生物化学 第02章核酸的结构与功能(7版)

目录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目录核酸(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核酸组成一、核苷酸是构成核酸的基本组成单位碱基(base)：嘌呤碱，嘧啶碱戊糖(ribose)：核糖，脱氧核糖磷酸(phosphate)核苷酸核苷核苷酸分子组成:目录碱基(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戊糖（构成RNA）1´2´3´4´5´OHOCH2OHOHOH核糖(ribose)（构成DNA）OHOCH2OHOH脱氧核糖(deoxyribose)目录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。目录核苷与磷酸通过酯键结合构成核苷酸核苷酸(ribonucleotide)NNNN9NH2OOHOHHHHCH2H1'2'OPO-HOO糖苷键酯键核苷酸：AMP,GMP,UMP,CMP脱氧核苷酸：dAMP,dGMP,dTMP,dCMP目录体内重要的游离核苷酸及其衍生物•含核苷酸的生物活性物质：NAD+、NADP+、CoA-SH、FAD等都含有AMP多磷酸核苷酸：NMP，NDP，NTP环化核苷酸:cAMP，cGMPNOCH2OOHOHNNNNH2POOHOHAMPNOCH2OOHOHNNNNH2POOHOPOOHOHADPNOCH2OOHOHNNNNH2POOHOPOOHOPOOHOHATPNOCH2OOHONNNNH2POOHcAMPNADP+NAD+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与另一个脱氧核苷酸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。目录5´-末端3´-末端CGA磷酸二酯键磷酸二酯键目录三、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。目录四、核酸的一级结构定义核酸中核苷酸的排列顺序，即碱基序列。AGP5PTPGPCPTPOH3书写方法：5pApCpTpGpCpT-OH35ACTGCT3DNA和RNA的区别核糖G、C、A、URNA脱氧核糖G、C、A、TDNA碱基核糖核酸第二节DNA的空间结构与功能DimensionalStructureandFunctionofDNA目录一、DNA的二级结构是双螺旋结构目录Chargaff规则的碱基组成分析碱基的理化数据分析A-T、G-C以氢键配对较合理DNA纤维的X-线衍射图谱分析（一）DNA双螺旋结构的研究背景ErwinChargaff(1905－1995)Chargaff’srule1、A与T的摩尔数、G与C的摩尔数总是相等；2、不同生物种属的DNA碱基组成不同；3、同一个体的不同组织、器官的DNA碱基组成相同。[A]=[T]；[G]=[C]OONNCH3HNNNNNHHTAHOHNNNNHNONNNHHGC碱基互补配对形成氢键DNA分子X射线衍射照片RosalindFranklin目录两条多聚核苷酸链在空间的走向呈反向平行。两条链围绕着同一个螺旋轴形成右手螺旋的结构。双螺旋结构的直径为2nm，螺距为3.4nm。脱氧核糖和磷酸基团组成的亲水性骨架位于双螺旋结构的外侧，疏水的碱基位于内侧。双螺旋结构的表面形成了一个大沟和一个小沟。（二）DNA双螺旋结构模型要点1.DNA是反向平行、右手螺旋的双链结构直径2.0nm小沟大沟螺距3.4nm3'5'注：链的走向主侧链大小沟螺距直径DNAdoublehelix示意图TSSPASTASPPSPSGCGCSPPS目录2.DNA双链之间形成了互补碱基对碱基配对关系称为互补碱基对(complementarybasepair)。DNA的两条链则互为互补链(complementarystrand)。碱基对平面与螺旋轴垂直。CGTATATACGCGCGDNAdoublehelix平面图核糖磷酸四种碱基CGTA目录相邻两个碱基对会有重叠，产生了疏水性的碱基堆积力(basestackinginteraction)。碱基堆积力(主要)和互补碱基对的氢键共同维系着DNA结构的稳定。3.疏水作用力和氢键共同维系着DNA双螺旋结构的稳定。DNA双螺旋结构（B型DNA）•双股链、反平行、右螺旋、大小沟。•磷酸戊糖为主链，碱基互补为侧链。•A对T，GC连，配对时，靠氢键，十碱基，转一圈。•碱基力和氢键，维持螺旋结构坚。•直径2nm、螺距3.4nm（0.34×10）目录（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CG序列锯齿型1.8124.5左手Z型DNA生理条件平滑2.3103.4右手B型体外脱水平滑2.5112.3右手A型存在条件骨架走行螺旋直径（nm）碱基数（每圈）螺距(nm)旋向三种DNA构型的比较目录二、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。目录（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。目录DNA超螺旋结构的电镜图象目录目录（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)。目录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染色质的电镜图像目录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(150bp)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目录核小体的折叠及染色体组装—2nm11nm30nm300nm1400nm700nm逐级盘曲折叠目录真核生物DNA在细胞核内的组装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：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基因组：一个遗传体系所有基因总和的一整套遗传信息。第三节RNA的结构与功能StructureandFunctionofRNA目录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目录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是蛋白质合成的模板hnRNA内含子(intron)mRNAmRNA成熟过程外显子(exon)目录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mRNA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目录mRNA功能：是蛋白质合成的模板目录1、tRNA的一级结构特点含10~20%稀有碱基，如DHU3´末端为—CCA-OH分子量最小、含稀有碱基比例最高的一类RNA稀有碱基二、tRNA是蛋白质合成中的氨基酸载体目录3.tRNA的三级结构—倒L形PCUAUGUAAAGDmGGDDDAAGGCCCGGCAAGCACUGUAAAΨφAGADCmGCTCCACUCGGCCGCGCGCGGACCAmGUUCGDOHDHU环TΨC环反密码环:含稀有碱基多含反密码子、与mRNA的密码子结合—CCA3'结合活化的aaaa臂三环tRNA的三叶草结构53DHU环TΨ环反密码环反密码子tRNA的三叶草的茎环结构tRNA三级结构图—倒L形CAC53TΨ环DHU环反密码环aa臂CAC53PCUAUGUAAAGDmGGDDDAAGGCCCGGCAAGCACUGUAAAΨφAGADCmGCTCCACUCGGCCGCGCGCGGACCAmGUUCGDOH53DHU环TΨ环反密码环tRNA的三叶草和倒L形三级结构2.tRNA的二级结构—三叶草形4.tRNA的功能：把活化的氨基酸搬运到核糖体，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。目录2.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