医学精品课件：第二章 核酸的结构与功能

1、第二章核酸的结构与功能,温州医学院生化教研室 李春洋,1868年，瑞士外科医生Fridrich从外科手术绷带上的脓细胞的细胞核中分离出一种溶于碱而不溶于酸的酸性有机化合物，其分子中含磷2.5%、含氮14%，该物质被命名为核酸。 根据核酸分子中所含戊糖的差别： （一）脱氧核糖核酸（DNA）:主要存在于细胞核中（真核细胞的线粒体中也存在不少量的DNA），携带着决定个体基因型的遗传信息，是遗传信息的贮存和携带者； （二）核糖核酸（RNA）:主要存在于细胞核和细胞质中，参与细胞内遗传信息的表达（也可作为遗传信息的载体,第一节核酸的化学组成及一级结构,组成核酸的主要元素包括碳、氢、氧、氮、磷等，其中磷的

2、含量比恒定，约为910%，据此可对样品中核酸进行定量分析,核酸,一、核苷酸是构成核酸的基本组成单位,核酸中的碱基是含氮杂环化合物，DNA和RNA都含有相同的两类碱基，嘌呤和嘧啶。嘌呤包括腺嘌呤（A）和鸟嘌呤（G）两种，而嘧啶则包括胞嘧啶（C）、胸腺嘧啶（T）和尿嘧啶（U）三种。 生物体的DNA和RNA分子中还含有一些含量很少的碱基，称为稀有碱基,DNA,RNA,ATP,ADP,AMP,ATP是体内能量的直接来源和利用形式，UTP、GTP、TTP也均可提供能量； AMP构成一些辅酶（如FAD、 NADP等），ATP、CTP、UTP 等可使许多化合物活化（如 SAM、UDPG等）； 某些核苷酸及其

3、衍生物是重 要的调节因子（如cAMP、cGMP等,cAMP,二、DNA是脱氧核糖核苷酸连接形成的大分子,一个脱氧核苷酸分子的3-羟基和另一个脱氧核苷酸分子的5-磷酸之间脱水缩合，生成一个含有3，5-磷酸二酯键的脱氧核苷酸分子。 脱氧核苷酸通过3，5-磷酸二酯键连接形成多聚核苷酸，多聚核苷酸链只能从3-OH端得以延长，具有53的方向性,三、RNA也是具有磷酸二酯键的线性大分子,与DNA相似，RNA也是多个核苷酸分子通过3，5-磷酸二酯键连接形成的线性大分子，也具有53的方向性。 DNA与RNA的差别仅在于：RNA的糖环是核糖而不是脱氧核糖；RNA的嘧啶是胞嘧啶和尿嘧啶，没有胸腺嘧啶,核酸的一级结

4、构是构成RNA的核苷酸和DNA的脱氧核苷酸自5-端至3-端的排列顺序（碱基序列）。 单链DNA和RNA分子的大 小常用核苷酸数目表示， 双链DNA则用碱基对或千 碱基对表示,四、核酸的一级结构是核苷酸的排列顺序,第二节DNA 的空间结构与功能,一、DNA的二级结构是双螺旋结构,一）DNA双螺旋结构的实验基础 20世纪50年代初，美国生物化学家E.Chargaff等人利用层析和紫外吸收光谱分析等技术研究了DNA的化学组成，提出了著名的“Chargaff规则”； 1951年11月，英国帝国学院的M.Wilkins和R.Franklin获得了高质量的DNA分子X线衍射照片，分析结果提示DNA是螺旋状

5、分子； 1953年，James Watson和Francis Crick在前人研究成果的基础上，提出著名的“Watson-Crick模型”，即DNA的双螺旋模型,二）DNA双螺旋结构模型的要点,DNA由两条多聚脱氧核苷酸链组成 核糖与磷酸位于外侧 DNA双链间形成互补碱基对 碱基对的疏水作用力和氢键共同维持着DNA双螺旋结构的稳定,三）DNA双螺旋结构的多样性,二、DNA的高级结构是超螺旋结构,一）原核生物DNA的环状超螺旋结构 绝大多数原核生物的DNA是环状的双螺旋分子，在细胞内进一步缠绕后形成了类核结构。 负超螺旋是原核生物DNA分子在自然界中存在的主要形式,真核生物染色质DNA是没有分支

6、的线性双螺旋结构，其三级结构是以核小体的形式存在的,二）真核生物DNA以核小体为单位形成,三、DNA是遗传信息的物质基础,1944年，美国细菌学家O.Avery才首次证明DNA是细菌遗传性状的转化因子（DNA是携带生物遗传信息的物质基础）。 DNA是遗传信息的载体，并为基因复制和转录提供了模板。 基因是携带遗传信息的DNA片段。 DNA具有高度稳定性、高度复杂性的特点，既保持生物体系遗传的相对稳定性，又可发生各种重组和突变，适应环境的变迁，为自然选择提供机会,第三节RNA 的结构与功能,RNA和蛋白质共同担负着基因的表达和表达调控功能。 RNA通常以单链形式存在，但可通过链内的碱基配对形成局部

7、的双链二级结构和空间的高级结构。 RNA分子比DNA分子小得多，但它的种类、大小和结构却远比DNA复制得多，这与它的功能多样化密切相关,一、mRNA是蛋白质合成中的模板,1960年，Jacob 和 Monod 等人用放射性核素示踪实验证实：一类大小不同的RNA才是细胞内合成蛋白质的真正模板，于1961年首先提出了信使RNA（mRNA）这个概念。 在各种RNA分子中，mRNA约占细胞内RNA总量的25%，种类最多，分子大小相差很大； mRNA的代谢非常活跃，半衰期从几分钟到几小时不等； mRNA极少含有稀有碱基,真核细胞在细胞核内新生成的mRNA的初级产物比成熟的mRNA大得多，被称为不均一核R

8、NA（hnRNA）。 绝大多数真核生物mRNA的5-端特殊的帽结构； 真核生物mRNA的3-端有多聚腺苷酸尾巴（poly A）； mRNA的碱基序列决定蛋白质的氨基酸序列（从成熟的mRNA的5-端第一个AUG到终止密码子之间的核苷酸序列称为开放阅读框,开放阅读框,遗传密码,二、tRNA是蛋白质合成中的氨基酸载体,转运RNA（tRNA）作为氨基酸的载体参与蛋白质的生物合成，其约占细胞内RNA总量的15%，已知的tRNA都是由7495个核苷酸构成，具有较好的稳定性。 tRNA含有多种稀有碱基； tRNA含有茎环结构（二级结构均为三叶草形，其空间结构为相似的倒L形）； tRNA的3-端可连接氨基酸；

9、 的反密码子能够识别mRNA的密码子,三、以rRNA为组分的核糖体是蛋白合成的的场所,核糖体RNA（rRNA）是细胞内含量最多的RNA，约占RNA总量的80%以上。 rRNA和一些蛋白质共同构成的核糖体（或称为核蛋白体）是细胞内蛋白质生物合成的场所。 无论原核生物还是真核生物，rRNA均由大、小两个亚基构成，当进行蛋白质合成时两个亚基聚合在一起，蛋白质合成结束两个亚基解聚，游离存在于细胞质中,rRNA的碱基组成没有一定比率，不同来源的rRNA的碱基组成差别很大。 rRNA的一级结构中除5S的tRNA外，其他的rRNA均含有少量的稀有碱基。 rRNA的二级结构有许多“茎-环”结构，这些结构与rR

10、NA和蛋白质的结合及核糖体组装有关,真核生物18S rRNA的二级结构示意图,第四节核酸的理化性质,核酸的一般性质,在活体细胞中多数为线性分子（原核细胞多为环状分子），分子量很大。 DNA分子的长度和直径之比很高，极易在机械力的作用断裂（RNA分子比DNA分子小且短）。 DNA和RNA分子都是极性化合物，都微溶于水，而不溶于乙醇、乙醚、氯仿等有机溶剂。 DNA溶液粘度极大（RNA的粘度比DNA粘度小） 核酸含有酸性的磷酸基团和碱性的碱基，核酸是两性电解质,一、核酸分子具有强烈的紫外吸收,由于核酸的嘌呤及嘧啶具有共轭双键，因此碱基、核苷、核苷酸及核酸对紫外线具有强烈的吸收。 在中性条件下，它们的

11、最大吸收峰位于260nm附近，通常用A260表示。 利用核酸的紫外吸收特性可以对溶液中的核酸的含量进行定量分析。 利用这一性质还可以检测溶液中核酸的纯度,二、DNA变性是双链解离为单链的过程,在某些理化因素（温度、pH、离子强度等）会导致DNA双链互补碱基之间的氢键发生断裂，使DNA双链解离为单链，这种现象称为DNA变性。 核酸变性时破坏了DNA的空间结构，但没有改变它的核苷酸序列，即构成磷酸-戊糖骨架的3，5-磷酸二酯键并没有被破坏，多核苷酸链的3，5-磷酸二酯键断裂称为降解,在DNA解链的过程中，由于有更多的共轭双键得以暴露，含有DNA的溶液在260nm处的吸光度随之增加，这种现象称为DN

12、A的增色效应。 如果在热变性的过程中，以温度为横坐标，以A260为纵坐标作图，所得到的曲线称为DNA的解链曲线。 在解链过程中，紫外吸光度的变化 A260达到最大值的一半时所对应的 温度称为DNA的解链温度（Tm,三、变性的核酸可以复性或形成杂交双链,当变性条件缓慢地除去后，两条解离的互补链可重新互补配对，恢复原来的双螺旋结构，此过程称为复性。 热变性的DNA在缓慢降低温度时也可以复性，这一过程称为退火,如果将不同种类的DNA单链或RNA放在同一溶液中，只要两种核酸单链之间存在着一定程度的碱基配对关系，它们就有可能形成杂化双链，这种现象称为杂交。 杂化双链可以在不同的DNA单链之间形成，也可以在RNA单链之间形成，甚至还可以在DNA单链和RNA单链之间形成,第五节核 酸 酶,一、核酸酶的概念及其分类,核酸酶所有可以水解核酸的酶。 核酸酶的分类： 根据底物的不同分为DNA酶（DNase）和RNA酶（RNase）两类； 根据对底物二级结构的