生化復(fù)習(xí)-核酸的化學(xué)-2013

第十章核酸（nucleicacid）的化學(xué)第一節(jié)DNA的結(jié)構(gòu)第二節(jié)RNA的結(jié)構(gòu)與種類(lèi)第三節(jié)核酸的生物學(xué)功能第四節(jié)核酸的理化性質(zhì)概念和種類(lèi)概念：核酸是由核苷酸通過(guò)3ˊ,5ˊ-磷酸二酯鍵聚合而成的生物大分子。種類(lèi)：脫氧核糖核酸（deoxyribonucleicacid，DNA）和核糖核酸（ribonucleicacid，RNA）兩大類(lèi)。第一節(jié)DNA的結(jié)構(gòu)

一、DNA的一級(jí)結(jié)構(gòu)二、DNA的二級(jí)結(jié)構(gòu)三、DNA的三級(jí)結(jié)構(gòu)四、DNA的四級(jí)結(jié)構(gòu)五、基因與基因組

一、DNA的一級(jí)結(jié)構(gòu)DNA的一級(jí)結(jié)構(gòu)是指DNA分子的核苷酸組成和連接順序。（一）連接方式

3′，5′－磷酸二脂鍵（二）方向性及表示方式

1.方向性

5′-P；3′-OH

通常按5′－3′方向?qū)?/p>

2.表示方式

線條式：文字式：

5′-pApCpGpCpTpGpTpA-3′

或5′-(P)ACGCTGTA-3′二、DNA的二級(jí)結(jié)構(gòu)（SecondarystrucureDNA的二級(jí)結(jié)構(gòu):兩條脫氧多核苷酸鏈反向平行盤(pán)繞所形成的雙螺旋結(jié)構(gòu).

（一）

DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型的提出

1953年，J.Watson和F.Crick提出

1962年諾貝爾生理醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)

根據(jù)DNA纖維的X-射線衍射數(shù)據(jù)和Chargaff法則

FrancisCrick（1916–2004）and

JamesD.Watson（1928-）

Molecularbiology'sclassicalperiodbeganin1953,withJamesWatsonandFrancisCrick'sdiscoveryofthedoublehelicalstructureofDNA.FrancisCrick,aphysicistenticedbySchroedinger‘s

WhatisLife?toturntobiology,becametrainedin,andcontributedtothetheoryof,x-raycrystallography.Herevealedthegeneticcode.Heiswidelyknownforuseoftheterm“centraldogma”tosummarizeanideathatgeneticinformationflow。Watson,astudentofLuriaandthephagegroup,recognizedtheneedtoutilizecrystallography(晶體照像術(shù)）toelucidatethestructureofDNA。TheybenefitedfromunpublisheddatafromMauriceWilkinsandRosalind（羅莎琳德）FranklinatKing'sCollegewhichshowedevidenceforahelixandplanarbasestackingalongthehelixaxis.（二）B型DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型要點(diǎn)兩條鏈反向平行，圍繞同一中心軸構(gòu)成右手雙螺旋(doublehelix)。

2.螺旋表面有大溝（majorgroove）和一個(gè)小溝（minorgroove)。3.每圈螺旋含10個(gè)堿基對(duì)

(bp)，螺旋直徑2nm，螺距為3.4nm。4、磷酸-脫氧核糖骨架位于螺旋外側(cè)；堿基平面伸入內(nèi)側(cè)，與縱軸垂直；糖環(huán)平面與縱軸平行5.兩條單鏈通過(guò)堿基間的氫鍵相連，A與T配對(duì)，形成兩個(gè)氫鍵，C對(duì)G配對(duì)，形成三個(gè)氫鍵（堿基互補(bǔ)規(guī)則）。6.影響雙螺旋穩(wěn)定的作用力：堿基堆積力、氫鍵、疏水相互作用和靜電排斥力

。

堿基堆積力(base-stackinginteractions)：在DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)中，相鄰疏水性堿基在旋進(jìn)中彼此堆積在一起相互吸引形成的作用力。堿基互補(bǔ)配對(duì)TAGC（三）DNA堿基組成的Chargaff法則1.DNA的堿基組成具有種屬特異性；2.DNA的堿基組成無(wú)組織和器官特異性,組成穩(wěn)定；3.一種生物DNA的堿基組成不受年齡、環(huán)境和營(yíng)養(yǎng)等的影響；4.堿基配對(duì)遵循當(dāng)量規(guī)律：所有雙鏈DNA分子中，A＝T，G＝C（摩爾數(shù)相等），A＋G＝T＋C。ThispictureshowsROSALINDFRANKLINandherXRAYpictureofDNA

三、DNA的其他構(gòu)象

目前已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的有A型和Z型雙螺旋等

1.A型雙螺旋右手雙螺旋每圈有11個(gè)堿基對(duì)，螺距2.6nm脫水作用時(shí)更傾向于A型RNA-RNA，RNA-DNA易形成A型

2.Z-DNARich等研究dCGCGCG六聚體時(shí)發(fā)現(xiàn);六聚體的磷酸基在多核苷酸骨架上呈Z字型分布;左手螺旋，每圈12個(gè)堿基對(duì)，螺距3.7nm;在C和G（尤其是5-甲基-C和G）交替出現(xiàn)的序列中容易出現(xiàn)（可能和基因表達(dá)的調(diào)節(jié)有關(guān)）。在生理狀態(tài)下存在，只發(fā)現(xiàn)于修飾的嘌呤和嘧啶堿基序列中。36堿基對(duì)時(shí)，各螺旋的長(zhǎng)度三螺旋（triplexDNAs）和四螺旋（tetraplex）四、DNA的三級(jí)結(jié)構(gòu)（超螺旋）

DNA的三級(jí)結(jié)構(gòu)：DNA螺旋雙鏈進(jìn)一步扭曲盤(pán)旋形成的超螺旋結(jié)構(gòu)(Supercoil)。（一）容易形成超螺旋的DNA分子

1.雙鏈環(huán)狀DNA分子雙鏈環(huán)狀分子：細(xì)菌DNA、某些病毒DNA、某些噬菌體DNA、質(zhì)粒DNA線粒體DNA（animal<20kb；plant-200kbto2,500kb）葉綠體DNA（120kbto160kb）2.線性DNA大分子局部解鏈時(shí)在DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，共價(jià)閉合環(huán)進(jìn)一步扭曲，形成超螺旋結(jié)構(gòu)（二）類(lèi)型負(fù)超螺旋－－超螺旋盤(pán)旋方向與DNA雙螺旋方向相反正超螺旋－－超螺旋盤(pán)旋方向與DNA雙螺旋方向相同五、染色質(zhì)染色質(zhì)（chromosome）：真核細(xì)胞核內(nèi)，DNA分子被蛋白質(zhì)包裝形成的高度壓縮結(jié)構(gòu)。是真核生物DNA的高級(jí)結(jié)構(gòu)在細(xì)胞周期不同時(shí)期形態(tài)及壓縮程度不同。

1.染色質(zhì)的基本包裝單位1)核小體DNA-組蛋白的復(fù)合體，也叫10nm纖維，為念珠狀結(jié)構(gòu)。低離子強(qiáng)度（5mM

）的溶液處理染色質(zhì)后，電子顯微鏡下觀察。

長(zhǎng)度壓縮為原來(lái)的1/7-102)核小體的組成(1)核心顆粒：由8聚體蛋白質(zhì)復(fù)合體（H2A、H2B、H3和H4各2個(gè)）與纏繞在蛋白質(zhì)8聚體上的146bpDNA構(gòu)成。(2)連接DNA：約54bp(3)1分子H1

3)染色質(zhì)的主要蛋白質(zhì)成分為組蛋白（histone）5種：H1、H2A、H2B、H3和H4堿性蛋白（正電荷）：含大量的賴氨酸和精氨酸殘基。

2、30nm纖維

10nm纖維卷曲形成的螺線圈

1/40

3.30nm纖維進(jìn)一步壓縮成染色質(zhì)

1/10004.分裂期：1/8000-10000

高度壓縮：染色體約1m的DNA分子容納于幾微米的細(xì)胞核中線圈蓮座放射環(huán)四、基因與基因組1．基因（gene）:編碼某一多肽鏈或RNA所必需的全部核苷酸序列。AgeneisalltheDNAthatencodestheprimarysequenceofsomefinalgeneproduct.Codingsegments+purelyregulatorysequences蛋白質(zhì)基因和RNA基因2．基因組（genome）:一個(gè)生物所攜帶的遺傳信息總和。病毒：一個(gè)核酸分子原核生物：一條染色體多細(xì)胞真核生物:單倍體細(xì)胞內(nèi)的全部DNA分子核基因組（單倍體細(xì)胞核內(nèi)的全部DNA分子）線粒體基因組（線粒體內(nèi)的單個(gè)DNA分子）葉綠體基因組（葉綠體內(nèi)的單個(gè)DNA分子）3、人的基因組1）單倍體細(xì)胞的常染色體+X+Y+線粒體基因組

3.2×109

bp（basepair）

人線粒體DNA分子：16．5kb左右2）基因序列占整個(gè)基因組不到10%，蛋白gene－2%。

4.生物進(jìn)化的復(fù)雜程度與基因組大小的關(guān)系最小的病毒:約5000bp大腸桿菌：4.6×106bp人：3×109

bp

兩棲類(lèi)：1010

南美肺魚(yú)：1011bpC值反?，F(xiàn)象（Cvalueparadox），指C值往往與種系的進(jìn)化復(fù)雜性不一致的現(xiàn)象。也稱為C值謬誤。

C值：指一種生物單倍體基因組DNA的總量。第二節(jié)RNA的種類(lèi)和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

一、RNA的種類(lèi)核糖體RNA（rRNA）信使RNA（mRNA）轉(zhuǎn)運(yùn)RNA（tRNA）小分子RNA

一級(jí)結(jié)構(gòu)：?jiǎn)捂湻肿佣?jí)結(jié)構(gòu)：多單鏈，局部形成雙螺旋結(jié)構(gòu)（發(fā)卡或莖環(huán)）三級(jí)結(jié)構(gòu)：二級(jí)結(jié)構(gòu)進(jìn)一步折疊形成四級(jí)結(jié)構(gòu)：RNA與蛋白質(zhì)相結(jié)合

二、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)發(fā)卡莖環(huán)

（一）比例

約占總RNA的15%

細(xì)菌：30-40種動(dòng)物和植物:50-100種（二）功能轉(zhuǎn)運(yùn)氨基酸三、tRNA的功能及結(jié)構(gòu)（三）tRNA的結(jié)構(gòu)

一）tRNA的一級(jí)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)1、共70－95個(gè)核苷酸殘基2、約10%的堿基為修飾堿基雙氫尿嘧啶（DHU）、假尿苷（ψ）、甲基化修飾堿基3、3‘-末端都具有-CCA-OH的結(jié)構(gòu)1.tRNA的二級(jí)

結(jié)構(gòu):

”

三葉草”

四臂五環(huán)二）tRNA的高級(jí)結(jié)構(gòu)(1)氨基酸臂:

3’-末端為—CCA-OH:攜帶氨基酸

(2)反密碼環(huán):7個(gè)堿基組成，正中的3個(gè)核苷酸殘基為反密碼子

反密碼臂2、tRNA的三級(jí)結(jié)構(gòu)倒L型四、mRNA的結(jié)構(gòu)占總ＲＮＡ的１％－５％（一）功能蛋白質(zhì)生物合成（翻譯）的模板（二）mRNA的一級(jí)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)一）原核生物mRNA一級(jí)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)1、多順?lè)醋樱阂粋€(gè)mRNA分子往往含有幾個(gè)功能上相關(guān)蛋白質(zhì)的編碼序列2、分子大小不一：一般0.5-2X106（二）真核生物mRNA結(jié)構(gòu)特點(diǎn)1、單順?lè)醋樱阂粋€(gè)mRNA分子只編碼一條多肽鏈。

5’-UTR---編碼區(qū)(cds）---3’-UTR(非翻譯區(qū)）2、成熟mRNA的特點(diǎn)①5’端有帽子結(jié)構(gòu)：經(jīng)甲基化修飾,以5’,5’-三磷酸相連的GTP(m7G5’ppp5’Np)②3’端有poly（A）尾：20-250個(gè)腺苷酸殘基，少數(shù)沒(méi)有（組蛋白mRNA）

（五）rRNA占總RNA的80%左右與幾十種蛋白質(zhì)一起形成核糖體：蛋白質(zhì)合成的場(chǎng)所原核生物：5S、16S和23SrRNA（120nt

、

1542nt

、2904

nt

）真核生物：5S、5.8S、18S和28SrRNA（120、160、1900和4700nt）（六）小分子RNA細(xì)胞核小分子RNA：核蛋白顆粒的組成成分核仁小分子RNA：參與rRNA前體的加工、核糖體亞基的裝配。胞質(zhì)小分子RNA：種類(lèi)多微RNA：20-24個(gè)核苷酸第三節(jié)核酸的生物學(xué)功能

一、DNA的生物學(xué)功能二、RNA的生物學(xué)功能一、DNA的生物學(xué)功能(一）多數(shù)生物的遺傳物質(zhì)

1871發(fā)現(xiàn)核酸

20世紀(jì)40年代初證明核酸是遺傳物質(zhì)1.肺炎球菌的轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)

1944年，O.T.Avery等人，第一次證明了DNA是遺傳物質(zhì)光滑型肺炎雙球菌

粗糙型肺炎雙球菌

Griffith1928年完成O.T.Avery等完成2.噬菌體感染大腸桿菌實(shí)驗(yàn)A.Hershy和M.Chase1952年發(fā)表1969年獲諾貝爾生理醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)（二）是遺傳信息的載體通過(guò)基因表達(dá)決定蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)和功能二、RNA的生物學(xué)功能1.是一些病毒的遺傳物質(zhì):如流感病毒等2.mRNA：遺傳信息的中間載體3.tRNA：轉(zhuǎn)運(yùn)氨基酸，識(shí)別密碼子4.rRNA：蛋白質(zhì)合成的場(chǎng)所5.某些RNA具有催化作用：核酶(80年代,切赫）6.一些小分子RNA：調(diào)控基因的表達(dá)（如microRNA）“RNA的世界”學(xué)說(shuō)：1.在生命進(jìn)化中先有核酸，后有蛋白質(zhì)2.生命可能始于ＲＮＡ，而非ＤＮＡ

理論依據(jù)：RNA既是信息分子，又是功能分子RNA組：研究細(xì)胞的全部RNA基因、RNA分子的結(jié)構(gòu)與功能。

第四節(jié)核酸的性質(zhì)一、兩性性質(zhì)含磷酸基和氨基等電點(diǎn)為酸性：

DNA4～4.5RNA2～2.5（2′-OH）二、核酸的水解

1.酸或堿水解核酸鏈的磷酸二酯鍵在酸或堿性條件下水解斷裂。DNA與RNA對(duì)酸或堿的耐受程度有很大的差別：

RNA有

2′-OH2.酶解

酶解：在核酸酶（DNase或RNase）催化下的水解核酸外切酶和核酸內(nèi)切酶

5′ACGCTGTA3′DNase:需要二價(jià)陽(yáng)離子激活RNase：不需要二價(jià)陽(yáng)離子激活限制性內(nèi)切酶:由某些細(xì)菌合成的,可以在特殊的序列區(qū)降解外源DNA的核酸內(nèi)切酶。三、DNA的變性和復(fù)性1.變性（denaturation）：在溫度升高、極端pH值、變性