生物化学第四章核酸结构的功能

核酸的发现及研究简史核酸的发现早期研究DNA双螺旋结构的建立生物技术人类基因组计划第四章核酸结构与功能核酸是以核苷酸为基本组成单位的生物大分子，携带和传递遗传信息。什么是核酸(nucleicacid)天然存在的核酸可分为核糖核酸(RNA)和脱氧核糖核酸(DNA)两大类。DNA:是遗传信息的载体，与生物的繁殖、遗传及变异有密切的关系。RNA:RNA的功能主要是参与体内蛋白质生物合成过程。生命的遗传物质T2噬菌体侵染细菌的实验所有生物的遗传物质都是DNA吗？细胞生物真核生物原核生物DNA病毒RNA病毒遗传物质是DNA遗传物质是RNA，如HIV、SARS病毒、禽流感病毒除RNA病毒外，其它生物的遗传物质都是DNA。除病毒外，其它生物细胞内都含有两种核酸（同时含有DNA与RNA）。非细胞生物（含两种核酸）（只含一种核酸）核酸的分布真核生物主要分布于细胞核，少数分布于线粒体，叶绿体；原核生物分布于拟核。主要分布于细胞质。(deoxyribonucleicacid,DNA)(ribonucleicacid,RNA)脱氧核糖核酸核糖核酸携带遗传信息，决定细胞和个体的基因型(genotype)。参与细胞内DNA遗传信息的表达。某些病毒RNA也可作为遗传信息的载体。大部分病毒体内只含有一种核酸，DNA或RNA核酸的生物功能1.DNA是遗传信息的载体；2.RNA具有多种功能：1）参与蛋白质的合成；2）作用于RNA转录后加工和修饰；3）基因表达与细胞功能调节；4）生物催化与其它细胞持家功能；5）遗传物质信息的加工和进化。第一节核酸的化学组成(TheChemicalComponentofNucleicAcid)一、化学组成(一)元素组成组成核酸的主要元素：C、H、O、N、P（9%~10%）(二)基本组成单位——核苷酸RNA和DNA都是以单核苷酸为基本单位所组成的多核苷酸长链。核苷酸结构2.戊糖(ribose)核糖，脱氧核糖3.磷酸(phosphate)1.碱基(base)嘌呤碱，嘧啶碱稀有碱基：如次黄嘌呤、二氢尿嘧啶等。(三)分子组成核酸的水解产物磷酸核苷戊糖含氮碱核糖脱氧核糖嘌呤碱嘧啶碱核酸核苷酸脱氧核糖碱基磷酸A腺嘌呤G鸟嘌呤C胞嘧啶T胸腺嘧啶脱氧核苷酸核糖碱基磷酸A腺嘌呤G鸟嘌呤C胞嘧啶U尿嘧啶核糖核苷酸AGCTAGCU4种4种(1)嘌呤(purine)腺嘌呤(adenine,A)鸟嘌呤(guanine,G)1.碱基NNNHN123456789NNNHNNH2NNHNHNNH2O(2)嘧啶(pyrimidine)胞嘧啶(cytosine,C)胸腺嘧啶(thymine,T)NHN132456尿嘧啶(uracil,U)NHNHOONNHNH2ONHNHOOCH32.戊糖（构成RNA）1´2´3´4´5´核糖(ribose)（构成DNA）脱氧核糖(deoxyribose)OHOCH2OHOHOHOHOCH2OHOH3.磷酸二、基本单位——核苷酸(一)核苷(ribonucleoside)1.含氮碱基和戊糖通过糖苷键（C-N键）连接形成的糖苷。2.核苷表示核苷：A,G,C,U脱氧核苷：dA,dG,dC,dT常见的修饰核苷：次黄苷（I）、黄嘌呤核苷（X）等。腺嘌呤核苷NNNN9NH2OOHOHHHHCH2OHH1'2'糖苷键胞嘧啶脱氧核苷1NNONH21'2'OHOHHHHCH2OHH糖苷键糖苷键(二)核苷酸(ribonucleotide)1.是由核苷与磷酸经脱水缩合后生成的磷酸酯类化合物。核苷酸：AMP,GMP,UMP,CMP脱氧核苷酸：dAMP,dGMP,dTMP,dCMP3.核苷酸种类2.由于核苷与磷酸基缩合的位置不同可分别生成：2-核苷酸、3-核苷酸和5-核苷酸。生物体内游离核苷酸多为5-核苷酸，简称核苷一磷酸或核苷酸（在核苷左侧加p表示5-磷酸酯，如pA；右侧则为3’-磷酸酯，如Cp；为2’-磷酸酯，需表明，如Gp2’）。Pi糖苷键OOHOCH2HOHNNNH2O磷酸酯键OPOOOHOHOCH2HOHNNNH2O核糖核苷酸脱氧核糖核苷酸各种单核苷酸均可以磷酸化，产生相应的二磷酸或三磷酸化合物。得到的各种核苷三磷酸如ATP、CTP、GTP、UTP是体内RNA合成的直接原料，各种脱氧核苷三磷酸为DNA合成的原料；在生物体的能量代谢中发挥作用。(三)重要的游离核苷酸及其衍生物1.多磷酸核苷酸NDP，NTP2.环化核苷酸cAMP，cGMPATPNOCH2OOHOHNNNNH2POOHOPOOHOPOOHOH功能：第二信使，激素、一些药物、神经递质通过其发挥生理作用。3.辅酶类核苷酸NAD+（烟酰胺腺嘌呤二核苷酸，CoⅠ）NADP+（烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸，CoⅡ）FMN（黄素单核苷酸）FAD（黄素腺嘌呤二核苷酸）5´端3´端(四)核苷酸的连接1.核苷酸之间以3’,5’-磷酸二酯键连接形成多核苷酸链。CANH2NNOPOHHOOOH3COOHPHOOOH3COOHNH2NNNN磷酸二酯键AGP5PTPGPCPTPOH32.书写方法5pApGpTpGpCpT-OH35AGTGCT3线条式字母式第二节DNA的结构与功能(StructureandFunctionofDNA)一、核酸的一级结构(一)定义各核苷酸残基沿多核苷酸链排列的顺序。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。DNA:A、T、G、CRNA:A、U、G、C简写式表示核酸的一级结构5pApCpGpTpA-OH35ACGTA3二、DNA的空间结构与功能(一)DNA的二级结构—双螺旋结构1.定义即DNA双链的螺旋空间结构。Watson,Crick于1953提出。2.研究背景(1)碱基组成分析Chargaff规则：A=TG=C(2)碱基的理化数据分析A-T、G-C以氢键配对较合理[A]=[T][G][C](3)X-线衍射图谱分析3.DNA双螺旋结构模型要点(1)DNA分子是由两条方向相反的平行多核苷酸链构成，两条链的主链都是右手螺旋，螺旋表面有大沟和小沟；(2)碱基均在主链内侧，螺旋直径为2nm；[A]=[T][G][C]这种A-T、C-G配对的规律，称为碱基配对（碱基互补规则）。5/3/5/3/ATCG碱基互补配对(4)双螺旋每转一周有10个碱基对（bp），每转的高度（螺距）为3.4nm；(3)成对碱基大致处于同一平面，与螺旋轴基本垂直；相邻碱基平面间的距离为0.34nm，形成碱基堆积力；糖环平面与螺旋轴基本平行，磷酸基连在糖环的外侧；(5)维持双螺旋稳定的因素：横向为氢键，纵向为碱基间的堆积力。（6）大多数天然DNA属双链DNA；双链DNA分子较硬，呈比较伸展的结构。4.DNA双螺旋结构的多样性Watson和Crick当年提出的DNA双螺旋模型，后来发现其结构可以发生一定的变化而形成不同的类型。当DNA钠盐纤维相对湿度和盐的种类改变时，DNA的构象发生改变。结构特点A-DNAB-DNAZ-DNA螺旋方向右手右手左手每一碱基对旋转角度32.7°34.6°30°每一转的碱基对数～11～10.4～12碱基对相对螺旋轴的倾斜角度19°1.2°9°每一碱基对沿螺旋轴上升的距离0.23nm0.33nm0.38nm螺距2.46nm3.40nm4.56nm螺旋直径2.55nm2.37nm1.84nmA-DNA、B-DNA和Z-DNA的主要结构特点大部分生物体DNA多数为双链线形分子，但有些为双链环形DNA（dcDNA）超螺旋DNA（共价闭环DNA）松弛环形DNA（开环DNA）线形DNA负超螺旋DNA：在DNA旋转酶即拓扑异构酶Ⅱ的作用下，使环形DNA形成4周右手超螺旋，两条链间的扭曲会使双螺旋的圈数减少4周，这种能使双螺旋圈数减少的超螺旋称负超螺旋DNA。解链环形DNA(二)DNA的高级结构超螺旋结构负超螺旋结构生物体内绝大多数螺旋DNA以负超螺旋形式存在；真核细胞染色质和一些病毒的DNA是双螺旋线形分子，双螺旋DNA盘绕组蛋白形成核小体。1.原核生物DNA的超螺旋结构(1)定义即在DNA二级结构的基础上进一步折叠成环状或麻花状的超螺旋结构(superhelix或supercoil)。环状麻花状(3)意义DNA超螺旋结构整体或局部的拓扑学变化及其调控对于DNA复制和RNA转录过程具有关键作用。①正超螺旋(positivesupercoil)盘绕方向与DNA双螺旋方同相同。②负超螺旋(negativesupercoil)盘绕方向与DNA双螺旋方向相反。(2)种类2.真核生物DNA的超螺旋结构①真核生物染色体由DNA和蛋白质构成，其基本单位是核小体。(1)DNA在真核生物细胞核内的组装②核小体的组成DNA：约200bpH1H2A，H2BH3H4组蛋白(三)DNA的功能1.DNA的基本功能是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。它是生命遗传的物质基础，也是个体生命活动的信息基础。2.基因从结构上定义，是指DNA分子中的特定区段，其中的核苷酸排列顺序决定了基因的功能。3.进化程度越高的生物其DNA分子越大，人类基因组有3×109个碱基对。基因：是含特定遗传信息的核苷酸序列（DNA或RNA）是遗传物质的最小功能单位。基因--有遗传效应的DNA片段，是控制生物性状的基本遗传单位。遗传学深入学习范畴RNA的种类较多，主要包括tRNA、rRNA和mRNA三类。RNA的一级结构也是以3’,5’-磷酸二酯键连接成的多核苷酸长链。大多数天然RNA分子是一条单链，但链中的许多区域可自身发生回折，也可以形成局部的碱基配对，构成局部双螺旋区；不能配对的碱基则形成环状突起，形成RNA的二级结构。第三节RNA的结构与功能(StructureandFunctionofRNA)核蛋白体RNA信使RNA转运RNA核内不均一RNA核内小RNA胞浆小RNA细胞核和胞液线粒体功能rRNAmRNAmtrRNAtRNAmtmRNAmttRNAHnRNASnRNASnoRNAscRNA/7SL-RNA核蛋白体组分蛋白质合成模板转运氨基酸成熟mRNA的前体参与hnRNA的剪接、转运rRNA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RNA核蛋白体RNA信使RNA转运RNA核内不均一RNA核内小RNA胞浆小RNA细胞核和胞液线粒体功能rRNAmRNAmtrRNAtRNAmtmRNAmttRNAHnRNASnRNASnoRNAscRNA/7SL-RNA核蛋白体组分蛋白质合成模板转运氨基酸成熟mRNA的前体参与hnRNA的剪接、转运rRNA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RNARNA的种类，分布和功能约占总RNA的3%-5%，含量最少，种类最多，寿命较短。成熟mRNA不含内含子，hnRNA含有（细胞核内合成）。mRNA从DNA转录遗传信息，并作为蛋白质合成的模板，决定蛋白质的氨基酸顺序。一、mRNA的结构与功能(二)mRNA的功能1.构成遗传密码，传递DNA所携带的遗传信息。2.用连续三个核苷酸作为密码子以决定其合成蛋白质的氨基酸排列顺序。DNAmRNA蛋白转录翻译原核细胞细胞质细胞核DNA内含子外显子转录转录后剪接转运mRNAhnRNA翻译蛋白真核细胞原核细胞mRNA的结构原核细胞mRNA的结构与真核细胞显著不同：无内含子5‘端无帽状结构3‘端不含polyA结构一般为多顺反子结构，即一个mRNA中常含有几个蛋白质信息，能指导几个蛋白质的生物合成，mRNA代谢很快，代谢半衰期一般以秒计，很少达到10min以上。*真核hnRNA→mRNA成熟过程内含子(intron)mRNA外显子(exon)hnRNA*真核mRNA结构特点：单顺反子1.大多数真核mRNA的5´末端均在转录后加上一个7-甲基鸟苷三磷酸，形成帽子结构：m7GpppN。2.大多数真核mRNA的3´末端有一个多聚腺苷酸(polyA)结构，称为多聚A尾。AUGGUG······GCGAGGTGTATTGA······UAAAAAA······An