生物化学课件：第二章 核酸的结构和功能

第二章

核酸的结构和功能StructureandFunctionofNucleicAcid结构—以核苷酸为基本组成单位的生物信息大分子功能—储存、携带和传递遗传信息核酸(nucleicacid)3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(deoxyribonucleicacid,DNA)(ribonucleicacid,RNA)脱氧核糖核酸

核糖核酸携带遗传信息，并通过复制传递给下一代。是DNA转录的产物，参与遗传信息的复制与表达。某些病毒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TheChemicalComponentandPrimaryStructureofNucleicAcid一、核酸的基本组成单位—核苷酸

元素组成:C、H、O、N、P（9-10%）核苷酸分子组成—三部分碱基(base)：嘌呤碱，嘧啶碱戊糖(ribose)：核糖，脱氧核糖磷酸(phosphate)（一）碱基嘌呤(purine)

2种嘧啶(pyrimidine)3种对碱基的说明：嘌呤环GA153467892嘧啶环UCT153462碱基原子编号：1、2…通常嘌呤9位N、嘧啶1位N和戊糖的C-1ˊ形成N-C糖苷键。碱基260nm的紫外吸收性质。碱基酮式烯醇式、氨基亚氨基的互变。

DNA中：A、G、C、TRNA中：A、G、C、U。还有稀有碱基。对碱基的说明：（二）2种戊糖（RNA成分）核糖(ribose)（DNA成分）1´2´3´4´5´脱氧核糖(deoxyribose)原子编号：1'、2'…核苷…脱氧核苷（三）核苷(ribonucleoside)碱基种类及名称：核苷嘌呤9位N/嘧啶1位N与糖1'C形成糖苷键1ONNNH21´OHOCH2OHOH核糖（四）核苷酸(ribonucleotide)结构举例核苷/脱氧核苷磷酸酯键核苷酸的结构：磷酸13OCH2OHOHPOOOHOHNNNNNH2ONNNH2OCH2OHOHPOOOHOHCMPAMP常见碱基可为5种碱基的一种核糖可为核糖或脱氧核糖酸的部分可为一磷酸、二磷酸、三磷酸或环磷酸中的一种根据三个组成部分(酸甜苦)例如：dADP—脱氧腺嘌呤核苷二磷酸（脱氧腺苷二磷酸）核苷酸种类和名称：ATP核苷酸的主要功能：是合成核酸原料，又能提供能量。活化中间代谢物,如UDP-葡萄糖等。还是一些辅酶的成分。是核酸的组分。在细胞信号转导中起重要作用。（五）多核苷酸（核酸）多个核苷酸（nucleitide）通过3

，5

-磷酸二酯键（phosphodiesterbond）连接、形成的链状聚合物，即多聚核苷酸（polynucleotides）。173

,5

-磷酸二酯键3

,5

-磷酸二酯键是核酸的基本结构键185

端3

端CGA多聚核苷酸链有方向性二、核酸的一级结构核酸中核苷酸的排列顺序/碱基序列。连接键：3'，5'磷酸二酯键方向性：5'→3'定义：一级结构的定义适用于DNA和RNA，二者结构组分的异同？5´端3´端AOCH2OHPOOO-O5'COCH2POOO-O3'5'TOCH2POOO--O3'5'多个核苷酸5´端到3´端核苷酸/碱基的排列顺序核酸的一级结构书写方法5

pApCpTpGpCpT-OH

3

5

A

C

T

G

C

T

3

简化：再简化：AG

P5

PT

PG

PC

PT

POH3

核酸分子大小表示法：碱基数目表示

base、kilobase、用于单链DNA或RNA碱基对数目

basepair(bp),kilobasepair(kbp)用于双链DNA或RNA小的核酸片断（小于50bp）称寡核苷酸第二节DNA的空间结构与功能DimensionalStructureandFunctionofDNA

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

DNA是双螺旋分子（一）DNA双螺旋结构的研究背景[A]=[T]；[G]=[C]一、DNA的二级结构——doublehelix*

Chargaff’srule不同种属生物的DNA碱基组成不同；同一个体不同器官、不同组织的DNA具有相同的碱基组成；对于一个特定的组织的DNA，其碱基组份不随其年龄、营养状态和环境而变化；A与T的摩尔数、G与C的摩尔数总是相等；ErwinChargaff(1905－1995)(二)B-DNA(Watson-Crick)结构要点：结构模式图要点小结：小沟大沟螺距3.54nm3'5'注：链的走向主链骨架大小沟螺距:10.5bpDNAdoublehelix示意图29DNA是反向平行、右手螺旋的双链结构两条多聚核苷酸链反向平行，围绕同一螺旋轴由脱氧核糖和磷酸基团构成的亲水性骨架位于双螺旋结构的外侧，而疏水的碱基位于内侧。直径为2.37nm，螺距为3.4nm。结构表面存在一个大沟和一个小沟。DNA二级结构是右手双螺旋（Watson,Crick,1953）30DNA双链之间具有碱基互补关系碱基垂直螺旋轴居双螺旋内側，与对側碱基形成氢键配对（互补配对形式：A=T;G

C）相邻碱基平面距离0.34nm，螺旋一圈螺距3.4nm，一圈10.5对碱基31疏水作用力和氢键维系DNA双螺旋结构的稳定相邻的两个碱基对平面在旋进过程中发生相互重叠（overlapping），由此产生了疏水性的碱基堆积力（basestackinginteraction）。这种碱基堆积力和互补碱基对的氢键共同维系着DNA双螺旋结构的稳定，并且碱基堆积力在双螺旋结构的稳定中起着更为重要的作用。32

DNA双链模型

propellertwisting(三)DNA双螺旋结构的多样性（四）DNA的多链结构1.Hoogsteen碱基配对形成三股螺旋DNAH-DNA的结构C＋GC三链结构及Hoogsteen氢键示意图Watson-Crick氢键Hoogsteen氢键胞嘧啶的N-3原子被质子化，可与鸟嘌呤的N-7原子形成氢键;胞嘧啶的N-4的氢原子也可与鸟嘌呤的O-6形成氢键.GCC3746362．4条多聚鸟嘌呤核苷酸链形成四螺旋DNA二、DNA的高级结构是超螺旋结构（一）DNA的超螺旋结构超螺旋结构意义:DNA双螺旋链再盘绕即形成超螺旋结构DNA超螺旋结构整体或局部的拓扑学变化及其调控对于DNA复制和RNA转录过程具有关键作用。

超螺旋结构(superhelix、supercoil)正超螺旋负超螺旋盘绕方向与DNA双螺旋方向相同盘绕方向与DNA双螺旋方向相反自然界闭合双链多数是负超螺旋。（二）原核生物DNA的高级结构大多原核生物的DNA是共价封闭的环形DNA双螺旋，在细胞内进一步盘绕成类核。环状和超螺旋DNA结构示意图（三）DNA在真核生物细胞核内的组装核小体(nucleosome)由DNA和蛋白质构成是真核生物染色体的基本单位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H3H2BH3H2AH4H4H2BH2AH3H2BH3H2AH4H4H2BH2A核小体的结构模式核心颗粒连接区DNAH1、H2A、H2B、H3、H4组蛋白H1H1染色体组装三、DNA-遗传信息的物质基础以基因的形式储存、携带和传递遗传信息。是DNA分子中特定区段核苷酸的排列顺序，即碱基序列信息，它决定了基因的功能。基因：基因组：一个遗传体系所有基因总和的一整套遗传信息。451868年FridrichMiescher从脓细胞中提取“核素”1944年

Avery等人证实DNA是遗传物质1953年

Watson和Crick发现DNA的双螺旋结构1968年Nirenberg发现遗传密码1973年DNA重组技术1975年Temin和Baltimore发现逆转录酶1981年Gilbert和Sanger建立DNA测序方法1985年Mullis发明PCR技术1990年美国启动人类基因组计划(HGP)1994年中国人类基因组计划启动2001年美、英等国完成人类基因组计划基本框架核酸的发现和研究进展46肺炎球菌转化实验

——证明DNA是遗传的物质基础S型细菌有毒型肺炎球菌R型细菌无毒型肺炎球菌R型细菌菌落S型细菌菌落R型与S型细菌混合菌落OswaldAvery（1877-1955）感染感染感染死亡死亡存活S型细菌的DNA+R型肺炎球菌第三节

RNA的结构与功能StructureandFunctionofRNA48RNA种类细胞核和胞液线粒体功能核蛋白体RNArRNAmtrRNA组成核糖核蛋白体信使RNAmRNAmtmRNA合成蛋白质模板(密码)转运RNAtRNAmttRNA转运、活化氨基酸核内不均一RNAHnRNAmRNA前体核内小RNASnRNA参与hnRNA剪接、转运核仁小RNASnoRNArRNA的加工修饰胞浆小RNAScRNA/7SL-RNA蛋白质内质网定位合成的信号识别体的组分微RNAmicroRNA翻译调控5

3

AUG……………UAA密码子编码区5非翻译区3

非翻译区m7Gpppm2Npm2Np-AAA…An帽子结构多聚A尾1.真核生物mRNA结构一、蛋白质合成的模板-mRNA/messenger(ORF)2.真核mRNA结构特点：5´帽子结构：m7Gppp;3´末端多聚A尾polyA;mRNA经前体hnRNA的剪接而成熟。

真核mRNA的5

-末端7-甲基鸟嘌呤核苷帽状结构及核糖甲基化

m7Gpppm2Npm2Np-hnRNAmRNAmRNA的剪接内含子1(intron)内含子2(intron)外显子2(exon)

外显子1(exon)

外显子3(exon)3.mRNA的功能把DNA的遗传信息，转录成mRNA的密码序列、指导蛋白质合成的氨基酸排列顺序。DNA（遗传信息）转录mRNA（密码载体）翻译蛋白质(氨基酸序列)1.tRNA的二级结构—三叶草形二、tRNA是蛋白质合成中的氨基酸载体2.tRNA的三级结构—倒L形tRNA的三叶草的框架结构DHU环TΨC环反密码环:含稀有碱基多含反密码子、与mRNA的密码子结合—CCA3'结合活化的aaaa臂三环tRNA的三叶草结构5

3

DHU环TΨ环反密码环反密码子

稀有碱基举例

CAC5

3

5

3

DHU环TΨ环反密码环tRNA的三叶草和倒L形三级结构tRNA三级结构图—

倒L形CAC5

3

TΨ环DHU环反密码环aa臂3.tRNA的功能-蛋白合成中氨基酸运载体把活化的aa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。mRNA3´5´321

3´aa5´氨基酰-tRNA1.rRNA的结构：三、以rRNA为组分的核糖体是蛋白质合成的场所参与组成核蛋白体，为蛋白质生物合成的场所。2.rRNA的种类：3.rRNA的功能：多个茎环结构组成真核生物5SrRNA5.8SrRNA28SrRNA18SrRNA原核生物5SrRNA23SrRNA16SrRNA小亚基成分大亚基成分核蛋白体大小亚基所含的rRNA成分，S为沉降系数。（注：为记忆方便，‘5S’

是原核和真核都有的，带‘8’的是真核具有的，原核的不带。）局部双链tRNArRNAmRNA三叶草形、倒L形含稀有碱基多反密码子CCA—OH3'呈花状5'—m7GpppNm、3'—polyA遗传密码单链局部双链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分子大小不一,量少<5%,代谢快分子小

120碱基量约15%,稳定分子大

120碱基量多约80%,稳定三种RNA小结功能四、其他非编码RNA参与基因表达的调控细胞的不同部位存在的其他种类的sncRNAs，也统称为非mRNA小RNA（smallnon-messengerRNA,snmRNAs）.sncRNAs（<200nt）lncRNAs（>200nt）非编码RNA(non-codingRNA,ncRNA)66snmRNAs的种类核内小RNA（smallnuclearRNA，snRNA）核仁小RNA（smallnucleolarRNA，snoRNA）胞质小RNA（smallcytoplasmicRNA，scRNA）催化性小RNA（smallcatalyticRNA）小干扰RNA（smallinterferingRNA,siRNA）微RNA（microRNA，miRNA）等在hnRNA和rRNA的转录后加工、转运中发挥作用，有的参与基因表达调控等；是现代生物学研究的新领域。67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异性同时同地表达68真核生物基因表达的特异性先后异地表达ThePhysicalandChemicalCharactersofNucleicAcid第四节核酸的理化性质一、核酸260nm的紫外吸收性质二、DNA的变性(denaturation)理化因素，DNA双链间氢键断裂，成两条单链。定义：核酸的一般理化性质核酸是酸性较强的多元酸DNA是线性高分子粘度极大、RNA粘度较小DNA在机械力作用下易断裂溶液中的核酸在离心力作用下下沉核酸的260nm紫外吸收—核酸分子中的嘌呤、嘧啶含有共轭双键的缘故。240－290nm范围，最大吸收峰在260nm481216AGTCU220240260280300320nm波长各种碱基的紫外吸收光谱1.DNA或RNA的定量：OD260=1.0相当于50μg/ml双链DNA40μg/ml单链DNA（或RNA）20μg/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DNA变性的本质是双链间氢键断裂,变成单链。加热变性氢键断裂缓慢冷却复性天然双链DNA变性DNADNA的变性和复性DNA热变性：特点—骤然、突发式融解温度Tm(meltingtemperature)热变性是在一个相当窄的温度范围内完成，在这一范围内，紫外光吸收值达到最大值的50%时的温度称为DNA的解链温度，又称熔解温度(meltingtemperature,Tm)。Tm与G+C含量成正比增色效应：

DNA变性时其溶液OD260增高的现象DNA解链曲线8084889296100℃1.000.750.500.250.00A260Tm77例：变性引起紫外吸收值的改变DNA的紫外吸收光谱增色效应：DNA变性时其溶液OD260增高的现象。增色效应变性状态天然状态1.51.00.50200250300260波长（nm）吸光度*****三、DNA的复性与分子杂交1.DNA复性(renaturation)/退火(annealing)定义—复性的条件—DNA复性：在适当条件下，变性DNA的两条互补链可恢复天然的双螺旋构象，这一现象称为复性。退火(annealing)：热变性的DNA经缓慢冷却后缓慢复性的过程。复性的条件只有温度缓慢下降才可以复性一般认为，比Tm低25℃是复性的最佳条件。2.减色效应：3.核酸