基础生化-2012第三章 核酸

第三章核酸化学生命的表现形式是蛋白质，但是决定蛋白质和酶结构的却是——核酸。因此，核酸是活细胞中最关键的组分，它携带着遗传信息是遗传的物质基础。核酸的发现DNA双螺旋模型的建立生物技术的兴起（DNA重组技术）人类基因组计划开辟生命科学新纪元1944年，Avery证明转化肺炎球菌的物质是DNA。1952年，A.Hershey和M.Chase噬菌体感染实验第三章核酸化学第一节

核酸的化学组成及其基本结构单位核苷酸第二节核酸的结构和功能第三节核酸的性质及研究方法第一节

核酸的化学组成及其基本结构单位核苷酸一、核酸的化学组成二、核苷酸一、核酸的化学组成元素组成：C、H、O、N、PP元素的含量较多并且恒定，约占9～11%。核酸在酸、碱或酶作用下会水解P223一、核酸的化学组成（一）戊糖

（二）碱基

（三）核苷

（四）Pi

组成核酸的戊糖有两种：DNA所含的糖为β-D-2-脱氧核糖；RNA所含的糖则为β-D-核糖。(一)戊糖RiboseDeoxyriboseO(二)碱基(嘌呤和嘧啶）P2231.常见的嘌呤和嘧啶碱基P223、2242.稀有碱基（修饰）P224主要存在于tRNA和rRNA中（三）核苷（nucleoside）1.核苷的结构戊糖+碱基的连接方式：1’2’3’4’5’(OH)1’2’3’4’5’(OH)嘧啶核苷嘌呤核苷C-N糖苷键P225命名，简写符号2.常见核苷碱基核糖核苷脱氧核糖核苷A腺嘌呤核苷（A）腺嘌呤脱氧核苷（dA）G鸟嘌呤核苷（G）鸟嘌呤脱氧核苷（dG）C胞嘧啶核苷（C）胞嘧啶脱氧核苷（dC）U尿嘧啶核苷（U）——T——胸腺嘧啶脱氧脱氧核苷（dT）P2263.稀有核苷返回节二、核苷酸（nucleotide）

（一）脱氧核糖核苷酸5’P226形成3’-，5’-核苷酸，但生物体内游离核苷酸多为5’-核苷酸（二）核糖核苷酸

形成2’-,3’-，5’-核苷酸，1.核苷单磷酸和多核苷酸（继续磷酸化）AMPADPATP（三）核苷酸衍生物P2272.环化核苷酸cAMPcGMPP228在激素和信号转导中起作用能量通货（NTP）核酸合成的前体其它物质的前体（辅酶）信号传递（cAMP、cGMP）活化其它物质参与代谢调节（别构）基因表达的调节（ppGpp、pppGpp）（四）核苷酸的功能返回章一、核酸的种类、分布及功能第二节核酸的结构和功能二、核酸的一级结构三、DNA的高级结构四、RNA的高级结构一、核酸的种类、分布及功能（一）种类根据所含糖不同分类DNARNAmRNAtRNArRNA生物细胞都含有DNA和RNA；病毒中只含DNA或RNA。RNA分子的种类较多，分子大小变化较大，功能复杂P218RNA种类功能mRNA将信息从基因传递到蛋白质tRNA携带活化氨基酸参与蛋白质生物合成rRNA构成核蛋白体（蛋白质合成场所）miRNA调节作用SnRNA参与mRNA前体剪接加工snoRNArRNA的加工修饰ScRNA蛋白质内质网定位合成信号识别体的组分M1RNARNaseP的催化单体端粒酶RNA端粒合成的模板引物RNA起始DNA复制TsRNA蛋白质分泌复合物中的一部分RNA的种类及重要功能（二）分布真核生物原核生物DNA细胞核（98%）细胞质（核区）线粒体（少量）质粒叶绿体（少量）细胞质（少量）RNA细胞质（90%）细胞质核仁（少量）1.DNA是主要的遗传物质2.RNA参与蛋白质的生物合成3.RNA具有多种功能：

1）控制蛋白质的合成；

2）RNA转录后加工和修饰；

3）基因表达与细胞功能调节；

4）生物催化与其它细胞持家功能；

5）遗传物质信息的加工和进化（三）核酸的生物功能P220脱氧核糖核酸和核糖核酸异同的对比RNADNA组成戊糖

核糖

脱氧核糖碱基A,G,CA,G,CUT磷酸Pi(磷酸二酯键)Pi(磷酸二酯键)结构常单链，部分碱基互补，局部双螺旋，三叶草型等常双链，碱基互补，双螺旋分布细胞核(核仁)，细胞质(线粒体、核蛋白体、胞液)细胞核(染色质)细胞质(线粒体)生物功能遗传信息表达，反转录，直接参与蛋白质的生物合成等多样性功能。遗传的主要物质基础，负责遗传信息贮存、发布返回节二、核酸的一级结构（共价结构）（一）核酸一级结构的概念和特点5’→3’P227核苷酸的连接方式：3’,5’-磷酸二酯键（二）核酸一级结构的表示方式5′PdAPdCPdGPdTOH3′5′PAPCPGPUOH′

或5′ACGTGCGT3′5′ACGUAUGU3′

ACGTGCGTACGUAUGU若不特别注明，一般规定从5′端书写至3′端P228线条式字母式（三）DNA一级结构的特点通过3’,5’-磷酸二酯键连接形成的直线形或环形多聚脱氧核苷酸。相对分子量非常大，一个染色体就是一个DNA分子原核生物：基因组较小，有重叠基因，基因连续（无内含子），调控序列少，重复序列少。真核生物：基因组大，断裂基因（有内含子），调控序列多，大量重复序列。P228（四）RNA一级结构的特点RNA也是无分支的线型多聚核苷酸，以3’,5’-磷酸二酯键连接。但RNA种类多，结构不一：1.tRNA：由73-93个核苷酸组成，含较多稀有碱基（10-15%）增加识别和疏水作用；3’端为CCA，5’端为pG。2.rRNA：

5S、16S、23S（细菌）；5S、5.8S、18S、28S（哺乳动物）。甲基化修饰多在糖环上，有其保守序列。P2293.mRNA和hnRNA的一级结构：原核生物（多顺反子）：一条mRNA链上有多个编码区真核生物（单顺反子）：P229真核生物mRNA结构特点3’末端polyA结构：与mRNA从核入质有关，与mRNA半寿期有关。5’末端帽子结构：G被甲基化，可能与蛋白质合成的起始有关；保护不被酶解。真核生物：5’端-帽子结构；5’非编码区、编码区、

3’非编码区、3’端多聚腺苷酸翻译起始控制区5’非翻译区3’非翻译区编码区AUGUAAUAGUGA真核细胞mRNA的结构特点AAAAAAA-OH5´

“帽子”PolyA

3´

顺反子m7G-5´ppp-Nm-3´p5’5’返回节P230三、DNA的高级结构2.0nm小沟大沟（一）DNA的二级结构1.B-型双螺旋的结构要点1）主链2）内侧和外侧3）碱基平面4）参数P230英国剑桥大学的卡文迪许实验室★磷酸与脱氧核糖彼此通过3’,5’-磷酸二酯键相连接，构成DNA分子的两条主链骨架。★磷酸与脱氧核糖在双螺旋外侧，嘌呤与嘧啶碱位于双螺旋的内侧。★碱基平面与纵轴垂直，糖环平面与纵轴平行★两条核苷酸链之间依靠碱基间的氢键结合在一起。★螺圈之间主要靠碱基平面间的堆积力维持★每圈螺旋10.4nt，碱基堆积距0.34nm，双螺旋平均直径2nm，★大沟：宽1.2nm，深0.85nm，★小沟：宽0.6nm，深0.75nm双螺旋结构模型（Watson&Crick

模型）（1）两条反向平行多核苷酸链右手螺旋，（2）碱基均在主链内侧，A与T配对，G与C配对形成碱基平面与螺旋轴垂直；糖环和磷酸形成的主链在外侧，（3）螺旋表面有大沟和小沟；大沟宽1.2nm，深0.85nm，小沟宽0.6nm，深0.75nm（4）双螺旋的平均直径为2nm，每转1周有10个碱基对，螺距为3.4nm；大多数天然DNA属双链DNA；P2302.B-型双螺旋结构的实验证据（1）x-光衍射分析（Franklin和Wilkins）DNA的X-射线衍射：在中心形成交叉的许多衍射点表明DNA具有螺旋结构，两端的深色带是由重复出现的碱基造成的P230（2）DNA碱基组成的定量分析（chargaff规则）①DNA碱基组成有种的特异性，但无组织、器官特异性。②A=T；G=C；A+G=T+C纸层析和紫外分光（3）碱基的键长和键角等数据1)氢键：2)碱基堆积力：疏水相互作用和范得华力轴向平行相邻的碱基平面自发地相互靠近，从而使碱基缔合、层层堆积，形成了碱基堆积力，它是使DNA结构稳定的主要力量。3)离子键：环境中阳离子对磷酸基团的稳定3.稳定DNA双螺旋结构的力量不仅意味着探明了DNA分子的结构，更重要的是双链的互补性对于揭示和理解DNA的复制、重组、修复以及转录过程有重要意义，揭开了分子生物学研究的序幕。4.DNA双螺旋结构的意义5.DNA二级结构模型的完善（1）每周10.4nt，碱基平面呈螺旋桨状扭曲

（2）DNA的变构（环境条件的影响）A型结构和Z型结构

P232（2）DNA的变构（环境条件的影响）

B-DNA：Watson,Crick双螺旋。钠盐纤维，92％相对湿度A-DNA：75%Z-DNA：左手双螺旋。C－DNA：锂盐纤维，44～46%P233DNA的构象一定条件下可以相互转变，如湿度、盐浓度、离子种类、有机溶剂等。增加NaCl浓度使B型转变为A型；为钠盐时，可存在A、B、C三种类型；为锂盐时只有B和C；DNA的甲基化使大沟表面暴露的C甲基化形成m5C，导致B型转变为Z型，与基因表达调节有关。反向重复序列与镜像结构（3)特殊DNA序列的结构反向重复序列中的单链可形成发夹结构反向重复序列可形成十字架结构上页

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章首

节首H-DNA:三条链局部螺旋镜像重复序列H-DNA存在于基因调控区和其他重要区域。（4)三股螺旋P233（5)四链螺旋见于富含G的区域，生物学意义不甚清楚（6)P-DNADNA过分缠绕时形成，每圈2.6bp，磷酸在内，碱基在外DNA的三级结构主要有以下三种：（二）DNA的三级结构核酸的三级结构指在二级结构的基础上DNA双螺旋的进一步卷曲。cccDNA的拓扑结构松弛环形超螺环形开链环形负超：DNA欠旋，容易解链，有利于DNA的复制、重组和转录需要将两条链分开才能进行的反应。

正超：DNA过旋，DNA的复制过程中，解链区前方不断形成正超拓扑异构酶可以切开一条链，绕另一链旋转，再连接起来，因此可改变DNA的三级结构。负超螺旋右旋正超螺旋左旋返回节（三）DNA与Pr的复合体基因组DNA与Pr结合成染色体（质）P236核小体的电镜照片1.真核生物染色质的基本单元——核小体核小体：1）组蛋白核心八聚体：2H2a2H2b2H32H4，结构保守有共同起源。2）约146bp的DNA左旋缠绕组蛋白核心八聚体1.65圈3）连接者：H1，核小体连接4）连接DNA：8-144bp，平均55bp每个核小体DNA长度平均200bp。2023/10/759真核生物染色体DNA组装不同层次的结构DNA

（2nm）核小体链（11nm，每个核小体200bp）纤丝（30nm，每圈6个核小体）突环（150nm，每个突环大约75000bp）玫瑰花结（300nm，6个突环）螺旋圈（700nm，每圈30个玫瑰花）染色体（1400nm，每个染色体含10个螺旋圈）P239大多数天然RNA分子是以一条单链形式存在的，但在生理条件下，RNA分子也可以形成双螺旋区，发卡式结构，茎-环结构等二级结构。这样的结构一般都出现在tRNA和rRNA分子中，RNA的双螺旋区的结构类似于A-DNA的结构。四、RNA的高级结构少数病毒RNA如水稻矮缩病毒、呼肠孤病毒、伤瘤病毒等RNA是双链螺旋，类似于DNA的双螺旋结构。P239（1）占总RNA的15％（2）含有较多修饰成分（3）3′-末端都具有CCAOH（4）5′-末端pG（5）绝大多数tRNA经过折叠形成4茎和4环组成的特征性三叶草形二级结构。（6）倒L型三级结构（一）tRNA1964Holly.R.鉴定出tRNAphe的二级结构为三叶草形tRNA三叶草二级结构

(四臂四环)（1）aa接受臂（aminoacidarm）（2）二氢尿嘧啶环（dihydrouridineloop,DHUloop）（3）反密码环（anticodonloop）（4）额外环（extraloop）（5）TψC环（TψCloop）P240在tRNA二级结构中未配对的某些并不互补的碱基参与了三级结构中特殊的氢键作用；tRNA链中的核糖-磷酸骨架与某些碱基甚至其他的骨架之间也能产生作用。tRNA的倒L型三级结构P2411974s.H.Kim等揭示了酵母tRNAphe的三级结构为倒L形占总RNA的80％（二）rRNA原核生物真核生物核糖体rRNA核糖体rRNA30s70s50s16s5s、23s