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1、 分 子 生 物 学第二章 核酸的结构与功能（4学时）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。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（polydeoxynucleotides）, 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
2、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
3、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
4、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。2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
5、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 particle）。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
6、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
7、sequence)。帽子结构具有促进核蛋白体与mRNA的结合、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mRNA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
8、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tRNA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
9、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
10、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
11、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。DNA复性 变性DNA在适当条件下，分开的两条单链分子按照碱基互补原则重新恢复天然的双螺旋构象的现象。热变性的DNA经缓慢冷却后即可复性，又称为退火（annealing）。第十一章 DNA的生物合成（复制）（5学时）基本要求：1. 掌握与DNA复制、DNA损伤与修复、逆转录过程有关的基本概念。包括：半保留复制，半不连续复制，复制叉，复制子，岡崎片段，领头链，随从链，端粒，端粒酶等。2. 掌握复制的过程，以及复制过程中涉及到的各种酶、蛋白因子；并掌握原核生物与真核生物复制的相同点与不同点。3. 掌握逆转录过程，熟悉逆转录酶的应用。4
12、. 了解引起地中海贫血和镰形红细胞贫血的分子机制。重点：DNA分子在生物体内的合成有三种方式：（1）DNA指导的DNA合成，也称复制，是细胞内DNA最主要的合成方式。遗传信息储存在DNA分子中，细胞增殖时，DNA通过复制使遗传信息从亲代传递到子代。（2）修复合成，即DNA受到损伤（突变）后进行修复，需要进行局部的DNA的合成，用以保证遗传信息的稳定遗传。（3）RNA指导的DNA合成，即反转录合成，是RNA病毒的复制形式，以RNA为模板，由逆转录酶催化合成DNA。真核生物的DNA合成过程与原核生物基本相似，但机理尚不十分清楚，以原核生物为例介绍其复制过程。难点：DNA的双螺旋结构是复制的结构基础
13、。DNA复制的实质为酶催化的脱氧核糖核苷酸的聚合反应。复制开始时，亲代双链DNA分子解开，分别作为模板，在DNA依赖的DNA聚合酶催化下，按照碱基配对的原则，将四种脱氧核苷酸连接成DNA大分子，合成产物的碱基序列与模板DNA的碱基序列是互补的，子代DNA双链分子中，一条来自亲代的模板链，另一条为新合成的链，故称半保留复制，是生物体最主要的DNA合成方式；合成过程中，自53连续合成一条领头链，不连续地合成一些片断，而后连成一条随从链，所以DNA合成是半不连续合成。反应过程复杂，首先螺旋松弛，双链打开，形成复制叉，然后复制的引发，包括合成引物，形成引发体，最后是DNA链的延长与终止。每一阶段需要有
14、许多酶和蛋白因子参与，包括拓扑异构酶，用于理顺解链过程中造成的链的盘绕、打结等现象；解螺旋酶在蛋白因子的辅助下结合于复制起始点，并打开双链，由单链结合蛋白稳定解开的两股单链；引物酶及其它辅助蛋白因子在打开的双链上催化合成引物，由引物提供3-OH，与原料dNTP的5-P形成磷酸二酯键，然后DNA聚合酶催化这一聚合反应的进行，而DNA连接酶将复制中的不连续片段连接成完整的链。真核生物的复制与原核生物相比，为多个起始点、5种DNA聚合酶以及有端粒复制等特点。一、DNA的复制基本要求：1. 掌握复制叉、半不连续复制、岡崎片段、领头链、随从链等基本概念。2. 掌握拓扑异构酶、解螺旋酶、单链结合蛋白、引物
15、酶、DNA聚合酶、DNA连接酶的特点及生物学作用。3. 熟悉DNA的合成过程。4. 了解半保留复制的实验依据。基本概念：1. 中心法则：遗传信息从DNA通过转录流向RNA，RNA通过翻译指导合成蛋白质，这种遗传信息的传递规律称之。少数RNA也是遗传信息的贮存者，RNA能逆转录为DNA，是对中心法则的补充。2. 复制（replication）：即DNA的生物合成，以DNA为模板指导合成相同的DNA分子，使遗传信息从亲代传递到子代的过程。RNA病毒的遗传信息储存于RNA分子中，可进行RNA复制并反转录合成DNA。3. 半保留复制（semiconservative replication）：DNA复制时，亲代DNA双螺旋结构解开，分别以解开的两股单链为模板，以dNTP(dATP、 dGTP 、dTTP 、dCTP)为原料，按照碱基互补的原则，合成与模板链互补的新链，从而形成两个子代DNA双链，其结构与亲代DNA双链完全一致。因子代DNA双链中的一股单链源自亲代，另一股单链为合成的新链，形成的双链与亲代双链的碱基序列完全一致，故称为半保留复制。4. 复制叉（replication fork）：原核生物DNA的复制从单一起点开始，双螺旋结构被打开，分开的两股单链分别作为新
