生物化学课件：第02章核酸的结构与功能(7版)

1、第二章核酸的结构与功能,Structure and Function of Nucleic Acid,核 酸(nucleic acid),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。,元素组成：C、H、O、N、P,核酸的分类及分布,存在于细胞核和线粒体,分布于细胞核、细胞质、线粒体,(deoxyribonucleic acid, DNA),(ribonucleic acid, 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)。 遗传信息的载体,是DNA转录的产物,传递遗传信息 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

2、构The Chemical Component and Primary Structure of Nucleic Acid,核酸,(DNA和RNA),核苷酸,核苷和脱氧核苷,磷酸,戊糖,碱基,嘌呤,嘧啶,核糖,脱氧核糖,核酸组成,一、核苷酸是构成核酸的基本组成单位,核苷酸分子组成:,碱基(base)是含氮的杂环化合物。,碱基,嘌呤,嘧啶,腺嘌呤A,鸟嘌呤G,尿嘧啶U,胸腺嘧啶T,胞嘧啶C,存在于DNA和RNA中,仅存在于RNA中,仅存在于DNA中,碱基,嘌呤(purine，Pu),腺嘌呤(adenine, A),鸟嘌呤(guanine, G),嘧啶(pyrimidine，Py),胞嘧啶(cyt

3、osine, C),尿嘧啶(uracil, U),胸腺嘧啶(thymine, T),戊糖,核苷,N,N,N,N,9,N,H,2,O,O,H,O,H,H,H,H,C,H,2,O,H,H,1,2,糖苷键,嘌呤N-9 或嘧啶N-1与核糖C-1通过糖苷键相连形成核苷。,核苷与磷酸通过酯键结合构成核苷酸,核苷酸(ribonucleotide),核苷酸： AMP, GMP, UMP, CMP 脱氧核苷酸： dAMP, dGMP, dTMP, dCMP,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

4、,环化核苷酸: cAMP，cGMP,AMP,ADP,ATP,cAMP,二、DNA是脱氧核苷酸通过3 ,5 -磷酸二酯键连接形成的大分子,一个脱氧核苷酸3-OH与另一个脱氧核苷酸5-Pi缩合形成3 ,5 -磷酸二酯键。 多个脱氧核苷酸通过磷酸二酯键构成了具有方向性的线性分子，称为多聚脱氧核苷酸，即DNA链。,C,G,A,三、RNA也是具有3,5-磷酸二酯键的线性大分子,RNA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；,RNA的戊糖是核糖； RNA的嘧啶是胞嘧啶和尿嘧啶。,四、核酸的一级结构,定义 核酸中核苷酸的排列顺序，即碱基序列。,书写方法：,5 pApCpTpGpCpT

5、-OH 3,5 A C T G C T 3,DNA和RNA的区别,第二节 DNA的空间结构与功能Dimensional Structure and Function of DNA,一、DNA的二级结构是双螺旋结构,Chargaff 规则的碱基组成分析,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,（一）DNA双螺旋结构的研究背景,A = T；G =C,两条多聚核苷酸链在空间的走向呈反向平行。两条链围绕着同一个螺旋轴形成右手螺旋的结构。双螺旋结构的直径为2.37nm，螺距为3. 54nm。 脱氧核糖和磷酸基团组成的亲水性骨架位于双螺旋结构的外侧，疏水的碱基位

6、于内侧。 双螺旋结构的表面形成了一个大沟和一个小沟。,（二） DNA双螺旋结构模型要点,1.DNA是反向平行、右手螺旋的双链结构,2.DNA双链之间形成了互补碱基对,碱基配对关系称为互补碱基对(complementary base pair)。 DNA的两条链则互为互补链(complementary strand)。 碱基对平面与螺旋轴垂直。,相邻两个碱基对会有重叠，产生了疏水性的碱基堆积力(base stacking interaction)。 碱基堆积力(主要)和互补碱基对的氢键共同维系着DNA结构的稳定。,3.疏水作用力和氢键共同维系着DNA双螺旋结构的稳定。,（三）DNA双螺旋结构的多

7、样性,二、DNA的高级结构是超螺旋结构,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(positive supercoil) 盘绕方向与DNA双螺旋方同相同。,负超螺旋(negative supercoil) 盘绕方向与DNA双螺旋方向相反。,（一）原核生物DNA的环状超螺旋结构,原核生物DNA多为环状，以负超螺旋的形式存在，平均每200碱基就有一个超螺旋形成。,DNA超螺旋结构的电镜图象,（二）真核生物DNA的高度有序和高度致密的结构,真核生物DNA以非常有序的形式存在于细胞核内。 在细胞周期的大部分时间里，DNA以松散的染色质(

8、chromatin)形式存在，在细胞分裂期，则形成高度致密的染色体(chromosome)。,DNA染色质呈现出的串珠样结构。 染色质的基本单位是核小体(nucleosome)。,DNA染色质的电镜图像,核小体的构成,核心颗粒,连接区,核心组蛋白：,组蛋白八聚体H2A、H2B、H3 、H4各2分子,DNA双螺旋分子(150bp)在核心组蛋白缠绕 1.75圈,DNA（60bp）,组蛋白H1,核小体结构图,核小体的折叠及染色体组装,逐级盘曲折叠,DNA,核小体串珠,染色质纤维空管,染色质纤维,染色体,染色单体,真核生物DNA在细胞核内的组装,DNA经过多次折叠，被压缩了800010000倍，组装在

9、直径只有为数微米的细胞核内。,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：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。,三、DNA是遗传信息的物质基础,基因组：,一个遗传体系所有基因总和的一整套遗传信息。,第三节 RNA的结构与功能,Structure and Function of RNA,RNA与蛋白质共同负责基因的表达和表达过程的调控。 RNA通常以单链的形式存在，但有复杂的局部二级结构或三级结构。 RNA比DNA小的多。 RNA的种类、大小和结构远比DNA表现出多样性。,RNA

10、的种类、分布、功能,信使RNA(messenger RNA, mRNA)是合成蛋白质的模板。 其前体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。 寿命最短的RNA,一、mRNA是蛋白质合成的模板,内含子 (intron),mRNA成熟过程,外显子 (exon),5-末端的m7Gppp帽子结构 3-末端的poly A尾。 从AUG 开始，每三个核苷酸为一组编码一个氨基酸，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。,成熟的真核生物mRNA,mRNA功能：是蛋白质合成的模板,1、 tRNA的一级结构特点

11、 含 1020% 稀有碱基，如 DHU 3末端为 CCA-OH,分子量最小、含稀有碱基比例最高的一类RNA,二、tRNA是蛋白质合成中的氨基酸载体,3. tRNA的三级结构 倒L形,2. tRNA的二级结构三叶草形,4.tRNA的功能：,把活化的氨基酸搬运到核糖体，tRNA的反密码子与mRNA的密码子特异性结合，使氨基酸对号入座。,2.rRNA的结构：,参与组成核蛋白体， 为蛋白质生物合成的场所。,3.rRNA的种类：,4.rRNA的功能：,多个茎环结构组成,三、以rRNA为组分的核蛋白体是蛋白 质合成的场所,1.含量最多的RNA,核蛋白体结构,原核生物翻译过程中核蛋白体结构模式:,A位：氨基

12、酰位 (aminoacyl site),P位：肽酰位 (peptidyl site),E位：排出位 (exit site),目 录,转肽酶活性部位,fMet,fMet,目 录,核蛋白体循环(狭义),肽链延长,tRNA,rRNA,mRNA,CCAOH 3 含稀有碱基多 二级:三叶草形 三级:倒L形,呈花状,5 -m7GpppNm、 3 -polyA,结构,蛋白质合成的模板,搬运活化的aa 到核糖体,组成核蛋白体,含量最少 种类最多 寿命最短,分子量最小 稀有碱基比例最高,含量最多,三种RNA内容小结,功能,特点,四、其它小分子RNA及RNA组学,核酶:具有催化功能的小RNA.,The Nobel

13、 Prize in Chemistry 1989, for their discovery of catalytic properties of RNA,Sidney Altman,Thomas R.,Cech,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表现了不同的时空特性,真核生物基因表达的特异性,核酸的理化性质 The Physical and Chemical Characters of Nucleic Acid,第四节,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。,一、核酸分子具有强烈的紫外吸收,240290n

14、m范围，最大吸收峰在260nm,各种碱基的紫外吸收光谱,1.DNA或RNA的定量 OD260=1.0相当于 50g/ml双链DNA 40g/ml单链DNA（或RNA） 20g/ml寡核苷酸 2.判断核酸样品的纯度 DNA纯品: OD260/OD280 = 1.8 RNA纯品: OD260/OD280 = 2.0,OD260的应用,二、DNA变性是双链解离为单链的过程,在某些理化因素作用下，DNA双链解开成两条单链的过程。,定义,DNA变性的本质：碱基堆积力和双链间氢键的破坏。,DNA热变性：,特点 骤然、突发式 融解温度Tm：A260变化值达到最大变化值一半时的温度，即50DNA双链被解开时候

15、的温度。 Tm与G+C含量成正比,增色效应： DNA变性时其溶液A260增高的现象,三、变性的核酸可以复性或形成杂交双链,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，这一现象称为DNA复性。,减色效应：DNA复性时，其溶液A260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。,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。 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),+,DNA变性、复性及分子杂交,形成单链,杂化双链,+,注：也可发生在DNA与RNA或RNA与RNA之间,第五节 核酸酶 Nuclease,依据底物不同分类 DNA酶(DNase)：专一降解DNA。 RNA酶 (RNase)：专一降解RNA。 依据切割部位不同 核酸内切酶：分为限制性核酸内切酶和非特异性核酸内切酶。 限制性核酸内切酶： 识别并切割特异核苷酸序列（回文结构）。 核酸外切酶：53或35核酸外切酶,核酸酶是指所有