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1、1分 子 生 物 学教材：生物化学（第五版）周爱儒 主编 人民卫生出版社课时：38 学时教学参考资料：生物化学应试指南 周爱儒 主编 北京医科大学出版社辅助资料：生物化学与分子生物学习题集 于雪艳 张莲英 主编第二章 核酸的结构与功能（4 学时）本章重点: 1DNA 双螺旋结构模型要点。2核小体的概念。3DNA 的变性、复性及分子杂交。本章难点：DNA 在真核细胞内的组装。一、核酸的化学组成基本要点：1核苷酸中的碱基成分 核苷酸由 碱基 嘌呤(A,G) 嘧啶（T，C，U）戊糖 -D- 核糖， -D-2-核糖磷酸2戊糖与核苷 核苷酸（脱氧核苷酸） 核苷（脱氧核苷）与磷酸通过酯键结合。3核苷酸的结
2、构与命名核苷一磷酸（nucleoside monophosphate,NMP ）核苷二磷酸（nucleoside diphosphate,NDP）核苷三磷酸（nucleoside triphosphate,NTP）环腺苷酸（cycle AMP,cAMP） 环鸟苷酸（cycle GMP,cGMP）基本概念：基本要求：了解核苷酸的结构。熟悉核苷酸的命名。掌握核苷酸的化学组成。2二、核酸的一级结构基本要点：1DNA 和 RNA 的一级结构 四种核苷酸或脱氧核苷酸按照一定的排列顺序以 3，5磷酸二酯键（phosphodiester linkage）相连形成的多聚核苷酸链或脱氧核苷酸（polydeoxy
3、nucleotides）, 称为核苷酸序列(也称为碱基序列 )。脱氧核苷酸或核苷酸的连接具有严格的方向性，是前一核苷酸的-OH 与下一位核苷酸的 5-位磷酸间形成 3，5磷酸二酯键，构成一个没有分支的线性大分子。DNA 的书写应从 5到 3。2RNA 与 DNA 的差别 戊糖成分是核糖不是脱氧核糖 ; 嘧啶为胞嘧啶和尿嘧啶而不含有胸腺嘧啶, U 代替了 DNA 的 T。DNA 和 RNA 对遗传信息的携带和传递是依靠核苷酸中的碱基排列顺序变化而实现的。基本概念：核酸的一级结构。基本要求：熟悉 DNA 与 RNA 的区别。掌握核酸的一级结构。三、DNA 的空间结构与功能基本要点：1DNA 的二级
4、结构双螺旋结构模型 的双螺旋结构的研究背景 Chargaff 规则：腺嘌呤与胸腺嘧啶的摩尔数总是相等（=T），鸟嘌呤的含量总是与胞嘧啶相等（ G=C）； 不同生物种属的 DNA 碱基组成不同，同一个体不同器官、不同组织的 DNA 具有相同的碱基组成。双螺旋结构模型的要点 是一反向平行的互补双链结构 亲水的脱氧核糖基和磷酸基骨架位于双链的外侧、而碱基位于内侧，两条链的碱基互补配对， A-T 形成两个氢键，G-C 形成三个氢键。堆积的疏水性碱基平面与线性分子结构的长轴相垂直。两条链呈反平行走向，一条链，另一条链是。）。DNA 是右手螺旋结构 DNA 线性长分子在小小的细胞核中折叠形成了一个右手螺旋
5、式结构（图-7 ）。螺旋直径为 nm。螺旋每旋转一周包含了 10 对碱基，每个碱基的旋转角度为36。螺距为 3.4nm；碱基平面之间的距离为 0.34nm。DNA 双螺旋分子存在一个大沟（major groove）和一个小沟（minor groove），目前认为这些沟状结构与蛋白质和 DNA 间的识别有关。DNA 双螺旋结构稳定的维系 横向靠两条链间互补碱基的氢键维系，纵向则靠碱基平面间的疏水性堆积力维持，尤以碱基堆积力更为重要。32结构的多样性 B-DNA(atson-Crick 模型结构) Z-DNA A-DNA3DNA 的超螺旋结构 DNA 在双链螺旋式结构基础上,进一步折叠成为超级螺旋
6、结构,在蛋白质的参与下构成核小体(nucleosome),再进一步折叠将 DNA 紧密压缩于染色体中。DNA 的超螺旋-原核生物 DNA 的高级结构 绝大部分原核生物的 DNA 都是共价封闭的环状双螺旋分子。这种双螺旋分子还需再次螺旋化形成超螺旋结构以保证其可以较致密的形式存在于细胞内(图 3-9)。4DNA 在真核生物细胞核内的组装 染色体的基本单位核小体。核小体由 DNA 和组蛋白共同构成。组蛋白分子共有五种,分别称为 H1,H2A,H2B,H3 和 H4 共同构成了核小体的核心,称为组蛋白八聚体(又称核心组蛋白)。DNA 双螺旋分子缠绕在这一核心上构成了核小体的核心颗粒（core par
7、ticle）。核小体的核心颗粒之间再由 DNA (约 60 个碱基对,bp)和组蛋白 H1 构成的连接区连接起来形成串珠样的结构(图 3-10)。在此基础上,核小体又进一步旋转折叠,形成纤维状结构及襟状结构、最后形成棒状的染色体,将近 l m 长的 DNA 分子容纳于直径只有数微米的细胞核中。DNA 双螺旋分子组蛋白八聚体DNA 双螺旋分子缠绕(核心颗粒) 串珠样的结构维状结构及襟状结构棒状的染色体5DNA 的功能 基因(gene) 就是 DNA 分子中的某一区段,经过复制可以遗传给子代,经过转录和翻译可以保证支持生命活动的各种蛋白质在细胞内有序地合成。 DNA 的基本功能就是作为生物遗传信息
8、复制的模板和基因转录的模板,它是生命遗传繁殖的物质基础,也是个体生命活动的基础。一个生物体的全部基因序列称为基因组(genome )。基本概念：DNA 双螺旋结构、核小体基本要求：了解 DNA 双螺旋结构模型的研究背景及意义。熟悉 DNA 结构的多样性及超螺旋结构。掌握 DNA 双螺旋结构模型的要点及 DNA 的功能。四、RNA 的空间结构与功能基本要点：1信使 RNA 的结构与功能 细胞核内合成的 mRNA 初级产物比成熟的 mRNA 大得多,这种初级的 RNA 被称为不均一核 RNA (Hetergeneou nuclear RNA,hnRNA),它们在细胞核内存在时间极短,经过剪接成为成
9、熟的 mRNA 并移位到细胞质(见十二章) 。成熟的 mRNA 由编码区和非编码区构成,它的结构特点(图 3-11)如下:大多数的真核 mRNA 转录后在 5-端加一个 7-甲基鸟苷,同时第一个核苷酸的 C2 也是甲基化的,这种 m7G ppp N m 结构被称为帽子结构(cap sequence)。帽子结构具有促进核蛋白体与 mRNA 的4结合、加速翻译起始速度的作用,同时可以增强 mRNA 的稳定性。在真核 mRNA 的 3末端,有一多聚腺苷酸(poly A)结构,通常称为多聚 A 尾。一般由数十个至一百几十个腺苷酸连接而成。poly A 是 RNA 生成后加上去的。 poly A 与 m
10、RNA 从核内向胞质的转位及 mRNA 的稳定性有关。各种 mRNA 的长短差别很大, mRNA 分子的长短,决定翻译的蛋白质分子量的大小。各种 RNA分子中, mRNA 的半衰期最短,由几分钟到数小时不等,是细胞内蛋白质合成速度的调控点之一。mRNA 的功能是把核内 DNA 的碱基顺序(遗传信息), 按照碱基互补的原则,抄录并转送至胞质,在蛋白质合成中用以翻译成蛋白质中氨基酸的排列顺序。mRNA 分子上每 3 个核苷酸为一组,三联体密码(triplet code)。2转运 RNA 的结构与功能 转运 RNA (transfer RNA,tRNA)是细胞内分子量最小的一类核酸, 100多种 t
11、RNA 都由 70 至 90 个核苷酸构成。tRNA 的功能是在细胞蛋白质合成过程中作为各种氨基酸的载体并将其转呈给 mRNA。 tRNA 的结构特点:分子中含 10%20%的稀有碱基 (rare bases)。稀有碱基是指除 A、G 、C 、U 外的一些碱基,包括双氢尿嘧啶(DHU)、假尿嘧啶( ,pseudouridine)和甲基化的嘌呤( mG,mA)等(图 3-12)。一般的嘧啶核苷以杂环上 N-1 与糖环的 C-1连成糖苷键,假尿嘧啶核苷则用杂环上的 C-5 与糖环的 C-1相连。tRNA 核苷酸中存在局部互补配对的区域,可以形成局部双链,进而形成一种茎-环样(stem-loop)结
12、构或发夹结构。中间不能配对的部分则膨出形成环状或襻状。tRNA 形成三叶草形(cloverleaf pattern)二级结构。分别称为 DHU 环和 T 环,以及反密码环。反密码子(anticoden)与 mRNA 相应的三联体密码子碱基互补。例如负责转运酪氨酸的tRNA(tRNATyr)的反密码子 5-GUA-3与 mRNA 上相应的三联体密码子 5-UAC-3(编码酪氨酸)呈反向互补。不同的 tRNA 依照其转运的氨基酸的差别,有不同的反密码子。X 射线衍射结构分析发现 tRNA 的共同三级结构是倒 L 型( 图 3-13b)。倒 L 形三级结构中 T环与 DHU 环相距很近。3核蛋白体
13、RNA 的结构与功能 核蛋白体 RNA(ribosomal RNA,rRNA)约占 RNA 总量的 80%以上。rRNA 与核蛋白体蛋白共同构成核蛋白体或称为核糖体 (ribosome),原核生物和真核生物的核蛋白体均由易于解聚的大、小两个亚基组成。真核生物的核蛋白体小亚基由 18S rRNA 及 30 余种蛋白质构成；大亚基则由 5S、5.8S、及28S 三种 rRNA 加上近 50 种蛋白质构成( 表 3-3)。真核生物的 18S rRNA 的二级结构呈花状( 图 3-14),形似 40S 小亚基 ,其中多个茎环结构为核蛋白体蛋白的结合和组装提供了结构基础。54其他小分子 细胞的不同部位还
14、存在着另外一些小分子的 RNA，它们分别被称为小核、小核仁、小胞质 R等。这些小 RNA 分别参与 hnRNA 和 rRNA 的转运和加工。5核酶 某些 RNA 分子本身具有自我催化能力，可以完成 rRNA 的剪接。这种具有催化作用的被称为核酶（ribozyme）。基本概念：核酶基本要求：了解 HnRNA、SnRNA 等小分子 RNA 的功能。掌握 mRNA、tRNA、rRNA 的结构特点和功能。五、核酸的理化性质及其应用基本要点：1核酸的一般理化性质 核酸具有较强的酸性。DNA 是线性高分子，粘度极大，RNA 分子远小于 DNA，粘度也小得多。DNA 分子在机械力的作用下易发生断裂。嘌呤和嘧
15、啶环中均含有共轭双键，因此对波长 260左右的紫外光有较强吸收。这是 DNA 和 RNA 定量最常用的方法。2的变性变性 在某些理化因素作用下，DNA 分子互补碱基对之间的氢键断裂，DNA 双螺旋结构松散，变成单链。加热是实验室最常用的 DNA 变性的方法。DNA 的增色效应（hyperchromic effect） 加热时，DNA 双链解链过程中，内部的碱基暴露，对 260nm 波长紫外光吸收增加，DNA 的 A260 增加，并与解链程度有一定的比例关系。这种关系称为 DNA 的增色效应（hyperchromic effect）。解链曲线 连续加热 DNA 的过程中以温度对 A260 的关系作图，所得的曲线（图 3-15）。从曲线中可以看出，DNA 的变性从开始解链到完全解链，是在一个相当窄的温度内完成的，在这一范围内，紫外光吸收值达到最大值的 50时的温度称为 DNA 的解链温度（融解温度）（melting temprature,Tm）。在 Tm 时，核酸分子内 50%的双链结构被解开。一种 DNA 分子的 Tm 值的大小与其所含碱基中的 G+C 比例相关 ，G+C 比例越高，T m 值越高。Tm 值计算公式：T m69.3+0.41（%G+C），20bp 的寡核苷酸的 Tm 计算： Tm4（G+C）+2（A+T）。3的复性与分子杂交DNA 复性 变性 DNA 在适当条件
