第二章 核酸的结构和功能分析

第二章核酸的结构和功能主要内容核酸的化学组成及其一级结构DNA的空间结构与功能RNA的结构与功能核酸的理化性质核酸酶学习目标掌握：核酸的化学组成和水解产物；DNA和RNA在组成成分和组成单位上的异同；核苷酸之间的连接方式；核酸的一级结构。熟悉：核酸的分类、分布与功能；DNA的空间结构。了解：体内重要的游离核苷酸；RNA的空间结构；核酸的理化性质。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。1868年，瑞士青年外科医生从脓细胞核中分离出一碱性蛋白和含磷的有机酸的混合物，当时称之为核素，后来被称为核酸。一、核酸的发现和研究工作进展1868年FridrichMiescher从脓细胞中提取“核素”1944年Avery等人证实DNA是遗传物质1953年Watson和Crick发现DNA的双螺旋结构1968年Nirenberg发现遗传密码1975年Temin和Baltimore发现逆转录酶1981年Gilbert和Sanger建立DNA测序方法1985年Mullis发明PCR技术1990年美国启动人类基因组计划(HGP)1994年中国人类基因组计划启动2001年美、英等国完成人类基因组计划基本框架二、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。分布于胞核、胞液。(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)。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。第一节核酸的化学组成一、核酸的元素和分子组成1.元素组成C、H、O、N、P（9~10%）2.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)嘌呤(purine)NNNHN123456789NNNHNNH2腺嘌呤(adenine,A)NNHNHNNH2O鸟嘌呤(guanine,G)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戊糖（构成RNA）1´2´3´4´5´OHOCH2OHOHOH核糖(ribose)（构成DNA）OHOCH2OHOH脱氧核糖(deoxyribose)两类核酸在分子组成上的异同点RNADNA组分磷酸核糖脱氧核糖磷酸戊糖碱基嘌呤嘧啶AGUCTRNA核糖DNA脱氧核糖UT核苷：AR,GR,UR,CR脱氧核苷：dAR,dGR,dTR,dCR二、核酸的基本结构—核苷酸1.核苷(ribonucleoside)碱基和核糖（脱氧核糖）通过糖苷键连接形成的化合物叫核苷（脱氧核苷）。OHOCH2OHOHNNNH2O1´1POOOHOHOCH2OHOHNNNH2OOHOCH2OHOHNNNH2O核苷酸：AMP,GMP,UMP,CMP脱氧核苷酸：dAMP,dGMP,dTMP,dCMP2.核苷酸(ribonucleotide)核苷（脱氧核苷）和磷酸以磷酸酯键连接形成的化合物叫核苷酸（脱氧核苷酸）。3、体内重要的游离核苷酸及其衍生物（1）多磷酸核苷酸：NMP，NDP，NTPNOCH2OOHOHNNNNH2POOHOHAMPNOCH2OOHOHNNNNH2POOHOPOOHOHADPNOCH2OOHOHNNNNH2POOHOPOOHOPOOHOHATP~~~体内重要的游离核苷酸及其衍生物（2）环化核苷酸:cAMP，cGMPNOCH2OOHONNNNH2POOHcAMP体内重要的游离核苷酸及其衍生物（3）含核苷酸的生物活性物质（辅酶类）NAD+、NADP+、CoA-SH、FAD等都含有AMPNADP+NAD+5´端3´端三、核苷酸的连接核苷酸之间以磷酸二酯键连接形成多核苷酸链，即核酸。CGA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CGAAGP5PTPGPCPTPOH3书写方法5pApCpTpGpCpT-OH35ACTGCT3第二节DNA的空间结构与功能一、DNA的一级结构定义DNA的一级结构是指核酸分子中核苷酸排列顺序及连接方式*3’,5’磷酸二酯键,前一个脱氧核苷酸的3’-OH和后一个的5’-磷酸缩合形成磷酸二酯键*方向性：通常规定5’3’为正向（一）DNA双螺旋结构的研究背景碱基组成分析Chargaff规则：[A]=[T][G][C]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-线衍射图谱分析二、DNA的二级结构——双螺旋结构（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，围绕同一中心轴，以右手螺旋方式绕成的双螺旋结构。双螺旋表面形成大沟和小沟（二）DNA双螺旋结构模型要点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）。螺旋直径为2nm，相邻碱基平面距离0.34nm，螺旋一圈螺距3.4nm，一圈10对碱基。碱基互补配对TAGC（二）DNA双螺旋结构模型要点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。逆向平行右手螺旋碱基互补氢键固定键轴垂直螺旋尺寸（三）DNA双螺旋结构的多样性三、DNA的超级结构（三级结构）（一）DNA的超螺旋结构•超螺旋结构DNA双螺旋链再盘绕即形成超螺旋结构。正超螺旋盘绕方向与DNA双螺旋方同相同。负超螺旋盘绕方向与DNA双螺旋方向相。•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。（二）原核生物DNA的高级结构原核生物的DNA是共价封闭的环状双螺旋，这种环状双螺旋结构再盘绕即形成超螺旋结构。右旋变紧为正超螺旋，变松为负超螺旋。自然界以负超螺旋为主。（三）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)。核小体的组成DNA：约200bp组蛋白：H1H2A，H2BH3H4四、DNA的功能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。第三节RNA的结构与功能StructureandFunctionofRNARNA的结构特征1.RNA分子的碱基组成主要是A、G、C、U。此外，RNA分子中含有多种稀有碱基2.RNA多为单股多核苷酸链，局部可形成双链3.RNA分子比DNA分子小。按其在基因表达中的作用常分为三大类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一、信使RNA的结构与功能hnRNA内含子(intron)mRNA*mRNA成熟过程外显子(exon)*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，同时第一个核苷酸的C´2也是甲基化，形成帽子结构：m7GpppNm-。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*mRNA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。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*tRNA的一级结构特点含10~20%稀有碱基，如DHU3´末端为—CCA-OH5´末端大多数为G具有TC二、转运RNA的结构与功能NNHNHNNOCH3CH3NNNHNNHCH2CHCCH3CH3NHNHOOHHHHNHNHSON,N二甲基鸟嘌呤N6-异戊烯腺嘌呤双氢尿嘧啶4-巯尿嘧啶稀有碱基1.分子中含较多的稀有碱基,如双氢尿嘧啶（DHU）、假尿嘧啶（）、次黄嘌呤(I)、甲基鸟嘌呤(mG)等。3.局部具有茎-环样结构（发夹结构）。二级结构为三叶草形;三级结构为倒L形。2.3’端都具有CCA结构，为氨基酸臂。4.其序列中有反密码子。tRNA空间结构要点•tRNA的二级结构——三叶草形氨基酸臂额外环•三环DHU环TC环反密码子环•四干（螺旋区）受体干（氨基酸臂)D干T干反密码干•一附加额外环受体干D干T干反密码干*tRNA的三级结构——倒L形*tRNA的功能活化、搬运氨基酸到核糖体，参与蛋白质的翻译。*rRNA的结构三、核蛋白体RNA的结构与功能*rRNA的功能参与组成核蛋白体，作为蛋白质生物合成的场所。*rRNA的种类（根据沉降系数）真核生物5SrRNA28SrRNA5.8SrRNA18SrRNA原核生物5SrRNA23SrRNA16SrRNA核蛋白体的组成原核生物（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28S5.85S5S4718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RNA•snmRNAs概念除了上述三种RNA外，细胞的不同部位存在的许多其他种类的小分子RNA，统称为非mRNA小RNA(snmRNAs)。•snmRNAs的种类核内小RNA（碱基数小于300、U1---U6）核仁小RNA胞质小RNA催化性小RNA和小片段干涉RNA•snmRNAs的功能参与hnRNA和rRNA的加工和转运。五、核酶1982年，T.cell从四膜虫中发现：一类具有自身催化，并可以剪切去除RNA内含子的催化活性的RNA分子，称之为核酶。从此改变了“酶的化学本质为蛋白”的传统概念。定义：核酸酶是指所有可以水解核酸的酶分类：依据底物不同分类DNA酶：专一降解DNA。RNA酶：专一降解RNA。依据切割部位不同核酸内切酶：分为限制性核酸内切酶和非特异性限制性核酸内切酶。核酸外切酶：5´→3´或3´→5´核酸外切酶第四节核酸的理化性质一、核酸的一般性质核酸是生物大分子，具有大分子的一般性质。表示核酸分子的大小的方式除了分子量外，常用碱基数目或碱基对数目来表示。核酸是两性电解质，但因磷酸基酸性较强，常显酸性。二、核酸的紫外吸收由于核酸中的嘌呤和嘧啶分子都含共轭双键，使得核酸分子在250nm-280nm处有吸收，但最大吸收峰在260nm处。这一性质主要用于核酸的定量。OD260的应用：1.DNA或RNA的定量2.判断核酸样品的纯度三、核酸的变性与复性（一）DNA的变性定义：在某些理化因素作用下，DNA双链解开成两条单链的过程。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、丙酮等。变性后其它理化性质变化：OD260增高粘度下降比旋度下降浮力密度升高酸碱滴定曲线改变生物活性丧失DNA变性的本质是双链间氢