生物化学：2核酸的结构与功能

1、目录目录1第二章第二章核酸的结构与功能核酸的结构与功能Structure and Function of Nucleic Acid目录目录2（一）熟悉核酸的分类和生物学功能、分子组（一）熟悉核酸的分类和生物学功能、分子组成、化学结构特点。成、化学结构特点。（二）（二）掌握掌握核酸一级结构的概念及连接键。核酸一级结构的概念及连接键。（三）（三）掌握掌握DNADNA的碱基组成及的碱基组成及ChargaffChargaff规则、规则、DNADNA的双螺旋结构要点。的双螺旋结构要点。（四）熟悉（四）熟悉DNADNA的超螺旋结构、核小体的组成的超螺旋结构、核小体的组成。（五）（五）掌握掌握RNARNA的

2、分类、的分类、mRNAmRNA的结构特点、的结构特点、tRNAtRNA一级结构及二级结构的特点、一级结构及二级结构的特点、rRNArRNA的功能。的功能。（六）熟悉核酸重要的理化性质。（六）熟悉核酸重要的理化性质。n核核 酸酸(nucleic acid) 是以核苷酸为基本组成单位的生物大分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。子，携带和传递遗传信息。包括核糖核酸（包括核糖核酸（ribonucleic acid, RNA）和脱氧核糖核酸（和脱氧核糖核酸（deoxyribonucleic acid, DNA）两大类。）两大类。n核酸的分类及分布核酸的分类及分布存在存在于细胞核和

3、于细胞核和线粒体线粒体 分布于细胞核、细胞质、分布于细胞核、细胞质、线粒体线粒体(deoxyribonucleic acid, DNA)(ribonucleic acid, RNA)脱氧核糖核酸脱氧核糖核酸 核糖核酸核糖核酸携带遗传信息，并通过复制传递携带遗传信息，并通过复制传递给下一代。给下一代。是是DNADNA转录的产物，参与遗传信转录的产物，参与遗传信息的复制与表达。某些病毒息的复制与表达。某些病毒RNARNA也可作为遗传信息的载体也可作为遗传信息的载体第一节第一节核酸的化学组成及其一级结构核酸的化学组成及其一级结构The Chemical Component and Primary S

4、tructure of Nucleic Acid目录目录6核酸核酸 ( (DNA和和RNA) )核苷酸核苷酸核苷和脱氧核苷核苷和脱氧核苷磷酸磷酸戊糖戊糖碱基碱基嘌呤嘌呤嘧啶嘧啶核糖核糖脱氧核糖脱氧核糖n核酸组成核酸组成 碱碱 基基n分子组成分子组成碱基碱基(base)：嘌呤碱，嘧啶碱：嘌呤碱，嘧啶碱戊糖戊糖(ribose)：核糖，脱氧核糖：核糖，脱氧核糖磷酸磷酸(phosphate)一、核苷酸是构成核酸的基本组成单位一、核苷酸是构成核酸的基本组成单位目录目录8碱基碱基(base)是含氮的杂环化合物。是含氮的杂环化合物。碱基碱基嘌呤嘌呤嘧啶嘧啶腺嘌呤（腺嘌呤（A A）鸟嘌呤鸟嘌呤（G）尿嘧啶尿嘧

5、啶（U）胸腺嘧啶胸腺嘧啶（T）胞嘧啶胞嘧啶（C）存在于存在于DNA和和RNA中中仅存在于仅存在于RNA中中仅存在于仅存在于DNA中中1. 碱基碱基嘌呤嘌呤(purine，Pu) NNNHN123456789NNNHNNH2腺嘌呤腺嘌呤(adenine, A)NNHNHNNH2O鸟嘌呤鸟嘌呤(guanine, G)嘧啶嘧啶(pyrimidine，Py)胞嘧啶胞嘧啶(cytosine, C)NNHNH2O尿嘧啶尿嘧啶(uracil, U)NHNHOO胸腺嘧啶胸腺嘧啶(thymine, T)NHNHOOCH3NN123456目录目录11 DNA中含有中含有A、G、C、T RNA中含有中含有A、G、C

6、、U目录目录12n碱基的互变异构体碱基的互变异构体 HNHNCNH2+O+HNNH2NNH2亚氨式氨式+ H+NCOHNCO- -+ H+酮式烯醇式2. 2. 戊糖戊糖（构成（构成RNA）1 2 3 4 5 OHOCH2OHOHOH核糖核糖(ribose)（构成（构成DNA）OHOCH2OHOH脱氧核糖脱氧核糖(deoxyribose)目录目录143核苷核苷(nucleoside)： 核苷核苷是由戊糖与含氮碱基经脱水缩合而生成的是由戊糖与含氮碱基经脱水缩合而生成的化合物。化合物。 在大多数情况下，核苷是由核糖或脱氧核糖的在大多数情况下，核苷是由核糖或脱氧核糖的C1与与嘧啶碱嘧啶碱N1或或嘌呤碱

7、嘌呤碱N9进行缩合反应，故进行缩合反应，故生成的化学键称为生成的化学键称为N-糖苷键糖苷键。 目录目录15n嘌呤核苷、嘧啶核苷嘌呤核苷、嘧啶核苷OHOCH2OHOHNNNH2O1 1NNNN9NH2OOHOHHHHCH2OHH12目录目录164. 核苷酸核苷酸(ribonucleotide)NNNN9NH2OO HO HHHHCH2H1 2OPO- -HOO糖苷键糖苷键酯键酯键核苷酸核苷酸(nucleotide)(nucleotide)是由是由核苷与磷酸经脱水缩合后核苷与磷酸经脱水缩合后生成的磷酸酯类化合物，生成的磷酸酯类化合物，包括包括核糖核苷酸核糖核苷酸和和脱氧核脱氧核糖核苷酸糖核苷酸两大

8、类。两大类。目录目录17 5 -核苷酸又可按其在核苷酸又可按其在5 位缩合的磷酸基的多少，位缩合的磷酸基的多少，分为一磷酸核苷（核苷酸）、二磷酸核苷和三分为一磷酸核苷（核苷酸）、二磷酸核苷和三磷酸核苷。磷酸核苷。 环化核苷酸：环化核苷酸：cAMP、cGMP，是细胞信是细胞信号转导中的第二信使。号转导中的第二信使。NOCH2OOHONNNNH2POOHcAMPn核苷酸衍生物核苷酸衍生物目录目录19脱氧脱氧碱基碱基磷酸基数目磷酸基数目磷酸磷酸dAMPGDTTCU二、二、DNA是脱氧核苷酸通过是脱氧核苷酸通过3,5-磷酸二酯磷酸二酯键键连接形成的大分子连接形成的大分子一个脱氧核苷酸一个脱氧核苷酸3

9、3 的的羟基羟基与另一个与另一个脱氧脱氧核核苷酸苷酸5 5 的的 - -磷酸磷酸基团缩合形成基团缩合形成磷酸二酯键磷酸二酯键(phosphodiester bond)。 多个脱氧核苷酸通过多个脱氧核苷酸通过磷酸二酯键磷酸二酯键构成了构成了具有具有方向性方向性的线性分子，称为的线性分子，称为多聚脱氧核苷多聚脱氧核苷酸酸(polydeoxynucleotide)，即即DNA链链。目录目录213,5-3,5-磷酸二酯键的形成磷酸二酯键的形成磷酸二酯键磷酸二酯键 目录目录225-末末端端3-末末端端CGA磷酸二酯键磷酸二酯键磷酸二酯键磷酸二酯键目录目录23交替的交替的磷酸磷酸基团基团和戊和戊糖糖构成了

10、构成了DNA的骨架的骨架 (backbone)。DNA链的方向是链的方向是5 5 3 3 目录目录24三、三、RNA也是具有也是具有3,5-磷酸二酯键磷酸二酯键的线性大分子的线性大分子 RNA也是多个核苷酸分子通过酯化反应形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；成的线性大分子，并且具有方向性； RNA的戊糖是核糖；的戊糖是核糖； RNA的嘧啶是胞嘧啶和尿嘧啶。的嘧啶是胞嘧啶和尿嘧啶。n定义定义构成核酸的核苷酸或构成核酸的核苷酸或脱氧核苷酸从脱氧核苷酸从5 5- -末端到末端到3 3- -末端的排列顺序。末端的排列顺序。由于核苷酸间的差异由于核苷酸间的差异主要是碱基不同

11、，所以也主要是碱基不同，所以也称为称为碱基序列碱基序列。55端端3端端CGA四、核酸的一级结构是四、核酸的一级结构是核苷酸的排列顺序核苷酸的排列顺序A G P5 P T PG PC PT P OH 3 n书写方法：书写方法：5 pApCpTpGpCpT-OH 3 5 A C T G C T 3 核酸分子的大小常用碱基核酸分子的大小常用碱基(base或或kilobase)数目数目来表示。来表示。 小的核酸片段小的核酸片段(80)。r R N A 与 核 糖 体 蛋 白 结 合 组 成与 核 糖 体 蛋 白 结 合 组 成 核 糖 体核 糖 体(ribosome)，为蛋白质的合成提供场所。，为蛋白

12、质的合成提供场所。三、以三、以rRNA为组分的核蛋白体是为组分的核蛋白体是蛋白质合成的场所蛋白质合成的场所目录目录77 原核生物中原核生物中，rRNA有三种：有三种：5S，16S，23S。其。其中，中，16S的的rRNA参与构成核蛋白体的小亚基，参与构成核蛋白体的小亚基，而而5S和和23S的的rRNA参与构成核蛋白体大亚基。参与构成核蛋白体大亚基。 真核生物中真核生物中，rRNA有四种：有四种：5S，5.8S，18S，28S。其中，。其中，18S的的rRNA参与构成核蛋白体小亚参与构成核蛋白体小亚基，其余的基，其余的rRNA参与构成核蛋白体大亚基。参与构成核蛋白体大亚基。目录目录78核蛋白体的

13、组成核蛋白体的组成原核生物（以大肠杆菌为例）原核生物（以大肠杆菌为例）真核生物（以小鼠肝为例）真核生物（以小鼠肝为例）小亚基小亚基30S40SrRNA16S1542个核苷酸个核苷酸18S1874个核苷酸个核苷酸蛋白质蛋白质21种种占总重量的占总重量的40%33种种占总重量的占总重量的50%大亚基大亚基50S60SrRNA23S5S2940个核苷酸个核苷酸120个核苷酸个核苷酸28S5.85S5S4718个核苷酸个核苷酸160个核苷酸个核苷酸120个核苷酸个核苷酸蛋白质蛋白质31种种占总重量的占总重量的30%49种种占总重量的占总重量的35%目录目录79n1818S rRNA的二级结构的二级结构

14、目录目录80四、四、snmRNA参与了基因表达的调控参与了基因表达的调控细胞的不同部位存在的许多其他种类的小分细胞的不同部位存在的许多其他种类的小分子子RNA，统称为，统称为非非mRNA小小RNA(small non-messenger RNAs, snmRNAs)。 nsnmRNAsl核内小核内小RNA（snRNA）l核仁小核仁小RNA (snoRNA)l胞质小胞质小RNA (scRNA)l催化性小催化性小RNA (small catalytic RNA)l小片段干涉小片段干涉 RNA ( siRNA ) nsnmRNAs的的种类种类目录目录82snmRNAs的功能的功能（1）参与）参与hn

15、RNA和和rRNA的加工和转运。的加工和转运。 （2）参与基因表达过程的调控。）参与基因表达过程的调控。 （3）催化性小）催化性小RNA具有催化特定具有催化特定RNA降解的活降解的活性，称为核酶。性，称为核酶。 （4）siRNA可与外源基因表达的可与外源基因表达的mRNA结合，结合，诱导其降解。诱导其降解。 目录目录83RNARNA组学研究细胞中组学研究细胞中snmRNAs的种类、的种类、结构和功能。同一生物体内不同种类的细胞、结构和功能。同一生物体内不同种类的细胞、同一细胞在不同时间、不同状态下同一细胞在不同时间、不同状态下snmRNAs的表达具有时间和空间特异性。的表达具有时间和空间特异性

16、。 RNARNA组学组学目录目录84n原核生物基因表达的特异性原核生物基因表达的特异性五、核酸在真核细胞和原核细胞中五、核酸在真核细胞和原核细胞中表现了不同的时空特性表现了不同的时空特性目录目录85n真核生物基因表达的特异性真核生物基因表达的特异性核酸的理化性质核酸的理化性质The Physical and Chemical Characters of Nucleic Acid第四节第四节核酸的酸碱及溶解度性质核酸的酸碱及溶解度性质l核酸为多元酸，具有较强的酸性。核酸为多元酸，具有较强的酸性。核酸的高分子性质核酸的高分子性质l粘度：粘度：DNARNA dsDNA ssDNAl沉降行为沉降行为:

17、不同构象的核酸分子的沉降的不同构象的核酸分子的沉降的速率有很大差异，这是超速离心法提取和速率有很大差异，这是超速离心法提取和纯化核酸的理论基础。纯化核酸的理论基础。核酸在波长核酸在波长 260nm 处有强烈的吸收，是处有强烈的吸收，是由由碱基的共轭双键碱基的共轭双键所决定的。这一特性常用作所决定的。这一特性常用作核酸的定性和定量分析。核酸的定性和定量分析。一、核酸分子具有强烈的紫外吸收一、核酸分子具有强烈的紫外吸收DNA或或RNA的定量的定量A260 = 1.0 相当于相当于 50g/ml 双链双链DNA(dsDNA)40g/ml 单链单链DNA (ssDNA or RNA)20g/ml 寡核

18、苷酸寡核苷酸确定样品中核酸的纯度确定样品中核酸的纯度 纯纯 DNA: A260/A280 = 1.8纯纯 RNA: A260/A280 = 2.0n紫外吸收的应用紫外吸收的应用二、二、DNADNA变性是双链解离为单链的过程变性是双链解离为单链的过程在理化因素会导致在理化因素会导致DNA双链互补碱基双链互补碱基对之间的对之间的氢键氢键发生断裂，使双链发生断裂，使双链DNA解离解离为单链，这种现象称为为单链，这种现象称为DNA的变性的变性(denaturation)。n定义定义引起引起DNA变性的因素主要有：变性的因素主要有：高温，强酸强高温，强酸强碱，有机溶剂碱，有机溶剂等。等。 n部分变性部分

19、变性DNA的电镜图像的电镜图像目录目录92 增色效应增色效应(hyperchromic effect)：指：指DNA变性后对变性后对260nm紫外光的光吸收度增加的现象；紫外光的光吸收度增加的现象； 旋光性下降；旋光性下降； 粘度降低；粘度降低； 生物学功能丧失或改变。生物学功能丧失或改变。DNA变性后的性质改变：变性后的性质改变：增色效应增色效应(hyperchromic effect)：DNA变性变性时其溶液时其溶液OD260增高增高的现象。的现象。nDNA解链时的解链时的紫紫外吸收变化外吸收变化nDNA的解的解链链曲线曲线连续加热连续加热DNA的的过程中以温度相对于过程中以温度相对于A2

20、60值作图，所得的曲值作图，所得的曲线称为线称为解链曲线解链曲线。 解链过程中，紫外解链过程中，紫外吸光度的变化达到最大吸光度的变化达到最大变化值的一半时所对应变化值的一半时所对应的温度。的温度。解链温度解链温度(melting temperature，Tm) G+C 含量越高，解链温度就越高。含量越高，解链温度就越高。 离子强度越高，离子强度越高，Tm也越高。也越高。n解链解链曲线曲线的变化的变化三、变性的核酸可以复性或形成三、变性的核酸可以复性或形成杂交双链杂交双链当变性条件缓慢地除去后，两条解离的互补链当变性条件缓慢地除去后，两条解离的互补链可重新配对，恢复原来的双螺旋结构，这一现可重新配对，恢复原来的双螺旋结构，这一现象称为象称为DNA复性复性(renaturation) 。减色效应：减色效应：DNA复性时，其溶液复性时，其溶液OD260降低。降低。热变性的热变性的DNA经缓慢冷却后即可复性，这一经缓慢冷却后即可复性，这一过程称为过程称为退火退火(annealing) 。 不同种类的不同种类的DNA单链分子或单链分子或RNA分子放在同一分子放在同一溶液中，只要两种单链分子之间存在着一定程溶液中，只要两种单链分子之间存在着一定程度的碱基配对关系，在适宜的条件可以在不同度的碱基配对关系，在适宜的条件可以在不同的分子间形成的分子间形成杂化双链