第三章 核酸的結(jié)構(gòu)和功能

第三章

核酸的結(jié)構(gòu)和功能主要內(nèi)容核酸的化學(xué)組成及其一級(jí)結(jié)構(gòu)DNA的空間結(jié)構(gòu)與功能RNA的結(jié)構(gòu)與功能核酸的理化性質(zhì)核酸酶學(xué)習(xí)目標(biāo)掌握：核酸的化學(xué)組成和水解產(chǎn)物；DNA和RNA在組成成分和組成單位上的異同；核苷酸之間的連接方式；核酸的一級(jí)結(jié)構(gòu)。熟悉：核酸的分類(lèi)、分布與功能；DNA的空間結(jié)構(gòu)。了解：體內(nèi)重要的游離核苷酸；RNA的空間結(jié)構(gòu)；核酸的理化性質(zhì)。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。1868年，瑞士青年外科醫(yī)生從膿細(xì)胞核中分離出一堿性蛋白和含磷的有機(jī)酸的混合物，當(dāng)時(shí)稱(chēng)之為核素，后來(lái)被稱(chēng)為核酸。一、核酸的發(fā)現(xiàn)和研究工作進(jìn)展

1868年FridrichMiescher從膿細(xì)胞中提取“核素”

1944年Avery等人證實(shí)DNA是遺傳物質(zhì)1953年Watson和Crick發(fā)現(xiàn)DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)1968年Nirenberg發(fā)現(xiàn)遺傳密碼1975年Temin和Baltimore發(fā)現(xiàn)逆轉(zhuǎn)錄酶1981年Gilbert和Sanger建立DNA測(cè)序方法1985年Mullis發(fā)明PCR技術(shù)1990年美國(guó)啟動(dòng)人類(lèi)基因組計(jì)劃(HGP)

1994年中國(guó)人類(lèi)基因組計(jì)劃啟動(dòng)2001年美、英等國(guó)完成人類(lèi)基因組計(jì)劃基本框架二、核酸的分類(lèi)及分布

存在于細(xì)胞核和線(xiàn)粒體分布于胞核、胞液。(deoxyribonucleicacid,DNA)(ribonucleicacid,RNA)脫氧核糖核酸

核糖核酸攜帶遺傳信息，決定細(xì)胞和個(gè)體的基因型(genotype)。遺傳信息的載體是DNA轉(zhuǎn)錄的產(chǎn)物,傳遞遺傳信息RNA也可作為遺傳信息的載體第一節(jié)核酸的化學(xué)組成一、核酸的元素和分子組成

1.元素組成C、H、O、N、P（9~10%）2.分子組成——

堿基(base)：嘌呤堿，嘧啶堿——

戊糖(ribose)：核糖，脫氧核糖——

磷酸(phosphate)嘌呤(purine，Pu)

腺嘌呤(adenine,A)鳥(niǎo)嘌呤(guanine,G)堿基(base)是含氮的雜環(huán)化合物。嘧啶(pyrimidine，Py)胞嘧啶(cytosine,C)尿嘧啶(uracil,U)胸腺嘧啶(thymine,T)戊糖（構(gòu)成RNA）1′2′3′4′5′核糖(ribose)（構(gòu)成DNA）脫氧核糖(deoxyribose)兩類(lèi)核酸在分子組成上的異同點(diǎn)RNADNA組分磷酸核糖脫氧核糖磷酸戊糖堿基嘌呤嘧啶AGUCTRNA核糖DNA脫氧核糖UT核苷：AR,GR,UR,CR脫氧核苷：dAR,dGR,dTR,dCR二、核酸的基本結(jié)構(gòu)—

核苷酸1.核苷(ribonucleoside)堿基和核糖（脫氧核糖）通過(guò)糖苷鍵連接形成的化合物叫核苷（脫氧核苷）。1′1核苷酸：AMP,GMP,UMP,CMP脫氧核苷酸：dAMP,dGMP,dTMP,dCMP

2.核苷酸(ribonucleotide)核苷（脫氧核苷）和磷酸以磷酸酯鍵連接形成的化合物叫核苷酸（脫氧核苷酸）。

3、體內(nèi)重要的游離核苷酸及其衍生物（1）多磷酸核苷酸：NMP，NDP，NTPAMPADPATP~~~體內(nèi)重要的游離核苷酸及其衍生物（2）環(huán)化核苷酸:cAMP，cGMPcAMP體內(nèi)重要的游離核苷酸及其衍生物（3）含核苷酸的生物活性物質(zhì)（輔酶類(lèi)）

NAD+、NADP+、CoA-SH、FAD

等都含有

AMPNADP+NAD+5′端3′端三、核苷酸的連接

核苷酸之間以磷酸二酯鍵連接形成多核苷酸鏈，即核酸。CGA核酸的一級(jí)結(jié)構(gòu)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(chēng)為堿基序列。5′端3′端CGAAGP5

PTPGPCPTPOH3

書(shū)寫(xiě)方法5

pApCpTpGpCpT-OH

3

5

ACTGCT

3

第二節(jié)DNA的空間結(jié)構(gòu)與功能一、DNA的一級(jí)結(jié)構(gòu)定義

DNA的一級(jí)結(jié)構(gòu)是指核酸分子中核苷酸排列順序及連接方式

*

3’,5’磷酸二酯鍵,前一個(gè)脫氧核苷酸的3’-OH和后一個(gè)的5’-磷酸縮合形成磷酸二酯鍵*方向性：通常規(guī)定5’

3’為正向

（一）DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的研究背景堿基組成分析查加夫(Chargaff)規(guī)則：[A]=

[T][G]

[C]堿基的理化數(shù)據(jù)分析A-T、G-C以氫鍵配對(duì)較合理DNA纖維的X-線(xiàn)衍射圖譜分析二、DNA的二級(jí)結(jié)構(gòu)——雙螺旋結(jié)構(gòu)（二）DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型要點(diǎn)DNA分子由兩條相互平行但走向相反的脫氧多核苷酸鏈組成，圍繞同一中心軸，以右手螺旋方式繞成的雙螺旋結(jié)構(gòu)。雙螺旋表面形成大溝和小溝

（二）DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型要點(diǎn)

堿基垂直螺旋軸居雙螺旋內(nèi)側(cè)，與對(duì)側(cè)堿基形成氫鍵配對(duì)（互補(bǔ)配對(duì)形式：A=T;G

C）。螺旋直徑為2nm，相鄰堿基平面距離0.34nm，螺旋一圈螺距3.4nm，一圈10對(duì)堿基。堿基互補(bǔ)配對(duì)

TAGC（二）DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型要點(diǎn)

氫鍵維持雙鏈橫向穩(wěn)定性，堿基堆積力維持雙鏈縱向穩(wěn)定性。逆向平行右手螺旋堿基互補(bǔ)氫鍵固定鍵軸垂直螺旋尺寸

（三）DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的多樣性三、DNA的超級(jí)結(jié)構(gòu)（三級(jí)結(jié)構(gòu)）（一）DNA的超螺旋結(jié)構(gòu)DNA雙螺旋鏈再盤(pán)繞即形成超螺旋結(jié)構(gòu)。正超螺旋盤(pán)繞方向與DNA雙螺旋方同相同。負(fù)超螺旋盤(pán)繞方向與DNA雙螺旋方向相反。意義

DNA超螺旋結(jié)構(gòu)整體或局部的拓?fù)鋵W(xué)變化及其調(diào)控對(duì)于DNA復(fù)制和RNA轉(zhuǎn)錄過(guò)程具有關(guān)鍵作用。

（二）原核生物DNA的高級(jí)結(jié)構(gòu)

原核生物的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(gè)超螺旋形成。（三）DNA在真核生物細(xì)胞核內(nèi)的組裝真核生物染色體由DNA和蛋白質(zhì)構(gòu)成，其基本單位是核小體(nucleosome)。核小體的組成DNA：約200bp組蛋白：H1H2A，H2BH3H4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(150bp)在核心組蛋白纏繞1.75圈DNA（60bp）

組蛋白H1

連接核心顆粒核小體結(jié)構(gòu)圖四、DNA的功能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(gè)體生命活動(dòng)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。基因組：一個(gè)遺傳體系所有基因總和的一整套遺傳信息。第三節(jié)

RNA的結(jié)構(gòu)與功能StructureandFunctionofRNARNA的結(jié)構(gòu)特征

1.RNA分子的堿基組成主要是A、G、C、U。此外，RNA分子中含有多種稀有堿基

2.RNA多為單股多核苷酸鏈，局部可形成雙鏈

3.RNA分子比DNA分子小。按其在基因表達(dá)中的作用常分為三大類(lèi)

4.RNA與蛋白質(zhì)共同負(fù)責(zé)基因的表達(dá)和表達(dá)過(guò)程的調(diào)控。RNA的種類(lèi)、分布、功能一、信使RNA的結(jié)構(gòu)與功能信使RNA(messengerRNA,mRNA)是合成蛋白質(zhì)的模板。其前體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。壽命最短的RNAhnRNA內(nèi)含子(intron)mRNA

mRNA成熟過(guò)程

外顯子(exon)mRNA結(jié)構(gòu)特點(diǎn)5

-末端的m7Gppp帽子結(jié)構(gòu)3

-末端的polyA尾。從AUG開(kāi)始，每三個(gè)核苷酸為一組編碼一個(gè)氨基酸，稱(chēng)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。

帽子結(jié)構(gòu)mRNA核內(nèi)向胞質(zhì)的轉(zhuǎn)位mRNA的穩(wěn)定性維系翻譯起始的調(diào)控

帽子結(jié)構(gòu)和多聚A尾的功能*mRNA的功能把DNA所攜帶的遺傳信息，按堿基互補(bǔ)配對(duì)原則，抄錄并傳送至核糖體，用以決定其合成蛋白質(zhì)的氨基酸排列順序。DNAmRNA蛋白轉(zhuǎn)錄翻譯原核細(xì)胞細(xì)胞質(zhì)細(xì)胞核DNA內(nèi)含子外顯子轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)錄后剪接轉(zhuǎn)運(yùn)mRNAhnRNA翻譯蛋白真核細(xì)胞tRNA的一級(jí)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)含10--20%稀有堿基，如DHU3′末端為—

CCA-OH5′末端大多數(shù)為G具有T

C二、轉(zhuǎn)運(yùn)RNA的結(jié)構(gòu)與功能分子量最小、含稀有堿基比例最高的一類(lèi)RNAN,N二甲基鳥(niǎo)嘌呤N6-異戊烯腺嘌呤雙氫尿嘧啶4-巰尿嘧啶稀有堿基

1.分子中含較多的稀有堿基,如雙氫尿嘧啶（DHU）、假尿嘧啶（

）、次黃嘌呤(I)、甲基鳥(niǎo)嘌呤(mG)等。

3.局部具有莖-環(huán)樣結(jié)構(gòu)（發(fā)夾結(jié)構(gòu)）。二級(jí)結(jié)構(gòu)為

三葉草形;三級(jí)結(jié)構(gòu)為倒L形。

2.

3’端都具有CCA結(jié)構(gòu)，為氨基酸臂。

4.其序列中有反密碼子。

tRNA

空間結(jié)構(gòu)要點(diǎn)tRNA的二級(jí)結(jié)構(gòu)

——三葉草形氨基酸臂額外環(huán)

三環(huán)

DHU環(huán)

T

C環(huán)反密碼子環(huán)

四干（螺旋區(qū)）

受體干（氨基酸臂)D干

T干反密碼干一附加額外環(huán)受體干D干T干反密碼干tRNA的三級(jí)結(jié)構(gòu)——

倒L形tRNA的功能活化、搬運(yùn)氨基酸到核糖體，參與蛋白質(zhì)的翻譯。

tRNA的反密碼子與mRNA的密碼子特異性結(jié)合，使氨基酸對(duì)號(hào)入座。rRNA的結(jié)構(gòu)：多個(gè)莖環(huán)結(jié)構(gòu)組成三、核蛋白體RNA的結(jié)構(gòu)