第一章核酸的生物化学1

第一章

核酸的生物化学脱氧核糖核酸DNA（细胞核中）

核糖体RNA（rRNA）核糖核酸RNA

信使RNA（mRNA）

转运RNA（tRNA）核酸的分类核酸Deoxyribonucleic

acidRibonucleic

acid（细胞质中）核酸分子的主要功能：遗传信息的贮存和传递。中心法则1.1957年Crick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2.1970年发现了逆转录现象后，Crick修改的中心法则。3.现在的中心法则第二节核酸的分子组成核糖碱基核苷酸核糖核酸

RNA核苷磷酸聚合脱氧核糖碱基

脱氧核苷酸

脱氧核糖核酸

DNA脱氧核苷磷酸聚合（单体）（单体）（大分子聚合物）（大分子聚合物）碱基种类碱基酮式和烯醇式的互变异构尿嘧啶鸟嘌呤

酮式烯醇式核糖和脱氧核糖结构式核糖（链式）核糖（环式）

2-脱氧核糖（链式）2-脱氧核糖（环式）

磷酸结构式核苷和脱氧核苷结构式糖苷键DNA和RNA中的各种碱基3种磷酸位置不同的核苷酸磷酸酯键一磷酸、二磷酸、三磷酸腺苷酸酐第三节核酸的分子结构核苷酸之间以磷酸二酯键连接5’3’5’3’核酸序列简单表示法DNA5’AGTCGACT3’RNA5’AGUCGACU3’由单链DNA形成双链DNA两条链反平行碱基之间形成氢键AT之间两个氢键GC之间三个氢键

一个与电负性高的原子X共价结合的氢原子（X－H）带有部分正电荷，能再与另一个电负性高的原子（如Y）结合，形成一个聚集体X－H·····Y，这种化学结合作用叫做氢键。两条单链核酸分子碱基间氢键连接配对核酸分子的空间结构一级结构：碱基序列二级结构：各种螺旋三级结构：空间上的各种弯曲DNA双螺旋模型和示意图

（二级结构）碱基堆积力使DNA成为双螺旋

B型DNA中大沟和小沟表1-2DNA双螺旋结构类型

及主要差别

左手螺旋DNA右手螺旋DNADNA分子的三种形式

线状DNA共价闭合环状DNA开环DNA环状DNA分子的超螺旋

（三级结构）有超螺旋无超螺旋无超螺旋电话线的超螺旋连环数

连环数是环状DNA的一个很重要的特征。连环数指的是在双螺旋DNA中，一条链以右手螺旋绕另一条链缠绕的圈数，以字母L表示。L值不同但其他方面结构相同DNA分子称为拓扑异构体。拓扑异构酶可以催化拓扑异构体之间的转变。拓扑异构酶

拓扑异构酶可以改变DNA双螺旋的连环数，其功能是引入超螺旋或解开超螺旋。拓扑异构酶可分为两类：类型Ⅰ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；类型Ⅱ的酶能使DNA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ATP提供能量。拓扑异构酶Ⅰ

拓扑异构酶Ⅰ属于类型Ⅰ。它只能消除负超螺旋，对正超螺旋不起作用。拓扑异构酶在使DNA的一条链断裂时，由于酶与DNA结合，DNA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。拓扑异构酶Ⅱ

拓扑异构酶Ⅱ属于类型Ⅱ，又叫旋转酶（gyrase）。它可连续引入负超螺旋，反应需要消耗ATP。在无ATP存在时，它可以松弛负超螺旋，但不作用于正超螺旋。细菌中的DNA细菌拟核的突环结构黑腹果蝇染色质的电镜照片真核生物染色体的核小体结构

染色质的基本结构单位是核小体（nucleosome），核小体的核心是一个蛋白质八聚体，由组蛋白H2A、H2B、H3和H4各2个组成，DNA以左手螺旋在组蛋白核心上盘绕1.8圈，共146bp。核小体之间连接DNA的长度随不同核小体而略有不同，平均每个核小体占DNA200bp。染色体的组装层次rRNA的二级结构原核16SrRNA真核18SrRNA酵母丙氨酸tRNA的

三叶草样二级结构双HU环反密码环反密码子额外环TψC环氨基酸臂氨基酸腺嘌呤3’5’二氢尿嘧啶核苷和假尿嘧啶核苷结构式二氢尿嘧啶核苷假尿嘧啶核苷DHUψtRNA三级结构示意图反密码环DHU环TψC环5’末端3’末端第四节核酸的理化性质核酸的酸碱性质

两性电解质，酸性较强加盐后可用乙醇或异丙醇沉淀核酸的高分子性质

粘性

DNA粘性比RNA大线性分子粘性比环形分子大核酸分子变性后粘性变小

核酸的紫外吸收

核酸的最大吸收波长为260nm

蛋白质的最大吸收波长为280nm

通过测定核酸溶液OD260的值可以测出核酸溶液的浓度。50μg/ml的双链DNA溶液其OD260的值等于1。利用OD260/OD280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[有热变性，酸碱变性，变性剂（甲醛、尿素）变性等]。核酸的理化性质DNA分子的热变性和复性核酸的热变性增色效应

与解链温度（熔点）退火、复性与杂交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。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杂交，其中带有标记的那条单链叫探针,探针是人造的一种工具，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。第五节

DNA的生物合成DNA指导的DNA合成（复制）2.RNA指导的DNA合成（反转录）3.修复合成DNA聚合酶催化的聚合反应5’端3’端DNA聚合酶的反应特点①以4种dNTP作底物；②反应需要接受模板的指导；③反应需要有引物3’-羟基存在；④DNA链的延长方向为5’→3’；⑤产物DNA的性质与模板相同。大肠杆菌DNA聚合酶

1955年，ArthurKornberg等发现了大肠杆菌DNA聚合酶，后来又发现了4种DNA聚合酶，分别称为DNA聚合酶Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ和Ⅴ，它们有各自不同的用途。（DNApolymerase）大肠杆菌DNA聚合酶Ⅰ

大肠杆菌DNA聚合酶Ⅰ由一条肽链（928个氨基酸残基）组成，含有一个锌原子，分子量103kD。它是一个多功能酶，具有以下活性：①5’→3’聚合活性②3’→5’外切活性（校对活性）③5’→3’外切活性（只作用于双链DNA）大肠杆菌DNA聚合酶ⅠKlenow片段

用枯草杆菌蛋白酶裂解完整的大肠杆菌DNA聚合酶Ⅰ，得到C端324～928氨基酸残基的片段，称为Klenow片段。1-323氨基酸残基为小片段。小片段具有5’→3’外切活性，Klenow片段具有聚合酶活性和3’→5’外切活性。酶切位点Klenow片段DNA聚合酶Ⅰ的校对作用

在正常聚合条件下，3’→5’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，生长链的3’末端核苷酸落入3’→5’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。3’→5’外切活性起着校对的作用。

校对作用越强，DNA复制的准确性越高。适当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。DNA聚合酶Ⅰ的切口平移作用关于大肠杆菌DNA聚合酶的研究

根据对各种DNA聚合酶在大肠杆菌细胞中的活性、合成DNA的速度、该酶基因突变对DNA复制的影响的研究，发现DNA聚合酶Ⅲ是大肠杆菌细胞中DNA复制的主酶，而DNA聚合酶Ⅰ和Ⅱ的功能只是参与DNA损伤的修复。大肠杆菌中3种DNA聚合酶性质的比较大肠杆菌DNA聚合酶ⅢDNA聚合酶Ⅲ全酶的结构δ与β结合两个α亚基各催化复制叉处一条链的合成。哺乳动物的DNA聚合酶PCNA：proliferatingcellnuclearantigen，增殖细胞核抗原DNA复制的几种类型单向复制双向复制DNA的复制方式直线双向多起点双向（真核细胞染色体）θ型双向θ型单向

大肠杆菌染色体DNA即是θ双向复制，λ噬菌体的早期复制也是θ双向复制。DNA的复制方式滚环复制λ噬菌体DNA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换出来称为Dloop。当Dloop扩大到整个线粒体DNA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OL才暴露出来，然后开始轻链的合成。DNA的复制方式D环复制

最典型的D环复制是哺乳动物线粒体DNA的复制。在环状双链DNA的特定位点即重链的复制原点OH附近，解开双链，形成一个复制泡。DNA的复制方式2D环复制叉处的半不连续合成旧链复制叉行进方向随从链前导链新DNA链合成的方向必须是5’→3’随从链的合成方式(a)以DNA为模板合成RNA引物RNA引物随从链模板(b)

在引物的3’端合成新的DNA新DNA

冈崎片段(c)

DNA聚合酶去除引物并填补空隙(d)

DNA连接酶使片段连接连接随从链也叫后随链DNA复制叉处的结构DNAligaseDNApolymeraseⅠOldOkazakifragmentOkazakifragmentPrimerLaggingstrandtemplatePrimerHelicase/primaseNewlysynthesizedleadingstrandDimericreplicativeDNApolymeraseβsubunit“slidingclamp”SSBLeadingstrand

templateDNAgyrasePrimer岗琦片段的连接DNApolymeraseⅠDNAligase原核生物和真核生物的冈崎片段

细菌的冈崎片段长度为1000～2000个核苷酸，相当于一个顺反子（cistron）的长度；真核生物的冈崎片段长度为100～200个核苷酸，相当于一个核小体DNA的长度。E.coli的主要复制蛋白DNA复制的最基本条件单链DNA模板DNA聚合酶引物（RNA或DNA）dATP、dGTP、dCTP、dTTP(简称4×dNTP）必要的无机离子(Mg2+、K+）DNA的反转录合成（RNA-directedDNApolymerase，RDDP）（DNA-dircetedDNApolymerase，DDDP）DNA的人工反转录合成引起DNA损伤的因素DNA合成时碱基错配电离辐射紫外线照射化学诱变剂致癌病毒DNA的损伤类型DNA的突变类型点突变缺失突变插入突变置换突变DNA的修复方式光复活切除修复重组修复SOS修复DNA断链DNA链内交联DNA链间交联DNA损伤的切除修复第六节

RNA的生物合成DNA指导的RNA合成（转录）RNA指导的RNA合成（复制）转录体系的组成DNA模板ATP、GTP、CTP、UTP

简称4×NTPRNA聚合酶一些蛋白因子必要的无机离子DNA上的基因在DNA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也有重叠的现象就一个基因而言，DNA双链的一条链为模板链，另一条链为编码链（意义链）在一个DNA长链上，不同基因的编码链可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模板链、编码链与RNA的关系DNA链上基因的排列断裂基因的发现

1977年，当时在纽约冷泉港实验室从事研究工作的RichardRoberts发现，单个基因不仅可以由一个DNA片段组成，而且可以由数个受到不相干DNA片段隔离的DNA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。断裂基因的发现

同年，PhillipSharp在研究腺病毒时，发现腺病毒的基因组由一条很长的DNA分子组成；在DNA分子中，至少有4个完全间断的DNA片段与1个RNA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。断裂基因的外显子和内含子

我们把一个基因中最终出现在成熟的RNA中的序列称为外显子（extronorexon），而把转录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，即把克隆了的基因组DNA与mRNA杂交，电镜观察未互补的环。鸡卵清蛋白mRNA与DNA杂交形成的异源双链产物的模式图启动子与转录顺式作用元件与反式作用因子启动子、上游调节元件、远端调节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顺式作用元件结合，起着调节基因转录的作用（促进或抑制基因转录）这些蛋白因子统称为反式作用因子（也叫转录因子）几种原核基因的启动子增强子和沉默子在顺式作用元件中，有些与相应的反式作用因子结合后，可促进基因转录，如增强子在顺式作用元件中，有些与相应的反式作用因子结合后，可阻碍基因转录，如沉默子（抑制子）RNA聚合酶

原核细胞中只有一种RNA聚合酶，它催化所有种类RNA的合成。真核细胞中有三种RNA聚合酶，分别称为RNA聚合酶Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ，它们催化合成的RNA种类不同。大肠杆菌RNA聚合酶

大肠杆菌RNA聚合酶通常认为由5个亚基组成，即α2、β、β＇及σ，这5个亚基组成的酶叫全酶，而只由α2、β、β＇4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10000左右的ω亚基，其功能尚不清楚；后来又发现一个分子量为69000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RNA转录的延伸和终止有关。大肠杆菌RNA聚合酶各亚基的功能

σ亚基的主要功能是识别启动子；α亚基的主要功能是参与和启动子的结合、DNA双链的解链和恢复双螺旋；β亚基可能参与底物的结合及RNA合成时磷酸二酯键的形成；β＇亚基的碱性最强，可能起到与DNA模板结合的作用。真核生物RNA聚合酶原核生物转录起始RNA聚合酶全酶结合到启动子部位局部解开双链，形成转录泡从＋1位点开始，按碱基配对原则，合成RNA当RNA链开始合成后，σ因子脱落，核心酶继续催化RNA链的延长σ因子与另一核心酶结合成全酶，启动另一次转录原核生物转录终止在RNA链延长的过程中，遇到转录终止信号则终止转录，RNA聚合酶脱落，释放出新合成的RNA转录终止序列分为两种，一种是依赖ρ因子的终止序列，一种是不依赖ρ因子的终止序列原核生物的两类终止子不依赖于ρ因子的终止子依赖于ρ因子的终止子ρ-非依赖性终止机制

ρ-非依赖性终止子不是在DNA水平上终止转录的，而是在已转录产生的RNA水平上发生作用的。终止子序列从DNA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约由6个U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，破坏其发卡结构，会妨碍转录终止。RNA聚合酶在发卡处通过相互作用使RNA转录停滞，而一连串的U提供了使RNA聚合酶从模板上解离下来的信号而使转录终止。ρ因子依赖终止序列

在ρ-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GC对含量较少，发卡结构的下游序列没有固定的特征，其AT对含量比ρ-非依赖性转录终止子低。ρ-因子利用其NTP酶活性产生的能量，结合到RNA链上，然后沿着RNA链滑向RNA聚合酶，当RNA聚合酶在发卡结构处停滞时，ρ-因子与RNA聚合酶相互作用而终止转录。

ρ依赖性终止机制RNA聚合酶正在转录ρ因子附着到RNA的识别位点上ρ因子沿RNA移动，追赶RNA聚合酶在终止子处，ρ因子与RNA聚合酶相互作用在转录泡处，ρ因子使DNA-RNA