核酸的结构与功能.

第二章核酸的结构与功能（Nucleicacid）生命体中两种关键大分子DNA蛋白质内容纲要核酸的种类与分子组成DNA的一级结构、二级结构及组装RNA的种类、结构与功能核酸的理化性质核酸具有催化活性真核生物基因组的特点人类基因组计划一、核酸的发现和研究工作进展1868年FridrichMiescher从脓细胞中提取“核素”1944年Avery等人证实DNA是遗传物质1953年Watson和Crick发现DNA的双螺旋结构1968年Nirenberg发现遗传密码1975年Temin和Baltimore发现逆转录酶1981年Gilbert和Sanger建立DNA测序方法1985年Mullis发明PCR技术1990年美国启动人类基因组计划(HGP)1994年中国人类基因组计划启动2001年美、英等国完成人类基因组计划基本框架二、核酸的种类、分布及功能90%以上分布于细胞核，其余分布于核外如线粒体，叶绿体，质粒等。功能：遗传信息的贮存和携带者分布于胞核、胞液。(deoxyribonucleicacid)(ribonucleicacid)脱氧核糖核酸：DNA核糖核酸：RNA参与遗传信息的表达的各过程。某些病毒RNA也可作为遗传信息的载体。三、核酸的构成：单核苷酸一、核苷酸的组成磷酸、戊糖和碱基第一节核酸的基本组成单位—核苷酸嘌呤(purine)NNNHN123456789NNNHNNH2腺嘌呤(adenine,A)NNHNHNNH2O鸟嘌呤(guanine,G)1.碱基NNH132456嘧啶(pyrimidine)胞嘧啶(cytosine,C)NNHNH2O尿嘧啶(uracil,U)NHNHOO胸腺嘧啶(thymine,T)NHNHOOCH3腺嘌呤(A)鸟嘌呤(G)胞嘧啶(C)胸腺嘧啶(T)DNA尿嘧啶(U)RNA构成DNA的碱基：构成RNA的碱基：腺嘌呤(A)鸟嘌呤(G)胞嘧啶(C)核酸中的部分稀有碱基DNARNA嘌呤7-甲基鸟嘌呤（m7G）N6-甲基腺嘌呤（m6A）N6-甲基腺嘌呤（m6A）N6,N6-二甲基腺嘌呤7-甲基鸟嘌呤嘧啶5-甲基胞嘧啶（m5C）5-甲基胞嘧啶（m5C）5-羟甲基胞嘧啶（hm5C）5-羟甲基胞嘧啶（hm5C）图1-3碱基的互变异构嘌呤和嘧啶碱基都是含氮杂环化合物，分子中的酮基或氨基均位于杂环上氮原子的邻位，受介质中pH的影响，会发生酮式-烯醇式互变异构，或氨基-亚氨基互变异构碱基的紫外吸收性质嘌呤环和嘧啶环中含有共轭双键，因而都有吸收紫外光的性质，吸收高峰在波长260nm左右。在研究核酸、核苷酸、核苷及碱基时，可以此对核酸进行定性及定量分析。另外，紫外线照射可引起DNA突变，也是由于存在于DNA中的核苷酸吸收紫外光所造成的。2.戊糖（构成RNA）1´2´3´4´5´OHOCH2OHOHOH核糖(ribose)（构成DNA）OHOCH2OHOH脱氧核糖(deoxyribose)构成核苷酸的戊糖有两种，DNA分子中含有β-D-2脱氧核糖，RNA分子中的戊糖为β-D-核糖。POOOHOHOCH2OHOHNNNH2OOHOCH2OHOHNNNH2O核苷酸：AMP,GMP,UMP,CMP脱氧核苷酸：dAMP,dGMP,dTMP,dCMP3.核苷酸(ribonucleotide)的组成核苷（脱氧核苷）和磷酸以磷酸酯键连接形成核苷酸（脱氧核苷酸）。体内重要的游离核苷酸及其衍生物含核苷酸的生物活性物质：NAD+、NADP+、CoA-SH、FAD等都含有AMP多磷酸核苷酸：NMP，NDP，NTP环化核苷酸:cAMP，cGMPNOCH2OOHOHNNNNH2POOHOHAMPNOCH2OOHOHNNNNH2POOHOPOOHOHADPNOCH2OOHOHNNNNH2POOHOPOOHOPOOHOHATPNOCH2OOHONNNNH2POOHcAMPNADP+NAD+图1-6不同类型的核苷酸二、核苷酸的连接方式DNA和RNA都是通过核苷酸间的3',5'-磷酸二酯键连接而成，即前一个核苷酸的C3'-OH与下一核苷酸的C5'位磷酸之间脱水形成酯键。核苷酸的连接具有严格的方向性。通过3',5'-磷酸二酯键连接形成的核酸是一个没有分支的线性分子，它们的两个末端分别为5'末端（游离磷酸基）和3'末端（游离羟基），在书写时，方向应该从5'→3'。图1-7核苷酸的连接方式面对DNA双螺旋模型的美国生物学家沃森（左）和英国生物物理学家克里克（右）。第二节DNA的结构DNA化学组成P脱氧核糖含氮碱基脱氧核苷酸的组成成分DNA全称叫脱氧核糖核酸，是主要的遗传物质。它的基本组成单位是脱氧核苷酸。鸟嘌呤（G）腺嘌呤（A）胞嘧啶（C）胸腺嘧啶（T）含氮碱基含氮碱基的种类DNA化学组成DNA化学组成脱氧核苷酸的种类脱氧核糖含氮碱基P思考：脱氧核苷酸应该有几种？正确答案腺嘌呤脱氧核苷酸脱氧核苷酸的种类鸟嘌呤脱氧核苷酸胞嘧啶脱氧核苷酸胸腺嘧啶脱氧核苷酸ATCGOswaldAvery（1877-1955）R型细菌：无毒型肺炎球菌S型细菌：有毒型肺炎球菌肺炎球菌转化实验DNA是遗传的物质基础一、DNA的一级结构组成DNA分子的脱氧核糖核苷酸主要有四种，即脱氧腺苷酸（dAMP）、脱氧鸟苷酸（dGMP）、脱氧胞苷酸（dCMP）和脱氧胸苷酸（dTMP）。DNA分子的一级结构就是这四种脱氧核糖核苷酸的排列顺序，或者四种碱基的顺序。DNA的一级结构：核苷酸的排列序列AAATTTGGGGCCCATC磷酸脱氧核糖含氮碱基碱基对另一碱基对嘌呤和嘧啶之间通过氢键配对，形成碱基对，且A只和T配对、C只和G配对，这种碱基之间的一一对应的关系就叫做碱基互补配对原则。ATGC氢键AAATTTGGGGCCCATC你注意到了吗？两条长链上的脱氧核糖与磷酸交替排列的顺序是稳定不变的。长链中的碱基对的排列顺序是千变万化的。你注意到了吗？两条长链上的脱氧核糖与磷酸交替排列的顺序是稳定不变的。长链中的碱基对的排列顺序是千变万化的。DNA分子的特异性就体现在特定的碱基（对）排列顺序中。DNA的结构模式图从图中可见DNA具有规则的双螺旋空间结构放大二、DNA的二级结构ErwinChargaff（1905－1995）Chargaff’srule：A%＝T%G%＝C%DNA分子X射线衍射照片RosalindFranklinJamesWatson&FrancisCrick2.DNA双螺旋结构模型要点（Watson,Crick,1953）①右手双螺旋。相邻碱基平面距离0.34nm，每10个碱基上升一个螺旋，34nm。螺旋直径2nm。目录目录②脱氧核糖-磷酸为骨架，碱基垂直螺旋轴居双螺旋内側，与对側碱基形成氢键配对，互补配对形式：A=T;GC。③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。④双螺旋的极性：一条链为5’-3’，另一条链为3’-5’碱基互补配对：A=T;GCTAGC碱基互补配对规律是DNA双螺旋结构的精髄！！！！！DNA双螺旋结构示意图（二）DNA二级结构的多样性上述DNA的二级结构特征是以B-DNA为模型。B-DNA是DNA分子在生理条件下最稳定的结构，如果改变溶液的离子强度或相对湿度，DNA螺旋结构的上述特征都会发生变化。图1-10不同类型的DNA双螺旋结构三、DNA的高级结构所有生物的基因组DNA的长度通常比含有DNA的细胞直径大得多。因此，DNA在形成双螺旋结构的基础上，必须进一步折叠成超级螺旋结构，并且在蛋白质的参与下，再进行精密的包装，这样，DNA才能存在于小小的细胞，甚至细胞核中。（二）原核生物DNA的高级结构图1-11环状DNA结构示意图（二）真核生物细胞中DNA的组装在真核细胞内，由于DNA分子较原核细胞大得多，所以它们压缩得更为致密。真核细胞的DNA与蛋白质结合，以染色质（chromatin）或染色体（chromosome）的形式存在于细胞核内。它们的基本结构单位都是核小体（nucleosome）。四、线粒体DNA在真核细胞中，DNA除了存在于细胞核内，还有少量的DNA位于细胞的线粒体（mitochondrion）中，称为线粒体DNA（mitochondrialDNA,mtDNA）。mtDNA与细菌的DNA相似，也是超螺旋双链环状分子，裸露而不与组蛋白结合，分散在线粒体基质的不同区域。第三节RNA的结构与功能RNA的种类、分布、功能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rRNAmRNAmtrRNAtRNAmtmRNAmttRNAHnRNASnRNASnoRNAscRNA/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rRNAmRNAmtrRNAtRNAmtmRNAmttRNAHnRNASnRNASnoRNAscRNA/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与DNA的比较RNADNA碱基A、G、C、UA、G、C、T戊糖β-D-核糖β-D-2脱氧核糖碱基含量A与U的含量不一定相同；G与C的含量也不一定相同A=TG=C碱基互补配对U与A，G与CA与T，G与C分子大小不等，从几十至数千个核苷酸因物种不同而异，但较RNA大得多结构单链，局部互补配对形成双螺旋双链，形成双螺旋结构功能多样，涉及遗传信息表达的各个方面携带遗传信息一、信使RNAmRNA特点：有帽子结构和尾巴；有遗传密码；寿命最短；mRNA功能：蛋白质合成的模板真核生物mRNA的结构特征①5'-端有一个特殊结构：7mG-5'ppp5'-Nm-3'-P，称为帽子结构。②3'-端有一段长约20~250个核苷酸的多聚腺苷酸（polyA），称为多聚A尾巴（polyAtail）③mRNA分子上的每三个核苷酸为一组，构成遗传密码（geneticcode），可以决定多肽链上某一个氨基酸，又称为三联体密码（tripletcode）。④寿命最短。帽子结构二、tRNA转运RNA约占细胞中RNA总量的10%-15%，是分子量最小的一类核酸，由74~95个核苷酸构成。tRNA的功能是转运氨基酸，按照mRNA上的遗传密码的顺序将特定的氨基酸运到核糖体进行蛋白质的合成。二、转运RNA的结构与功能*tRNA的一级结构特点:含10~20%稀有碱基，如DHU3´末端为—CCA-OH5´末端大多数为G具有TC有反密码子tRNA的功能：蛋白质合成原料的转运工具NNHNHNNOCH3CH3NNNHNNHCH2CHCCH3CH3NHNHOOHHHHNHNHSON,N二甲基鸟嘌呤N6-异戊烯腺嘌呤双氢尿嘧啶4-巯尿嘧啶稀有碱基图1-15tRNA的空间结构示意图*tRNA的二级结构——三叶草形氨基酸臂DHU环反密码环额外环TΨC环氨基酸臂额外环*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核糖体RNA（rRNA）是细胞内含量最多的RNA，约占RNA总量的75%~80%。rRNA与蛋白质共同构成核糖体或称为核蛋白体（ribosome），是细胞内蛋白质生物合成的场所。原核生物与真核生物的核糖体均由大亚基和小亚基构成。表1-5原核及真核生物核糖体的组成核糖体亚单位rRNA蛋白质原核生物(70S)小亚基(30S)大亚基(50S)16SrRNA5SrRNA23SrRNA21种31种真核生物(80S)小亚基(40S)大亚基(60S)18SrRNA5.8SrRNA5SrRNA28SrRNA3