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1、生化第三章第 三 章 核酸的结构与功能 Structure and Function of Nucleic Acid核酸 (nucleic acid): 单核苷酸为基本单位组成的生物大分子。是生物遗传的物质基础。核酸：脱氧核糖核酸（DNA）核糖核酸（RNA）：mRNA tRNA rRNA第一节 核酸的化学组成和一级结构 The Chemical Component of Nucleic Acid核酸的化学组成 1. 元素组成：C 、H、O、N、P（910%）2. 分子组成： 碱基(base)：嘌呤碱，嘧啶碱 戊糖 (ribose)：核糖(ribose) （构成 RNA） ，脱氧核糖(deoxy
2、ribose)（构成 DNA） 磷酸 (phosphate)嘌呤(purine) 腺嘌呤(adenine, A) 鸟嘌呤(guanine, G)嘧啶(pyrimidine) 尿嘧啶(uracil, U) 胞嘧啶(cytosine, C) 胸腺嘧啶(thymine, T)一、核苷酸的结构1. 核苷(ribonucleoside)的形成碱基和核糖（脱氧核糖）通过糖苷键连接形成核苷（脱氧核苷） 。核苷：AR, GR, UR, CR 脱氧核苷：dAR, dGR, dTR, dCR2. 核苷酸(ribonucleotide)的结构与命名核苷（脱氧核苷）和磷酸以磷酸酯键连接形成核苷酸（脱氧核苷酸） 。核苷
3、酸：AMP, GMP, UMP, CMP 脱氧核苷酸： dAMP, dGMP, dTMP, dCMP 体内重要的游离核苷酸及其衍生物 多磷酸核苷酸：NMP，NDP，NTP 环化核苷酸: cAMP，cGMP 含核苷酸的生物活性物质： NAD+、NADP +、CoA-SH、FAD 等都含有 AMP二、核酸的一级结构定义：核酸中核苷酸的排列顺序。由于核苷酸间的差异主要是碱基不同，所以也称为碱基序列。核苷酸之间以磷酸二酯键连接形成多核苷酸链，即核酸。第二节 DNA 的空间结构与功能 Dimensional Structure and Function of DNA一、 DNA 的二级结构 双螺旋结构（
4、一）DNA 双螺旋结构提出的依据（二） DNA 双螺旋结构模型要点 （Watson, Crick, 1953）DNA 分子是反向平行的互补双链结构，两链以-脱氧核糖- 磷酸-为骨架，以右手螺旋方式绕公共轴盘旋。螺旋直径为 2nm，形成大沟及小沟相间。碱基垂直螺旋轴在内侧，与对侧碱基形成氢键配对（互补配对形式：A=T; GC） 。相邻碱基平面距离 0.34nm，螺旋一圈螺距 3.4nm，一圈 10 对碱基。氢键维持双链横向稳定性，碱基堆积力维持双链纵向稳定性。（三）DNA 双螺旋结构的多样性二、DNA 的超螺旋结构及其在染色质中的组装（一）DNA 的超螺旋结构 （supercoil）DNA 双螺
5、旋链再盘绕即形成超螺旋结构。 正超螺旋DNA 双螺旋（在拓扑异构酶的作用下）负超螺旋（二）原核生物 DNA 的三级结构（三）DNA 在真核生物细胞核内的组装真核生物染色体由 DNA 和蛋白质构成，其基本单位是核小体(nucleosome)。核小体的组成： DNA：约 200bp 组蛋白：H1 、H2A，H2B、H3、H4 三、DNA 的功能以基因的形式荷载遗传信息，并作为基因复制和转录的模板。基因：是指 DNA 分子中的特定区段，包含有编码生物活性产物的信息单位。 第三节 RNA 的结构与功能 Structure and Function of RNARNA 的种类、分布、功能目 录RNA的
6、种 类 、 分 布 、 功 能核 蛋 白 体信 使 RNA转 运核 内 不 均 一核 内 小胞 浆 小 RNA 细 胞 核 和 胞 液 线 粒 体 功 能rm trRNAttHnSosc/7L-RNA 核 蛋 白 体 组 分蛋 白 质 合 成 模 板转 运 氨 基 酸成 熟 m的 前 体参 与 hnRNA的 剪 接 、 转 运r的 加 工 、 修 饰蛋 白 质 内 质 网 定 位 合 成的 信 号 识 别 体 的 组 分核 仁 小核 蛋 白 体信 使转 运核 内 不 均 一核 内 小胞 浆 小 细 胞 核 和 胞 液 线 粒 体 功 能核 蛋 白 体 组 分蛋 白 质 合 成 模 板转 运 氨
7、 基 酸成 熟 的 前 体参 与 的 剪 接 、 转 运的 加 工 、 修 饰蛋 白 质 内 质 网 定 位 合 成的 信 号 识 别 体 的 组 分核 仁 小一 、信使 RNA 的结构与功能* mRNA 含量较少 (占细胞总 RNA 的 3 5 ),种类最多 内含子(intron) 外显子(exon)* mRNA 的功能 把 DNA 所携带的遗传信息，按碱基互补配对原则，抄录并传送至核糖体，用以决定其合成蛋白质的氨基酸排列顺序。真核生物 mRNA 结构特点1. 5末端形成帽子结构：m 7GpppNm-。2. 3末端有一个多聚腺苷酸(polyA)结构，称为多聚 A 尾。帽子结构和多聚 A 尾的
8、功能：mRNA 核内向胞质的转位 mRNA 的稳定性维系 翻译起始的调控 二、转运 RNA 的结构与功能 tRNA 是细胞内分子量最小的 RNA（占总 RNA 的 15） 含 1020% 稀有碱基包括双氢尿嘧啶(DHU)、假尿嘧啶()和甲基化的嘌呤等 稀有碱基：N,N 二甲基鸟嘌呤、双氢尿嘧啶、N 6-异戊烯腺嘌呤、 4-巯尿嘧啶tRNA 的二级结构三叶草形：氨基酸臂、DHU 环、反密码环、额外环、TC 环tRNA 的三级结构 倒 L 形* tRNA 的功能：活化、搬运氨基酸到核糖体，参与蛋白质的翻译。三、核糖体 RNA 的结构与功能细胞内含量最多的 RNA,占 RNA 总量的 80以上 rR
9、NA 的功能 ：参与组成核糖体，作为蛋白质生物合成的场所。目 录核 糖 体 的 组 成原 核 生 物 （ 以 大 肠 杆 菌 为 例 ） 真 核 生 物 （ 以 小 鼠 肝 为 例 ）小 亚 基 30S 40SrRNA16S 1542个 核 苷 酸 18S 1874个 核 苷 酸蛋 白 质 21种 占 总 重 量 的 40%3种 占 总 重 量 的 50%大 亚 基 50S 60SrRNA23S5S 2940个 核 苷 酸120个 核 苷 酸 28S5.85S5S 4718个 核 苷 酸160个 核 苷 酸120个 核 苷 酸蛋 白 质 31种 占 总 重 量 的 30%49种 占 总 重 量
10、 的 35%四 、其他小分子 RNA 及 RNA 组学除了上述三种 RNA 外，细胞的不同部位存在的许多其他种类的小分子 RNA，统称为非 mRNA 小 RNA(small non-messenger RNAs, snmRNAs)。 snmRNAs 的种类：核内小 RNA、核仁小 RNA、胞质小 RNA、催化性小 RNA、小片段干涉 RNA snmRNAs 的功能： 参与 hnRNA 和 rRNA 的加工和转运。RNA 组学：研究细胞中 snmRNAs 的种类、结构和功能。同一生物体内不同种类的细胞、同一细胞在不同时间、不同状态下 snmRNAs 的表达具有时间和空间特异性。 第四节 核酸的理
11、化性 The Physical and Chemical Characters of Nucleic Acid一、 A260 的应用1. DNA 或 RNA 的定量A260=1.0, 相当于 50 g/ml 双链 DNA、40g/ml 单链 DNA（或 RNA） 、20g/ml 寡核苷酸2.判断核酸样品的纯度DNA 纯品: A260/A280 比值= 1.8 RNA 纯品: A260/A280 比值= 2.0二、DNA 的变性(denaturation)定义：在某些理化因素作用下，DNA 双链解开成两条单链的过程。方法：过量酸，碱，加热，尿素、酰胺、有机溶剂(如乙醇、丙酮)等。变性后理化性质变
12、化：A 260 增高、粘度下降、生物活性丧失DNA 变性的本质是双链间氢键的断裂 增色效应：DNA 变性时其溶液 A260 增高的现象。例：变性引起紫外吸收值的改变 解链曲线：如果在连续加热 DNA 的过程中以温度对 A260 值作图，所得的曲线。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，又称熔解温度(melting temperature, Tm)。其大小与 G+C 含量成正比。三、DNA 的复性与分子杂交 DNA 复性(renaturation) ：在适当条件下，变性 DNA 的两条互补链可恢复天然的双螺旋构象。热变性的 DNA 经缓慢冷却后即可复性，这一过程称为退
13、火(annealing) 。核酸分子杂交(hybridization) 在 DNA 复性过程中，如果将不同种类的 DNA 单链分子或 RNA 分子放在同一溶液中，在适宜的条件（温度及离子强度）下，就可以在不同的分子间形成杂化双链(heteroduplex)。这种现象称为核酸分子杂交。核酸分子杂交的应用： 1.研究 DNA 分子中某一种基因的位置 2.鉴定两种核酸分子间的序列相似性 3.检测某些专一序列存在与否 4.是基因芯片技术的基础 第 六 节 核 酸 酶 Nuclease核酸酶：是指所有可以水解核酸的酶依据底物不同分类 ： DNA 酶(deoxyribonuclease, DNase) 、
14、RNA 酶 (ribonuclease, RNase) 依据切割部位不同：核酸内切酶、核酸外切酶核酸酶的功能 参与 DNA 的合成、修复及 RNA 剪接等 负责清除多余的、结构和功能异常的核酸 降解食物中的核酸以利吸收 体外重组 DNA 技术中的重要工具酶 核酶（ ribozyme)催化性 RNA (ribozyme) 作为序列特异性的核酸内切酶降解mRNA。 催化性 DNA (DNAzyme) 人工合成的寡聚脱氧核苷酸片段，也能序列特异性降解 RNA。 （一）核酶：具有催化活性的 RNA(1) 1982 年，Cech 首先发现四膜虫 L19RNA 既有 RNA 酶活性，又有 RNA 聚合酶活
15、性。随后的研究表明：L19RNA 具备酶促催化的几个特征：高度的底物专一性、遵循 Michaelis-Menten 动力学、对竞争性抑制剂的敏感性(2) 1992 年， Piccirilli 等发现 L19RNA 具有氨酰酯酶的活性，催化氨酰酯水解。(3) L19RNA 还有限制性内切酶作用(4) 1997 年，Zhang 和 Cech 用人造的 RNA 分子催化合成了肽链，表明 RNA 具有肽基转移酶活性。(5) 原核生物 RNaseP 和兔肌 1，4- -葡聚糖分枝酶 均包括 RNA+蛋白组分，起催化作用的都是 RNA。（二）核酶的研究意义与应用前景RNA 既能携带遗传信息，又有生物催化功能。RNA 可能早于蛋白质和 DNA，是生命起源中首先出现的生物大分子。切割癌基因、致病病毒基因
