生物化学 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构The Chemical

2、 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 碱基(base)：嘌呤碱，嘧啶碱 戊糖(ribose)：核糖，脱氧核糖磷酸(phosphate)核苷酸核苷核苷酸分子组成: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

3、，Py)胞嘧啶(cytosine, C)尿嘧啶(uracil, U)胸腺嘧啶(thymine, T)戊糖（构成RNA）12345核糖(ribose)（构成DNA）脱氧核糖(deoxyribose) 核苷NNNN9NH2OOHOHHHHCH2OHH12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)NNNN9NH2OOHOHHHHCH2H12OPO-HOO糖苷键酯键核苷酸：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

4、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+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。5-末端3-末端CGA磷酸二酯键磷酸二酯键三、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

5、；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。A G P5 P T PG PC PT P OH 3 书写方法：5 pApCpTpGpCpT-OH 3 5 A C T G C T 3DNA和RNA的区别核糖 G、C、A、URNA脱氧核糖 G、C、A、TDNA碱基核糖核酸第二节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

6、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2nm，螺距为3. 4nm。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

7、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

8、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(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 连接核心颗粒核小体结构图核小体的折叠

9、及染色体组装2nm11nm30nm300nm1400nm700nm逐级盘曲折叠真核生物DNA在细胞核内的组装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 RNARNA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

10、多。RNA的种类、大小和结构远比DNA表现出多样性。RNA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hnRNA 内含子(intron)mRNA 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mRNAmRN

11、A功能：是蛋白质合成的模板1、 tRNA的一级结构特点 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

12、白体结构模式:A位：氨基酰位(aminoacyl site)P位：肽酰位(peptidyl site)E位：排出位(exit site)目 录转肽酶活性部位肽链延长tRNArRNAmRNACCAOH 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 Prize in Chemistry 1989 for their discovery of cata

13、lytic properties of RNASidney AltmanThomas 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240290nm范围，最大吸收峰在260nm481216吸光度8103AGTCU220 240 260 280 300 320nm波长各种碱基的紫

14、外吸收光谱1.DNA或RNA的定量OD260=1.0相当于50g/ml双链DNA40g/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 = 1.8RNA纯品: OD260/OD280 = 2.0OD260的应用定义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，

15、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) 双链DNA1双链DNA2+加热变性DNA变性、复性及分子杂交缓慢降温复性形成单链杂化双链双链DNA1双链DNA2+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可以水解核酸的酶。Bam HGTCCAGGCCTAGGATCC