第一章核酸的生物化学1

1、第一章核酸的生物化学脱氧核糖核酸脱氧核糖核酸 DNA （细胞核中）（细胞核中） 核糖体核糖体RNA（rRNA）核糖核酸核糖核酸 RNA 信使信使RNA （mRNA） 转运转运RNA （tRNA）核酸核酸Deoxyribonucleic acidRibonucleic acid（细胞质中）（细胞质中）核酸分子的主要功能：遗传信息的贮存和传递。核酸分子的主要功能：遗传信息的贮存和传递。1. 1957年年Crick最初提出的中心法则最初提出的中心法则3遗传信息在细胞内的生物大分子间转移的基本法则遗传信息在细胞内的生物大分子间转移的基本法则2. 1970年发现了逆转录现象后，年发现了逆转录现象后，Cr

2、ick修改的中心法则。修改的中心法则。3. 现在的中心法则现在的中心法则核糖核糖碱基碱基核苷酸核苷酸核糖核酸核糖核酸 RNA核苷核苷磷酸磷酸聚合聚合脱氧核糖脱氧核糖 碱基碱基 脱氧脱氧核苷酸核苷酸 脱氧脱氧核糖核酸核糖核酸 DNA脱氧脱氧核苷核苷磷酸磷酸聚合聚合（单体）（单体）（单体）（单体）（大分子聚合物）（大分子聚合物）（大分子聚合物）（大分子聚合物）碱基酮式和烯醇式的互变异构尿嘧啶尿嘧啶鸟嘌呤鸟嘌呤 酮式酮式 烯醇式烯醇式核糖（链式）核糖（链式） 核糖（环式）核糖（环式） 2-2-脱氧核糖（链式）脱氧核糖（链式） 2-2-脱氧核糖（环式）脱氧核糖（环式） 糖糖 苷苷 键键DNA和RNA中

3、的各种碱基磷酸酯键磷酸酯键酸酐酸酐核苷酸之间以磷核苷酸之间以磷酸二酯键连接酸二酯键连接5353DNA 5 AGTCGACT 3RNA 5 AGUCGACU 3两条链反平行两条链反平行碱基之间形成氢键碱基之间形成氢键AT之间两个氢键之间两个氢键GC之间三个氢键之间三个氢键 一个与电负性高的一个与电负性高的原子原子X共价结合的氢原共价结合的氢原子（子（XH）带有部分）带有部分正电荷，能再与另一个正电荷，能再与另一个电负性高的原子（如电负性高的原子（如Y）结合，形成一个聚集体结合，形成一个聚集体XHY，这种化学，这种化学结合作用叫做氢键。结合作用叫做氢键。一级结构：一级结构：碱基序列碱基序列二级结构

4、：二级结构：各种螺旋各种螺旋三级结构：三级结构：空间上的各种弯曲空间上的各种弯曲碱基堆积力使DNA成为双螺旋 B型DNA中大沟和小沟 DNA分子的三种形式 线状线状 DNA 共价闭合环状共价闭合环状DNA 开环开环DNA有超螺旋有超螺旋无超螺旋无超螺旋无超螺旋 连环数是环状连环数是环状DNA的一个很重要的特征。连的一个很重要的特征。连环数指的是在双螺旋环数指的是在双螺旋DNA中，一条链以右手螺旋中，一条链以右手螺旋绕另一条链缠绕的圈数，以字母绕另一条链缠绕的圈数，以字母L表示。表示。L值不同值不同但其他方面结构相同但其他方面结构相同DNA分子称为拓扑异构体。分子称为拓扑异构体。拓扑异构酶可以催

5、化拓扑异构体之间的转变。拓扑异构酶可以催化拓扑异构体之间的转变。 拓扑异构酶可以拓扑异构酶可以改变改变DNA双螺旋的连环数，其双螺旋的连环数，其功能是引入超螺旋或解开超螺旋。功能是引入超螺旋或解开超螺旋。 拓扑异构酶可拓扑异构酶可分为两类：类型分为两类：类型的酶能使的酶能使DNA的一条链发生断裂和再连接，反应无需提供能量；的一条链发生断裂和再连接，反应无需提供能量；类型类型的酶能使的酶能使DNA的两条链同时发生断裂和再连的两条链同时发生断裂和再连接，当它引入超螺旋时需要由接，当它引入超螺旋时需要由ATP提供能量。提供能量。 拓扑异构酶拓扑异构酶属于类型属于类型。它只能消除负超螺。它只能消除负超

6、螺旋，对正超螺旋不起作用。旋，对正超螺旋不起作用。 拓扑异拓扑异构酶在使构酶在使DNA的一条链断裂时，由于酶的一条链断裂时，由于酶与与DNA结合，结合，DNA链不能自由转动，超螺旋的扭曲链不能自由转动，超螺旋的扭曲张力不会自动消失。但是酶分子可牵引另一条链通张力不会自动消失。但是酶分子可牵引另一条链通过切口，然后使断链重新连接起来，从而改变过切口，然后使断链重新连接起来，从而改变DNA的连环数和超螺旋数。的连环数和超螺旋数。 拓扑异构酶拓扑异构酶属于类型属于类型，又叫旋转酶，又叫旋转酶（gyrase）。它可连续引入负超螺旋，反应需要）。它可连续引入负超螺旋，反应需要消耗消耗ATP。在无。在无A

7、TP存在时，它可以松弛负超螺存在时，它可以松弛负超螺旋，但不作用于正超螺旋。旋，但不作用于正超螺旋。 染色质的基本结构单位是核小体（染色质的基本结构单位是核小体（nucleosome），核），核小体的核心是一个蛋白质八聚体，由组蛋白小体的核心是一个蛋白质八聚体，由组蛋白H2A、H2B、H3和和H4各各2个组成，个组成，DNA以左手螺旋在组蛋白核心上盘绕以左手螺旋在组蛋白核心上盘绕1.8圈，共圈，共146bp。核小体之间连接。核小体之间连接DNA的长度随不同核小的长度随不同核小体而略有不同，平均每个核小体占体而略有不同，平均每个核小体占DNA200bp。双双HU环环反密码环反密码环反密码子反密码

8、子额外环额外环TC环环氨基酸臂氨基酸臂氨基酸氨基酸腺嘌呤腺嘌呤35二氢尿嘧啶核苷二氢尿嘧啶核苷 假尿嘧啶核苷假尿嘧啶核苷DHU 反密码环反密码环DHU环环TC环环5末端末端3末端末端核酸的酸碱性质 两性电解质，酸性较强两性电解质，酸性较强 加盐后可用乙醇或加盐后可用乙醇或 异丙醇沉淀异丙醇沉淀核酸的高分子性质 粘性粘性 DNA粘性比粘性比RNA大大 线性分子粘性比环形分子大线性分子粘性比环形分子大 核酸分子变性后粘性变小核酸分子变性后粘性变小 核酸的紫外吸收 核酸的最大吸收波长为核酸的最大吸收波长为260nm 蛋白质的最大吸收波长为蛋白质的最大吸收波长为280nm 通过测定核酸溶液通过测定核酸

9、溶液OD260的值可以测出核酸溶液的的值可以测出核酸溶液的浓度。浓度。50g/ml的双链的双链DNA溶液其溶液其OD260的值等于的值等于1 1。 利用利用OD260/ /OD280的比值可鉴定提取核酸的纯度的比值可鉴定提取核酸的纯度核酸的变性 核酸双链间的氢键断裂、变成单链称为变性核酸双链间的氢键断裂、变成单链称为变性 有热有热变性，酸碱变性，变性剂（甲醛、尿素）变性等变性，酸碱变性，变性剂（甲醛、尿素）变性等 。核酸的理化性质核酸的热变性增色效应与解链温度（熔点） 两条单链缓慢冷却形成双链的过程称为退火。两条单链缓慢冷却形成双链的过程称为退火。 相同来源的两条单链形成双链叫复性。相同来源的

10、两条单链形成双链叫复性。 不同来源的两条单链形成双链叫杂交。不同来源的两条单链形成双链叫杂交。 带有标记的一条单链与待检测的单链形成双链叫带有标记的一条单链与待检测的单链形成双链叫杂交，其中带有标记的那条单链叫探针杂交，其中带有标记的那条单链叫探针, ,探针是探针是人造的一种工具，用来检测能与之互补的单链核人造的一种工具，用来检测能与之互补的单链核酸分子是否存在及量的多少。酸分子是否存在及量的多少。第五节 DNA的生物合成 DNA指导的指导的DNA合成（复制）合成（复制）2. RNA指导的指导的DNA合成（反转录）合成（反转录）3. 修复合成修复合成DNA聚合酶催化的聚合反应5 端端3 端端D

11、NA聚合酶的反应特点 以以4种种dNTP作底物；作底物； 反应需要接受模板的指导；反应需要接受模板的指导； 反应需要有引物反应需要有引物3-羟基存在；羟基存在； DNA链的延长方向为链的延长方向为53； 产物产物DNA的性质与模板相同。的性质与模板相同。 1955年，年，Arthur Kornberg等等发现了发现了大肠杆菌大肠杆菌DNA聚合酶，后来又发现了聚合酶，后来又发现了4种种DNA聚合酶，分别聚合酶，分别称为称为DNA聚合酶聚合酶、和和，它们有各自，它们有各自不同的用途。不同的用途。（DNA polymerase） 大肠杆菌大肠杆菌DNA聚合酶聚合酶由一条肽链（由一条肽链（928个氨基

12、酸残基）组成，含有一个锌原子，分子个氨基酸残基）组成，含有一个锌原子，分子量量103kD。它是一个多功能酶，具有以下活性：。它是一个多功能酶，具有以下活性： 53聚合活性聚合活性 35外切活性（校对活性）外切活性（校对活性） 53外切活性（只作用于双链外切活性（只作用于双链DNA）大肠杆菌DNA聚合酶 Klenow片段 用枯草杆菌蛋白酶裂解完整的大肠杆菌用枯草杆菌蛋白酶裂解完整的大肠杆菌DNA聚合酶聚合酶，得到，得到C端端324928氨基酸残基氨基酸残基的片段，称为的片段，称为Klenow片段。片段。1-323氨基酸残基为氨基酸残基为小片段。小片段具有小片段。小片段具有53外切活性，外切活性，

13、Klenow片段具有聚合酶活性和片段具有聚合酶活性和35外切活性。外切活性。酶切位点酶切位点Klenow片段片段DNA聚合酶的校对作用 在在正常聚合条件下，正常聚合条件下，35外切活性不能作用于外切活性不能作用于生长链；一旦出现错配碱基时，聚合反应立即停止，生长链；一旦出现错配碱基时，聚合反应立即停止，生长链的生长链的3末端核苷酸落入末端核苷酸落入35外切活性位点，错外切活性位点，错配核苷酸被迅速切去，然后继续进行聚合反应。配核苷酸被迅速切去，然后继续进行聚合反应。 35外切活性起着校对的作用。外切活性起着校对的作用。 校对作用越强，校对作用越强，DNA复制的准确性越高。适当复制的准确性越高。

14、适当的错配有利于发生突变，有利于物种的进化。突变率的错配有利于发生突变，有利于物种的进化。突变率太高也不利于保持物种的稳定性。太高也不利于保持物种的稳定性。 根据对根据对各种各种DNA聚合酶在大肠杆菌细胞中的活聚合酶在大肠杆菌细胞中的活性、合成性、合成DNA的速度、该酶基因突变对的速度、该酶基因突变对DNA复制的复制的影响的研究，发现影响的研究，发现DNA聚合酶聚合酶是大肠杆菌细胞中是大肠杆菌细胞中DNA复制的主酶，而复制的主酶，而DNA聚合酶聚合酶和和的功能只是的功能只是参与参与DNA损伤的修复。损伤的修复。与与结合结合两个两个亚基各亚基各催化复制叉处催化复制叉处一条链的合成。一条链的合成。

15、PCNA：proliferating cell nuclear antigen，增殖细胞核抗原增殖细胞核抗原单向复制单向复制双向复制双向复制DNA的复制方式直线双向直线双向多起点双向多起点双向（真核细胞染色体）（真核细胞染色体）型双向型双向型单向型单向 大 肠 杆 菌大 肠 杆 菌染色体染色体DNA即即是是双向复制，双向复制，噬菌体的早期噬菌体的早期复制也是复制也是双向双向复制。复制。 DNA的复制方式滚环复制滚环复制噬菌体噬菌体DNA的后期复制即是此种方式。的后期复制即是此种方式。 先以轻链为模板复制一条重链，而原来的亲本重链被置先以轻链为模板复制一条重链，而原来的亲本重链被置换出来称为换出

16、来称为D loop。当。当D loop扩大到整个线粒体扩大到整个线粒体DNA的大约的大约67%的位置时，被置换出来的亲本重链上的轻链复制原点的位置时，被置换出来的亲本重链上的轻链复制原点OL才暴露出来，然后开始轻链的合成。才暴露出来，然后开始轻链的合成。D环复制环复制 最典型的最典型的D环复制是哺乳动环复制是哺乳动物线粒体物线粒体DNA的复制。在环状的复制。在环状双链双链DNA的特定位点即重链的的特定位点即重链的复制原点复制原点OH附近，解开双链，附近，解开双链，形成一个复制泡。形成一个复制泡。2D环环旧链旧链复制叉行进方向复制叉行进方向随从链随从链前导链前导链(a) 以以DNA为模板为模板

17、合成合成RNA引物引物RNA引物引物随从链模板随从链模板(b) 在引物的在引物的3端端 合成新的合成新的DNA新新DNA 冈崎片段冈崎片段(c) DNA聚合酶去除聚合酶去除 引物并填补空隙引物并填补空隙(d) DNA连接酶连接酶 使片段连接使片段连接连接连接DNA ligase DNA polymeraseOld Okazaki fragmentOkazaki fragmentPrimerLagging strand templatePrimerHelicase/primaseNewly synthesized leading strandDimeric replicative DNA pol

18、ymerasesubunit“ sliding clamp”SSBLeading strand templateDNA gyrasePrimerDNA polymerase DNA ligase 细菌细菌的冈崎片段长度为的冈崎片段长度为10002000个核苷个核苷酸，相当于一个顺反子（酸，相当于一个顺反子（cistron）的长度；真）的长度；真核生物的冈崎片段长度为核生物的冈崎片段长度为100200个核苷酸，个核苷酸，相当于一个核小体相当于一个核小体DNA的长度。的长度。单链单链DNA模板模板DNA聚合酶聚合酶引物（引物（RNA或或DNA）dATP、dGTP、dCTP、dTTP ( (简称简称

19、 4 4dNTP）必要的无机离子必要的无机离子( (Mg2+、K+）（RNA-directed DNA polymerase，RDDP）（DNA-dirceted DNA polymerase，DDDP）DNA合成时碱基错配合成时碱基错配电离辐射电离辐射紫外线照射紫外线照射化学诱变剂化学诱变剂致癌病毒致癌病毒点突变点突变缺失突变缺失突变插入突变插入突变置换突变置换突变光复活光复活切除修复切除修复重组修复重组修复SOS修复修复DNA断链断链DNA链内交联链内交联DNA链间交联链间交联DNA指导的指导的RNA合成（转录）合成（转录）RNA指导的指导的RNA合成合成（复制）（复制）DNA模板模板AT

20、P、GTP、CTP、UTP 简称简称4NTPRNA聚合酶聚合酶一些蛋白因子一些蛋白因子必要的无机离子必要的无机离子在在DNA长链上，排列着许多基因长链上，排列着许多基因基因之间往往有间隔序列基因之间往往有间隔序列基因之间也有重叠的现象基因之间也有重叠的现象就一个基因而言，就一个基因而言，DNA双链的一条链为模双链的一条链为模板链，另一条链为编码链（意义链）板链，另一条链为编码链（意义链）在一个在一个DNA长链上，不同基因的编码链可长链上，不同基因的编码链可以位于不同的单链上以位于不同的单链上描述一个基因的结构是描述其编码链描述一个基因的结构是描述其编码链 1977年，当时在纽约冷泉港实验室从事

21、研究年，当时在纽约冷泉港实验室从事研究工作的工作的Richard Roberts发现，单个基因不仅可以发现，单个基因不仅可以由一个由一个DNA片段组成，而且可以由数个受到不相片段组成，而且可以由数个受到不相干干DNA片段隔离的片段隔离的DNA片段组成。生物体内存在片段组成。生物体内存在的这种间断的基因，比早期研究的那些基因更加的这种间断的基因，比早期研究的那些基因更加复杂，从而使上述有关遗传物质及其功能的流行复杂，从而使上述有关遗传物质及其功能的流行概念发生了彻底的改变。概念发生了彻底的改变。 同年，同年，Phillip Sharp在研究腺病毒时，发现在研究腺病毒时，发现腺病毒的基因组由一条很

22、长的腺病毒的基因组由一条很长的DNA分子组成；在分子组成；在DNA分子中，至少有分子中，至少有4个完全间断的个完全间断的DNA片段与片段与1个个RNA分子相对应。由此得出结论认为，基因遗分子相对应。由此得出结论认为，基因遗传信息在基因组内是间断编码的。这一科学发现传信息在基因组内是间断编码的。这一科学发现激励了科研人员的深入研究，不久便证实断裂的激励了科研人员的深入研究，不久便证实断裂的基因结构事实上是高等生物最常见的基因结构。基因结构事实上是高等生物最常见的基因结构。 我们把一个基因中最终出现在成熟的我们把一个基因中最终出现在成熟的RNA中中的序列称为外显子（的序列称为外显子（extron

23、or exon），而把转录），而把转录后 从 原 初 转 录 本 中 去 掉 的 序 列 称 为 内 含 子后 从 原 初 转 录 本 中 去 掉 的 序 列 称 为 内 含 子（intron）。）。 断裂基因可以通过异源双链分析得到检测，断裂基因可以通过异源双链分析得到检测，即把克隆了的基因组即把克隆了的基因组DNA与与mRNA杂交，电镜观杂交，电镜观察未互补的环。察未互补的环。启动子、上游调节元件、远端调节元件启动子、上游调节元件、远端调节元件统称为顺式作用元件统称为顺式作用元件细胞中有各种蛋白因子可直接或间接与细胞中有各种蛋白因子可直接或间接与顺式作用元件结合，起着调节基因转录的顺式作用

24、元件结合，起着调节基因转录的作用（促进或抑制基因转录）作用（促进或抑制基因转录）这 些 蛋 白 因 子 统 称 为 反 式 作 用 因 子这 些 蛋 白 因 子 统 称 为 反 式 作 用 因 子 （也叫转录因子）（也叫转录因子）在顺式作用元件中，有些与相应的反在顺式作用元件中，有些与相应的反式作用因子结合后，可促进基因转录，式作用因子结合后，可促进基因转录，如增强子如增强子在顺式作用元件中，有些与相应的反在顺式作用元件中，有些与相应的反式作用因子结合后，可阻碍基因转录，式作用因子结合后，可阻碍基因转录，如沉默子（抑制子）如沉默子（抑制子） 原核细胞中只有一种原核细胞中只有一种RNA聚合酶，它

25、催聚合酶，它催化所有种类化所有种类RNA的合成。真核细胞中有三种的合成。真核细胞中有三种RNA聚合酶，分别称为聚合酶，分别称为RNA聚合酶聚合酶、，它们催化合成的，它们催化合成的RNA种类不同。种类不同。 大肠杆菌大肠杆菌RNA聚合酶通常认为由聚合酶通常认为由5个亚基组个亚基组成，即成，即2、及及，这，这5个亚基组成的酶叫全个亚基组成的酶叫全酶，而只由酶，而只由2、4个亚基组成的酶叫做核个亚基组成的酶叫做核心酶。此外，还可以看到一个相对分子量在心酶。此外，还可以看到一个相对分子量在10000左右的左右的亚基，其功能尚不清楚；后来又亚基，其功能尚不清楚；后来又发现一个分子量为发现一个分子量为69

26、000的酸性蛋白，称为的酸性蛋白，称为NusA蛋白，现在又称为转录延伸因子，其功能可能与蛋白，现在又称为转录延伸因子，其功能可能与RNA转录的延伸和终止有关。转录的延伸和终止有关。 亚基的主要功能是识别启动子；亚基的主要功能是识别启动子；亚基亚基的主要功能是参与和启动子的结合、的主要功能是参与和启动子的结合、DNA双双链的解链和恢复双螺旋；链的解链和恢复双螺旋；亚基可能参与底物亚基可能参与底物的结合及的结合及RNA合成时磷酸二酯键的形成；合成时磷酸二酯键的形成；亚基的碱性最强，可能起到与亚基的碱性最强，可能起到与DNA模板模板结合的作用。结合的作用。 RNA聚合酶全酶结合到启动子部位聚合酶全酶

27、结合到启动子部位局部解开双链，形成转录泡局部解开双链，形成转录泡从从1 1位点开始，按碱基配对原则，合成位点开始，按碱基配对原则，合成RNA当当RNA链开始合成后，链开始合成后，因子脱落，核心酶继因子脱落，核心酶继续催化续催化RNA链的延长链的延长因子与另一核心酶结合成全酶，启动另一次因子与另一核心酶结合成全酶，启动另一次转录转录在在RNA链延长的过程中，遇到转录终止信链延长的过程中，遇到转录终止信号则终止转录，号则终止转录，RNA聚合酶脱落，释放出新聚合酶脱落，释放出新合成的合成的RNA转录终止序列分为两种，一种是依赖转录终止序列分为两种，一种是依赖因因子的终止序列，一种是不依赖子的终止序列

28、，一种是不依赖因子的终止因子的终止序列序列不依赖于不依赖于因子的终止子因子的终止子 依赖于依赖于因子的终止子因子的终止子 -非依赖性终止子不是在非依赖性终止子不是在DNA水平上终止转水平上终止转录的，而是在已转录产生的录的，而是在已转录产生的RNA水平上发生作用水平上发生作用的。终止子序列从的。终止子序列从DNA模板上转录后，在新生模板上转录后，在新生RNA链中产生发卡结构，在发卡结构后面跟着大链中产生发卡结构，在发卡结构后面跟着大约由约由6个个U组成的序列。这两种结构都为转录终止组成的序列。这两种结构都为转录终止所必需。如果在发卡区产生突变，破坏其发卡结所必需。如果在发卡区产生突变，破坏其发

29、卡结构，会妨碍转录终止。构，会妨碍转录终止。RNA聚合酶在发卡处通过聚合酶在发卡处通过相互作用使相互作用使RNA转录停滞，而一连串的转录停滞，而一连串的U提供了提供了使使RNA聚合酶从模板上解离下来的信号而使转录聚合酶从模板上解离下来的信号而使转录终止。终止。 在在-依赖性转录终止子中，转录终止点前也依赖性转录终止子中，转录终止点前也有发卡结构，但发卡结构中有发卡结构，但发卡结构中GC对含量较少，发卡对含量较少，发卡结构的下游序列没有固定的特征，其结构的下游序列没有固定的特征，其AT对含量比对含量比-非依赖性转录终止子低。非依赖性转录终止子低。-因子利用其因子利用其NTP酶酶活性产生的能量，结合到活性产生的能量，结合到RNA链上，链上，然后沿着然后沿着RNA链滑向链滑向RNA聚合酶，当聚合酶，当RNA聚合酶在发卡结构处停聚合酶在发卡结构处停滞时，滞时，-因子与因子与RNA聚合酶相互作用而终止转录。聚合酶相互作用而终止转录。 RNA聚合酶正在转录聚合酶正在转录因子附着到因子附着到RNA的