第2章核酸

第2章核酸12第2章核酸第一部分核酸的组成单位1.核酸的概念及重要性核酸与蛋白质一样，是一切生物机体不可缺少的组成部分。核酸是生命遗传信息的携带者和传递者，它不仅对于生命的延续，生物物种遗传特性的保持，生长发育，细胞分化等起着重要的作用，而且与生物变异，如肿瘤、遗传病、代谢病等也密切相关。因此，核酸是现代生物化学、分子生物学和医学的重要基础之一。2.核酸的类别、分布和组成一、核酸的分类核酸分为两大类：脱氧核糖核酸（DNA，DeoxyribonucleicAcid）和核糖核酸（RNA，RibonucleicAcid）。脱氧核糖核酸（DNA）：DNA分子含有生物物种的所有遗传信息，分子量一般都很大。DNA为双链分子，其中大多数是链状结构大分子，也有少部分呈环状结构。主要分布在细胞核中。核糖核酸（RNA）：RNA主要是负责DNA遗传信息的翻译和表达，分子量要比DNA小得多。RNA为单链分子。90％的RNA存在于细胞质中，其余存在于细胞核中。RNA的类别：根据RNA的功能，可以分为mRNA、tRNA和rRNA三种。mRNA：约占总RNA的5%。不同细胞的mRNA的链长和分子量差异很大。它的功能是将DNA的遗传信息传递到蛋白质合成基地——核糖核蛋白体。tRNA：约占总RNA的10-15%。它在蛋白质生物合成中起翻译氨基酸信息，并将相应的氨基酸转运到核糖核蛋白体的作用。已知每一个氨基酸至少有一个相应的tRNA。tRNA分子的大小很相似，链长一般在73-78个核苷酸之间。rRNA：约占全部RNA的80%，是核糖核蛋白体的主要组成部分。rRNA的功能与蛋白质生物合成相关。主要存在于核糖体中。表格1RNA的种类、分布与功能核与液泡线粒体功能含量核糖体RNArRNAmtrRNA核糖体组分80%信使RNAmRNAmtmRNA蛋白质合成模板5%转运RNAtRNAmttRNA转运氨基酸10-15%核内不均一RNAHnRNA成熟mRNA前体核内小RNASnRNA参与hnRNA的剪接、转运核仁小RNASnoRNArRNA的加工、修饰胞浆小RNAscRNA/7SL-RNA蛋白质内质网定位合成的信号识别体的组分除了上述三种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(smallnon-messengerRNAs,snmRNAs)。二、组成核酸（DNA和RNA）是一种线性多聚核苷酸，它的基本结构单元是核苷酸。核苷酸本身由核苷和磷酸组成,而核苷则由戊糖和碱基形成。DNA与RNA结构相似，但在组成成份上略有不同。（区别在于核糖的2’是否脱氧，以及嘧啶碱基的不同）注意核糖、脱氧核糖，嘌呤（A,G）、嘧啶（C,T,U）的结构式书写！碱基的结构特征碱基都具有芳香环的结构特征。嘌呤环和嘧啶环均呈平面或接近于平面的结构。碱基的芳香环与环外基团可以发生酮式—烯醇式或胺式—亚胺式互变异构。（看书）嘌呤碱和嘧啶碱分子中都含有共轭双键体系，在紫外区有吸收（260nm左右）。3.核苷与核苷酸一、核苷核苷是与核糖或脱氧核糖与嘌呤或嘧啶碱生成的糖苷。糖与碱基之间的C-N键，称为C-N糖苷键。(注意核苷的结构式书写)修饰核苷：又称稀有核苷，用英文小写字母表示取代基团，写在取代基右上角的数字表示在碱基环上的位置；右下角表示取代基的数目。如：m1I为1-甲基次黄苷；m22G为N2N2-二甲基鸟苷。二、核苷酸（1）核苷酸的结构核酸的组成第2章核酸13核苷酸是核苷的磷酸酯。核苷酸的核糖有3个自由的羟基，可以磷酸酯化分别生成2＇-，3＇-和5＇-核苷酸。脱氧核苷酸的糖上只有两个自由羟基，只能生成3＇-和5＇-脱氧核苷酸。生物体内的游离核苷酸多为5＇-核苷酸。通常将核苷5＇-一磷酸简称为核苷磷酸或核苷酸。如腺苷酸为AMP，鸟苷酸为GMP。脱氧核苷酸则在英文缩写前加小写d，如dAMP，dGMP等。注意(脱氧)核糖核苷酸结构式书写！cAMP的主要功能是作为细胞之间传递信息的信使。(考试将综合性地考查cAMP的结构式书写)（2）核苷酸的性质物理性质，互变异构，紫外吸收，两性解离和等电点（3）核苷酸的重要衍生物生物体内的AMP可与1分子磷酸结合成腺苷二磷酸(ADP)，ADP再与1分子磷酸结合成腺苷三磷酸(ATP)。其他单核苷酸可以和腺苷酸一样磷酸化。ATP分子的最显著特点是含有两个高能磷酸键。ATP水解时,可以释放出大量自由能。ATP是生物体内最重要的能量转换中间体。ATP水解释放出来的能量用于推动生物体内各种需能的生化反应。ATP也是一种很好的磷酰化剂。磷酰化反应的底物可以是普通的有机分子，也可以是酶。磷酰化的底物分子具有较高的能量（活化分子），是许多生物化学反应的激活步骤。（注意ATP的结构式书写）GTP(鸟嘌呤核糖核苷三磷酸)：GTP是生物体内游离存在的另一种重要的核苷酸衍生物。它具有ATP类似的结构,也是一种高能化合物。GTP主要是作为蛋白质合成中磷酰基供体。在许多情况下,ATP和GTP可以相互转换。其中，肌苷酸、鸟苷酸可作助鲜剂。5＇－5＇相连的二核苷多磷酸化合物。如A5’pppp5’A可能是体内的调节因子。ppGpp鸟苷四磷酸，ppGppp鸟苷五磷酸：参与细菌基因转录的调节作用。（注意魔斑核苷酸的结构式书写）第二部分核酸的结构一、核酸的一级结构链中每个核苷酸的3′-羟基和相邻核苷酸的戊糖上的5′-磷酸相连。因此，核苷酸间的连接键是3′，5′-磷酸二酯键。各核苷酸残基沿多核酸链排列的顺序(序列)称为核酸的一级结构。DNA的碱基顺序本身就是遗传信息存储的分子形式。生物界物种的多样性即寓于DNA分子中四种核苷酸千变万化的不同排列组合之中。1.多聚核苷酸链一端的C5′带有一个自由磷酸基，称为5′-磷酸端（常用5′-P表示）；另一端C3’带有自由的羟基，称为3′-羟基端（常用3′-OH表示）。2.多聚核苷酸链具有方向性，当表示一个多聚核苷酸链时，必须注明它的方向是5′→3′或是3′→5′。方向性：在DNA或RNA链中，由于构成核苷酸单元的戊糖和磷酸基是相同的，体现核苷酸差别的实际上只是它所带的碱基，所以多聚核苷酸链结构也可表示为右图所示。在讨论有关核酸问题时，一般只关心其中碱基的种类和顺序，所以上式可以进一步简化为：5′PAPCPGPCPTPGPTPA3′或5′ACGCTGTA3′（1）与核酸结构研究有关的工具酶作用于核酸的磷酸二酯键酶称为核酸酶。分为：DNA酶和RNA酶核酸外切酶：核酸外切酶作用于核酸链的一端，逐个水解下核苷酸。核酸内切酶：核酸内切酶特异地水解多核苷酸内部的键，它们是特异性较强的磷酸二酯酶。I.核糖核酸酶牛胰核糖核酸酶：RNaseA或RNaseI，内切酶；作用于嘧啶核苷-3′-磷酸与其它核苷酸之间的连键，生成3′-嘧啶核苷酸或以之结尾的寡核苷酸。核糖核酸酶T1：RNaseT1，内切酶；作用于鸟嘌呤核苷-3′-磷酸与其它核苷酸之间的连键，生成3′-鸟苷酸核苷酸或以之结尾的寡核苷酸。II.脱氧核糖核酸酶牛胰脱氧核糖核酸酶：DNaseI，无碱基专一性；牛脾脱氧核糖核酸酶：DNaseII,无碱基专一性；限制性核酸内切酶：在细菌细胞内存在一类能识别并水解外源双链DNA的核酸内切酶。Palindrome：回文结构；反向重复序列Mirrorrepeat：镜像重复序列较为重要的限制酶：PP5'3'3'5'PP5'3'P5'3'ACGT第2章核酸14限制酶EcoRI识别''CTTAAG''GAATTC5335序列，酶切后产生粘性末端''CTTAA''G5335和''G''AATTC5335。（注意名词解释）限制酶HindII识别''CAPuPyTG''GTPyPuAC5335序列，酶切后产生平整末端''CAPu''GTPy5335和''PyTG''PuAC5335非专一性核酸酶：如：蛇毒磷酸二酯酶，牛脾磷酸二酯酶（2）DNA一级结构的测定（化学断裂法；双脱氧法）（3）RNA一级结构的测定（略）二、DNA的二、三级结构双螺旋结构模型的主要依据：（1）X射线衍射数据（2）关于碱基成对的证据（3）电位滴定行为1.DNA双螺旋结构的研究背景：○1已知核酸的化学结构；○2碱基组成分析○3Chargaff规则：[A]=[T][G]≡[C]；[嘌呤碱]=[嘧啶碱]○4DNA纤维的X-射线衍射图谱分析Chargaff：DNA碱基组成具有：○1生物种的特异性；○2无组织/器官特异性；○3不受生长发育、营养状况及环境条件的影响。Chargaff规则：（1）A=T（2）G=C（3）A+C=G+T（4）A+G=C+T2.DNA二级结构—B型双螺旋I.DNA双螺旋结构的特点DNA分子由两条DNA单链组成。DNA的双螺旋结构是分子中两条DNA单链之间基团相互识别和作用的结果。双螺旋结构是DNA二级结构的最基本形式。DNA双螺旋结构的要点（1）DNA分子由两条多聚脱氧核糖核苷酸链(简称DNA单链)组成。两条链沿着同一根轴平行盘绕，形成右手双螺旋结构。螺旋中的两条链方向相反，即其中一条链的方向为5′→3′，而另一条链的方向为3′→5′。（2）嘌呤碱和嘧啶碱基位于螺旋的内侧，磷酸和脱氧核糖基位于螺旋外侧。碱基环平面与螺旋轴垂直，糖基环平面与碱基环平面成90°。（3）螺旋横截面的直径约为2nm，每条链相邻两个碱基平面之间的距离为3.4nm，每10个核苷酸形成一个螺旋，其螺矩（即螺旋旋转一圈）高度为34nm。（4）两条DNA链相互结合以及形成双螺旋的力是链间的碱基对所形成的氢键。碱基的相互结合具有严格的配对规律，即腺嘌呤（A）与胸腺嘧啶（T）结合，鸟嘌呤（G）与胞嘧啶（C）结合，这种配对关系，称为碱基互补。A和T之间形成两个氢键，G与C之间形成三个氢键。在DNA分子中，嘌呤碱基的总数与嘧啶碱基的总数相等。II．DNA双螺旋的稳定性DNA双螺旋结构在生理条件下是很稳定的。维持这种稳定性的因素包括：两条DNA链之间形成的氢键；由于双螺旋结构内部形成的疏水区，消除了介质中水分子对碱基之间氢键的影响；介质中的阳离子（如Na+、K+和Mg2+）中和了磷酸基团的负电荷，降低了DNA链之间的排斥力、范德华引力等。改变介质条件和环境温度，将影响双螺旋的稳定性。DNA双螺旋的种类：B-DNA：相对湿度为92％的DNA钠盐。A-DNA：相对湿度为75％的钠盐，它的碱基平面倾斜了20°，螺距和每一转的碱基对数目都有变化。C-DNA：DNA的锂盐在相对湿度44~46%下为另一种结构类型，称C-DNA，其螺距为3.09nm，每转螺旋含9.33个碱基对，碱基对倾斜6°。说明：C-DNA可能是特定条件下B-DNA和A-DNA转换的中间物。Z-DNA：左手螺旋，直径约1.8nm，螺距4.5nm，螺旋的每一转含12个碱基对；整个分子比较细长而伸展。Z-DNA的碱基对偏离中心轴并靠近螺旋外侧，螺旋的表面只有小沟，没有大沟。说明：①天然DNA中确有一些片段处于左手螺旋状态，而且执行着某种细胞功能。②B-DNA与Z-DNA的相互转换可能与基因的调控有关。D-DNA：DNA中A/T序列交替的区域每个螺旋仅含8个碱基对，螺距为2.43nm，碱基平面倾斜16°，称D-DNA。噬菌体T2的DNA在相对湿度95%以上时呈B型，随着相对湿度降低，每个螺旋的碱基对数减少，直到相对湿度达60%时，每个螺旋由8个碱基对组成，结构类似D-DNA。DNA的三级结构：DNA的双螺旋进一步扭曲即构成三级结构。包括：开环双链DNA；发夹结构；环状DNA。在生物体内，绝大多数双链环状DNA（dcDNA）可进一步扭曲成超螺旋。超螺旋DNA具有更为致密的结构，可以将很长的DNA分子压缩在一个较小的体积内。发夹结构如序列5'TGCGATACTCATCGCA3'，形成互补的茎环结构，对于双链DNA，还能同时形成十字结构。Py-Pyrimidine(嘧啶碱基)Pu-Purine(嘌呤碱基)第2章核酸15三、RNA的二、三级结构天然RNA分子是一条单链，其许多区域自身发生回折，使可以配对的一些碱基相遇，而由A与U，G与C之间的氢键连接起来，构成如DNA那样的双螺旋；不能配