第2章核酸的結(jié)構(gòu)與功能

第2章

核酸的結(jié)構(gòu)與功能StructureandFunctionofNucleicAcid核酸(nucleicacid)

是以核苷酸為基本組成單位的生物大分子，攜帶和傳遞遺傳信息。核酸的分類及分布存在于細(xì)胞核和線粒體

分布于細(xì)胞核、細(xì)胞質(zhì)、線粒體(deoxyribonucleicacid,DNA)(ribonucleicacid,RNA)脫氧核糖核酸核糖核酸攜帶遺傳信息，并通過復(fù)制傳遞給下一代。是DNA轉(zhuǎn)錄的產(chǎn)物，參與遺傳信息的復(fù)制與表達(dá)。某些病毒RNA也可作為遺傳信息的載體第1節(jié)核酸的化學(xué)組成及一級結(jié)構(gòu)TheChemicalComponentandPrimaryStructureofNucleicAcid核酸(DNA和RNA)核苷酸核苷和脫氧核苷磷酸戊糖堿基嘌呤嘧啶核糖脫氧核糖核酸組成分子組成一、核苷酸是構(gòu)成核酸的基本組成單位嘧啶胞嘧啶尿嘧啶胸腺嘧啶嘌呤腺嘌呤鳥嘌呤脫氧核糖核糖1234512345核糖及脫氧核糖…核苷…脫氧核苷核苷(ribonucleoside)堿基種類及名稱：核苷嘌呤9位N/嘧啶1位N與糖1'C形成糖苷鍵1ONNNH21′OHOCH2OHOH核糖

NNNN9NH2OOHOHHHHCH2OHH1'2'糖苷鍵核苷酸(ribonucleotide)ONNNH2OCH2OHOHPOOOHOH結(jié)構(gòu)舉例核苷/脫氧核苷磷酸酯鍵核苷酸的結(jié)構(gòu)：磷酸核苷或脫氧核苷與磷酸通過酯鍵結(jié)合構(gòu)成核苷酸(ribonucleotide)或脫氧核苷酸(deoxyribonucleotide)。核苷酸(ribonucleotide)NNNN9NH2OOHOHHHHCH2H1'2'OPO-HOO糖苷鍵酯鍵多磷酸核苷酸環(huán)化核苷酸：cAMP、cGMP，是細(xì)胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo)中的第二信使。cAMP核苷酸衍生物三磷酸腺苷(ATP)黃素腺嘌呤二核苷酸（FAD）NAD或NAD+：R=HNADP或NADP+：R=-PO2-35′-末端3′-末端CGA磷酸二酯鍵磷酸二酯鍵定義核酸中核苷酸的排列順序。由于核苷酸間的差異主要是堿基不同，所以也稱為堿基序列。5′端3′端CGA二、核酸的一級結(jié)構(gòu)是核苷酸的排列順序AGP5PTPGPCPTPOH3書寫方法：5pApCpTpGpCpT-OH

35

ACTGCT

3核酸分子大小表示法：堿基數(shù)目表示

base、kilobase、用于單鏈DNA或RNA堿基對數(shù)目

basepair(bp),kilobase

pair(kbp)用于雙鏈DNA或RNA小的核酸片斷（小于50bp）稱寡核苷酸第2節(jié)DNA的空間結(jié)構(gòu)與功能DimensionalStructureandFunctionofDNADNA的空間結(jié)構(gòu)又分為二級結(jié)構(gòu)(secondarystructure)和高級結(jié)構(gòu)。DNA的空間結(jié)構(gòu)(spatialstructure)構(gòu)成DNA的所有原子在三維空間具有確定的相對位置關(guān)系。一、DNA的二級結(jié)構(gòu)是雙螺旋結(jié)構(gòu)

Chargaff規(guī)則的堿基組成分析堿基的理化數(shù)據(jù)分析A-T、G-C以氫鍵配對較合理

DNA纖維的X-線衍射圖譜分析

DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的研究背景[A]=[T]

[G]=[C]不同生物種屬的DNA的堿基組成不同同一個體的不同器官或組織的DNA堿基組成相同。[A]=[T]，[G]=[C]Chargaff規(guī)則（一）DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的研究背景獲得了高質(zhì)量的DNA分子的X射線衍射照片。提出了DNA分子雙螺旋結(jié)構(gòu)(doublehelix)模型。兩條多聚核苷酸鏈在空間的走向呈反向平行(anti-parallel)。兩條鏈圍繞著同一個螺旋軸形成右手螺旋(right-handed)的結(jié)構(gòu)。雙螺旋結(jié)構(gòu)的直徑為2.37nm，螺距為3.54nm。（二）DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型要點(diǎn)脫氧核糖和磷酸基團(tuán)組成的親水性骨架位于雙螺旋結(jié)構(gòu)的外側(cè)，疏水的堿基位于內(nèi)側(cè)。雙螺旋結(jié)構(gòu)的表面形成了一個大溝(majorgroove)和一個小溝(minorgroove)。堿基互補(bǔ)配對:鳥嘌呤/胞嘧啶堿基互補(bǔ)配對:腺嘌呤/胸腺嘧啶相鄰兩個堿基對會有重疊，產(chǎn)生了疏水性的堿基堆積力(basestackinginteraction)。堿基堆積力和互補(bǔ)堿基對的氫鍵共同維系著DNA結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。正負(fù)電荷的作用范德華力二、DNA的超螺旋結(jié)構(gòu)及其在染色體中的組裝超螺旋結(jié)構(gòu)(superhelix或supercoil)DNA雙螺旋鏈再盤繞即形成超螺旋結(jié)構(gòu)。正超螺旋(positivesupercoil)盤繞方向與DNA雙螺旋方同相同。負(fù)超螺旋(negativesupercoil)盤繞方向與DNA雙螺旋方向相反。

原核生物DNA多為環(huán)狀，以負(fù)超螺旋的形式存在，平均每200堿基就有一個超螺旋形成。DNA超螺旋結(jié)構(gòu)的電鏡圖象（二）真核生物DNA在核內(nèi)的組裝真核生物DNA以非常有序的形式存在于細(xì)胞核內(nèi)。在細(xì)胞周期的大部分時間里，DNA以松散的染色質(zhì)(chromatin)形式存在，在細(xì)胞分裂期，則形成高度致密的染色體(chromosome)。DNA染色質(zhì)呈現(xiàn)出的串珠樣結(jié)構(gòu)。染色質(zhì)的基本單位是核小體(nucleosome)。DNA染色質(zhì)的電鏡圖像核小體(nucleosome)由DNA和蛋白質(zhì)構(gòu)成是真核生物染色體的基本單位核小體的構(gòu)成核心顆粒連接區(qū)核心組蛋白：組蛋白八聚體H2A、H2B、H3、H4各2分子DNA雙螺旋分子(140bp)在核心組蛋白纏繞1.8圈DNA（60bp）組蛋白H1

連接核心顆粒核小體結(jié)構(gòu)圖核小體的折疊及染色體組裝—2nm11nm30nm300nm1400nm700nm逐級盤曲折疊DNA的基本功能是以基因的形式荷載遺傳信息，并作為基因復(fù)制和轉(zhuǎn)錄的模板。它是生命遺傳的物質(zhì)基礎(chǔ)，也是個體生命活動的信息基礎(chǔ)?；驈慕Y(jié)構(gòu)上定義，是指DNA分子中的特定區(qū)段，其中的核苷酸排列順序決定了基因的功能。三、DNA的功能第3節(jié)

RNA的結(jié)構(gòu)與功能StructureandFunctionofRNARNA與蛋白質(zhì)共同負(fù)責(zé)基因的表達(dá)和表達(dá)過程的調(diào)控。RNA通常以單鏈的形式存在，但有復(fù)雜的局部二級結(jié)構(gòu)或三級結(jié)構(gòu)。RNA比DNA小的多。RNA的種類、大小和結(jié)構(gòu)遠(yuǎn)比DNA表現(xiàn)出多樣性。信使RNA(messengerRNA,mRNA)是合成蛋白質(zhì)的模板。不均一核RNA(hnRNA)含有內(nèi)含子(intron)和外顯子(exon)。

外顯子是氨基酸的編碼序列，而內(nèi)含子是非編碼序列。hnRNA經(jīng)過剪切后成為成熟的mRNA。一、信使RNA的結(jié)構(gòu)與功能hnRNA內(nèi)含子(intron)mRNAmRNA成熟過程

外顯子(exon)從AUG開始，每三個核苷酸為一組編碼了一個氨基酸，稱為三聯(lián)體密碼(codon)。成熟的mRNA由氨基酸編碼區(qū)和非編碼區(qū)構(gòu)成。5-末端的帽子(cap)結(jié)構(gòu)和3-末端的多聚A尾(poly-Atail)結(jié)構(gòu)。成熟的真核生物mRNA帽子結(jié)構(gòu):m7GpppNm1.5'末端都以7-甲基鳥嘌呤-三磷酸核苷為起始結(jié)構(gòu)mRNA的帽結(jié)構(gòu)可以與帽結(jié)合蛋白(capbindingprotein，CBP)結(jié)合。真核生物的mRNA的3-末端轉(zhuǎn)錄后加上一段長短不一的多聚腺苷酸。2.3’末端有多聚腺苷酸尾巴結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)運(yùn)RNA(transferRNA,tRNA)在蛋白質(zhì)合成過程中作為各種氨基酸的載體,將氨基酸轉(zhuǎn)呈給mRNA。由74～95核苷酸組成；占細(xì)胞總RNA的15%；具有很好的穩(wěn)定性。二、轉(zhuǎn)運(yùn)RNA的結(jié)構(gòu)與功能1.tRNA中含有多種稀有堿基tRNA具有局部的莖環(huán)(stem-loop)結(jié)構(gòu)或發(fā)卡(hairpin)結(jié)構(gòu)。2.tRNA二級結(jié)構(gòu)呈三葉草型tRNA的二級結(jié)構(gòu)——三葉草形氨基酸臂DHU環(huán)反密碼環(huán)TψC環(huán)附加叉3.tRNA的三級結(jié)構(gòu)呈倒L型核蛋白體RNA(ribosomalRNA，rRNA)是細(xì)胞內(nèi)含量最多的RNA(>80％)。rRNA與核蛋白體蛋白結(jié)合組成核蛋白體(ribosome)，為蛋白質(zhì)的合成提供場所。三、核糖體RNA的結(jié)構(gòu)與功能核蛋白體的組成原核生物（以大腸桿菌為例）真核生物（以小鼠肝為例）小亞基30S40SrRNA16S1542個核苷酸18S1874個核苷酸蛋白質(zhì)21種占總重量的40%33種占總重量的50%大亞基50S60SrRNA23S5S2940個核苷酸120個核苷酸28S5.85S5S4718個核苷酸160個核苷酸120個核苷酸蛋白質(zhì)31種占總重量的30%49種占總重量的35%18S

rRNA的二級結(jié)構(gòu)核酶某些小RNA分子具有催化特定RNA降解的活性，這種具有催化作用的小RNA亦被稱為核酶(ribozyme)或催化性RNA(catalyticRNA)。核酸的理化性質(zhì)ThePhysicalandChemicalCharactersofNucleicAcid第4節(jié)核酸的酸堿及溶解度性質(zhì)核酸為多元酸，具有較強(qiáng)的酸性。核酸的高分子性質(zhì)粘度：DNA>RNAdsDNA>ssDNADNA是線性高分子，在機(jī)械作用力下容易斷裂一、核酸的一般理化性質(zhì)核酸在波長260nm處有強(qiáng)烈的吸收，是由堿基的共軛雙鍵所決定的。這一特性常用作核酸的定性和定量分析。DNA或RNA的定量A260=1.0相當(dāng)于

50μg/ml雙鏈DNA(dsDNA)40μg/ml單鏈DNA(ssDNAorRNA)20μg/ml寡核苷酸確定樣品中核酸的純度

純

DNA:A260/A280=1.8

純

RNA:A260/A280=2.0紫外吸收的應(yīng)用二、DNA的變性在某些理化因素作用下，DNA雙鏈解開成兩條單鏈的過程。定義DNA變性的本質(zhì)是雙鏈間氫鍵的斷裂。協(xié)同性的DNA解鏈高溫或極端的pHDNA的變性部分變性DNA的電鏡圖像增色效應(yīng)(hyperchromiceffect)：DNA變性時其溶液OD260增高的現(xiàn)象。DNA解鏈時的紫外吸收變化DNA的解鏈曲線連續(xù)加熱DNA的過程中以溫度相對于A260值作圖，所得的曲線稱為解鏈曲線。解鏈過程中，紫外吸光度的變化達(dá)到最大變化值的一半時所對應(yīng)的溫度。解鏈溫度(meltingtemperature，Tm)G+C含量越高，解鏈溫度就越高。解鏈曲線的變化三、DNA的復(fù)性與分子雜交當(dāng)變性條件緩慢地除去后，兩條解離的互補(bǔ)鏈可重新配對，恢復(fù)原來的雙螺旋結(jié)構(gòu)，這一現(xiàn)象稱為DNA復(fù)性(renaturation)

。減色效應(yīng)：DNA復(fù)性時，其溶液OD260降低。熱變性的DNA經(jīng)緩慢冷卻后即可復(fù)性，這一過程稱為退火(annealing)

。不同種類的DNA單鏈分子或RNA分子放在同一溶液中，只要兩種單鏈分子之間存在著一定程度的堿基配對關(guān)系，在適宜的條件可以在不同的分子間形成雜化雙鏈(heteroduplex)。這種雜化雙鏈可以在不同的DNA與DNA之間形成，也可以在DNA和RNA分子間或者RNA與RNA分子間形成。這種現(xiàn)象稱為核酸分子雜交。核酸分子雜交(hybridization)

核酸分子雜交研究DNA分子中某一種基因的位置。監(jiān)定兩種核酸分子間的序列相似性。檢測某些專一序列在待檢