《生物化学》第02章核酸

第二章

核酸的结构和功能StructureandFunctionofNucleicAcid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。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及其一级结构TheChemicalComponentandPrimaryStructureofNucleicAcid核酸的化学组成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)基嘌呤(purine)腺嘌呤(adenine,A)鸟嘌呤(guanine,G)碱基嘧啶(pyrimidine)胞嘧啶(cytosine,C)尿嘧啶(uracil,U)胸腺嘧啶(thymine,T)

DNA中含有的碱基是：ATCG

RNA中含有的碱基是：AUCG

紫外吸收的特性（共轭双键）吸收波长：260nm

用于定量测定戊糖（构成RNA）1´2´3´4´5´核糖(ribose)（构成DNA）脱氧核糖(deoxyribose)核苷：AR,GR,UR,CR脱氧核苷：dAR,dGR,dTR,dCR一、核苷酸的结构1.核苷(ribonucleoside)的形成碱基和核糖（脱氧核糖）通过糖苷键连接形成核苷（脱氧核苷）。1´1核苷：戊糖与含氮碱基脱水缩合而生成糖苷键β1’β1’N9N1C-N键假尿嘧啶（Ψ）核苷

的糖苷键不是C-N键，而是C-C键核苷酸：AMP,GMP,UMP,CMP脱氧核苷酸：dAMP,dGMP,dTMP,dCMP

2.核苷酸(ribonucleotide)的结构与命名核苷（脱氧核苷）和磷酸以磷酸酯键连接形成核苷酸（脱氧核苷酸）。

核苷酸的结构与命名体内重要的游离核苷酸及其衍生物含核苷酸的生物活性物质：

NAD+、NADP+、CoA-SH、FAD

等都含有

AMP

多磷酸核苷酸：NMP，NDP，NTP环化核苷酸:cAMP，cGMPAMPADPATPcAMPNADP+NAD+5´端3´端3.核苷酸的连接

核苷酸之间以3’,5’-磷酸二酯键连接形成多核苷酸链，即核酸。CGA二、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CGAA

G

P5

PT

PG

PC

PT

POH3

书写方法5

pApCpTpGpCpT-OH

3

5

ACTGCT

3

核酸具有方向性，一端称为5’-端，另一端称为3’-端第二节DNA的空间结构与功能DimensionalStructureandFunctionofDNA一、DNA的二级结构——双螺旋结构（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双螺旋结构模型要点（Watson,Crick,1953）DNA分子是反向平行的互补双链结构；骨架：-脱氧核糖-磷酸-

碱基：“挂”在主链骨架上DNA分子为右手螺旋结构螺旋直径为2nm，形成大沟及小沟。相邻碱基平面距离0.34nm，螺旋一圈螺距3.4nm，一圈10对碱基维系键：疏水作用力，氢键碱基堆积力：碱基平面之间的疏水作用力氢键：垂直螺旋轴居双螺旋内側，与对側碱基形成氢键配对

碱基互补配对:A=T;G

CTAGC碱基互补配对是半保留复制的基础（三）DNA双螺旋结构的多样性二、DNA的超螺旋结构及其在染色质中的组装（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(positivesupercoil)盘绕方向与DNA双螺旋方同相同负超螺旋(negativesupercoil)盘绕方向与DNA双螺旋方向相反意义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。

（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真核生物中的核小体结构：DNA双螺旋形成超螺旋结构，再与核内的蛋白质结合，形成核小体的结构DNA缠绕八聚体1.75圈，然后与H1连接，形成串珠状结构意义：有规律压缩体积，减少占用的空间三、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。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序列称。基因组的大小与生物的复杂性有关，如病毒SV40的基因组大小为5.1×103bp，大肠杆菌为5.7×106bp，人为3×109bp。第三节

RNA的结构与功能StructureandFunctionofRNA

RNA通常以单链形式存在，但也可形成局部的双螺旋结构。

RNA分子的种类较多，分子大小变化较大，功能多样化。RNA的种类、分布、功能一、信使RNA(messengerRNA)5’-帽子结构编码序列

3’-多聚A结构*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：m7GpppN-。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5’5’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尾的功能编码区：mRNA分子中每三个相邻的核苷酸组成一组，在蛋白质翻译合成时代表一个特定的氨基酸，这种核苷酸三联体称为遗传密码（coden）功能:为蛋白质的合成提供模板*mRNA的功能:为蛋白质的合成提供模板把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

tRNA是分子最小(70～90个核苷酸）

含10-20%稀有碱基，如DHU、

等

3´末端为—CCA-OH(氨基酸臂）5´末端大多数为G

具有T

C二、转运RNA(transferRNA)N,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*tRNA的二级结构——三叶草形氨基酸臂

DHU环反密码环额外环

TΨC环氨基酸臂额外环3’－OH端可以结合氨基酸反密码环可以与mRNA上的密码子配对将合适的氨基酸携带到合适的位置tRNA的功能：作为各种氨基酸的转运载体在蛋白质合成中转运氨基酸原料

tRNATyr:

可以和Tyr结合的tRNA

Tyr-tRNATyr

:结合了Tyr的tRNA命名原则：*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。三、核蛋白体RNA(ribosomalRNA)*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是细胞中含量最多的RNA，占总量的80%。*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、其他小分子RNA及RNA组学除了上述三种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(smallnon-messengerRNAs,snmRNAs)

snmRNAssnmRNAs的种类核内小RNA核仁小RNA胞质小RNA催化性小RNA小片段干涉RNA

snmRNAs的功能参与hnRNA和rRNA的加工和转运。RNA组学研究细胞中snmRNAs的种类、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snmRNAs的表达具有时间和空间特异性。RNA组学核酸的理化性质ThePhysicalandChemicalCharactersofNucleicAcid第四节一、核酸的一般理化性质核酸具有酸性；

DNA分子粘度大；RNA分子粘度小能吸收紫外光，最大吸收峰为260nm。可用于核酸的定性和定量测定。1.DNA或RNA的定量OD260=1.0相当于50μg/ml双链DNA40μg/ml单链DNA（或RNA）20μg/ml寡核苷酸2.判断核酸样品的纯度DNA纯品:OD260/OD280=1.8RNA纯品:OD260/OD280=2.0OD260的应用二、DNA的变性(denaturation)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。方法：过量酸，碱，加热，变性试剂如尿素、酰胺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：增色效应

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键的断裂例：变性引起紫外吸收值的改变DNA的紫外吸收光谱增色效应：DNA变性时其溶液OD260增高的现象。热变性解链曲线：如果在连续加热DNA的过程中以温度对A260（absorbance，A，A260代表溶液在260nm处的吸光率）值作图，所得的曲线称为解链曲线。Tm：变性是在一个相当窄的温度范围内完成，在这一范围内，紫外光吸收值达到最大值的50%时的温度称为DNA的解链温度，又称融解温度(meltingtemperature,Tm)。Tm的高低与DNA分子中G+C的含量有关，G+C的含量越高，则Tm越高。三、DNA的复性

DNA复性(renaturation)的定义在适当条件下，变性DNA的两条互补链可恢复天然的双螺旋构象，这一现象称为复性。减色效应DNA复性时，其溶液OD260降低。热变性的DNA经缓慢冷却后即可复性，这一过程称为退火(annealing)。

两条来源不同的单链核酸（DNA或RNA），只要它们有大致相同的互补碱基顺序，在适宜的条件（温度及离子强度）下，经退火处理即可复性，形成新的杂种双螺旋，这一现象称为核酸的分子杂交。四、分子杂交与探针技术核酸杂交可以是DNA-DNA，也可以是DN