03.第三章 核酸结构的功能

第三章核酸结构与功能(StructureandFunctionofNucleicAcid)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。一、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。二、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2003年人类基因组计划完成——约3～4万个基因三、核酸的分类及分布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。分布于胞核、胞液。(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。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)分子组成1.碱基(base)嘌呤碱，嘧啶碱2.戊糖(ribose)核糖，脱氧核糖3.磷酸(phosphate)稀有碱基：如次黄嘌呤、二氢尿嘧啶等。(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)OHOCH2OHOHOHOHOCH2OHOH二、基本单位——核苷酸(一)核苷(ribonucleoside)(二)核苷酸(ribonucleotide)1.碱基和核糖(脱氧核糖)通过糖苷键连接形成核苷(脱氧核苷)。2.核苷种类核苷：AR,GR,UR,CR脱氧核苷：dAR,dGR,dTR,dCR1.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）。核苷酸：AMP,GMP,UMP,CMP脱氧核苷酸：dAMP,dGMP,dTMP,dCMP2.核苷酸种类Pi糖苷键OOHOCH2HOHNNNH2O磷酸酯键OPOOOHOHOCH2HOHNNNH2O(三)重要的游离核苷酸及其衍生物1.多磷酸核苷酸NMP，NDP，NTP2.环化核苷酸cAMP，cGMPATPNOCH2OOHOHNNNNH2POOHOPOOHOPOOHOH5´端3´端(四)核苷酸的连接1.核苷酸之间以磷酸二酯键连接形成多核苷酸链，即核酸。CANH2NNOPOHHOOOH3COOHPHOOOH3COOHNH2NNNN磷酸二酯键AGP5PTPGPCPTPOH32.书写方法5pApGpTpGpCpT-OH35AGTGCT3第二节DNA的结构与功能(StructureandFunctionofDNA)一、核酸的一级结构(一)定义核酸中核苷酸的排列顺序。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二、DNA的空间结构与功能(一)DNA的二级结构1.定义即平行反向的右手双螺旋结构。Watson,Crick于1953提出。2.研究背景(1)碱基组成分析Chargaff规则：[A]=[T][G][C](2)碱基的理化数据分析A-T、G-C以氢键配对较合理(3)X-线衍射图谱分析3.DNA双螺旋结构模型要点(1)由两条相互平行但走向相反的脱氧多核苷酸链组成，以右手螺旋方式盘绕中心轴。螺旋直径为2nm，形成大沟及小沟相间。这些沟结构与蛋白质、DNA之间的相互识别有关。5/3/5/3/(2)碱基间距0.34nm，螺旋一圈10对碱基，螺距3.4nm。ATCGHNNNNNHOHNNCH3ONNNNOHHNHNNNOHH(4)糖与磷酸骨架居双螺旋外侧，碱基在内相互形成氢键配对(A=T;GC)。(3)氢键维持横向稳定性，碱基堆积力维持纵向稳定性。4.DNA双螺旋结构的多样性不同类型DNA的结构参数A型－DNAB型－DNAZ型－DNA螺旋旋向右手螺旋右手螺旋左手螺旋螺旋直径2.55nm2.37nm1.84nm每一螺旋的碱基对数目1110.412螺距2.53nm3.54nm4.56nm相邻碱基对之间的垂直间距0.23nm0.34nm0.38nmWatson和Crick当年提出的是理想化的DNA双螺旋模型，后来发现其各项参数均与实际的DNA双螺旋结构有一定差异。(二)DNA的三级结构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2nmDNA(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。第三节RNA的结构与功能(StructureandFunctionofRNA)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RNARNA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根据RNA的功能可分为mRNA、tRNA、rRNA等多种。(一)mRNA结构特点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，同时第一个核苷酸的C´2也是甲基化，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。3.帽子结构和多聚A尾的功能mRNA核内向胞质的转位；mRNA的稳定性维系；翻译起始的调控。一、mRNA的结构与功能7－甲基鸟苷三磷酸帽子结构多聚A尾结构OOCH2OOH+HNNOH2NNCH3OOHH2CO-OPOOPO-OP鸟嘌呤OO-OPOOAAA-OH3/AUGGUG······GCGAGGTGTATTGA······UAAAAAA······Anm7Gpppp5/帽子结构5/非编码区编码区3/非编码区3/多聚A尾(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(一)tRNA的特点1.含10~20%稀有碱基，如DHU、TC。2.3´末端为—CCA-OH；5´末端大多数为G。二、tRNA的结构与功能N,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ONNHNHNNCH3CH3NHNHSONHNHOOHHHHNNNHNNHCH2CHCCH3CH3(二)tRNA的结构氨基酸臂额外环OHACCAGAGGGCCCCCCGCAAGCCGCUCUCGUAUCTΨCCGGGGGGGCAAGmDDGGDDDAACAGUUAAAAψGUUCCDmAACATΨ环DUH环反密码环反密码子1.tRNA的二级结构(1)tRNA的二级结构为平面卷曲的三叶草构型。(2)由单链卷曲形成局部环状双链。(3)反密码环，带有反密码子可破译遗传密码。(4)氨基酸臂，直接结合被活化的氨基酸。2.tRNA的三级结构——倒L形(三)tRNA的功能破译遗传密码；活化、搬运氨基酸到核糖体，参与蛋白质的翻译。X线衍射结构证明，tRNA的共同三级结构为倒L形。(二)rRNA由单链卷曲构成的多茎环结构。三、rRNA的结构与功能(三)rRNA参与组成核糖体的大、小亚基，作为蛋白质生物合成的场所。(一)rRNA占总RNA的80％以上。(四)根据沉降系数，rRNA在原核生物中有5S,23S,16S三种；在真核生物中有5S,28S,5.8S,18S四种。四、小分子核内RNA与RNA组学(一)snmRNAs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)。包括核内小RNA、核仁小RNA、胞质小RNA、催化性小RNA、小片段干涉RNA。参与hnRNA和rRNA的加工和转运。RNA组学是研究细胞中snmRNAs的种类、结构和功能。生物的不同细胞、不同时间、不同状态下snmRNAs的表达具有时间和空间特异性。(二)RNA组学五、核酶(一)具有催化功能的核酸称为核酶。底物部分(二)核酶的锤头状结构通常为60个核苷酸组成，包括有催化部分和底物部分组成锤头结构。(三)核酶研究的意义核酶的发现，对中心法则作了重要补充；是对传统酶学的挑战；利用核酶的结构设计合成人工核酶。核酸是含磷酸和碱基的两性电解质，通常表现为较强的酸性。可用电泳和离子交换分离纯化核酸。在碱性条件下，RNA不稳定，可在室温下水解。利用这个性质可以测定RNA的碱基组成，也可清除DNA溶液中混杂的RNA。核酸是线性的大分子，其在溶液中的粘度很高。RNA分子比DNA短，在溶液中的粘度低于DNA。第四节核酸的理化性质(ThePhysicalandChemicalCharactersofNucleicAcid)一、核酸的一般性质二、紫外吸收(一)由于嘌呤和嘧啶中含有共轭双键，核酸在260nm处有最大吸收峰。碱基的紫外光谱240250260270280波长(nm)2000400060008000100001200014000分子消光系数AMPGMPUMPCMPdTMP1.DNA或RNA的定量OD260=1.0相当于：50μg/ml双链DNA40μg/ml单链DNA（或RNA）20μg/ml寡核苷酸2.判断核酸样品的纯度DNA纯品:OD260/OD280=1.8RNA纯品:OD260/OD280=2.0(二)OD260的应用三、DNA的变性与复性(一)变性(denaturation)1.定义在某些理化因素作用下，DNA双