生物化学03.第三章_核酸结构的功能

1、第三章第三章 核酸结构与功能核酸结构与功能 (Structure and Function of Nucleic Acid) 核酸核酸是以核苷酸为基本组成单位的生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。物大分子，携带和传递遗传信息。一、什么是核酸一、什么是核酸(nucleic acid) 天然存在的核酸可分为天然存在的核酸可分为核糖核酸核糖核酸(RNA)和和脱氧核糖核酸脱氧核糖核酸(DNA)两大类。两大类。二、核酸的发现和研究工作进展 Y 1868年年 Fridrich Miescher从脓细胞中提取从脓细胞中提取“核素核素” Y 1944年年 Avery等人等人证实证实DN

2、A是遗传物质是遗传物质Y 1953年年 Watson和和Crick发现发现DNA的双螺旋结构的双螺旋结构Y 1968年年 Nirenberg发现发现遗传密码遗传密码Y 1975年年 Temin和和Baltimore发发现现逆转录酶逆转录酶Y 1981年年 Gilbert和和Sanger建建立立DNA 测序方法测序方法Y 1985年年 Mullis发明发明PCR 技术技术Y 1990年年 美国启动美国启动人类基因组计划人类基因组计划(HGP) Y 1994年年 中国人类基因组计划启动中国人类基因组计划启动Y 2001年年 美、英等国美、英等国完成人类基因组计划基本框架完成人类基因组计划基本框架Y

3、 2003年年 人类基因组计划完成人类基因组计划完成 约约34万个基因万个基因 三、核酸的分类及分布三、核酸的分类及分布 90%以以上分布于细胞核，上分布于细胞核，其余分布于核外其余分布于核外如线粒体，叶如线粒体，叶绿体，质粒等。绿体，质粒等。分布于胞核、胞液。分布于胞核、胞液。(deoxyribonucleic acid, DNA)(ribonucleic acid, RNA)脱氧核糖核酸脱氧核糖核酸 核糖核酸核糖核酸 携带遗传信息，决定细胞和携带遗传信息，决定细胞和个体的基因型个体的基因型(genotype)。 参与细胞内参与细胞内DNA遗传信息遗传信息的表达。某些病毒的表达。某些病毒RN

4、A也可作也可作为遗传信息的载体。为遗传信息的载体。一、化学组成一、化学组成 (一一) 元素组成元素组成 组成核酸的主要元素：组成核酸的主要元素：C、H、O、N、P（9%10%）(二二) 分子组成分子组成1.碱基碱基(base) 嘌呤碱，嘧啶碱嘌呤碱，嘧啶碱2.戊糖戊糖(ribose) 核糖，脱氧核糖核糖，脱氧核糖3.磷酸磷酸(phosphate)稀有碱基：如次黄嘌呤、二氢尿嘧啶等。稀有碱基：如次黄嘌呤、二氢尿嘧啶等。(1)嘌呤嘌呤(purine) 腺嘌呤腺嘌呤(adenine, A)鸟嘌呤鸟嘌呤(guanine, G)1.碱碱 基基NNNHN123456789NNNHNNH2NNHNHNNH2

5、O(2)嘧啶嘧啶(pyrimidine)胞嘧啶胞嘧啶(cytosine, C)胸腺嘧啶胸腺嘧啶(thymine, T)NHN132456尿嘧啶尿嘧啶(uracil, U)NHNHOONNHNH2ONHNHOOCH32.戊戊 糖糖（构成（构成RNA）1 2 3 4 5 核糖核糖(ribose)（构成（构成DNA）脱氧核糖脱氧核糖(deoxyribose)OHOCH2OHOHOHOHOCH2OHOH二、基本单位二、基本单位核苷酸核苷酸(一一)核苷核苷(ribonucleoside)(二二)核苷酸核苷酸(ribonucleotide)1.碱基和核糖碱基和核糖(脱氧核糖脱氧核糖)通过通过糖苷键糖苷键连

6、接形连接形 成核苷成核苷(脱氧核苷脱氧核苷)。2.核苷种类核苷种类 核苷：核苷：AR, GR, UR, CR脱氧核苷脱氧核苷：dAR, dGR, dTR, dCR1.核苷核苷（脱氧核苷）和磷酸以脱氧核苷）和磷酸以磷酸酯键磷酸酯键连接连接 形成核苷酸（脱氧核苷酸）。形成核苷酸（脱氧核苷酸）。 核苷酸核苷酸：AMP, GMP, UMP, CMP脱氧脱氧核苷酸：核苷酸：dAMP, dGMP, dTMP, dCMP2.核苷酸种类核苷酸种类 PiPi糖苷键糖苷键OOHOCH2HOHNNNH2O磷酸酯键磷酸酯键OPOOOHOHOCH2HOHNNNH2O(三)重要的游离核苷酸及其衍生物1.多磷酸核苷酸多磷酸

7、核苷酸 NMP，NDP，NTP2.环化核苷酸环化核苷酸 cAMP，cGMPNOCH2OOHOHNNNNH2POOHOPOOHOPOOHOH5 端端3 端端(四四)核苷酸的连接核苷酸的连接 1.核苷酸之间核苷酸之间以以磷酸二酯键磷酸二酯键连接连接形成多核苷酸链，形成多核苷酸链，即核酸。即核酸。CANH2NNOPOHHOOOH3COOHPHOOOH3COOHNH2NNNN磷酸二酯键磷酸二酯键A G P5 P T PG PC PT P OH 3 2.书写方法书写方法5 pApGpTpGpCpT-OH 3 5 A G T G C T 3 一、核酸的一级结构 (一一)定义定义 核酸中核苷酸的排列顺序。核

8、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，所以由于核苷酸间的差异主要是碱基不同，所以也称为也称为碱基序列碱基序列。DNA: A、T、G、CRNA: A、U、G、C二、DNA的空间结构与功能(一一) DNA的二级结构的二级结构 1. 定义定义 即平行反向的右手双螺即平行反向的右手双螺旋结构。旋结构。Watson, Crick于于1953提出。提出。2. 研究背景研究背景(1) 碱基组成分析碱基组成分析Chargaff 规则：规则：A = TG C(2)碱基的理化数据分析碱基的理化数据分析A-T、G-C以氢键以氢键配对较合理配对较合理(3)X-线线衍射图谱分析衍射图谱分析 3. D

9、NA双螺旋结构模型要点双螺旋结构模型要点 (1) 由两条由两条相互平行但走向相互平行但走向相反相反的脱氧多核苷酸链组成，的脱氧多核苷酸链组成，以以右手螺旋右手螺旋方式盘绕中心轴。方式盘绕中心轴。螺旋直径为螺旋直径为2nm，形成大沟，形成大沟及小沟相间。及小沟相间。 这些沟结构与蛋白质、这些沟结构与蛋白质、DNA之间的相互识别有关。之间的相互识别有关。5/3/5/3/(2) 碱基间距碱基间距0.34nm，螺旋一螺旋一圈圈10对碱基，螺距对碱基，螺距3.4nm 。HNNNNNHOHNNCH3ONNNNOHHNHNNNOHH(4)糖与磷酸骨架居双螺旋外糖与磷酸骨架居双螺旋外侧，碱基在内相互形成侧，碱

10、基在内相互形成氢键氢键配对配对(A=T; G C)。(3)氢键氢键维持横向稳定性，维持横向稳定性，碱碱基堆积力基堆积力维持纵向稳定性。维持纵向稳定性。4.DNA双螺旋结构的多样性双螺旋结构的多样性不同类型不同类型DNA的结构参数的结构参数A型型DNAB型型DNAZ型型DNA螺旋旋向螺旋旋向右手螺旋右手螺旋右手螺旋右手螺旋左手螺旋左手螺旋螺旋直径螺旋直径2.55nm2.37nm1.84nm每一螺旋的碱基对数目每一螺旋的碱基对数目1110.412螺距螺距2.53nm3.54nm4.56nm相邻碱基对之间的垂直间距相邻碱基对之间的垂直间距0.23nm0.34nm0.38nm Watson和和Cric

11、k当年提出的是理想当年提出的是理想化的化的DNA双螺旋模双螺旋模型，后来发现其各型，后来发现其各项参数均与实际的项参数均与实际的DNA双螺旋结构有双螺旋结构有一定差异。一定差异。 (二二) DNA的的三级结构三级结构1.原核生物原核生物DNA的超螺旋结构的超螺旋结构(1) 定义定义 即在即在DNA二级结构的基础上进一步折二级结构的基础上进一步折叠成环状或麻花状的叠成环状或麻花状的超螺旋结构超螺旋结构(superhelix 或或supercoil)。 环状环状 麻花状麻花状 (3) 意义意义 DNA超螺旋结构整体或局部的拓超螺旋结构整体或局部的拓扑学变化及其调控对于扑学变化及其调控对于DNA复制

12、和复制和RNA转转录过程具有关键作用。录过程具有关键作用。 正超螺旋正超螺旋(positive supercoil)盘绕方向与盘绕方向与DNA双螺旋方同相同。双螺旋方同相同。 负超螺旋负超螺旋(negative supercoil)盘绕方向与盘绕方向与DNA双螺旋方向相反。双螺旋方向相反。 (2) 种类种类2.真核生物真核生物DNA的超螺旋结构的超螺旋结构真核生物染色体由真核生物染色体由DNA和蛋白质构成，其基和蛋白质构成，其基本单位是本单位是 核小体核小体。(1) DNA在真核生物细胞核内的组装在真核生物细胞核内的组装 核小体的组成核小体的组成DNA：约约200bp H1H2A，H2BH3H

13、4组蛋白组蛋白2nm DNA(三) DNA的功能1.DNA的基本功能是以的基本功能是以基因基因的形式荷载的形式荷载遗传信息，并作为基因复制和转录的模板。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，也是个体生命活它是生命遗传的物质基础，也是个体生命活动的信息基础。动的信息基础。2.基因从结构上定义，基因从结构上定义，是指是指DNA分子中分子中的特定区段，其中的核苷酸排列顺序决定了的特定区段，其中的核苷酸排列顺序决定了基因的功能。基因的功能。 3.进化程度越高的生物其进化程度越高的生物其DNA分子越大，分子越大，人类基因组有人类基因组有3109个碱基对。个碱基对。RNA的种的种类

14、、分布、功能类、分布、功能核蛋白体核蛋白体RNA信使信使RNA转运转运RNA核内不均一核内不均一RNA核内小核内小RNA胞浆小胞浆小RNA 细胞核和胞液细胞核和胞液线粒体线粒体功功能能rRNAmRNA mt rRNAtRNAmt mRNAmt tRNAHnRNASnRNASnoRNAscRNA/7SL- RNA 核蛋白体组分核蛋白体组分蛋白质合成模板蛋白质合成模板转运氨基酸转运氨基酸成熟成熟mRNA的前体的前体参与参与hnRNA的剪接、转运的剪接、转运rRNA的加工、修饰的加工、修饰蛋白质内质网定位合成蛋白质内质网定位合成的信号识别体的组分的信号识别体的组分核仁小核仁小RNA核蛋白体核蛋白体R

15、NA信使信使RNA转运转运RNA核内不均一核内不均一RNA核内小核内小RNARNA 细胞核和胞液细胞核和胞液线粒体线粒体功功能能rRNAmRNA mt rRNAtRNAmt mRNAmt tRNAHnRNASnRNASnoRNAscRNA/7SL- RNA 核蛋白体组分核蛋白体组分蛋白质合成模板蛋白质合成模板转运氨基酸转运氨基酸成熟成熟mRNA的前体的前体参与参与hnRNA的剪接、转运的剪接、转运rRNA的加工、修饰的加工、修饰蛋白质内质网定位合成蛋白质内质网定位合成的信号识别体的组分的信号识别体的组分核仁小核仁小RNA根据根据RNA的功能可分为的功能可分为mRNA、tRNA、rRNA等多种。

16、等多种。(一一) mRNA结构特点结构特点1.大多数真核大多数真核mRNA的的5 末端均在转录后加上一末端均在转录后加上一个个7-甲基鸟苷，同时第一个核苷酸的甲基鸟苷，同时第一个核苷酸的C 2也是也是甲基化，形成甲基化，形成帽子结构：帽子结构：m7GpppN。2.大多数真核大多数真核mRNA的的3 末端有一个多聚腺苷酸末端有一个多聚腺苷酸(polyA)结构，称为结构，称为多聚多聚A尾尾。 3.帽子结构和多聚帽子结构和多聚A尾的功能尾的功能 mRNA核内向胞核内向胞质的转位；质的转位；mRNA的稳定性维系；翻译起始的调的稳定性维系；翻译起始的调控控 。一、一、mRNA的结构与功能的结构与功能7

17、7甲基鸟苷三磷酸甲基鸟苷三磷酸帽子结构帽子结构多聚多聚A尾结构尾结构OOCH2OOH+NHNNOH2NNCH3OOHH2CO-OPOOPO-OP鸟嘌呤鸟嘌呤OO-OPOOAAA-OH 3/AUGGUGGCGAGGTGTATTGAUAAAAAA Anm7Gpppp5/5/3/3/(二二) mRNA的功能的功能 1.构成遗传密码，传递构成遗传密码，传递DNA所携带的遗传所携带的遗传信息信息。 2.用用连续三个核苷酸作为连续三个核苷酸作为密码子密码子以决定其以决定其合成蛋白质的氨基酸排列顺序。合成蛋白质的氨基酸排列顺序。DNAmRNA蛋白蛋白转录转录翻译翻译原核细胞原核细胞 细胞质细胞质细胞核细胞核

18、DNA内含子内含子外显子外显子转录转录转录后剪接转录后剪接转运转运mRNAhnRNA翻译翻译蛋白蛋白真核细胞真核细胞 (一一) tRNA的特点的特点1.含含 1020% 稀有碱基，如稀有碱基，如 DHU、 T C。 2. 3 末端为末端为 CCA-OH； 5 末端大多数为末端大多数为G。二、二、tRNA的结构与功能的结构与功能N,N二甲基鸟嘌呤二甲基鸟嘌呤N6-异戊烯腺嘌呤异戊烯腺嘌呤双氢尿嘧啶双氢尿嘧啶4-巯尿嘧啶巯尿嘧啶稀稀有有碱碱基基 ONNHNHNNCH3CH3NHNHSONHNHOOHHHHNNNHNNHCH2CHCCH3CH3(二二) tRNA的结构的结构OHACCAGAGGGCC

19、CCCCGCAAGCCGCUCUCGUAUCTCCGGGGGGGCAAGmDDGGDDDAACAGUUAAAAGUUCCDmAACA1. tRNA的二级结构的二级结构 (1) tRNA的二级结构为平的二级结构为平面卷曲的面卷曲的三叶草构型。三叶草构型。(2)由单链卷曲形成局由单链卷曲形成局部环状双链。部环状双链。(3)反密码环，带有反反密码环，带有反密码子可破译遗传密密码子可破译遗传密码。码。 (4)氨基酸臂，直接结氨基酸臂，直接结合被活化的氨基酸。合被活化的氨基酸。2. tRNA的三级结构的三级结构 倒倒L形形(三三) tRNA的功能的功能破译遗传密码；活化、破译遗传密码；活化、搬运氨基酸到

20、核糖体，参搬运氨基酸到核糖体，参与蛋白质的翻译。与蛋白质的翻译。 X线衍射结构证明，线衍射结构证明，tRNA的共同三级结构为的共同三级结构为倒倒L形。形。(二二) rRNA由单链卷曲由单链卷曲构成的多茎环结构。构成的多茎环结构。三、三、rRNA的结的结构与功能构与功能(三三)rRNA参与组成核参与组成核糖糖体体的大、小亚基的大、小亚基，作为蛋白质生物合成作为蛋白质生物合成的场所。的场所。(一一) rRNA占总占总RNA的的80以上。以上。(四四)根据沉降系数根据沉降系数，rRNA在在原核生物原核生物中有中有 5S,23S,16S 三三种种；在；在真核生物真核生物中有中有 5S,28S,5.8S

21、,18S四四种种。四、小分子核内四、小分子核内RNA与与RNA组学组学(一一) snmRNAs 除了上述三种除了上述三种RNARNA外，细胞的不同部位存在外，细胞的不同部位存在的许多其他种类的小分子的许多其他种类的小分子RNARNA，统称为，统称为非非mRNAmRNA小小RNA (small non-messenger RNAs, snmRNAsRNA (small non-messenger RNAs, snmRNAs) )。包。包括核内小括核内小RNARNA、核仁小、核仁小RNARNA、胞质小、胞质小RNARNA、催化、催化性小性小RNARNA、小片段干涉、小片段干涉 RNARNA。参与。

22、参与hnRNAhnRNA和和rRNArRNA的加工和转运。的加工和转运。RNA组学是组学是研究细胞中研究细胞中snmRNAs的种类、结的种类、结构和功能。生物的不同细胞、不同时间、不同状构和功能。生物的不同细胞、不同时间、不同状态下态下snmRNAs的表达具有时间和空间特异性。的表达具有时间和空间特异性。 (二二) RNA组学组学五、核酶五、核酶 (一一)具具有催化功能的核酸称为核酶。有催化功能的核酸称为核酶。底物部分底物部分(二二) 核酶的锤头核酶的锤头状结构状结构 通常为通常为60个核苷酸个核苷酸组成，包括有催化部组成，包括有催化部分和底物部分组成锤分和底物部分组成锤头结构。头结构。 (三

23、三)核酶研究的意义核酶研究的意义 核酶的发现，对中心法则作了重要补充；是对核酶的发现，对中心法则作了重要补充；是对传统酶学的挑战；利用核酶的结构设计合成人传统酶学的挑战；利用核酶的结构设计合成人工核酶工核酶 。 核酸是含磷酸和碱基的两性电解质，通常表现为核酸是含磷酸和碱基的两性电解质，通常表现为较强的酸性。可用电泳和离子交换分离纯化核酸。较强的酸性。可用电泳和离子交换分离纯化核酸。 在碱性条件下，在碱性条件下，RNA不稳定，可在室温下水解。不稳定，可在室温下水解。利用这个性质可以测定利用这个性质可以测定RNA的碱基组成，也可清除的碱基组成，也可清除DNA溶液中混杂的溶液中混杂的RNA。 核酸是

24、线性的大分子，其在溶液中的粘度很高。核酸是线性的大分子，其在溶液中的粘度很高。RNA分子比分子比DNA短，在溶液中的粘度低于短，在溶液中的粘度低于DNA。一、核酸的一般性质一、核酸的一般性质二、紫外吸收二、紫外吸收 (一一) 由于嘌呤和嘧啶中含有共轭双键，核酸在由于嘌呤和嘧啶中含有共轭双键，核酸在260nm处有最大吸收峰。处有最大吸收峰。1. DNA或或RNA的定量的定量OD260=1.0相当于：相当于：50g/ml双链双链DNA40g/ml单链单链DNA（或（或RNA）20g/ml寡核苷酸寡核苷酸2.判断核酸样品的纯度判断核酸样品的纯度DNA纯品纯品: OD260/OD280 = 1.8RN

25、A纯品纯品: OD260/OD280 = 2.0(二二) OD260的应用的应用三、三、DNA的变性与复性的变性与复性(一一)变性变性 (denaturation)1.定义定义 在某些理化因素作用下，在某些理化因素作用下，DNA双链解开双链解开成两条单链的过程。成两条单链的过程。本质是双链间氢键的断裂。本质是双链间氢键的断裂。3.变性后其他理化性质变化变性后其他理化性质变化 OD260增高增高 浮力密度升高浮力密度升高 粘度下降粘度下降 酸碱滴定曲线改变酸碱滴定曲线改变 比旋度下降比旋度下降 生物活性丧失生物活性丧失(1)理化性质变化理化性质变化2.因素因素 强酸，强碱，高温，高压，变性试剂如强酸，强碱，高温，高压，变性试剂如尿素以及某些有机溶剂如乙醇等。尿素以及某些有机溶剂如乙醇等。(2)增色效应：增色效应： DNA变性时其溶液变性时其溶液OD260增高的现象。增高的现象。DNA的紫外吸收光谱的紫外吸收光谱200 250 260 3001.51.00.5变性状态变性状态天然状态天然状态(3)Tm：紫外光吸收值达到最大值的紫外光吸收值达到最大值的50%时的温度时的