生物化學課件ppt（生物工程類）之第五章核酸化學

5核酸化學 核酸 Nucleicacid 是一種線性大分子 包括脫氧核糖核酸 DNA 和核糖核酸 RNA 由相應核苷酸 nucleotide 聚合而成多聚核苷酸 polynucleotide 核苷酸由堿基 Base 糖 Sugar 和磷酸 Phosphate 所組成 5 1核苷酸是DNA和RNA的構件分子5 2DNA分子中貯存著遺傳信息5 3DNA的堿基組成是有規(guī)律的5 4DNA二級結構是一個雙螺旋結構5 5DNA雙螺旋可以以幾種不同類型的構象存在5 6環(huán)狀雙螺旋DNA可形成超螺旋 DNA的三級結構 5 7真核細胞核內DNA被包裝形成染色質 主要內容 5 8細胞中含有幾種類型的RNA5 9某些RNA具有穩(wěn)定的二級結構5 10在體外雙鏈DNA和RNA可以變性和復性5 11不同來源的核酸可以形成雜化體5 12核酸酶催化核酸的磷酸二酯鍵水解5 13限制性內切酶在特殊部位催化雙螺旋DNA水解 核苷酸由三部分組成 一個弱堿性的含氮化合物 稱為堿基 一個五碳糖 戊糖 和一個磷酸基團 含氮堿基是嘧啶和嘌呤 戊糖為核糖 D 呋喃核糖 或脫氧核糖 2 脫氧 D 呋喃核糖 這兩種糖的嘧啶或嘌呤的N 糖苷稱為核苷 核苷酸是核苷的磷酸酯 含有核糖的核苷酸稱為核糖核苷酸 而含有脫氧核糖的核苷酸稱為脫氧核糖核苷酸 5 1核苷酸是DNA和RNA的構件分子 核苷酸含有兩類堿基在核苷酸中發(fā)現的所有堿基或是嘧啶的衍生物 或是嘌呤的衍生物 兩種類型的堿基都是不飽和的 即都含有共軛雙鍵 這一特性使得環(huán)呈平面 也說明它們具有吸收紫外光的能力 max 260nm 嘧啶的衍生物 嘌呤的衍生物 核苷每一個雜環(huán)堿存在著兩種互變異構形式 腺嘌呤和胞嘧啶既可以以氨的形式存在也可以以亞胺的形式存在 鳥嘌呤 胸腺嘧啶和尿嘧啶可以以酮式存在 也可以以醇式存在 在大多數細胞的內部 氨式和酮式占優(yōu)勢 是最穩(wěn)定的 一些合成的嘌呤和嘧啶具有臨床應用價值 它們可以取代某些酶活性部位中的天然嘧啶和嘌呤底物 例如5 氟尿嘧啶和6 巰基嘌呤就常用于治療某些類型的癌癥 5 氟尿嘧啶相應的核苷酸類似于胸苷酸 是一種潛在的胸苷酸合成酶的抑制劑 胸苷酸合成酶是DNA合成所必需的酶 核苷是核糖或脫氧核糖的N 苷在每一種核苷中 糖都是通過糖的異頭碳和嘧啶的N 1或嘌呤的N 9之間形成的 N 糖苷鍵與堿基連接的 核糖中的碳原子的編號都帶有 以區(qū)別于堿基中的原子編號 核糖核苷 脫氧核糖核苷 半酮縮醇 變旋現象的產生 單糖的醛基或酮基 象醛或酮一樣 可與 自身的 醇 羥基 反應形成分子內的半縮醛或半縮酮結構 圖 于是原來的醛基 或酮基 碳原子變成了一個新的不對稱碳原子 其上的羥基可以左右調換位置 這種變化的結果導致變旋現象的產生和比旋的改變 圖示 糖類 異構體 異頭物是指在羰基 carbonyl 碳原子上的構型彼此不同的單糖同分異構體形式 如圖 D glucose的 和 型即是一對異頭物 它們是非對映異構體 異頭物 anomer 核苷酸是核苷的磷酸酯核苷酸是核苷的磷酸酯 核苷含有3個可以被磷酸酯化的羥基 2 3 和5 而脫氧核苷含有2個這樣的羥基 3 和5 磷?；ǔ６际沁B接在5 羥基的氧原子上 因此不作特別指定時 提到一個核苷酸指的都是5 磷酸酯 例如腺苷的5 單磷酸酯就稱之腺苷一磷酸 AMP 也可簡稱之腺苷酸 同樣 脫氧胞苷的5 磷酸酯可以稱之脫氧胞苷一磷酸 dCMP 簡稱之脫氧胞苷酸 胸腺嘧啶的脫氧核苷的5 磷酸酯常稱之胸苷酸 但有時為了避免混淆 也稱之脫氧胸苷酸 下圖給出了出現在DNA和RNA中的主要的脫氧核糖核苷酸和核糖核苷酸 它們都是相應核苷的5 磷酸酯 核苷酸由于含有嘧啶和嘌呤堿基 所以在260nm附近都有紫外吸收 核苷一磷酸可以進一步磷酸化 形成核苷二磷酸和核苷三磷酸 下圖給出了腺苷一磷酸 AMP 腺苷二磷酸 ADP 和腺苷三磷酸 ATP 的結構 ATP在腺苷酸環(huán)化酶的作用下可以生成3 5 環(huán)腺苷酸 cAMP 同樣GTP在鳥苷酸環(huán)化酶催化下也可生成3 5 環(huán)鳥苷酸 cGMP 通常把激素稱之第一信使 把cAMP 或cGMP 稱之第二信使 核酸中核苷酸是通過3 5 磷酸二酯鍵連接的交替的戊糖和磷酸基團形成多核苷酸鏈的共價骨架 連接在戊糖單位上的堿基給出了核酸序列上的變化 聚合酶催化細胞中的RNA和DNA的合成 核苷三磷酸ATP GTP CTP UTP是RNA合成的底物 或稱原料 而dATP dGTP dCTP和dTTP是DNA合成的底物 或稱原料 聚合酶通過催化一個核苷酸的3 OH與另一個核苷酸的5 磷酸之間形成3 5 磷酸二酯鍵將核苷單磷酸加到生長的多核苷酸鏈上 下圖給出了DNA分子的延長反應 由核糖核苷酸聚合形成的多核苷酸鏈是核糖核酸 RNA 由脫氧核糖核苷酸聚合的多核苷酸鏈是脫氧核糖核酸 DNA 聚合酶 核酸的一級結構是通過3 5 磷酸二酯鍵連接的核苷酸序列 DNA和RNA的生物合成都是按照5 3 方向進行的 沒有特別指定時 核苷酸序列都是按照5 3 方向讀寫 右圖DNA片段可縮寫為pdApdTpdGpdCpdA可以簡寫為ATGCA 磷酸二酯鍵 1944年O T Avery等人通過實驗證明DNA是一個攜帶遺傳信息的分子 幾年之后 A Hershy和M Chase通過噬菌體感染實驗也證實DNA是遺傳物質 A 肺炎球菌的轉化實驗肺炎病菌有二種 一種是光滑型肺炎雙球菌 有莢膜 菌落光滑且有毒 這種菌通常外包有一層黏性發(fā)光的多糖莢膜 它是細菌致病性的必要成分 引起肺炎 另一種是粗糙型肺炎雙球菌 無莢膜 菌落粗糙且無毒 下圖給出了O T Avery等人具體的肺炎球菌的轉化實驗過程 5 2DNA分子中貯存著遺傳信息 a 將光滑型肺炎雙球菌注入小鼠體內 使小鼠致死 b 將粗糙型肺炎雙球菌注入小鼠體內 對小鼠無害 c 將光滑型肺炎雙球菌加熱殺死后 再注入小鼠體內 對小鼠無害 d 將加熱殺死的光滑型肺炎雙球菌與粗糙型肺炎雙球菌一起注入小鼠體內 小鼠死掉 e 從加熱殺死的光滑型肺炎雙球菌中提取DNA 并盡可能將混在DNA中的蛋白質除去 然后將DNA與粗糙型肺炎雙球菌混合后 再注入小鼠體內 小鼠死掉 B 噬菌體感染實驗用32P標記噬菌體DNA 使標記的噬菌體感染大腸桿菌 經短期保溫后 噬菌體就附著在細菌上 然后用攪拌器 10000轉 分 攪拌幾分鐘 使噬菌體與大腸桿菌分開 再用高速離心機使細菌沉淀 分析沉淀和上清中的放射性 用35S標記噬菌體的蛋白質外殼 進行同樣的驗證實驗 結果大多數噬菌體的DNA存在于細菌中 而外殼留在上清中 但是被感染的細菌內部出現了奇跡 隨著被感染的細菌的培養(yǎng) 有的細菌破裂 釋放出很多噬菌體來 這說明用于復制的遺傳信息是通過病毒DNA 而不是通過病毒蛋白質導入細菌內的 32P標記噬菌體DNA 35S標記噬菌體外殼 Chargaff觀察到來自不同種屬的DNA的4種堿基組成不同 例如來自人 豬 羊 牛 細菌和酵母菌的DNA的堿基的數量和相對比例很不相同 即DNA的堿基組成具有種屬的特異性 但來自同一種屬不同組織的DNA樣品具有相同的堿基組成 即堿基組成沒有組織和器官的特異性 對于一個給定種屬的DNA堿基組成不會隨有機體的年齡 營養(yǎng)狀態(tài)和環(huán)境變化而改變 Chargaff得出的一個最重要的堿基定量關系是不管種屬如何不同 但在所有的DNA中 腺嘌呤殘基摩爾數等于胸腺嘧啶殘基摩爾數 即 A T 而鳥嘌呤殘基摩爾數等于胞嘧啶殘基摩爾數 即 G C 表5 2 從這些關系中可以得出 嘌呤殘基的總摩爾數等于嘧啶殘基的總摩爾數 即A G T C 5 3DNA的堿基組成是有規(guī)律的 DNA中堿基組成的這些定量關系 也稱為Chargaff法則 后來又被其他的研究者證實 堿基之間的這些定量關系對于建立DNA的三維結構以及遺傳信息是如何編碼在DNA中一代一代傳下去是一個關鍵 5 2不同來源的DNA的堿基組成 摩爾百分比 和堿基比例 肺炎球菌的轉化實驗以及噬菌體感染實驗使科學家們相信DNA是遺傳物質 但遺傳信息是如何貯存在DNA分子中的呢 當時擺在研究者面前的問題就是建立一個DNA分子的三維模型 該模型要能夠解釋Chargaff法則 以及遺傳規(guī)律等問題 提出DNA雙螺旋模型的是年僅25歲的沃森和35歲的克里克 但不要忘記富蘭克林以及查格夫等人的貢獻 正是由于富蘭克林拍攝的DNAX 射線衍射圖成就了沃森和克里克 1962年沃森 克里克和威爾森三人獲得了諾貝爾醫(yī)學和生理學獎 5 4DNA二級結構是一個雙螺旋結構 DNA半保留復制 親本DNA 復制的子鏈 1951年Franklin和Wilkins利用X 射線衍射方法分析了DNA的晶體 得到了DNAX 射線衍射圖 從衍射圖推測出DNA的結構是一個螺旋結構 螺旋沿著螺旋的長軸有兩個周期性 第一個周期出現在0 34nm 第二個周期出現在3 4nm 這對于確定DNA的結構是至關重要的線索 DNA晶體X 射線衍射圖 二 DNA的二級結構 1 定義 DNA的二級結構指DNA的雙螺旋結構 1953年 J Watson和F Crick在前人研究工作的基礎上 根據DNA纖維和DNA結晶的X 衍射圖譜分析及DNA堿基組成的定量分析以及DNA中堿基的物化數據測定 提出了著名的DNA雙螺旋結構模型 并對模型的生物學意義作出了科學的解釋和預測 2 DNA雙螺旋結構的特點 二 DNA的二級結構 1 DNA分子由兩條多聚脫氧核糖核苷酸鏈 簡稱DNA單鏈 組成 兩條鏈沿著同一根軸平行盤繞 形成右手雙螺旋結構 螺旋中的兩條鏈方向相反 即其中一條鏈的方向為5 3 而另一條鏈的方向為3 5 螺旋結構上有大溝和小溝 注 在這些溝內 堿基對的邊緣是暴露給溶劑的 所以能夠與特定的堿基對相互作用的分子可以通過這些溝去識別堿基對 而不必將螺旋破壞 這對于可以與DNA結合并 讀出 特殊序列的蛋白質是特別重要的 2 嘌呤堿和嘧啶堿基位于螺旋的內側 磷酸和脫氧核糖基位于螺旋外側 彼此以3 5 磷酸二酯鍵連接 形成DNA分子的骨架 堿基環(huán)平面與螺旋軸垂直 糖基環(huán)平面與堿基環(huán)平面成90 角 2 DNA雙螺旋結構的要點 3 螺旋橫截面的直徑約為2nm 每條鏈相鄰兩個堿基平面之間的距離為0 34nm 相鄰核苷酸的夾角為36 沿螺旋的長軸每一轉含有10個堿基對 其螺距為3 4nm 即螺旋旋轉一圈 高度為3 4nm 2 DNA雙螺旋結構的要點 2 DNA雙螺旋結構的要點 4 雙螺旋內部的堿基按規(guī)則配對 堿基的相互結合具有嚴格的配對規(guī)律 即腺嘌呤 A 與胸腺嘧啶 T 結合 鳥嘌呤 G 與胞嘧啶 C 結合 這種配對關系 稱為堿基互補 A和T之間形成兩個氫鍵 G與C之間形成三個氫鍵 雙螺旋的兩條鏈是互補關系 直徑2 0nm 螺距3 4nm 含10個堿基對 大溝2 2nm 小溝1 2nm 3 DNA雙螺旋結構提出的生物學意義 第一次闡述了遺傳信息的儲存方式及DNA復制的機理 以準確的語言回答了DNA是如何成為遺傳物質的 大大推動了分子生物學和分子遺傳學的發(fā)展 被譽為20世紀最偉大的發(fā)現之一 4 DNA雙螺旋的穩(wěn)定因素 DNA雙螺旋結構在生理條件下是很穩(wěn)定的 維持這種穩(wěn)定性的主要因素包括 兩條DNA鏈之間堿基配對形成的氫鍵和堿基堆積力 另外 存在于DNA分子中的一些弱鍵在維持雙螺旋結構的穩(wěn)定性上也起一定的作用 即磷酸基團上的負電荷與介質中的陽離子間形成的離子鍵及范德華力 改變介質條件和環(huán)境溫度 將影響雙螺旋的穩(wěn)定性 G和C之間形成三個氫鍵 A和T之間形成二個氫鍵 雙螺旋結構模型提供了DNA復制的機理 解釋了遺傳物質自我復制的機制 模型是兩條鏈 而且堿基互補 復制之前 氫鍵斷裂 兩條鏈彼此分開 每條鏈都作為一個模板復制出一條新的互補鏈 這樣就得到了兩對鏈 解決了一個基本的生物學問題 遺傳復制中樣板的分子基礎 親本鏈 子鏈 子鏈 在Watson和Crick的DNA雙螺旋模型公布之后 通過對合成的已知序列的寡核苷酸的X 射線晶體衍射圖的研究發(fā)現 存在著B型 A型和Z型DNA B DNA和A DNA都是右手雙螺旋結構 而Z DNA是左手雙螺旋結構 B DNA A DNA和Z DNA雙螺旋結構特點 5 5DNA雙螺旋存在幾種不同類型的構象 ts DNA 三股螺旋 在分子內或分子間形成 分子內形成時需要低pH下胞嘧啶質子化 故稱H DNA Hoogsteen配對 Py Pu Py Py Pu Pu和Py Pu rPy H DNA存在于基因調控區(qū)和其他重要區(qū)域 故顯示出具有重要的生物學意義 一 定義 DNA的三級結構指DNA分子 雙螺旋 通過扭曲和折疊所形成的特定構象 包括不同二級結構單元間 單鏈與二級結構單元間的相互作用以及DNA的拓撲特征 超螺旋是DNA三級結構的一種類型 超螺旋即DNA雙螺旋的螺旋 5 6雙螺旋DNA可形成超螺旋 DNA的三級結構 用兩手分別捏住線性DNA分子的兩端 捻動其中的一端或兩端同時向相反的方向捻動 當向右捻動時 即沿右手螺旋方向捻動 等于緊旋 所謂的 上勁 處于這樣狀態(tài)的DNA分子相對于它的松弛狀態(tài)是一種超過原有旋轉狀態(tài)的狀態(tài) 所以稱為過旋 當將處于松弛狀態(tài) B構型 的雙螺旋向左捻動時 即沿右手螺旋相反方向捻動 等于解旋 所謂的 卸勁 處于這樣狀態(tài)的DNA分子相對于它的松弛狀態(tài)是一種沒有達到原有旋轉狀態(tài)的狀態(tài) 所以稱之欠旋 當將線性過旋或欠旋的雙螺旋DNA連接形成一個環(huán)時 都會自動形成額外的超螺旋來抵消過旋或欠旋造成的應力 目的是維持B構象 過旋DNA會自動形成額外左手螺旋 而欠旋形成額外右手螺旋 稱為負超螺旋 向左捻 向右捻 松弛型 正超螺旋 負超螺旋 二 環(huán)狀DNA的拓撲學特征 1 鏈環(huán)數 linkingnumber 鏈環(huán)數指在雙螺旋DNA中 一條鏈以右手螺旋繞另一條鏈纏繞的次數 以L表示 扭轉數是指DNA分子中Watson Crick的螺旋數 以T表示 2 扭轉數 纏繞數 twistingnumber 3 超螺旋數 writhingnumber 以W表示 所以 L T W 請看下面的例子 DNA分子具有相同的結構 但L值不同 所以稱它們?yōu)橥負洚悩嬻w 拓撲異構酶能夠催化它們之間的轉換 DNA負超螺旋易于解鏈 在DNA復制 重組和轉錄等過程中都需要兩條鏈解開 所以負超螺旋利于這些功能的實施 解鏈環(huán)形L 23T 23W 0 松弛形L 25T 25W 0 負超螺旋L 23T 25W 2 4 比連環(huán)差 比連環(huán)差以 表示 用它表示DNA的超螺旋程度 L L0 L0L0表示松弛環(huán)形DNA的L值 如在上述超螺旋中 L 23 L0 25所以 0 08 可以視為DNA的超螺旋密度 天然DNA的超螺旋密度一般在 0 03到 0 09 負號表示超螺旋周為左手螺旋 5 7DNA與蛋白質復合物的結構 生物體內的核酸通常與蛋白質結合形成復合物 以核蛋白的形式存在 DNA分子十分巨大 將它組裝在有限的空間內 需要高度組織 用壓縮比來表示 即 DNA分子長度與組裝后特定結構長度之比稱為壓縮比 1 病毒 病毒顆粒主要由蛋白質和核酸 脂質 糖類 組成 動物病毒主要為DNA病毒 植物病毒主要為RNA病毒 核酸是遺傳物質 而蛋白質與病毒宿主的專一性有關 同時可以保護核酸免受損傷 2 細菌的擬核細菌基因組為雙鏈環(huán)狀DNA 與堿性蛋白和少量RNA結合 形成突環(huán)結構 其DNA分子的長度大約是其菌體長度的1000倍 所以細菌DNA在細胞內緊密纏繞形成致密的小體 稱為擬核 nucleoid 染色質的主要蛋白質成分通稱為組蛋白 大多數真核細胞中都含有H1 H2A H2B H3和H45種組蛋白 當染色質用低離子強度的溶液處理時 染色質去折疊后電子顯微鏡照片象是一條線上穿了許多 珠 子一樣 珠子 是DNA 組蛋白的復合體 稱為核小體 而 線 是雙螺旋DNA 每個核小體是由各2分子的H2A H2B H3和H4的八聚體和大約200個DNA堿基對組成 DNA大約纏繞1 75圈 有146個DNA的堿基對處于與組蛋白復合體緊密結合的狀態(tài) 形成一個核小體核心顆粒 核心顆粒之間的 線 稱之連接DNA 大約有54個堿基對長 第5個組蛋白H1既與連接DNA結合 又和核小體核心顆粒結合 真核生物的染色體 真核細胞核內DNA被包裝形成染色質 H2A H2B H3和H4形成八聚體 組蛋白和DNA形成核小體 真核生物的染色質絲 組蛋白八聚體 H2AH2BH3H4各2個分子 從DNA到染色質絲 DNA壓縮了近100倍 若從DNA到最后凝縮成染色體 DNA壓縮了近萬倍 螺旋管 與伸展開的B DNA長度相比 DNA包裝成核小體后 長度被壓縮了10倍 串珠狀的核小體核心顆粒本身可以卷曲成一個螺旋管狀 產生一種稱之30nm纖維結構 纖維結構可以形成大的環(huán) 在一個大的染色體上大約存在著多達2000個環(huán) 環(huán)可以附著在RNA 蛋白質的支架 Scaffold 上 象是被固定一樣 可以形成超螺旋 超螺旋還可形成附加的額外的超螺旋 使得DNA一步一步地被壓縮 見P495圖13 17真核生物染色體DNA組裝不同層次的結構 DNA雙鏈以左手螺旋纏繞在組蛋白形成的八聚體核心上即核小體念珠狀結構核小體鏈進一步盤繞 折疊形成染色質絲組成突環(huán)玫瑰花結螺線圈由螺線圈組裝成染色單體 真核生物的染色體的組裝過程 染色體的結構組裝過程 核小體 nucleosome 由146bpDNA圍繞8個組蛋白分子 H2A H2B H3 H4個2個 繞1 圈 H1結合在連接區(qū) 每個核小體大致包含200bpDNA 總結 染色體的結構組裝過程 由6個核小體念珠繞成30nm纖維 fiber 總結 染色體的結構組裝過程 再扭曲成突環(huán) loop 約75000bp 總結 染色體的結構組裝過程 形成 玫瑰 花結 rosette 每1花結包括6個突環(huán) 在此基礎上 由30個花結繞成螺管 coil 最后形成染色單體 chromatid 染色體 總結 顯微鏡下辨聰愚 婦產醫(yī)院遺傳室見聞 在放大1000倍的顯微鏡頭下 染色體是一團淡紫色的亂 線頭 長不過1厘米 短的沒有芝麻大 醫(yī)務人員將 線頭 一根一根地 擇 出來 從第1號到第23號 一對一對地配整齊 然后檢查染色體有無異常 別小看這些亂 線頭 似的染色體 不要說少一根 就是有一根短點 長點 或呆錯了地方都有可能出現意想不倒的結果 例如產下先天癡呆或無眼 無耳 無肛門等各種各樣的先天畸形的傻孩子 怪孩子 所以孕婦一般都要進行產前檢查 如果發(fā)現染色體異常 就建議孕婦終止妊娠 1 核糖體核糖核酸 rRNA rRNA是核糖體的組成成分 核糖體是細胞內蛋白質和RNA的復合體 是蛋白質合成的場所 rRNA是細胞內最豐富的一類RNA 大約占細胞總RNA的80 核糖體含有大約60 RNA 40 蛋白質 整個核糖體是由一大一小兩個亞基組成的 大腸桿菌核糖體 70S 高等動物核糖體 80S 30S亞基50S亞基40S亞基60S亞基16SRNA23SRNA18SRNA28SRNA21種蛋白質5SRNA30種蛋白質5 8SRNA34種蛋白質5SRNA40種蛋白質 5 8細胞中含有幾種類型的RNA 2 信使核糖核酸 mRNA mRNA編碼蛋白質中的氨基酸序列 mRNA是作為一個 信使 它載有來自DNA的信息 然后進入蛋白質合成場所 核糖體 作為蛋白質合成的模板指導蛋白質的合成 mRNA約占細胞總RNA的3 一般來說 mRNA是細胞內最不穩(wěn)定的一類RNA 3 轉移核糖核酸 tRNA tRNA的主要功能是在蛋白質生物合成的過程中 起著轉運氨基酸的作用 tRNA載有激活的氨基酸 并運到核糖體 將氨基酸摻入到生長著的肽鏈中 tRNA約占細胞總RNA的15 一般是由73個 95個核苷酸組成 其中含有許多修飾的堿基 4 小分子核糖核酸 snRNA 這一類小分子RNA存在于所有的細胞中 其中的一些RNA具有催化活性 或是與蛋白質一同起著催化作用 說明這些RNA具有酶的功能 許多小分子RNA都參與RNA合成后的修飾 加工過程 T Cech和S Altman從四膜蟲中提取了一種RNA 它具有切割并重新組合自身主結構的功能 他們二人獲得1989年諾貝爾化學獎 根據RNA的一些理化性質和x 射線分析 大多數天然的RNA分子是以一條單鏈形式存在的 但有些單鏈多核苷酸可以自身發(fā)生回折 在互補的堿基對之間形成雙螺旋區(qū) 堿基配對規(guī)則是A U G C 這樣的結構稱為發(fā)卡式 或莖 環(huán)結構 RNA的雙螺旋區(qū)的結構類似于A DNA的結構 CCUAUG CC CU AA UGA5 ACUCUCACUA 3 5 9某些RNA具有穩(wěn)定的二級結構 tRNA的高級結構 1 tRNA的二級結構tRNA的二級結構大都呈 三葉草 形狀 在結構上具有某些共同之處 一般可將其分為四臂四環(huán) 包括氨基酸接受臂 反密碼 環(huán) 臂 二氫尿嘧啶 環(huán) 臂 T C 環(huán) 臂和可變環(huán) 除了氨基酸接受區(qū)外 其余每個區(qū)均含有一個突環(huán)和一個臂 1 氨基酸接受區(qū)包含有tRNA的3 末端和5 末端 3 末端的最后3個核苷酸殘基都是CCA A為腺苷酸 氨基酸可與其成酯 該區(qū)在蛋白質合成中起攜帶氨基酸的作用 2 反密碼區(qū)與氨基酸接受區(qū)相對 一般環(huán)中含有7個核苷酸殘基 臂中含有5對堿基 其中環(huán)中正中的3個核苷酸殘基稱為反密碼子 3 二氫尿嘧啶區(qū)該區(qū)含有二氫尿嘧啶 環(huán)由8 12個核苷酸組成 臂由3 4對堿基組成 4 T C區(qū)該區(qū)與二氫尿嘧啶區(qū)相對 假尿嘧啶核苷 胸腺嘧啶核糖核苷環(huán) T C 由7個核苷酸組成 通過由5對堿基組成的雙螺旋區(qū) T C臂 與tRNA的其余部分相連 除個別例外 幾乎所有tBNA在此環(huán)中都含有T C 5 可變區(qū)位于反密碼區(qū)與T C區(qū)之間 不同的tRNA該區(qū)變化較大 一般有3 18個核苷酸組成 假尿苷 胸腺嘧啶核糖核苷 稀有核苷 tRNA 2 tRNA的三級結構 在三葉草型二級結構的基礎上 突環(huán)上未配對的堿基由于整個分子的扭曲而配成對 目前已知的tRNA的三級結構均為倒L形 一個DNA雙螺旋可以徹底地解鏈 分離成兩條互補的單鏈 這一現象稱為DNA變性 變性只發(fā)生在體外 慢慢地升高DNA溶液的溫度 隨著溫度的升高 堿基對之間的氫鍵被破壞 越來越多的堿基對被拆開 當DNA的溶液被加熱到一定溫度以上時 雙鏈DNA結構被破壞 最后雙鏈完全分開 形成兩個單鏈 變性分開的兩條單鏈可以重新形成雙螺旋DNA 這是變性的可逆過程 稱為復性 5 10在體外雙鏈DNA和RNA可以變性和復性 核酸復性時 紫外吸收降低 由于核酸復性而引起紫外吸收降低的現象 稱為減色效應 由于核酸變性而引起紫外吸收增加的現象 稱之增色效應 在260nm波長的單鏈DNA的吸收要比雙鏈DNA的吸收高12 40 這是因為雙鏈DNA中堆積的堿基對之間相互作用降低了吸收 由于核酸變性而引起紫外吸收增加的現象 稱之增色效應 吸收值變化對DNA溶液溫度的曲線稱之DNA融解曲線 由雙螺旋到變性狀態(tài)之間的陡變區(qū)反映了雙螺旋DNA中堆積的 形成氫鍵的堿基對的破壞程度 陡變區(qū)中點對應的溫度稱為熔點 Tm 在熔點處 有一半的雙鏈DNA變成了單鏈DNA 有機溶劑 如乙醇可以降低DNA的Tm 因為有機溶劑可以降低分子內部的疏水相互作用強度 一些離液劑 如尿素 鹽酸胍和甲酰胺也可以降低雙螺旋DNA的穩(wěn)定性 測定可以根據下面公式計算出DNA的堿基組成 G C Tm 69 3 2 44 核酸中堿基組成對熔點溫度的影響 各種細菌的DNA熔點溫度 Tm 與其G C堿基對的關系 酵母 將從人和小鼠細胞分離出的雙螺旋DNA分別通過加熱使它們完全變性 然后混合在一起 于65 下保持數小時 小鼠DNA鏈與對應的互補的小鼠DNA鏈重新形成小鼠雙鏈DNA 同樣人DNA鏈也與互補的人DNA鏈退火 重新形成人的雙鏈DNA 然而在退火時 一些小鼠DNA鏈卻與人DNA鏈結合在一起形成了雜化的雙螺旋DNA 這表明不同生物在進化上有某些聯系 在多數情況下 這些能形成雜化體的DNA編碼的蛋白質或RNA可能具有相似的序列 同源性 生物之間的進化關系越接近 它們的DNA之間的雜化就越廣泛 除了DNA之間可以形成雜化體之外 DNA與RNA之間只要是存在著互補堿基對也能形成雜化的雙螺旋DNA RNA 8 11不同來源的核酸可以形成雜化體 完全變性的樣品1DNA 完全變性的樣品2DNA 樣品1雙螺旋 樣品2雙螺旋 雜化雙螺旋 混合并冷卻 催化核酸中磷酸二酯鍵的水解的酶統稱為核酸酶 核糖核酸酶只作用于RNA 而脫氧核糖核酸酶只作用于DNA 但有些核酸酶既催化RNA水解 也催化DNA水解 象蛋白酶一樣 核酸酶可以根據酶作用的部位不同分為外切核酸酶和內切核酸酶 外切核酸酶水解磷酸二酯鍵后從多核苷酸鏈的末端釋放核苷酸殘基 而內切酶可以在多核苷酸鏈內的不同位置水解磷酸二酯鍵 水解時 既可以在3 5 磷酸二酯鍵的3 酯鍵處 A 也可以在5 酯鍵處 B 切斷磷酸二酯鍵 一種類型的水解可以產生5 單磷酸和一個3 羥基 而另一種水解方式可以產生3 單磷酸和5 羥基 書中列出了一些常用的來自不同生物的核酸酶以及它們作用的底物和生成的產物 5 12核酸酶催化核酸的磷酸二酯鍵水解 核酸酶酶切位點 限制性內切酶是一類重要的作用于DNA的內切酶 限制性內切酶術語來自一種現象 即某些細菌可以通過特異地破壞侵入的病毒DNA來阻止嗜菌體的感染 這樣的細菌稱之限制性宿主 因為它們可以限制外源DNA的表達 限制性宿主可以合成核酸酶 該酶可在特殊的序列區(qū)降解外源DNA 但宿主細胞本身的DNA并不受該核酸酶的作用 這是因為宿主DNA可被內切酶識別的特殊部位的某些堿基已經被甲基化了 內切酶不能催化已修飾底物的水解 所以任何進入宿主細胞的 在酶識別的特殊部位沒有甲基化的DNA都會受到限制性內切酶的切割 5 13限制性內切酶在特殊部位催化雙螺旋DNA水解 限制性內切酶識別特殊的DNA序列 酶切位點 酶切位點 對稱軸 平末端 粘性末端 要點歸納 1 核酸是由構件分子核苷酸組成的線性聚合物 分為脫氧核糖核酸 DNA 和核糖核酸 RNA 每一個核苷酸都是由一個戊糖 對于DNA是2 脫氧核糖 對于RNA是核糖 通過 N 糖苷鍵與一個雜環(huán)堿基 嘌呤或嘧啶 連接組成的 糖的5 C位通過酯鍵連接一個磷酸基團 2 每一個核苷酸的磷酸基團通過與相鄰的另一個核苷酸的3 羥基形成的酯鍵將各個核苷酸連接起來形成聚核苷酸和核酸 由于一個磷酸分別在兩個核苷酸的3 和5 位都形成了酯鍵 所以連接兩個核苷酸的含有兩個酯鍵的橋梁稱之為磷酸二酯鍵 核酸酶可以在3 或5 位水解二酯鍵 3 嘌呤堿基腺嘌呤和鳥嘌呤既出現在DNA中 也出現在RNA中 出現在DNA中的嘧啶堿基是胞嘧啶和胸腺嘧啶 而出現在RNA中的主要是胞嘧啶和尿嘧啶 但RNA中還存在少量的稀有堿基 如假尿嘧啶 二氫尿嘧啶等 4 核苷酸是核苷的磷酸酯 去掉磷酸基團后剩下的部分稱之為核苷 如果核苷5 端磷酸化 根據連接的磷酸基團的數目可以形成核苷一磷酸 通常說的核苷酸 如AMP GMP等 核苷二磷酸 如ADP GDP等 或核苷三磷酸 如ATP GTP等 5 在核苷5 端磷酸化形成一