生物化學(xué)：第二章 核酸的結(jié)構(gòu)與功能

1、1 絢麗多彩的生物世界是怎么產(chǎn)生的？絢麗多彩的生物世界是怎么產(chǎn)生的？成千上萬種不同性狀和習(xí)性生物間有什成千上萬種不同性狀和習(xí)性生物間有什么關(guān)系？這是自古以來，人們追問的問么關(guān)系？這是自古以來，人們追問的問題。題。 DNA DNA2第第 二二 章章核酸的結(jié)構(gòu)和功能核酸的結(jié)構(gòu)和功能3以以核苷酸核苷酸為基本組成單位為基本組成單位生物大分子生物大分子儲(chǔ)存、攜帶和傳遞儲(chǔ)存、攜帶和傳遞遺傳信息遺傳信息核酸核酸( (nucleic acid)nucleic acid)4脫氧核糖核酸脫氧核糖核酸/ /DNADNA(deoxyribonucleic acid,)(deoxyribonucleic acid,)核

2、糖核酸核糖核酸/ /RNARNA(ribonucleic (ribonucleic acid,)acid,)細(xì)胞核、線粒體、葉綠體細(xì)胞核、線粒體、葉綠體質(zhì)粒等質(zhì)粒等胞液、胞核胞液、胞核遺傳信息、決定基因型遺傳信息、決定基因型DNADNA遺傳信息的表達(dá)遺傳信息的表達(dá)l核酸的分類核酸的分類、分布分布及作用：及作用： 5第第 一一 節(jié)節(jié)核酸的化學(xué)組成及其一級(jí)結(jié)構(gòu)核酸的化學(xué)組成及其一級(jí)結(jié)構(gòu)The Chemical Component and Primary The Chemical Component and Primary Structure of Nucleic AcidStructure of

3、Nucleic Acid6l元素組成元素組成: :C、H、O、N、P（9%10%）l分子組成分子組成三部分三部分堿基堿基(base)：嘌呤堿，嘧啶堿嘌呤堿，嘧啶堿戊糖戊糖(ribose)：核糖，脫氧核糖核糖，脫氧核糖磷酸磷酸(phosphate)一、核苷酸是構(gòu)成核酸的基本組成單位一、核苷酸是構(gòu)成核酸的基本組成單位7（一）堿（一）堿 基基嘌呤嘌呤( (purinepurine) ) 2 2種種 嘧啶嘧啶( (pyrimidinepyrimidine) ) 3 3種種堿基的說明：堿基的說明：8（二）（二）2 2種戊糖種戊糖（RNA成分）成分）核糖核糖(ribose)（DNA成分）成分）1 1 2

4、2 3 3 4 4 5 5 OHOCH2OHOHOHOHOCH2OHOH脫氧核糖脫氧核糖(deoxyribose)原子編號(hào)：原子編號(hào)：1 1 、229核苷核苷脫氧核苷脫氧核苷（三）核苷（三）核苷( (ribonucleosideribonucleoside) )堿基堿基種類及名稱：種類及名稱：核苷核苷嘌呤嘌呤9 9位位N/N/嘧啶嘧啶1 1位位N N與糖與糖1 1 C C形成形成糖苷鍵糖苷鍵1 1O ON NN NN NH H2 21 1 O OH HO OCHCH2 2O OH HO OH H核糖核糖10（四）（四） 核苷酸核苷酸( (ribonucleotideribonucleotide

5、) )O ON NN NN NH H2 2O OCHCH2 2O OH HO OH HP PO OO OO OH HO OH Hl結(jié)構(gòu)舉例結(jié)構(gòu)舉例核苷核苷/ /脫氧核苷脫氧核苷磷酸酯鍵磷酸酯鍵l核苷酸核苷酸的結(jié)構(gòu)：的結(jié)構(gòu)：磷酸磷酸11l核苷酸核苷酸種類和名稱：種類和名稱：常見堿基部分可為常見堿基部分可為5 5種堿基的一種種堿基的一種核糖部分可為核糖或脫氧核糖核糖部分可為核糖或脫氧核糖酸的部分可為一磷酸、二磷酸、三磷酸酸的部分可為一磷酸、二磷酸、三磷酸或環(huán)磷酸中的一種或環(huán)磷酸中的一種根據(jù)三個(gè)根據(jù)三個(gè)組成部分組成部分12l核苷酸核苷酸的主要功能：的主要功能：核苷核苷三三磷酸磷酸是合成核酸是合成核酸

6、原料原料，又能提供，又能提供能量能量。核苷核苷二二磷酸磷酸活化中間代謝物活化中間代謝物,如如UDP-葡萄糖等。葡萄糖等。核苷核苷一一磷酸磷酸是是核酸的組分核酸的組分,還是一些還是一些輔酶的成分輔酶的成分。核苷核苷環(huán)環(huán)磷酸磷酸在在細(xì)胞信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)細(xì)胞信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)中起重要作用。中起重要作用。13 RNA DNA 磷酸磷酸 磷酸磷酸 磷酸磷酸 戊糖戊糖 D-核糖核糖 D-2-脫氧核糖脫氧核糖 嘌呤堿嘌呤堿 腺腺(A)、鳥、鳥 (G) 腺腺(A)、鳥、鳥 (G) 嘧啶堿嘧啶堿 胞胞(C)、尿尿 (U) 胞胞(C)、胸腺胸腺 (T) 14 RNA DNA AMPGMPCMPUMP dAMPdGMPdCMPdTM

7、P15二、二、DNA是脫氧核苷酸通過是脫氧核苷酸通過3,5-磷酸二酯磷酸二酯鍵連接形成的大分子鍵連接形成的大分子多個(gè)脫氧核苷酸通過磷酸二多個(gè)脫氧核苷酸通過磷酸二酯鍵構(gòu)成了具有酯鍵構(gòu)成了具有方向性方向性的線性分的線性分子 ， 稱 為子 ， 稱 為 多 聚 脫 氧 核 苷 酸多 聚 脫 氧 核 苷 酸(polydeoxynucleotide)，即即DNA鏈鏈。一個(gè)脫氧核苷酸一個(gè)脫氧核苷酸3 3 的的羥基羥基與另一個(gè)核苷酸與另一個(gè)核苷酸5 5 的的 - - 磷 酸磷 酸 基 團(tuán) 縮 合 形 成基 團(tuán) 縮 合 形 成 磷 酸 二 酯 鍵磷 酸 二 酯 鍵(phosphodiester bond)。16

8、三、三、RNA也是具有也是具有3,5-磷酸二酯鍵磷酸二酯鍵的線性大分子的線性大分子 RNA也是多個(gè)核苷酸分子通過酯化反應(yīng)形也是多個(gè)核苷酸分子通過酯化反應(yīng)形成的線性大分子，并且具有方向性成的線性大分子，并且具有方向性； RNA的戊糖是核糖；的戊糖是核糖； RNA的嘧啶是胞嘧啶和尿嘧啶。的嘧啶是胞嘧啶和尿嘧啶。17核酸中核苷酸的核酸中核苷酸的排列順序排列順序/ /堿基序列。堿基序列。l連接鍵：連接鍵：3 3 ，5 5 磷酸二酯鍵磷酸二酯鍵l方向性：方向性： 5 5 33 l定義定義：四、核酸的一級(jí)結(jié)構(gòu)是核苷酸的排列順序四、核酸的一級(jí)結(jié)構(gòu)是核苷酸的排列順序18A G P5 P T PG PC PT

9、P OH 3 l書寫方法書寫方法5 pApCpTpGpCpT-OH 3 5 A C T G C T 3 簡化：簡化：再簡化：再簡化：19l核酸分子大小表示法：核酸分子大小表示法：堿基數(shù)目表示堿基數(shù)目表示 basebase、 kilobasekilobase、用于單鏈用于單鏈DNADNA或或RNARNA堿基對(duì)數(shù)目堿基對(duì)數(shù)目 base base pair(bppair(bp), ), kilobasekilobase pair(kbppair(kbp) )用于用于雙鏈雙鏈DNADNA或或RNARNA小的核酸片斷（小于小的核酸片斷（小于5050bpbp）稱寡核苷酸稱寡核苷酸20l DNADNA一級(jí)結(jié)

10、構(gòu)的意義：一級(jí)結(jié)構(gòu)的意義： 編碼生命的遺傳信息編碼生命的遺傳信息 簡單而又完美四個(gè)字簡單而又完美四個(gè)字“A A 、 G G 、C C 、T”T”！驚嘆：驚嘆：具有強(qiáng)大編碼能力具有強(qiáng)大編碼能力 DNADNA計(jì)算機(jī)計(jì)算機(jī)神奇：神奇： 演化整個(gè)生物界演化整個(gè)生物界 生命語言生命語言蛋白質(zhì)一級(jí)結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)一級(jí)結(jié)構(gòu)DNADNA一級(jí)結(jié)構(gòu)一級(jí)結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)二進(jìn)制計(jì)算機(jī)二進(jìn)制編碼符號(hào)編碼符號(hào)2020種氨基酸種氨基酸A/G/C/TA/G/C/T0/10/1語言語言蛋白質(zhì)語言蛋白質(zhì)語言核酸語言核酸語言智能語言智能語言21第第 二二 節(jié)節(jié)DNADNA的空間結(jié)構(gòu)與功能的空間結(jié)構(gòu)與功能Dimensional Structur

11、e and Function of DNADimensional Structure and Function of DNA2219621962 Nobel Prize in Nobel Prize in Physiology or MedicinePhysiology or Medicine一、一、DNADNA的二級(jí)結(jié)構(gòu)的二級(jí)結(jié)構(gòu)double helix23（一）（一）DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的研究背景雙螺旋結(jié)構(gòu)的研究背景 Chargaff Chargaff 規(guī)則的堿基組成分析規(guī)則的堿基組成分析 DNADNA纖維的纖維的X-X-線衍射圖譜分析線衍射圖譜分析 （19511951） A A = = T

12、T ； G G = =C C 血紅蛋白多肽鏈為血紅蛋白多肽鏈為 螺旋鏈的發(fā)現(xiàn)螺旋鏈的發(fā)現(xiàn) （19511951）背景知識(shí)：背景知識(shí)：24爭論焦點(diǎn)：爭論焦點(diǎn)：DNADNA是雙螺旋、三螺旋，還是四螺旋呢？是雙螺旋、三螺旋，還是四螺旋呢？磷酸與戊糖組成的骨架處在外側(cè)，還是磷酸與戊糖組成的骨架處在外側(cè)，還是在內(nèi)側(cè)呢？在內(nèi)側(cè)呢？堿基配對(duì)堿基配對(duì):A-A :A-A 、T-T T-T ，還是，還是A-TA-T呢？呢？25 堿基的理化數(shù)據(jù)分析（堿基的理化數(shù)據(jù)分析（19521952）A-TA-T、G-CG-C以以氫鍵氫鍵配對(duì)較合理配對(duì)較合理研究方法：研究方法： 拼圖法（象拼圖法（象“搭積木搭積木”游戲一樣）游戲一

13、樣）26（二）l先分析結(jié)構(gòu)圖先分析結(jié)構(gòu)圖l要點(diǎn)小結(jié)：要點(diǎn)小結(jié)： 19531953年年4 4月月2525日日NatureNature雜志發(fā)表了雜志發(fā)表了WatsonWatson與與CrickCrick的的DNADNA雙螺旋結(jié)構(gòu)假說的短文雙螺旋結(jié)構(gòu)假說的短文 27（ 研究意義研究意義 DNADNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型完美地說明了雙螺旋結(jié)構(gòu)模型完美地說明了遺傳物質(zhì)的遺遺傳物質(zhì)的遺傳、生化和結(jié)構(gòu)的主要特征傳、生化和結(jié)構(gòu)的主要特征，它的提出是生物學(xué)史，它的提出是生物學(xué)史上劃時(shí)代的事件。從此，上劃時(shí)代的事件。從此，遺傳學(xué)遺傳學(xué)的歷史和的歷史和生物學(xué)生物學(xué)的的歷史正式從細(xì)胞階段進(jìn)入了分子階段。歷史正式從細(xì)胞階段進(jìn)

14、入了分子階段。28l超螺旋結(jié)構(gòu)超螺旋結(jié)構(gòu)l意義意義: :DNADNA雙螺旋鏈雙螺旋鏈再盤再盤繞繞即形成超螺旋結(jié)即形成超螺旋結(jié)構(gòu)構(gòu) DNADNA超螺旋結(jié)構(gòu)整體或局部的拓?fù)鋵W(xué)超螺旋結(jié)構(gòu)整體或局部的拓?fù)鋵W(xué)變化及其調(diào)控對(duì)于變化及其調(diào)控對(duì)于DNADNA復(fù)制和復(fù)制和RNARNA轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)錄過程具有關(guān)鍵作用。錄過程具有關(guān)鍵作用。 二、二、DNA的高級(jí)結(jié)構(gòu)是超螺旋結(jié)構(gòu)的高級(jí)結(jié)構(gòu)是超螺旋結(jié)構(gòu)29大多原核生物的大多原核生物的DNADNA是共價(jià)封閉的是共價(jià)封閉的環(huán)形環(huán)形DNADNA雙螺旋雙螺旋，在細(xì)胞內(nèi)進(jìn)一步盤繞成類核在細(xì)胞內(nèi)進(jìn)一步盤繞成類核。環(huán)狀和超螺旋環(huán)狀和超螺旋DNA結(jié)構(gòu)示意圖結(jié)構(gòu)示意圖（一）原核生物（一）原核生物

15、DNA的環(huán)狀超螺旋結(jié)構(gòu)的環(huán)狀超螺旋結(jié)構(gòu)30 研究表明：研究表明：DNADNA若完全展開的話，有將近若完全展開的話，有將近2 2米，米，而細(xì)胞的尺寸是微米級(jí)的。那么而細(xì)胞的尺寸是微米級(jí)的。那么DNADNA是如何存在于是如何存在于細(xì)胞內(nèi)部的呢？細(xì)胞內(nèi)部的呢？ （二）真核生物（二）真核生物DNA的高度有序和高度致密的高度有序和高度致密的結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)31l核小體核小體由由DNA和和蛋白質(zhì)蛋白質(zhì)構(gòu)成構(gòu)成是真核生物是真核生物染色質(zhì)的基本單位染色質(zhì)的基本單位32l核小體的折疊及染色體組裝核小體的折疊及染色體組裝2nm 11nm30nm300nm1400nm700nm逐級(jí)盤曲折疊逐級(jí)盤曲折疊33DNADNA壓縮

16、了壓縮了800080001000010000倍倍核小體核小體螺線管螺線管染色質(zhì)纖維染色質(zhì)纖維超螺線管超螺線管34三、三、DNADNA的功能的功能是是DNADNA分子中特定區(qū)段核苷酸的排列順序，分子中特定區(qū)段核苷酸的排列順序，即即堿基序列堿基序列信息，它決定了基因的功能。信息，它決定了基因的功能。 l基因：基因：l基因組：基因組： 一個(gè)遺傳體系所有一個(gè)遺傳體系所有基因總和基因總和的一整套的一整套遺傳信息。遺傳信息。l以以基因基因的形式儲(chǔ)存、攜帶和傳遞遺傳信息。的形式儲(chǔ)存、攜帶和傳遞遺傳信息。35第三節(jié)第三節(jié) RNARNA的結(jié)構(gòu)與功能的結(jié)構(gòu)與功能Structure and Function of

17、RNAStructure and Function of RNA36n RNA特點(diǎn)：特點(diǎn)：n RNA種類、分布、功能：種類、分布、功能：375 3 AUGUAAUGUAA A密碼子密碼子編碼區(qū)編碼區(qū)5 5 非翻譯區(qū)非翻譯區(qū)3 非翻譯區(qū)非翻譯區(qū)m7GpppAAAAn帽子結(jié)構(gòu)帽子結(jié)構(gòu)多聚多聚A尾尾1.哺乳類動(dòng)物哺乳類動(dòng)物mRNA結(jié)構(gòu)示意圖：結(jié)構(gòu)示意圖：一、一、mRNA是蛋白質(zhì)合成中的模板是蛋白質(zhì)合成中的模板382.真核細(xì)胞真核細(xì)胞mRNA結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：5 5 帽子結(jié)構(gòu)帽子結(jié)構(gòu)：m7Gpppm2Npm2Np3 3 末端末端多聚多聚A A尾尾polyA編碼區(qū)編碼區(qū)hnRNA剪掉內(nèi)剪掉內(nèi)含子，含子

18、，外顯子拼接。外顯子拼接。393. mRNA的功能的功能 把把DNA的的遺傳信息遺傳信息，轉(zhuǎn)錄成，轉(zhuǎn)錄成mRNA的的密碼密碼、指導(dǎo)蛋白質(zhì)合成的指導(dǎo)蛋白質(zhì)合成的氨基酸排列順序氨基酸排列順序。DNA（遺傳信息）（遺傳信息）轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)錄mRNA（密碼載體）（密碼載體）翻譯翻譯蛋白質(zhì)蛋白質(zhì)(氨基酸序列氨基酸序列)401. tRNA的二級(jí)結(jié)構(gòu)的二級(jí)結(jié)構(gòu)三葉草形三葉草形2. tRNA的三級(jí)結(jié)構(gòu)的三級(jí)結(jié)構(gòu) 倒倒L形形二、二、tRNA是蛋白質(zhì)合成中的氨基酸載體是蛋白質(zhì)合成中的氨基酸載體413.tRNA的功能：的功能：把把活化的活化的aaaa搬運(yùn)到搬運(yùn)到核糖體核糖體，tRNA的的反密碼子反密碼子與與mRNA的的密碼

19、子密碼子特特異性結(jié)合，使異性結(jié)合，使氨基酸對(duì)號(hào)入座氨基酸對(duì)號(hào)入座。 mRNA3 5 3 2 1 3 aa5 氨基酰氨基酰-tRNA421.1.rRNA的結(jié)構(gòu)：的結(jié)構(gòu)：參與組成核蛋白體，參與組成核蛋白體，為為蛋白質(zhì)生物合成的場所蛋白質(zhì)生物合成的場所。2.2.rRNA的種類：的種類：3.3.rRNA的功能：的功能：多個(gè)莖環(huán)結(jié)構(gòu)組成多個(gè)莖環(huán)結(jié)構(gòu)組成三、以三、以rRNA為組分的核蛋白體是蛋白為組分的核蛋白體是蛋白 質(zhì)合成的場所質(zhì)合成的場所43局部雙鏈局部雙鏈tRNArRNAmRNA三葉草形、倒三葉草形、倒L L形形含稀有堿基多含稀有堿基多反密碼子反密碼子CCACCAOH 3OH 3呈花狀呈花狀55m

20、m7 7GpppNGpppNm m、3 3 polyApolyA編碼序列編碼序列單鏈單鏈局部雙鏈局部雙鏈結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)蛋白質(zhì)合成的模板蛋白質(zhì)合成的模板搬運(yùn)活化的搬運(yùn)活化的aaaa到核糖體到核糖體組成核蛋白體組成核蛋白體分子大小不一分子大小不一, ,量量10% 80% 80%, ,穩(wěn)定穩(wěn)定三種三種RNA內(nèi)容小結(jié)內(nèi)容小結(jié)功功能能44細(xì)胞的不同部位存在的其他種類的小分子細(xì)胞的不同部位存在的其他種類的小分子RNARNA，統(tǒng)稱為，統(tǒng)稱為非非mRNA小小RNA/snmRNAs.lsnmRNAs核內(nèi)小核內(nèi)小RNA、核仁小、核仁小RNA胞質(zhì)小胞質(zhì)小RNA、催化性小、催化性小RNA小片段干擾小片段干擾RNA micr

21、oRNA lsnmRNAs的種類的種類: :四、四、snmRNA參與了基因表達(dá)的調(diào)控參與了基因表達(dá)的調(diào)控45l snmRNAs的功能的功能: :參與參與hnRNA和和rRNA的加工、轉(zhuǎn)運(yùn)及表達(dá)調(diào)控。的加工、轉(zhuǎn)運(yùn)及表達(dá)調(diào)控。某些小某些小RNA分子具有催化特定分子具有催化特定RNA降解的活性，降解的活性，這 種 具 有 催 化 作 用 的 小這 種 具 有 催 化 作 用 的 小 R N AR N A 亦 被 稱 為亦 被 稱 為 核 酶核 酶(ribozyme)或催化性或催化性RNA(catalytic RNA)。 n 核酶核酶: :46研究細(xì)胞中研究細(xì)胞中snmRNAs的種類、結(jié)構(gòu)和功能。的種類、結(jié)構(gòu)和功能。同一生物體內(nèi)不同種類的細(xì)胞、同一細(xì)胞在不同一生物體內(nèi)不同種類的細(xì)胞、同一細(xì)胞在不同時(shí)間、不同狀態(tài)下同時(shí)間、不同狀態(tài)下snmRNAs的表達(dá)具有時(shí)間的表達(dá)具有時(shí)間和空間特異性。和空間特異性。 l RNA組學(xué)組學(xué)47The Physical and Chemical Characters of The Physical and Chemical Characters of Nucleic AcidNucleic Acid第第 四四 節(jié)節(jié)核核 酸酸 的的 理理 化化 性性 質(zhì)質(zhì)48lDNA變性的圖示：變性的圖示：理化因素，理化因素，DNADNA