生化3核酸的结构与功能

第三章核酸的结构与功能StructureandFunctionofNucleicAcid90%以上分布于细胞核，其余分布于核外如线粒体，叶绿体，质粒等主要分布于胞液携带遗传信息，决定细胞和个体的基因型参与细胞内DNA遗传信息的传递。某些病毒RNA也可作为遗传信息的载体(deoxyribonucleicacid,DNA)(ribonucleicacid,RNA)脱氧核糖核酸核糖核酸核酸复制翻译蛋白质（病毒）RNA（病毒）逆转录转录RNA翻译蛋白质DNA复制中心法则:第一节核酸的化学组成及一级结构一、核酸的化学组成核酸核苷酸核酸酶POOHOHOH磷酸:核苷戊糖：核糖或脱氧核糖碱基：嘌呤碱，嘧啶碱嘌呤碱(purine)NNNHN123456789NNNHNNH2腺嘌呤(adenine,A)NNHNHNNH2O鸟嘌呤(guanine,G)碱基(base)NNH132456嘧啶碱(pyrimidine)胞嘧啶(cytosine,C)NNHNH2O尿嘧啶(uracil,U)NHNHOO胸腺嘧啶(thymine,T)NHNHOOCH3戊糖(pentose)（构成RNA）1´2´3´4´5´OHOCH2OHOHOHβ-D-核糖（构成DNA）OHOCH2OHOHβ-D-2'-脱氧核糖RNA所含的戊糖是核糖,故称为核糖核酸DNA所含的戊糖是脱氧核糖,故称为脱氧核糖核酸两类核酸的基本化学组成比较DNARNA嘌呤碱腺嘌呤(A)腺嘌呤(A)（Purinebases）鸟嘌呤(G)鸟嘌呤(G)碱基(Base)嘧啶碱胞嘧啶(C)胞嘧啶(C)（Pyrimidinebases）胸腺嘧啶(T)尿嘧啶(U)戊糖β-D-2'-脱氧核糖β-D-核糖(Pentose)酸磷酸磷酸(Acid)RNA或DNA核苷酸或脱氧核苷酸核酸酶水解磷酸核糖或脱氧核糖碱基核苷或脱氧核苷1.核苷的形成碱基和核糖（脱氧核糖）通过糖苷键连接形成核苷（脱氧核苷）2OHOCHOHOH1´NNH132456NNNHN123456789CNCHCCCNNHCHNH2+CNCHCCCNNHCHNH2腺苷9CNCHCCCNNHCHNH2+CNCHCCCNNHCHNH2脱氧腺苷91’POOOHOHOCH2OHOHNNNH2OOHOCH2OHOHNNNH2O核苷酸：AMP,GMP,UMP,CMP2.核苷酸(nucleotide)的结构与命名核苷（脱氧核苷）和磷酸以磷酸酯键连接形成核苷酸（脱氧核苷酸）脱氧核苷酸：dAMP,dGMP,dTMP,dCMP5’-脱氧胞苷酸（dCMP)3’-脱氧胞苷酸HO※核苷酸的命名含一个磷酸基团：核苷一磷酸（NMP）含两个磷酸基团：核苷二磷酸（NDP）含三个磷酸基团：核苷三磷酸（NTP）N代表各种碱基的名称环化核苷酸：cNMPO二、核酸的一级结构定义核酸中核苷酸的排列顺序由于核苷酸间的差异主要是碱基不同，所以也称为碱基序列5′端3′端CGA3’,5’-磷酸二酯键AGP5PTPGPCPTPOH35pApCpTpGpCpT-OH35ACTGCT3书写方法：ACTGCT第二节DNA的空间结构与功能(1)A=TG=CA+G=C+T(2)DNA的碱基组成具有种属特异性(3)DNA的碱基组成没有组织的特异性,且较为稳定,不随年龄、营养状态、环境改变的影响（一）Chargaff碱基组成规律一、DNA的二级结构1.ＤＮＡ由两条反向平行的脱氧多核苷酸（两条链的走向为5’→3’和3’→5’），围绕一中心轴（假想轴）构成右手双螺旋结构（二）DNA双螺旋结构模型（Watson,Crick,1953）5’3’5’3’3.碱基在双螺旋内侧配对，形成碱基平面双链中相对的碱基按Ａ＝Ｔ和Ｇ≡Ｃ配对连接，形成互补2.磷酸基与脱氧核糖在外侧彼此间以磷酸二酯键相连，构成ＤＮＡ的骨架3’5’3’5’磷酸二酯键碱基互补配对TAGC4.双螺旋的直径为2nm沿轴向，各碱基平面垂直于假想中心轴，平面间距为0.34nm每圈螺旋含有10.4对脱氧核苷酸，其轴向距离为3.54nm。形成大沟及小沟相间5.维持DNA双螺旋稳定的作用力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（三）DNA双螺旋结构的多样性（一）原核生物没有典型的细胞核结构。被认为是原核生物ＤＮＡ的三级结构超螺旋结构二、DNA的超螺旋结构DNA双螺旋链再盘绕即形成超螺旋结构（二）真核生物真核生物ＤＮＡ的三级结构是核小体(nucleosome)，由DNA和蛋白质构成核小体的组成DNA：146bp组蛋白：H1，H2A，H2B，H3，H4H2A、H2B、H3和H4各两分子组成组蛋白八聚体，构成核心组蛋白双螺旋DNA以左手超螺旋的方式绕核心颗粒1.8圈，缠绕在组蛋白核心表面，构成核心颗粒核心颗粒和连接区DNA及附着在连接区DNA上的组蛋白H1构成核小体核心颗粒连接部位DNA一个个核小体连接成串珠状结构染色单体折叠折叠30nm三、DNA的功能以基因的形式携带遗传信息作为复制和转录的模板包括DNA编码序列、非编码调节序列和内含子序列将遗传信息通过转录传递给RNA基因(gene)：负载特定遗传信息的DNA片段基因组(genome)：指来自一个遗传体系的一整套遗传信息第三节RNA的结构与功能RNA的特点：1.主要碱基：A、G、C和U2.RNA是单链结构，只有在局部区域形成双螺旋结构，因而A≠U,G≠C3.RNA分子比DNA小得多RNA的种类及功能核糖体RNA信使RNA转运RNA核内不均一RNA核内小RNA小干扰RNA种类功能rRNAmRNAtRNAHnRNASnRNASnoRNAsiRNA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、修饰参与转录后调控核仁小RNArRNAmRNAHnRNASnRNASnoRNA核蛋白体组分蛋白质合成模板转运氨基酸hnRNAmRNA真核生物mRNA成熟过程----由HnRNA经过剪接而成内含子(intron)外显子(exon)一、信使RNA的结构与功能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，形成帽子结构：m7GpppNN及紧随其后的核苷酸，其核糖的C2羟基也常发生甲基化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尾帽子结构(m7GpppN)OCH3多聚A尾5’“穿靴戴帽”mRNA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：把DNA所携带的遗传信息，按碱基互补配对原则，抄录并传送至核糖体，用以决定其合成蛋白质的氨基酸排列顺序*mRNA的功能：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翻译蛋白真核细胞二、转运RNA的结构与功能1.分子量最小的RNA,占RNA总量约15%2.分子中含有约10%的稀有碱基tRNA的一级结构特点：如假尿嘧啶（ψ）,二氢尿嘧啶(DHU),甲基化碱基（mG,mA)等3.3’末端有CCA-OH,是携带氨基酸的部位4.具有识别密码子功能的反密码子二氢尿嘧啶甲基化碱基假尿嘧啶tRNA中的稀有碱基尿嘧啶NHNHOONHOONH假尿嘧啶(ψ)NHOOH2H2二氢尿嘧啶(DHU)NH甲基化鸟嘌呤(mG)NNHNHNNH2OCH3DHU环Tψ环CCA-OH反密码环三叶草形tRNA的三级结构——倒L形tRNA的功能：识别密码子，活化、搬运氨基酸到核糖体参与蛋白质的合成反密码子氨基酸臂5’3’三、核糖体RNA(rRNA)的结构与功能rRNA的结构特点：1.含量最丰富,约占总RNA的80%以上2.与核蛋白体蛋白结合成核蛋白体,rRNA与蛋白质既可分离,又可结合3.核蛋白体由大小两个亚基构成,两亚基呈不规则形状,聚合时中间有裂缝,可通过mRNArRNA的功能参与组成核蛋白体，作为蛋白质生物合成的场所核酸的理化性质第四节1.核酸的粘度分子量越大粘度也越大RNA分子比DNA分子小，粘度也就小2.核酸的酸碱性磷酸残基的酸性使核酸也表现较强的酸性含氮碱基上有碱性基团碱基对之间的氢键在4.0-11.0之间最稳定一、核酸的一般理化性质嘌呤碱和嘧啶碱有共轭双键，都能强烈吸收紫外光，最大吸收波长为260nm3.核酸的紫外吸收特性蛋白质对紫外光的最大吸收波长是280nm紫外分光光度法检测核酸的纯度通过测定波长在260nm和280nm处吸光度的比值(A260／A280)来估计核酸样品的纯度DNA溶液：A260／A280=1.8～２.０RNA溶液：A260／A280=2.0二、DNA的变性(denaturation)定义:在某些理化因素作用下，DNA双链间的氢键断裂(不涉及共价键的断裂),解开成两条单链的过程。其生物学活性丧失因素:过量酸、碱，加热，变性试剂如尿素、酰胺以及某些有机溶剂如乙醇、丙酮等DNA变性的本质是双链间氢键的断裂变性引起紫外吸收值的改变增色效应：DNA变性时其溶液A260增高的现象4.丧失生物学活性1.260nm处的紫外吸收值升高2.粘度下降3.浮力、密度升高（增色效应）变性DNA的特点：ＤＮＡ分子的热变性ＤＮＡ双螺旋结构即遭破坏，氢键断裂，双链分离将ＤＮＡ的稀盐溶液加热至80～95℃(或以上)数分钟DNA解链曲线拐点所对应的温度，代表DNA变性50％时的温度，称DNA的熔点或融解温度用符号Tm表示Tm值的大小主要与下列因素有关：1.ＤＮＡ中Ｇ≡Ｃ对的含量Ｇ≡Ｃ碱基对的比例越高，Tm值越高2.介质中的离子强度离子强度低，Tm值低，变性温度范围较宽3.DNA分子的大小离子强度大，Tm值高，变性温度范围较窄核酸的变性与降解的区别：降解：其过程是不可逆的是指多核苷酸链中的磷酸二酯键断裂，使分子量降低，不发生分子量的变化空间结构破坏，一级结构不变。部分是可逆的，变性：蛋白质和核酸变性的共同点：两者均不涉及共价键的断裂一级结构不破坏粘度下降，生物活性丧失三、DNA的复性与分子杂交1.DNA复性(renaturation)在适当条件下,变性DNA的两条互补链可恢复天然的双螺旋构象,这一现象称为DNA复性热变性的DNA经缓慢冷却后即可复性，这一过程称为退火(annealing)复性后ＤＮＡ分子性质：------一系列的理化性质随即恢复4.生物学活性恢复1.260nm处的紫外吸收值下降2.粘度上升3.浮力、密度降低（减色效应）核酸分子杂交：具有一定同源性的两条核酸单链，在一定条件下（适宜的温度、pH及离子强度），可按碱基互补原则形成双链，此过程称为核酸分子杂交变性复性学习要求一、掌握各种碱基、核苷酸、戊糖的结构特点，DNA、RNA化学组成的异同。二、掌握核酸（DNA、RNA）的一级结构的概念，连接键。三、掌握DNA双螺旋结构模型的要点。掌握核小体结构特点。熟悉DNA的超螺旋结构。了解DNA在真核生物细胞核内组装。四、掌握tRNA、mRNA、rRNA的结构特点与功能。了解其它小分子RNA。五、掌握以下概念：溶解温度、增色效应、DNA变性与复性、核酸分子杂交。