第1章 核酸的结构与功能

1第一章、核酸的结构与功能（nucleicacid）2本章内容提要：第一节、核酸的发现与研究简史第二节、核酸的种类、分布及功能第三节、核酸的组成、结构＊第四节、核酸的理化性质＊3第一节、核酸的发现与研究简史1868年，瑞士的外科医生FriedrichMiescher从脓细胞中发现了DNA。1944年，O.Avery通过肺炎双球菌转化实验证明DNA是遗传物质1953年，Watson-Crick提出DNA双螺旋结构模型，为分子生物学的发展史奠定了基础。2000年，人类基因组计划（HGP）基本完成：返回8第二节、核酸的种类、分布及功能一、核酸的种类脱氧核糖核酸（deoxyribonucleicacid，DNA）和核糖核酸（ribonucleicacid，RNA）两大类。9DNA：含有D-2-脱氧核糖；通常为双链结构，使DNA分子稳定；是主要的遗传物质，通过复制而将遗传信息由亲代传给子代。RNA：含有D-核糖；通常为单链结构（某些病毒为双链RNA）；与遗传信息的表达有关。10㈠、DNA的种类1、线型双链DNA：真核生物染色体DNA、某些病毒DNA。2、环状双链DNA：原核生物染色体DNA、质粒DNA、真核生物细胞器DNA、某些病毒DNA。3、线型单链DNA：某些病毒DNA，如：小鼠微小病毒4、环状单链DNA：某些病毒DNA，如：丝杆噬菌体fd12㈡、RNA的种类1、信使RNA（mRNA）占细胞总RNA的3%~5%左右，含量最少；代谢活跃。在蛋白质的生物合成中起模板作用。2、转运RNA(tRNA)占细胞总RNA的15%左右；细胞中最小的一种RNA分子。在蛋白质的生物合成中起携带氨基酸和解译的作用。133、核糖体RNA(ribosomeRNA，rRNA)占细胞中总RNA80%左右，含量最大。在蛋白质合成中起催化作用，催化肽键的形成（可以说，核糖体是一种核酶，蛋白质只是维持rRNA构象）。⑴原核细胞中rRNA有三种，分别是：16SrRNA（小亚基），23SrRNA、5SrRNA（大亚基）；⑵高等真核细胞中rRNA有四种，分别是：18SrRNA（小亚基），28SrRNA、5.8SrRNA、5SrRNA（大亚基）。14二、核酸的分布1、DNA的分布核（98%）；浆（2%）原核细胞：核区；细胞质真核细胞：细胞核；线粒体、叶绿体等细胞器2、RNA的分布核（%）10；浆（%）903、病毒或只含DNA，或只含RNA。15三、核酸的生物功能1、ＤＮＡ是主要的遗传物质2、RNA功能的多样性控制蛋白质合成；作用于RNA转录后加工与修饰；基因表达与细胞功能的调控；催化作用；遗传信息的加工与进化；在RNA病毒中是遗传信息的一级载体返回16第三节、核酸的组成、结构1718一、核苷酸包括核糖核苷酸（RNA的结构单位）和脱氧核糖核苷酸（DNA的结构单位）细胞内还有各种游离的核苷酸和核苷酸衍生物，它们有重要的生理功能。如：FAD、CoA、NAD+、NADP+、腺苷钴胺素……19（一）碱基（base）1、嘧啶碱(pyrimidinebase)嘧啶的衍生物。核酸中常见的嘧啶：胞嘧啶(cytosine,C)、尿嘧啶(uracil,U)（RNA）、胸腺嘧啶(thymine,T)（DNA）。胸腺嘧啶在tRNA中也有少量存在。2、嘌呤碱(purinebase)嘌呤的衍生物。核酸中常见的嘌呤：鸟嘌呤(guanine,G)、腺嘌呤(adenine,A)202-氧,4-氨基嘧啶5-甲基尿嘧啶2,4-二氧嘧啶6-氨基嘌呤2-氨基,6-氧嘌呤21核酸中五种碱基中的酮基和氨基，均位于碱基环中氮原子的邻位，可以发生酮式一烯醇式或氨基、亚氨基之间的结构互变，书写时用任何一种皆可。223、稀有碱基（minorbase）（1）稀有碱基：又称修饰碱基（modifiedbase），稀有的微量碱基衍生物。（2）稀有碱基种类极多，大多数都是甲基化（m）碱基。修饰基团在碱基上的写在碱基符号左边，修饰基团在核糖上的写在碱基符号右边，修饰基团的位置写在右上角，数目写在右下角。（3）稀有碱基在各种类型核酸中的分布不均一，在tRNA中含量较高（可高达10%）24（二）核苷1.核苷：由戊糖与碱基以糖苷键连接而成，是一种糖苷。2.通常是戊糖的C1′与嘧啶碱的N1或嘌呤碱的N9相连接。糖苷键为C—N键，为N-糖苷键（核酸中均为β-糖苷键）。3.包括核糖核苷和脱氧核糖核苷。254.糖环中的碳原子标号右上角加撇，而碱基中原子的标号不加撇。5、稀有核苷包括修饰核苷和异构化核苷。核糖也能被修饰，主要是甲基化；稀有核苷主要在RNA中；假尿苷：核糖的C1′与尿嘧啶的C5相连。26（三）核苷酸1.核糖核苷的糖环上有3个自由羟基，能形成3种不同的核苷酸；脱氧核糖核苷的糖环上有2个自由羟基，只能形成2种不同的核苷酸；生物体内游离存在的核苷酸多是5′-核苷酸。2728292.多磷酸核苷酸⑴种类：5′-二磷酸核苷（5′-NDP）、5′-三磷酸核苷（5′-NTP）⑵功能：核酸合成的前体；重要的辅酶和能量载体。303、环化核苷酸⑴重要的有：cAMP、cGMP。⑵功能：细胞功能的调节因子和信号分子。31cAMP的产生32二、核酸的共价结构核酸的共价结构：即核酸的一级结构，指核酸的核苷酸序列。（一）核酸中核苷酸的连接方式3‘,5’—磷酸二酯键书写顺序：5‘3’33核酸共价结构的表示方法：竖线式表达法：用竖线代表戊糖，字母代表碱基；P代表磷酸基团文字表示法：P在碱基左侧，表示P在C5’位置上，P在碱基右侧，表示P与C3’相连，书写顺序5’3’。5’pCpApG3’34(二)DNA的一级结构DNA的一级结构：构成DNA的脱氧核苷酸按照一定的排列顺序，通过3‘,5’—磷酸二酯键相连形成的线形结构。也称为碱基的排列顺序。35（三）RNA的一级结构1、tRNA的一级结构3′端皆为CpCpAOH。362、mRNA的一级结构（1）原核细胞：多顺反子（cistron），即一条mRNA链上有多个编码区，5′端和3′端各有一段非翻译区（untranslatedregion，UTR）顺反子：基因功能的单位；编码一条多肽链的一段染色体；一种结构基因。37（2）真核生物的mRNA的结构特点⑴单顺反子。⑵5′端有帽子结构：由甲基化鸟苷经焦磷酸与mRNA的的5′末端核苷酸相连，形成5’，5’-三磷酸连接。（图）三种类型：m7G5’PPP5’Np；m7G5’PPP5’NmpNp；m7G5’PPP5’NmpNmpNp三种。作用：抗5′核酸外切酶的降解作用；在蛋白质合成过程中，有助于核糖体对mRNA的识别与结合，使翻译得以正确起始。⑶3′端有poly（A）：3’端大约20~250的聚腺苷酸，可能与mRNA从细胞核到细胞质的运输有关。3940三、DNA的高级结构（一）Chargaff规则关于DNA碱基组成的规律，包括：1.A=T；2.G=C；3.含氨基的碱基（A+C）=含酮基的碱基（G+T）4.A+G=C+T暗示了A与T，G与C相互配对的可能性。DNA碱基组成具有生物种的特异性。41（二）DNA的二级结构1、双螺旋结构模型--Watson-Crick，1953：两条平行多脱氧核苷链以相反方向围绕同一轴盘绕；两条链都是右手螺旋（图）。两条链配对偏向一侧，形成一条大沟和一条小沟（图）。碱基在螺旋内，其平面与中心轴垂直；磷酸与核糖在外，由3′，5′-磷酸二酯键连接，糖环平面与中心轴平行（图）。螺旋平均直径为2nm，碱基对的堆积距离为0.34nm，每10个核苷酸形成螺旋的一转（图）。两条链由碱基对之间的氢键相连，在空间上可能的碱基对只有A与T（两个氢键）以及G与C（三个氢键）（图）。462、其他DNA能以多种不同的构象存在。1.B-DNA：Watson-Crick双螺旋，比较接近细胞正常状态下DNA存在的构象。2.A-DNA：比较粗短，碱基倾角大一些，大沟深度明显超过小沟。3.Z-DNA：细长，大沟平坦，磷酸和糖骨架呈Z字型；左手DNA螺旋。（图）DNA的变构效应可能与基因表达的调节有关。48493、特殊的DNA二级结构(1)回文结构回文结构也称反向重复（invertedrepeats）50(2)发夹形和十字形51(3)H-DNA-三链螺旋524、维持DNA二级结构的作用力氢键虽然它只是一种作用较弱的次级键，但当DNA分子中氢键数量众多，仍可产生足够的能量来维持DNA分子结构稳定性。碱基堆积力碱基堆积力实质是疏水相互作用和范德华力。它对维持DNA的二级结构起主要作用。53（三）DNA的三级结构1、DNA三级结构：DNA分子（双螺旋）通过扭曲和折叠所形成的特定构象。2.超螺旋(superhelix)：环状双链DNA或两端固定的线形双链DNA进一步缠绕时形成的结构；DNA三级结构的一种形式；具有更致密的结构。54⑴负超螺旋（negativesuperhelix）：向DNA双螺旋的相反方向缠绕而成的超螺旋，又称松弛缠绕；天然的超螺旋DNA均为负超螺旋；可使其二级结构处于松散状态，使分子内部张力减少，利于DNA复制、转录和基因重组。⑵正超螺旋（positivesuperhelix）：向DNA双螺旋的相同方向缠绕而成的超螺旋，又称紧密缠绕；使分子内部张力加大，旋得更紧。55（四）DNA与蛋白质复合物的结构生物体内的核酸通常都与蛋白质结合形成复合物，以核蛋白的形式存在。如：病毒、真核生物的染色体。56真核生物染色体的结构基本单位——核小体（nucleosome):由DNA和组蛋白核心构成；组蛋白：H2A、H2B、H3、H4、H1核心由H2A、H2B、H3、H4各两个组成八聚体；DNA以左手螺旋在组蛋白核心上盘绕1.8圈，共146bp，核小体之间有连接DNA和组蛋白H1连接呈串珠状结构。（图）58四、RNA的高级结构RNA通常是单链线形分子，但可自身回折形成局部双螺旋（二级结构），进而折叠（三级结构）。除tRNA外，几乎所有RNA都与蛋白质形成核蛋白复合物（四级结构）RNA二级结构：单链RNA自行盘绕形成局部双螺旋的多“茎”多“环”结构。螺旋部分称为“茎”或“臂”；非螺旋部分称为“环”；在螺旋区，A与U配对，G与C配对。（图）60（一）tRNA的高级结构1、tRNA的二级结构（1）形状：三叶草形。（2）组成：4臂4环组成4臂：氨基酸接受臂、反密码臂、二氢尿嘧啶臂、TΨC臂。4环：反密码环（次黄嘌呤I核苷酸常出现于反密码子中）、二氢尿嘧啶环、TΨC环和额外环（大小不同，tRNA分类的重要指标）（图）62（1）氨基酸臂：富含鸟嘌呤，末端为CCA，接受活化的氨基酸。（2）二氢尿嘧啶环：由8~12个核苷酸组成，具有两个二氢尿嘧啶，故得名。（3）反密码环：由7个核苷酸组成。环中部为反密码子，由3个碱基组成。次黄嘌呤核苷酸（I）常出现于反密码环中。（4）额外环：有3~18个核苷酸组成。不同的tRNA有不同大小的额外环，故可作为tRNA分类指标。（5）TψC环：由7个核苷酸组成。几乎所有tRNA在此环中都含有TψC。632、tRNA的三级结构倒“L”形，所有的tRNA折叠后形成大小相似及三维构象相似的三级结构。64（二）rRNA的高级结构大肠杆菌16SrRNA和5SrRNA的二级结构返回65第四节、核酸的理化性质一、核酸的水解（一）核酸的酸解糖苷键和磷酸酯键都能被酸水解；66糖苷键比磷酸酯键更易被酸水解；嘌呤碱的糖苷键比嘧啶碱的糖苷键对酸更不稳定；对酸最不稳定的是嘌呤与脱氧核糖之间的糖苷键。如：DNA在pH1.6于37℃对水透析，可完全除去嘌呤碱，得到无嘌呤酸（apurinicacid）。67（二）碱水解1、RNA的磷酸酯键易被碱水解，产生核苷酸。原因：RNA的核糖上有2`-OH羟基，在碱作用下形成磷酸三酯；磷酸三酯极不稳定，随即水解，产生核苷2`，3`-环磷酸酯；环磷酸酯继续水