生物大分子的结构与功能-核酸的结构与功能（生物化学课件）

核酸的分子组成RNA含磷8.5%-9%DNA含磷9%-10%一、核酸的元素组成主要元素：C、H、O、N、P与蛋白质比较，核酸元素组成有何特点？与与蛋白质比较，核酸组成上有两个特点：一是核酸一般不含元素S，二是核酸中P元素的含量较多并且恒定，约占9～10%。因此，核酸定量测定的经典方法，是以测定P含量来代表核酸量。核酸的基本组成单位是核苷酸(nucleotide)核酸（DNA和RNA）核苷酸（脱氧核糖核苷酸和核糖核苷酸）脱氧核苷和核苷磷酸戊糖碱基嘌呤嘧啶脱氧核糖核糖二、核酸的基本成分（一）戊糖是核苷酸组分之一（构成RNA）12345-D-核糖（构成DNA）-D-2-脱氧核糖OHOCH2OHOHOH类别DNARNA戊糖脱氧核糖核糖碱基A,T,C,GA,U,C,G分布细胞核，线粒体细胞质，细胞核生理功能遗传信息贮存参与蛋白质合成DNA和RNA分子组成及功能对照表嘌呤碱：A(adenine)、G(guanine)嘧啶碱：C(cytosine)、T(thymine)、U(uracil)稀有碱基：甲基化衍生物

（二）嘌呤和嘧啶是核苷酸的碱基组分碱基中含共轭双键，对260nm左右的紫外光有较强的吸收，可用于定性定量分析。腺苷(AR)

脱氧胞苷(dCR)β1,N9-糖苷键β1,N1-糖苷键β1β1N9N1OH（三）核苷（戊糖+碱基）三、碱基与戊糖相连形成核苷，核苷与磷酸连接形成核苷酸

戊糖的C1与嘌呤的N9或嘧啶的N1以糖苷键相连形成核苷(nucleoside)。

戊糖的碳原子编号加“

’”。NNNN9NH2O(O)HOHHHHCH2OHH1'2'糖苷键游离存在的多为5’-核苷酸核苷的戊糖羟基与磷酸结合形成的磷酸酯即核苷酸常见的核苷酸/脱氧核苷酸（NMP/dNMP）

AMP、GMP、CMP、UMP

dAMP、dGMP、dCMP、dTMP

2’-、3’-、5’-三种核苷酸

3’-、5’-两种脱氧核苷酸DNA的空间结构与功能DNA的空间结构与功能DNA的空间结构又分为二级结构(secondarystructure)和高级结构。构成DNA的所有原子在三维空间具有确定的相对位置关系。1.DNA的二级结构——双螺旋结构模型JamesWatson(L)andFrancisCrick(R),andthemodeltheybuiltofthestructureofDNA对DNA双螺旋结构模型作出贡献的科学家OswaldAvery(1877-1955)微生物学家Avery研究揭示，DNA是遗传的单位。他的研究成果激励着watsonandcrick寻求DNA的结构。

——Nature,2003ErwinChargaff(1905-2002)

Chargaff研究发现了DNA碱基的配对规律，也就是A必须与T配对，G和C配对。——Nature,2003①DNA碱基组成有物种差异，且物种亲缘关系越远，差异越大；②相同物种，不同组织器官DNA碱基组成相同③DNA分子中四种碱基的摩尔百分比具有一定的规律性，即A=T、G=C、A+G=T+C。这一规律被称为Chargaff规则。罗萨琳.富兰克林拍摄了极为清晰的DNA晶体的X射线衍射照片目前已知DNA双螺旋结构可分为A、B、C、D及Z型等数种，除Z型为左手双螺旋外，其余均为右手双螺旋。B型双螺旋DNA的结构特征

1.为右手反平行双螺旋2.

磷酸和脱氧核糖位于螺旋外侧，碱基位于内侧3.

螺距为3.4nm，直径为2nm

碱基平面与螺旋纵轴垂直

4.两条链间存在碱基互补：A与T或G与C配对形成氢键，称为碱基互补原则5.螺旋的稳定因素为氢键和碱基堆砌力DNA双螺旋结构的要点：共价封闭的环状双螺旋

2.DNA的超级结构原核生物DNA的高级结构：麻花状的超螺旋结构核小体、染色质与染色体真核生物DNA的高级结构：3.DNA的功能

DNA的基本功能是作为遗传信息的载体，为生物遗传信息复制以及基因信息的转录提供模板。基因(gene)：DNA分子中具有特定生物学功能的片段。基因组(genome)：一个生物体的全部DNA序列。RNA的空间结构与功能RNA的结构与功能RNA通常以单链形式存在，但也可形成局部的双螺旋结构。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信使RNA(messengerRNA,mRNA)是合成蛋白质的模板。不均一核RNA(hnRNA)含有内含子(intron)和外显子(exon)。

外显子是氨基酸的编码序列，而内含子是非编码序列。

hnRNA经过剪切后成为成熟的mRNA。1.mRNA是蛋白质合成中的模板hnRNA内含子(intron)mRNAmRNA成熟过程

外显子(exon)从AUG开始，每三个核苷酸为一组编码了一个氨基酸，称为三联体密码(codon)。成熟的mRNA由氨基酸编码区和非编码区构成。5-末端的帽子(cap)结构和3-末端的多聚A尾(poly-Atail)结构。

成熟的真核生物mRNA

帽子结构:m7GpppNm（1）大部分真核细胞mRNA的5'末端都以7-甲基鸟嘌呤-三磷酸核苷为起始结构mRNA的帽结构可以与帽结合蛋白(capbindingprotein，CBP)结合。

加帽过程真核生物的mRNA的3-末端转录后加上一段长短不一的聚腺苷酸。（2）在真核生物mRNA的3'末端有多聚腺苷酸结构加尾过程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（2）mRNA依照自身的碱基顺序指导蛋白质氨基酸顺序的合成从mRNA分子5'末端起的第一个AUG开始，每3个核苷酸为一组称为密码子(codon)或三联体密码(tripletcode)。

AUG被称为起始密码子；决定肽链终止的密码子则称为终止密码子。位于起始密码子和终止密码子之间的核苷酸序列称为开放阅读框(openreadingframe,ORF)，决定了多肽链的氨基酸序列。（4）mRNA的成熟过程是hnRNA的剪接过程卵清蛋白mRNA的成熟转运RNA(transferRNA,tRNA)在蛋白质合成过程中作为各种氨基酸的载体,将氨基酸转呈给mRNA。由74～95核苷酸组成；占细胞总RNA的15%；具有很好的稳定性。2.tRNA是蛋白质合成中的氨基酸载体（1）tRNA中含有多种稀有碱基tRNA具有局部的茎环(stem-loop)结构或发卡(hairpin)结构。（2）tRNA具有茎环结构tRNA的二级结构——三叶草形氨基酸臂DHU环反密码环TψC环附加叉tRNA二级结构类似上面的三叶草结构tRNA

1.二级结构为三叶草型

2.三级结构为倒Ｌ型携带氨基酸辨认并结合氨基酰tRNA合成酶识别mRNA上的密码识别并结合核蛋白体氨基酸臂DHU环反密码环可变环TC环tRNA的倒L三级结构

tRNA的3-末端都是以CCA结尾。

3-末端的A与氨基酸共价连结，tRNA成为了氨基酸的载体。不同的tRNA可以结合不同的氨基酸。

（3）tRNA的3-末端连接氨基酸

tRNA的反密码子环上有一个由三个核苷酸构成的反密码子(anticodon)。

tRNA上的反密码子依照碱基互补的原则识别mRNA上的密码子。（4）tRNA的反密码子识别mRNA的密码子核蛋白体RNA(ribosomalRNA，rRNA)是细胞内含量最多的RNA(>80％)。

rRNA与核蛋白体蛋白结合组成核蛋白体(ribosome)，为蛋白质的合成提供场所。3.以rRNA为组分的核蛋白体是蛋白质合成的场所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%大肠杆菌的核蛋白体18S

rRNA的二级结构蛋白质合成时形成的复合体核酸的理化性质1.核酸的酸碱及溶解度性质核酸为两性电解质，含有酸性的磷酸基和碱性的碱基。磷酸基的酸性较强，故核酸分子通常表现为酸性。属于极性化合物，微溶于水，不溶于乙醇等有机溶剂2.核酸的高分子性质粘度：DNA>RNAdsDNA>ssDNA沉降行为: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纯化核酸的理论基础。核酸在波长260nm处有强烈的吸收，是由碱基的共轭双键所决定的。这一特性常用作核酸的定性和定量分析。3.核酸的紫外吸收性质碱基的紫外吸收光谱DNA或RNA的定量A260=1.0相当于50μg/ml双链DNA(dsDNA)40μg/ml单链DNA(ssDNAorRNA)20μg/ml寡核苷酸确定样品中核酸的纯度 纯DNA:A260/A280=1.8

纯RNA:A260/A280=2.0紫外吸收的应用核酸分子杂交不同种类的DNA单链分子或RNA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杂化双链(heteroduplex)。这种杂化双链可以在不同的DNA与DNA之间形成，也可以在DNA和RNA分子间或者RNA与RNA分子间形成。这种现象称为核酸分子杂交。核酸分子杂交(hybridization)

核酸分子杂交研究DNA分子中某一种基因的位置。监定两种核酸分子间的序列相似性。检测某些专一序列在待检样品中存在与否。Southern印迹、Northern印迹、dot印迹、基因芯片等。核酸分子杂交的应用核酸酶

核酸酶(nucleases)是指所有可以 水解核酸的酶。 按底物不同分为：

DNA酶（DNase）

RNA酶（RNase）

按作用部位不同分为：

5´末端外切酶

核酸外切酶

3´末端外切酶

核酸内切酶

限制性核酸内切酶： 有严格的序列依赖性，是基因工 程中的重要工具酶。体内重要的游离核苷酸重要的游离核苷酸及其衍生物1.多磷酸核苷酸

NMP的磷酸基可以再和磷酸相连形成

NDP/dNDP、NTP/dNTP（RNA/DNA的原料）ATPNOCH2OOHOHNNNNH2POOHOPOOHOPOOHOHATP是能量的直接供体