大学生物化学教学课件核酸的结构与功能

1、第二章 核酸的结构与功能第一节 核酸的化学组成第二节 DNA的结构与功能第三节 RNA的结构与功能 第四节 核酸的理化性质及应用核酸的研究历史： 1868年，瑞士外科医生Fridrich Miescher从脓细胞核中分离到核酸样物质。 1944年，Oswald Avery通过肺炎双球菌转化实验证实了DNA是遗传的物质基础。 1953年，Watson/crick提出 DNA双螺旋结构模型。核酸分为DNA和RNA。DNA存在于细胞核和线粒体内，RNA存在于细胞质和细胞核内。第一节 核酸的化学组成核酸 在核酸酶作用下水解为核苷酸，核苷酸由碱基、戊糖和磷酸组成。 核苷酸磷酸核苷碱基戊糖核酸核糖脱氧核糖

2、嘌呤嘧啶 戊糖碱 基嘌 呤(purine)腺嘌呤（6-氨基嘌呤）Adenine(A)鸟嘌呤（2-氨基6-氧嘌呤）Guanine(G)嘧 啶(pyrimidine)在DNA和RNA中都有胞嘧啶（C），胸腺嘧啶只出现在DNA分子中，尿嘧啶则只出现于RNA分子中。嘌呤嘧啶核糖磷酸DNAA，GC，T脱氧核糖磷酸RNAA，GC，U核糖磷酸两类核酸分子的组成比较 嘌呤、嘧啶环上由于有共轭双键，在260nm波长附近对紫外光有较强的吸收。核苷=核糖+碱基碱基和核糖通过糖苷键连成核苷。连接方式是嘌呤环上的N-9或嘧啶环上的N-1与糖的C-1以糖苷键相连。腺嘌呤核苷（腺苷）胞嘧啶脱氧核苷（脱氧脱苷）核苷酸=核苷+

3、磷酸磷酸基团位于核糖的第五位碳原子C-5上。 NMP（nucleoside monophosphate) NDP (nucleoside diphosphate) NTP (nucleoside triphosphate)核酸的一级结构一级结构指其核苷酸的排列顺序。由于核苷酸间的差异主要是碱基不同，也称碱基序列。 DNA：四种脱氧核苷酸按一定顺序以磷酸二酯键相连形成的聚脱氧核苷酸链（polydeoxynucleotides）。 DNA的书写顺序是5 3。5末端的磷酸基团3，5-磷酸二酯键3末端羟基第二节 DNA的结构与功能 （一）研究背景Chargaff规律： 1 A=T， G=C， 嘌呤=

4、嘧啶 2. DNA碱基组成具有种的特异性 （不同生物碱基组成不同） 3. DNA碱基组成无组织器官特异性 （相同生物碱基组成相同） 4. 年龄、营养状况、环境改变不影响DNA碱基组成。 Franklin获得了高质量的X线衍射照片，显示出DNA是螺旋型分子，从密度上也提示了DNA为双链分子 .二、DNA双螺旋结构的要点DNA是一反向平行的互补双链结构。在双链结构中糖-磷酸骨架居外侧，而碱基位于内侧，两条链之间的碱基以氢键相结合。碱基互补配对，A=T,GC,两条链反向平行，一条链的走向为5 3 ，另一条为3 5。DNA双螺旋为右手螺旋。螺旋直径为2nm，螺旋每旋转一周为10对碱基，螺距为3.4nm

5、，每个碱基平面之间的距离为0.34nm,并形成大沟和小沟。 DNA双螺旋结构的稳定横向靠两条链间的互补碱基的氢键维持，纵向靠碱基平面之间的碱基堆积力。三、DNA结构的多样性B-DNA1979年，Alexander Rich发现了左手螺旋，称为Z-DNA另外也有A-DNA的存在。单链结构：phageX174，phageM13的DNA都是单链环状的。 phage-噬菌体三链DNA四、DNA的超螺旋结构原核生物： 大部分原核生物的DNA是共价封闭的环状双螺旋，这种双螺旋还可以再次螺旋化形成 超螺旋。(supercoil, superhelix)正超螺旋:盘绕方向与DNA螺旋方向相同. (positi

6、ve supercoil)负超螺旋:盘绕方向与DNA螺旋方向相反. (negative supercoil)真核生物：DNA和蛋白质组装成染色体，染色体的基本单位是核小体。核小体由DNA和组蛋白构成。组蛋白有H1，H2A，H2B，H3和H4。 H2A，H2B，H3和H4各两分子构成核小体的核心，称为组蛋白八聚体。 DNA双螺旋分子缠绕在八聚体上构成核小体的核心颗粒。核小体的核心颗粒之间再由DNA和组蛋白H1构成的连接区连接起来形成串珠状结构。 核小体进一步旋转折叠形成棒状染色体，将近1 m长的DNA分子容纳于直径只有数微米的细胞核中。DNA的功能 【基因】(gene) ：合成有功能的蛋白质（多

7、肽）或RNA所必须的全部DNA顺序。 【基因组】(genome) ： 一个生物体的全部基因序列。人类基因组：人22条染色体 + X、Y两条染色体的全部遗传物质 + mt基因组。SV40病毒的基因组仅含有5100 bp， 大肠杆菌基因组的大小为5700 kbp，人的基因组则由大约2.8109个bp组成。DNA的基本功能用为生物遗传信息复制的模板和基因转录的模板，它是遗传繁殖的物质基础。第三节 RNA的空间结构与功能功能核蛋白体RNArRNA核蛋白体组成成分 信使RNAmRNA蛋白质合成模板转运RNAtRNA转运氨基酸不均一核RNAHnRNA成熟mRNA的前体小核RNASnRNA参与HnRNA的剪

8、接转运小核仁RNASnoRNArRNA的加工和修饰小胞质RNAScRNA蛋白质内质网定位合成的信号识别的组成成分阶段一、信使RNA的结构与功能信使RNA（messenger RNA，mRNA）不均一核RNA（heterogeneou nuclear RNA，hnRNA）： 在细胞核内合成的mRNA的初级产物，经过剪接成为成熟的mRNA并移到细胞质。真核生物成熟mRNA的结构特点：1、5端帽子结构（cap sequence): mGpppNm. 帽子结构能促进核蛋白体与mRNA的结合,加速翻译起始速度,同时可以增强mRNA的稳定性。2、3末端多聚A的尾巴。可能与mRNA从核内向胞质的转位及mRN

9、A的稳定有关。mRNA的功能: 把核内DNA的碱基顺序按照碱基互补的原则，抄录并转送至胞质，指导蛋白质的合成。二、转运RNA的结构与功能转运RNA（transfer RNA，tRNA）是细胞内分子量最小的一类核酸， 其功能是在细胞蛋白质合成过程中作为各种氨基酸的载体。tRNA的特点：1、tRNA分子中含有10%-20%的稀有碱基，包括双氢尿嘧啶（DHU）、假尿嘧啶（）和甲基化的嘌呤（mG，mA）。I：次黄嘌呤核苷mG：7-甲基鸟嘌呤核苷假尿嘧啶核苷DHU:双氢尿嘧啶2、tRNA中存在一些能局部互补配对的区域，能形成局部茎-环状或发夹结构，由于茎环结构的存在，使tRNA形成了三叶草形的二级结构。

10、3. tRNA末端有AA臂4. tRNA序列中有反密码子5.tRNA共同的三级结构：倒L型 。三、核蛋白体RNA的结构与功能核蛋白体RNA（ribosomal RNA，rRNA）， 是细胞内含量最多的RNA，约占RNA总量的80%以上。rRNA与核蛋白体蛋白共同构成核糖体（ribosome）,是合成蛋白质的场所。小亚基大亚基四、其它小分子RNAsnmRNA: small non-messenger RNARNA组学(RNomics): 研究细胞中snmRNA的种类,结构和功能snmRNA: 核内小RNA(small nuclear RNA,snRNA) 核仁小RNA(small nucleol

11、ar RNA,snoRNA) 胞质小RNA(small cytoplasmic RNA,scRNA) 催化性小RNA(small catalytic RNA) 小片段干扰小RNA(small interfering RNA, siRNA)核酶某些RNA分子本身具有自我催化能力，可以完成rRNA的剪接。这种有催化作用的RNA被称为核酶（Ribozyme）。 1989年，美国科学家Altman和Cech由于发现核酶而获Nobel 化学奖。是对传统观念的一种挑战。siRNARNA干涉 (RNA interference RNAi) 又叫基因敲低( gene knockdown) 基因敲除( gene

12、 knockout)第四节 核酸的理化性质及应用一、核酸的一般理化性质多元酸，较强的酸性。 DNA为线性高分子，粘度极大，而RNA分子远小于DNA，粘度也小得多。由于碱基成分的紫外吸收特征，DNA和RNA溶液均具有260nm紫外吸收峰。二、DNA的变性【定义】：指双螺旋DNA在某些因素作用下，H键破坏，成为两股单链DNA的现象。 监测指标为A260的变化。变性因素：加热，极端PH，一定浓度的极性有机溶剂，尿素等。本质：变性指键断裂，不涉及核苷酸之间的共价键断裂。常用的变性方法为加热。增色效应（hyperchromic effect）：DNA解链过程中，其A260增加，并与解链程度有一定的关系。

13、解链曲线：在连续加热过程中以温度对A260的关系作图。解链温度：DNA变性从开始到完全解链是在一个相当窄的范围内完成 的。要这一范围内A260达到最大值的50%时的温度称为解链温度，又称为融解温度（melting temperature，Tm）。 Tm的大小与其所含碱基中的G+C比例相关，G+C比例越高，Tm值越高。三、DNA的复性与分子杂交复性；变性DNA在适当条件下，两条互补链可重新恢复天然的双螺旋构象，称为复性。热变性DNA经缓慢冷却后即可复性，也称为退火（annealing）。DNA复性速度受温度的影响。复性时温度缓慢下降才可使其重新配对复性。如加热后将其迅速冷却至4 以下，则不可能发生复性。比Tm低25为DNA复性的最佳条件。核酸的分子杂交(hybridization):加热双链DNA单链DNA杂交杂化双链在DNA复性过程中,双链分子的再形成既可以发生在序列完全互补的核酸分子之间,也可以发生在碱基序列