生物化学 第三章核酸

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1、 第三章 核酸什么是核酸？由核糖、碱基和磷酸组成核苷酸，由众多核苷酸连起来组成的生物大分子。是生命机体内最重要的活性物质之一。 一. 核酸的功能与在细胞中的分布核酸的分类：二大类-DNA（脱氧核糖核酸）和RNA（核糖核酸）DNA：遗传物质或为遗传信息的携带者。主要在细胞核中。线粒体、叶绿体等也有发现。RNA：参与合成蛋白质。功能的多样性，如调控基因的表达，酶功能，遗传信息传递等。RNA一般可分成三类：tRNA， rRNA与 mRNA。 核酸的功能与在细胞中的分布 RNA的细胞分布1）tRNA（转运RNA）：一般存在于细胞质中。2）rRNA（核糖体RNA）：存在于核糖体中。3）mRNA（信使RN

2、A）：在细胞核中合成，穿过核膜到达核糖体用于蛋白质合成。另外，根据RNA的结构或功能特性，命名一些RNA。在细胞质里还存在胞质小RNA(sc RNA)。在细胞核里面还有核不均一RNA（hnRNA）、核内小RNA（snRNA）、核仁小RNA、反义RNA（asRNA）。还有干扰RNA、微RNA等。 二. 核酸的结构核苷酸 核酸的结构核酸（核苷酸）的水解 核酸 核苷酸 核苷 磷酸 碱基 戊糖（核糖）核糖不同：DNA的核糖是脱氧核糖，RNA的是核糖。碱基的种类在DNA和RNA上有差别。 核酸的结构 核酸的结构核苷酸连接成为核酸3,5-磷酸二酯键 核酸的结构组成核酸的碱基还有稀有碱基核酸的结构-碱基核糖

3、（戊糖）成环状 核酸的结构-核糖 核酸的结构DNA中的核苷酸 核酸的结构RNA中的核苷酸 核苷酸核苷酸是很好的呈味剂，如GMP（鸟苷酸二钠）具有特殊鲜味（香菇样香味），在鸡精、酱油、调料、各种鱼肉制品、小食品中添加。比味精（谷氨酸钠）更好地得到使用（成本低、阈值低等）。 核酸的结构核酸结构的简式表示最简单的表示：ACGTAGACCTAG（左边为5，最后右端为3） 核酸的结构核酸结构的简式表示核酸结构的简式表示 三. DNA的结构一级结构（共价结构）：组成单位核苷酸(碱基)在DNA分子中的线性排列顺序。 5 ATTGGCTACAGGTCAAG 3 知道一条链的核苷酸顺序，另一条链的核苷酸序列也就

4、知道。因为DNA是一个双螺旋结构。 DNA的结构二级结构： DNA双螺旋结构 DNA双螺旋结构 DNA的结构 DNA的结构DNADNA双螺旋结构的发现获诺贝尔奖双螺旋结构的发现获诺贝尔奖 DNA的结构Watson, Crick （1953）在Chargaff法则及Wilkins,Franklin的X线衍射工作基础上提出DNA的双螺旋（double helix）结构模型：Crick DNA的结构DNA结构最重要的规律-碱基配对原则（Chargaff规则）A=TCG DNA二级结构（双螺旋结构）的特点典型结构（B-型）的特点：1）由两条多核苷酸链反向围绕同一中心轴相互缠绕构成右手螺旋。链的骨架由交

5、替出现的亲水的脱氧核糖基和磷酸基构成，位于双螺旋的外侧，内侧为碱基，按A=T、CG配对。即一条多核苷酸链的顺序定了，另一条的顺序也就决定了。2）双螺旋结构有大沟与小沟，平均直径为2nm，沿中心轴每旋转一周有10个核苷酸，高度（螺距）为3.4nm，即每对碱基相距的高度为0.34nm。DNA双螺旋结构的特点 DNA双螺旋结构的特点除了典型除了典型（B-B-型）结型）结构外，还有构外，还有A-A-型、型、C-C-型、型、D D、E E、Z Z型型等。等。 双螺旋结构发现的伟大意义双螺旋结构发现的伟大意义DNA双螺旋结构的特点说明了不同的遗传信息就表现在不同顺序的核苷酸（碱基）上。DNA结构双螺旋结构

6、的提出，被认为是结构双螺旋结构的提出，被认为是20世纪生世纪生命科学史最重要的贡献之一，同时也是自然科学命科学史最重要的贡献之一，同时也是自然科学史上的重大贡献。它直接解释了生物史上的重大贡献。它直接解释了生物遗传信息的遗传信息的传递与表达的规律传递与表达的规律，使生命科学从此进入一个崭，使生命科学从此进入一个崭新的时代即分子生物学时代。新的时代即分子生物学时代。 稳定稳定DNA二级结构的主要作用力二级结构的主要作用力氢键（横向作用力），主要由碱基对之间形成。DNA双螺旋稳定的主要作用力（纵向作用力） -碱基堆积力(堆叠在一起的碱基之间由于电子云的相互作用等而产生的化学力)。横向与纵向力交融一

7、起维持了DNA二级结构（螺旋结构）的稳定。 DNA二级结构的多样性二级结构的多样性所谓所谓DNA二级结构的二级结构的多样性多样性，是指，是指DNA不仅不仅具有多种形式的双螺旋结构，而且还能形成具有多种形式的双螺旋结构，而且还能形成三链、四链结构，说明三链、四链结构，说明DNA的结构是动态的，的结构是动态的，而不是静态的。核酸结构的多样性是由于核而不是静态的。核酸结构的多样性是由于核酸主干链上各键和碱基的旋转造成的，而多酸主干链上各键和碱基的旋转造成的，而多链的链的DNA是特定的碱基序列导致的结果。是特定的碱基序列导致的结果。 三螺旋结构三螺旋结构(H-螺旋或螺旋或Hoogsteen螺旋螺旋)

8、四链四链DNA 其他形式的DNA二级结构 DNA的三级结构在DNA双螺旋的基础上进一步扭曲形成的构象为三级结构。包括不同二级结构单元间、单链与二级结构单元间的相互作用以及DNA的拓扑特征。机体内DNA的三级结构主要以超螺旋的形式存在。绝大多数原核生物的DNA都是共价封闭环分子，这种双螺旋环状分子再度螺旋化成为超螺旋结构，具有拓扑特征。 DNA超螺旋结构的拓扑特征 DNA超螺旋结构的拓扑特征超螺旋按其方向分为正超螺旋和负超螺旋两种。真核生物中，DNA与组蛋白八聚体形成核小体结构时，存在着负超螺旋。研究发现，所有的DNA超螺旋都是由DNA拓扑异构酶催化产生的。DNA拓扑异构酶-催化DNA超螺旋结构

9、状态的变化。有二类，类催化超螺旋松弛，类催化超螺旋紧凑。二类酶作用相反。就是控制DNA的拓扑状态，改变DNA的超螺旋程度。 拓扑特征为数学术语，具体不述。简单来说，就是：拓扑特征为数学术语，具体不述。简单来说，就是： DNA超螺旋结构具有拓扑特征，由拓扑特征，由DNA拓扑异构酶催化形成。 DNA三级结构的生物学意义1）超螺旋DNA形成更紧密的结构，有利于在细胞内的包装。同时，规律性地压缩分子体积，减少DNA分子所占的空间，利于复制和转录及其调控过程的进行。2）超螺旋增强DNA分子的稳定性，同时控制双螺旋的解旋，也即控制DNA与其他分子之间的相互作用，在DNA复制及转录中具重要意义。 DNA与蛋

10、白质复合物的结构-所谓的四级结构1）病毒-由蛋白质与核酸构成的颗粒。需要宿主，一般侵染性由核酸决定，专一性由蛋白质决定。一般核酸只有一种，或是RNA或是DNA。 DNA与蛋白质复合物的结构2 2）原核细胞的拟核（类核）原核细胞的拟核（类核）-核酸与碱性蛋白的复核酸与碱性蛋白的复合体。合体。 3 3）真核细胞的）真核细胞的染色体染色体-结构相对复杂，主要由结构相对复杂，主要由DNADNA与蛋白质相互结合组与蛋白质相互结合组装成一定规律性的结构。装成一定规律性的结构。构成染色体的基本结构构成染色体的基本结构单位是单位是核小体核小体-DNA-DNA长链缠绕组蛋白核心组长链缠绕组蛋白核心组成。核心组蛋

11、白为成。核心组蛋白为八聚八聚体体。 DNA与蛋白质复合物的结构 DNA与蛋白质复合物的结构由于核酸总是与蛋白质组合在一起，可用RNP表示RNA与蛋白质的复合物，以DNP表示DNA与蛋白质的复合物。在纯化蛋白或核酸时要注意很好的把它们分开。 基因与基因组的概念基因：DNA上显示功能的最小单位（片段）为一个基因。一般有： 结构基因-编码合成蛋白质。 调节基因-不编码合成蛋白质，但起调节结构基因的作用。 基因组：一套完整单体的遗传物质的总和。 基因组结构：不同的DNA功能区域在DNA分子中的分布情况。或是总体DNA的核苷酸顺序及其特点。 基因组的特点原核生物（病毒和细菌）1）基因组小。2）几乎都是结

12、构基因，调节基因很少甚至无。3）多以操纵子形式存在。即以同一操控元件同时调控多个结构基因的转录。对于病毒，只含一种核糖核酸，或是DNA或是RNA，且有重叠基因。 基因组的特点重叠基因 A基因 B基因A基因包含B基因，发生重叠。 基因组的特点对于细菌，有质粒结构，即环形DNA。质粒可作为基因的载体，进行克隆，成为重要的基因操作必不可少的生物分子。细菌基因会出现重复序列。 基因组的特点真核生物1）基因组大。2）一般无操纵子结构。3）有较多的重复序列。4）有断裂基因内含子和外显子。一般一个外显子编码一个折叠结构域。 四. RNA的结构一级结构：与DNA相同，组成单位核苷酸(碱基)在RNA分子中的线性

13、排列顺序。主要有三种：mRNA、tRNA和rRNA。都为单链。 mRNA、tRNA、rRNA的比较 含量含量 分子量分子量 结构特点结构特点 功能功能tRNAtRNA 10-15% 10-15% 分子小分子小 稀有碱基最多稀有碱基最多 携带氨基酸到携带氨基酸到 三叶草（四环四臂）三叶草（四环四臂） 核糖体核糖体 倒倒L LrRNArRNA 最多最多80% 80% 分子大分子大 发夹或小螺旋区发夹或小螺旋区 组成核糖体组成核糖体 参与参与催化肽催化肽 链的形成链的形成mRNA mRNA 最少最少 视情况视情况 一条链（结合一条链（结合 于核糖体上）于核糖体上） 作为模板指作为模板指 导多肽的合成

14、导多肽的合成 RNA的结构1. tRNA分子的结构及其特点一级结构为核苷酸（碱基）序列，二级结构为三叶草结构（四环四臂）。三级结构为倒L型，是在二级结构三叶草的基础上“扭曲”等形成的空间构象，也是tRNA的存在状态。tRNA的结构 tRNA的结构一般来说，tRNA的5-末端总是磷酸化，而且常是pG ；3-末端最后三个碱基顺序相同，总是CCAOH ；tRNA中含有较多的稀有碱基，每分子含715个，稀有碱基中最常见的是甲基化的碱基。三叶草结构：由氨基酸接受区、反密码区、二氢尿嘧啶区（D环）、TC区和可变区等部分组成。除氨基酸接受区外，其余每个区都含有一个突环和一个臂。 tRNA的结构 tRNA的结

15、构倒倒L L型的三级结构型的三级结构-由二级结构中未配对的突出环的部分进一步折叠盘绕配对形成。 tRNA的结构特点与作用1 1）氨基酸臂处于）氨基酸臂处于“ “L L” ”的一端，反密码子环处在另一端，的一端，反密码子环处在另一端，二个主要功能区域最大限度的隔开。二个主要功能区域最大限度的隔开。 2 2）各）各tRNAtRNA的构象相似，都是的构象相似，都是“ “L L” ”型，即担当同样的功型，即担当同样的功能。这种特征性的紧凑结构有利于能。这种特征性的紧凑结构有利于tRNAtRNA分子都能进入核分子都能进入核糖体的糖体的A A位和位和P P位，并能与其他辅助因子结合。位，并能与其他辅助因子

16、结合。3 3）相同的构象使）相同的构象使tRNAtRNA都能受同一酶都能受同一酶-氨酰氨酰tRNAtRNA合成酶合成酶来催化与氨基酸的结合，反密码子的不同又决定了它们来催化与氨基酸的结合，反密码子的不同又决定了它们能识别不同的氨基酸。能识别不同的氨基酸。4 4）反密码子环碱基的修饰既保证）反密码子环碱基的修饰既保证tRNAtRNA能与特定的氨基酸能与特定的氨基酸结合，又能使它们很容易的与结合，又能使它们很容易的与mRNAmRNA脱离而不影响合成脱离而不影响合成蛋白质的速度。蛋白质的速度。 “L”型的型的tRNA与氨酰与氨酰tRNA合成酶的结合合成酶的结合 RNA的结构2.rRNA分子的结构及其

17、特点与蛋白质结合组成核糖体。特点：1）rRNA构象的变化以适合与蛋白质的大小亚基结合为主，同时能相对应mRNA的结合。2）在蛋白质的合成过程中随mRNA或tRNA的结合以及大小亚基的组装而发生改变，构象不是固定的。但是，rRNA的构象与功能，如如何协助催化多肽链的延长等，还未清楚。 核糖体的组成原核生物 30S-16S rRNA与21种蛋白质 70S 50S-5S与23S rRNA，33种蛋白质真核生物 40S-18S rRNA与33种蛋白质 80S 60S-5S、5.8S、28S rRNA与49种 蛋白质 S-沉降系数。（nt-净重） 核糖体的组成 RNA的结构3.mRNA3.mRNA一条长

18、链，存在时间短，形成后即与核糖体结合，即无一条长链，存在时间短，形成后即与核糖体结合，即无“ “构象构象” ”。真核细胞mRNA与原核mRNA比较，在结构上具有明显的区别。真核细胞mRNA的3-末端有一段可长达200个左右的聚腺苷酸（poly A），称为“尾”结构；5-末端有一个甲基化的鸟苷酸,称为“帽”结构，以m7Gp5p5pXpmY表示，其中X、Y为任意碱基。这种“尾”和“帽”的结构在mRNA功能表现中具有重要作用。核糖体与mRNA的结合 一些RNA的名称及其内容核内不均一RNA（hnRNA）真核细胞成熟mRNA的前体。即先转录得到hnRNA，再经过加工得到成熟的mRNA。非编码RNA（功

19、能RNA）除了tRNA、rRNA（也属非编码RNA）和mRNA外的其他RNA，一般分子量较小，具有特定的生物功能。如：核小RNA（snRNA），有控制细胞分裂、分化，加工mRNA等作用。核仁小RNA（snoRNA），加工rRNA的前体等。 一些RNA的名称及其内容反义RNA（asRNA），可与mRNA互补结合抑制翻译等。干扰RNA（RNAi），用于抑制或干扰基因表达的RNA，其技术也叫RNA干扰技术。催化RNA，即核酶。微小RNA，分子量很小但起到调控基因表达的一类RNA。 等 五. 核酸的理化性质能被酸、碱水解变成核苷酸或更进一步成碱基、核糖等。由核酸酶催化产生核苷酸。核酸酶的分类： 核酸的

20、酶水解 核酸酶的专一性 核酸的理化性质两性解离性质（酸碱性），有等电点。不管是核酸，还是其水解产物核苷酸、核苷、碱基，在溶液中都具有两性解离性质，有滴定曲线，有等电点等。 核酸的理化性质紫外吸收性质。在260nm处附近有最大吸收峰，不同的核酸分子此吸收峰稍有区别。变性、复性与增色效应。 DNA的变性是指双螺旋区的氢键断裂（碱基间的氢键断裂），使成单链的过程。 RNA的变性是使规律性的螺旋等结构变成无规的线团的过程。DNA的复性是指在适当条件下，两条分开的链重新缔合成为双螺旋结构的过程。 核酸的理化性质核酸的变性 核酸的理化性质增色效应：由于核酸变性而使其在260nm的吸光值增大的现象，为增色效

21、应。 熔解温度（Tm）：加热变性使DNA双螺旋结构失去一半时（紫外吸收增加量达最大量一半时）的温度。影响Tm的因素：1）G-C含量 Tm2）离子强度 Tm3）pH 太酸或太碱 Tm4）有变性剂存在 Tm 核酸的理化性质使紫外吸收增加量达最大量一半使紫外吸收增加量达最大量一半时的温度，为时的温度，为T Tmm。 核酸的理化性质“退火”与分子杂交。 在一定条件下，利用冷却方法使加热变性的DNA恢复活性，分开的单链能重新结合，叫“退火”。“退火”使核酸分子的杂交成为可能。不同的DNA热变形后，冷却，只要碱基配对的DNA单链之间就能结合（不一定是原来这一条），已知碱基序列的单链就成为探针，因为与之结合

22、的DNA或RNA的碱基序列就可知道。 核酸分子杂交根据变性和复性的原理，将不同来源的核酸变性，若这些异源核酸之间在某些区域有相同的序列，则退火条件下能形成异源双链，这种过程称为分子杂交。 DNA的测序、化学合成和PCR测序：目前DNA测序已经仪器自动化，是较为“简单”的事情。按照测试公司的要求提供材料即可，费用不高。化学合成：已仪器自动化。 DNA的测序、化学合成和PCRPCR：DNA聚合酶链反应是一种在体外快速扩增特定基因或DNA序列的方法。PCR技术的原理与细胞内发生的DNA复制过程十分类似。首先是双链DNA分子在高温下加热时分离成两条单链DNA分子，然后DNA聚合酶以单链DNA为模板并利

23、用反应混合物中的4种脱氧核苷三磷酸合成新生的DNA互补链。PCR技术具有指导特定的微量DNA序列得以迅速大量扩增的特点。 PCR技术 核酸章节主要内容1.核酸的分类及其主要功能。2.核酸分子结构的主链骨架是什么？3.核酸结构的简式表示法说明什么？4.如何表述DNA分子的一级结构？5.DNA双螺旋结构最重要的规律、维持稳定的主要作用力是什么？结构特点又说明了什么？6.解释DNA二级结构的多样性。7.DNA三级结构的生物学意义。8.解释tRNA分子二、三级结构的特点。 核酸章节主要内容9. rRNA、mRNA主要的作用是什么？10. 核酸酶如何分类？它们的产物是什么？11. DNA的变性与复性、分子杂交是什么？12. 概念解释： DNA的一、二、三级结构，DNA二级结构的多样性，碱基配对，碱基堆积力，回文结构，拓扑特性，基因和基因组，三叶草结构，DNA变性，增色效应，熔解温度，PCR