生物化学第1篇-第02章-生物大分子的结构与功能-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Fridrich

Miescher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，其余分布于核外如线粒体，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)核酸的分子组成核酸nucleicacid核苷酸nucleotide核苷nucleoside磷酸phosphate嘌呤碱purinebase

或嘧啶碱pyrimidinebase（碱基base）核糖ribose

或脱氧核糖deoxyribose

（戊糖amylsugar）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)NNOOHHH酮式HNNOOHHH酮式HHH烯醇式氨式亚氨式NNNH2OHHHNHHNONHHH戊糖（构成RNA）1´2´3´4´5´核糖(ribose)（构成DNA）脱氧核糖(deoxyribose)核糖和脱氧核糖OHOH2COHOHOH12β-D-核糖β-D-2-脱氧核糖核糖+H+糠醛甲基间苯二酚FeCl3绿色产物Δ脱氧核糖+H+

Δω-羟基-γ-酮戊醛二苯胺蓝色产物RNA和DNA定性、定量测定OOHOH2COHOH12H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´1OHOH2COHOHOH1′2′3′4′5′核糖腺苷NNNNHHHH9腺嘌呤NOHOH2COHOHOH1′2′3′4′5′核糖OHOH2COHOH1′2′3′4′5′核糖NNOOHHH尿嘧啶H1尿苷NCOONHHH51OH假尿苷（ψ）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）。

RNA的成分DNA的成分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+核苷酸OHOH2COHOH1′2′3′4′5′NNNNHNHH2HO--POO--AMPHO--POOADPHO--POO--ATP腺苷各种核苷三磷酸和脱氧核苷三磷酸是体内合成RNA和DNA合成的直接原料。在体内能量代谢中的作用：ATP——能量“货币”UTP——参加糖的互相转化与合成CTP——参加磷脂的合成GTP——参加蛋白质和嘌呤的合成第二信使——cAMP

cGTP

5´端3´端3.核苷酸的连接核苷酸之间以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CGAAGP5

PTPGPCPTPOH3

书写方法5

pApCpTpGpCpT-OH

3

5

ACTGCT

3

目录第二节DNA的空间结构与功能DimensionalStructureandFunctionofDNADNA的二级结构-双螺旋结构DNA双螺旋结构的研究背景和历史意义DNA双螺旋结构模型要点DNA的超螺旋结构及其在染色质中的组装DNA的超螺旋结构原核生物DNA的高级结构DNA在真核生物细胞核内的组装DNA的功能一、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-线衍射图谱分析目录（二）DNA双螺旋结构模型要点（Watson,Crick,1953）DNA分子由两条相互平行但走向相反的脱氧多核苷酸链组成，两链以-脱氧核糖-磷酸-为骨架，以右手螺旋方式绕同一公共轴盘。螺旋直径为2nm，形成大沟(majorgroove)及小沟(minorgroove)相间。目录（二）DNA双螺旋结构模型要点

（Watson,Crick,1953）碱基垂直螺旋轴居双螺旋内側，与对側碱基形成氢键配对（互补配对形式：A=T;G

C）。相邻碱基平面距离0.34nm，螺旋一圈螺距3.4nm，一圈10对碱基。目录碱基互补配对TAGC（二）DNA双螺旋结构模型要点

（Watson,Crick,1953）氢键维持双链横向稳定性，碱基堆积力维持双链纵向稳定性。目录

DNA双螺旋的构象类型B-DNA：92%相对湿度，接近细胞内的DNA构象，与Watson和Crick提出的模型相似。A-DNA：75%相对湿度，与溶液中DNA-RNA杂交分子的构象相似，推测转录时发生B→A。其碱基平面倾斜20°，螺距与每一转碱基对数目都有变化。Z-DNA：主链呈锯齿型左向盘绕，直径约1.8nm，螺距4.5nm，每一转含12个bp，只有小沟。B-DNA与Z-DNA的相互转换可能和基因的调控有关。C-DNA：44~46%相对湿度，螺距3.09nm，每转螺旋9.33个碱基对，碱基对倾斜6°。可能是特定条件下B-DNA和A-DNA的转化中间物。D-DNA：60%相对湿度，DNA中A、T序列交替的区域。每个螺旋含8个bp，螺距2.43nm，碱基平面倾斜16°。（三）DNA双螺旋结构的多样性目录DNA的三级结构线形分子、双链环状(dcDNA)→超螺旋、染色体包装二、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(superhelix

或supercoil)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。（二）原核生物DNA的高级结构（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染色体包装的结构模型多级螺旋模型压缩倍数76405（8400）

DNA→核小体→螺线管→超螺线管→染色单体

2nm10nm30(10)nm400nm2~10μm

一级包装二级包装三级包装四级包装

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。第三节

RNA的结构与功能StructureandFunctionofRNARNA的种类、分布、功能一、信使RNA的结构与功能hnRNA

内含子(intron)mRNA*mRNA成熟过程

外显子(exon)目录*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：m7GpppNm-。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。读码框架帽子结构7-甲基5’5’7-甲基鸟嘌呤-三磷酸鸟苷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*mRNA的功能把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的一级结构特点含10~20%稀有碱基，如DHU、ψ、T、I3´末端为—CCA-OH5´末端大多数为G

具有T

C二、转运RNA的结构与功能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

TΨC环额外环反密码环5’端3’端mRNACAU密码子5’端3’端氨基酸臂额外环*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。通过脂键结合相应氨基酸通过密码与反密码的互补结合将碱基序列转化为氨基酸序列--C-CH-NH2OROH*rRNA的结构三、核蛋白体RNA的结构与功能*rRNA的功能参与组成核蛋白体，作为蛋白质生物合成的场所。核蛋白体的结构性聚合体*rRNA的种类（根据沉降系数）真核生物5SrRNA28SrRNA5.8SrRNA18SrRNA原核生物5SrRNA23SrRNA16SrRNA大亚基小亚基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小片段干扰RNA

snmRNAs的功能参与hnRNA和rRNA的加工和转运。snRNAsnoRNAscRNAsiRNA核酶是生物宿主对于外原侵入的基因所表达的双链RNA切割而成的,具有特定长度和序列的小片段RNA。siRNA可与外原基因表达的mRNA结合,并诱发其降解。如上机制发展成RNA干涉技术正被广泛应用。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第四节目录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的应用目录二、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：OD260增高 粘度下降比旋度下降 浮力密度升高酸碱滴定曲线改变 生物活性丧失目录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。目录热变性解链曲线：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。目录

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)。其大小与G+C含量成正比。目录三、DNA的复性与分子杂交

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OD