样性B-DNAZ-DNAA-DNA沟沟大沟小沟小沟大沟Ø在酸性的溶液中，胞嘧啶的N-3原子被质子化，可与鸟嘌呤的N-7原子形成氢键；同时，胞嘧啶的N-4的氢原子也可与鸟嘌呤的O-6形成氢键，这种氢键被称为Hoogsteen氢键。nHoogsteen氢键ØHoogsteen氢键，不破坏Watson-Crick氢键，由此形成了C＋GC的三链结构(triplex)。n三链结构（四）DNA的多链螺旋结构Hoogsteen氢键三链结构四链结构鸟嘌呤之间通过Hoogsteen氢键形成特殊的四链结构(tetraplex)。GGGGG-四链体NNNNONHHHNNNNONHHHNNNNONHHHNNNNONHHH四链结构二、DNA的高级结构是超螺旋结构超螺旋结构(superhelix或supercoil)DNA双螺旋链再盘绕即形成超螺旋结构。正超螺旋(positivesupercoil)盘绕方向与DNA双螺旋方同相同。负超螺旋(negativesupercoil)盘绕方向与DNA双螺旋方向相反。（一）原核生物DNA的环状超螺旋结构原核生物DNA多为环状，以负超螺旋的形式存在，平均每200碱基就有一个超螺旋形成。DNA超螺旋结构的电镜图象（二）真核生物DNA的高度有序和高度致密的结构真核生物DNA以非常有序的形式存在于细胞核内。在细胞周期的大部分时间里，DNA以松散的染色质(chromatin)形式存在，在细胞分裂期，则形成高度致密的染色体(chromosome)。DNA染色质呈现出的串珠样结构。染色质的基本单位是核小体(nucleosome)。DNA染色质的电镜图像DNA：约200bp组蛋白：H1H2A，H2BH3H4核小体的组成核小体的构成核心颗粒连接区核心组蛋白：组蛋白八聚体H2A、H2B、H3、H4各2分子DNA双螺旋分子(140bp)在核心组蛋白缠绕1.75圈DNA（60bp）组蛋白H1连接核心颗粒核小体结构图H3H2BH3H2AH4H4H2BH2AH3H2BH3H2AH4H4H2BH2A核小体的结构模式核心颗粒连接区DNAH1、H2A、H2B、H3、H4组蛋白H1H1核小体的折叠及染色体组装—2nm11nm30nm300nm1400nm700nm逐级盘曲折叠DNA的基本功能是以基因的形式荷载遗传信息，并作为基因复制和转录的模板。它是生命遗传的物质基础，也是个体生命活动的信息基础。基因从结构上定义，是指DNA分子中的特定区段，其中的核苷酸排列顺序决定了基因的功能。三、DNA是遗传信息的物质基础第三节RNA的结构与功能StructureandFunctionofRNARNA与蛋白质共同负责基因的表达和表达过程的调控。RNA通常以单链的形式存在，但有复杂的局部二级结构或三级结构。RNA比DNA小的多。RNA的种类、大小和结构远比DNA表现出多样性。RNA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RNA信使RNA(messengerRNA,mRNA)是合成蛋白质的模板。其前体hnRNA含有内含子(intron)和外显子(exon)。外显子是氨基酸的编码序列，而内含子是非编码序列。寿命最短的RNA一、mRNA是蛋白质合成中的模板hnRNA内含子(intron)mRNAmRNA成熟过程外显子(exon)5-末端的m7Gppp帽子结构3-末端的polyA尾。从AUG开始，每三个核苷酸为一组编码了一个氨基酸，称为三联体密码(codon)。成熟的mRNA由氨基酸编码区和非编码区构成。5'3'm7GpppAAA……An3'非翻译区5'非翻译区编码区AUGUAA成熟的真核生物mRNAmRNA核内向胞质的转位mRNA的稳定性维系翻译起始的调控帽子结构和多聚A尾的功能mRNA的功能把DNA的遗传信息，转录成mRNA的密码、指导蛋白质合成的氨基酸排列顺序。DNA（遗传信息）转录mRNA（密码载体）翻译蛋白质(氨基酸序列)3.tRNA的三级结构—倒L形*tRNA的二级结构——三叶草形ØDHU环Ø反密码环ØTΨC环Ø氨基酸臂氨基酸臂额外环5′3′CAU5′3′5′3′tRNA三级结构图—倒L形CAC53TΨ环DHU环反密码环aa臂CAC53PCUAUGUAAAGDmGGDDDAAGGCCCGGCAAGCACUGUAAAΨφAGADCmGCTCCACUCGGCCGCGCGCGGACCAmGUUCGDOH53DHU环TΨ环反密码环tRNA的三叶草和倒L形三级结构二、tRNA是蛋白质合成中的氨基酸载体1.tRNA的一级结构*tRNA的一级结构特点Ø含10~20%稀有碱基Ø3´末端为—CCA-OH转运RNA的结构与功能分子量最小、含稀有碱基比例最高的一类RNA2.tRNA的二级结构—三叶草形4.tRNA的功能：把活化的aa搬运到核糖体，tRNA的反密码子与mRNA的密码子特异性结合，使氨基酸对号入座。mRNA3´5´3213´aa5´氨基酰-tRNA2.rRNA的结构：参与组成核蛋白体，为蛋白质生物合成的场所。3.rRNA的种类：真核生物5SrRNA5.8SrRNA28SrRNA18SrRNA原核生物5SrRNA23SrRNA16SrRNA小亚基成分大亚基成分核蛋白体大小亚基所含的rRNA成分，S为沉降系数。（注：‘5S’是原核和真核都有的；带‘8’的是真核特有的；小亚基都只有一种，是第二大的）4.rRNA的功能：多个茎环结构组成三、以rRNA为组分的核蛋白体是蛋白质合成的场所1.含量最多的RNA5'3'核糖体大亚基核糖体小亚基E位P位A位mRNA氨基酸核蛋白体移动方向进位退位N-末端肽链携带了氨基酸的tRNA卸载了氨基酸的tRNA蛋白质合成时形成的复