Chapter 2 核酸的結構與功能ppt課件

1、第二章 核酸的構造與功能內 容2.1 核酸的種類與分布2.2 核苷酸2.3 DNA的分子構造2.6 核酸的理化性質2.5 RNA的分子構造2.4 核酸與蛋白質的復合體2.1 核酸Nucleic acid的種類與分布n核酸：一種生物大分子；是活細胞中最關鍵的組分，核酸：一種生物大分子；是活細胞中最關鍵的組分，它攜帶著遺傳信息，是遺傳的物質根底；決議蛋白質它攜帶著遺傳信息，是遺傳的物質根底；決議蛋白質和酶的構造，決議每一種生物體的代謝類型和形狀。和酶的構造，決議每一種生物體的代謝類型和形狀。n核酸的發(fā)現(xiàn)：核酸的發(fā)現(xiàn)：n1868年年 F. Miescher從膿細胞中提取從膿細胞中提取“核素核素 ,鮭

2、精頭鮭精頭部分離出部分離出“DNA;n20年后年后 R. Altmann分別到不含蛋白質的核酸，提出分別到不含蛋白質的核酸，提出“核酸這一名詞核酸這一名詞 ;n1910年年A. Kossel及其同事：鑒定核酸中的堿基諾及其同事：鑒定核酸中的堿基諾貝爾獎貝爾獎;n1912年年Levene: 鑒定核酸中的糖及闡明核苷酸的化鑒定核酸中的糖及闡明核苷酸的化學鍵，但其學鍵，但其“四核苷酸假說妨礙核酸研討達四核苷酸假說妨礙核酸研討達30年之年之久久;n1944年年 Avery等人證明等人證明DNA是遺傳物質是遺傳物質;n1953年年 Watson和和Crick發(fā)現(xiàn)發(fā)現(xiàn)DNA的雙螺旋構造的雙螺旋構造;n19

3、66年年 Nirenberg等發(fā)現(xiàn)遺傳密碼。等發(fā)現(xiàn)遺傳密碼。2.1.1 概 述2.1.2 核酸的種類脫氧核糖核酸脫氧核糖核酸Deoxyribonucleic acid, DNADeoxyribonucleic acid, DNA核核酸酸核糖核酸核糖核酸 (RNA, (RNA, Ribonucleic acid)Ribonucleic acid)轉運核糖核酸轉運核糖核酸t(yī)RNAtRNA 10-15%10-15%信使核糖核酸信使核糖核酸mRNAmRNA 35%35%核糖體核糖核酸核糖體核糖核酸rRNArRNA 7585%7585%DNA: 106109 bp (人3.2109 bp )RNA: 幾

4、十幾千 bp 2.1.3 核酸的分布n幾乎一切的生物體包括細菌、病毒內都含有核酸。大多數(shù)生物既含有DNA又含有RNA，在病毒分子中，只含有一種核酸DNA或RNA。真核生物真核生物原核生物原核生物DNA細胞核細胞核98%細胞質少量線粒體少量葉綠體少量類核區(qū)質粒病毒DNARNA細胞質細胞質90%核仁少量細胞質病毒RNA2.2 核苷酸 (nucleotide)核酸的化學組成The Chemical Components of Nucleic Acid2.2.1 核酸的根本組成n根本元素：C、H、O、N、P (910%)n根本單位：核苷酸n核酸的酸解過程：核酸核酸核苷酸核苷酸核苷核苷磷酸磷酸戊糖戊糖堿

5、基堿基2.2.2 堿基嘌呤嘌呤 嘧啶嘧啶 堿基堿基腺嘌呤腺嘌呤A鳥嘌呤鳥嘌呤G胞嘧啶胞嘧啶C胸腺嘧啶胸腺嘧啶T尿嘧啶尿嘧啶UDNA、RNA均有均有DNA有某些有某些RNA中有少量存中有少量存在在RNA有有嘌呤嘌呤腺嘌呤腺嘌呤(6-(6-氨基嘌呤氨基嘌呤) )鳥嘌呤鳥嘌呤2-氨基氨基-6-氧嘌呤氧嘌呤嘧啶嘧啶胸腺嘧啶胸腺嘧啶5-甲基甲基-2，4-二氧嘧啶二氧嘧啶胞胞嘧嘧啶啶2-2-氧氧-4-4-氨基嘧啶氨基嘧啶尿尿嘧嘧啶啶2 2，4-4-二氧嘧啶二氧嘧啶稀稀有有堿堿基基大多甲基化堿基，大多甲基化堿基，tRNA含量豐富含量豐富 (高達高達10)2.2.3 戊糖-D-核糖核糖 -D-脫氧核糖脫氧核糖

6、2.2.4 核苷n堿基和核糖或脫氧核糖經過堿基和核糖或脫氧核糖經過C-N C-N 糖苷糖苷鍵銜接構成核苷或脫氧核苷。鍵銜接構成核苷或脫氧核苷。胞嘧啶核苷尿嘧啶核苷鳥嘌呤核苷腺嘌呤核苷NNOHHONNNH2HONNOHH2NNNNNNNNH2OHHOHHOHHHOCH2HOCH2OHHOHHOHHOHHOHHOHHHOCH2OHHOHHOHHHOCH29111核糖核苷：核糖核苷：AR, GR, CR, UR脫氧核苷：脫氧核苷：dAR, dGR, dCR, dTR2.2.5 核苷酸n核苷脫氧核苷和磷酸以酯鍵銜接構成核苷脫氧核苷和磷酸以酯鍵銜接構成核苷酸脫氧核苷酸。核苷酸脫氧核苷酸。1.1.核苷一磷

7、酸核苷一磷酸 核苷酸：核苷酸：AMP, GMP, UMP, CMPAMP, GMP, UMP, CMP 脫氧核苷酸：脫氧核苷酸：dAMP, dGMP, dTMP, dCMP dAMP, dGMP, dTMP, dCMP 糖苷鍵酯鍵腺苷酸NNNN9NH2OOHOHHHHCH2H12OPO- -HOO5n 2. 2.核苷多磷酸核苷多磷酸5-核苷酸的磷酸基團可與核苷酸的磷酸基團可與另一磷酸分子縮合構成核另一磷酸分子縮合構成核苷二磷酸苷二磷酸 (NDP)，核苷二，核苷二磷酸還可進一步與磷酸縮磷酸還可進一步與磷酸縮合構成核苷三磷酸合構成核苷三磷酸(NTP)。 N=A/U/G/C腺嘌呤腺嘌呤腺苷腺苷同樣，

8、dNDP、dNTP， N=A/T/G/Cn核苷多磷酸的生物學功能核苷多磷酸的生物學功能:nNTP和和dNTP分別是分別是RNA和和DNA的直接前的直接前體。體。nATP分子的最顯著特點是含有兩個高能磷分子的最顯著特點是含有兩個高能磷酸鍵。水解時酸鍵。水解時, ATP可以釋放出大量自在能，可以釋放出大量自在能，推進生物體內各種需能的生化反響。推進生物體內各種需能的生化反響。nUDP、ADP、GDP在多糖合成中，可作在多糖合成中，可作為攜帶葡萄糖基的載體；為攜帶葡萄糖基的載體；CDP在磷脂合成在磷脂合成中可作為攜帶膽堿的載體。中可作為攜帶膽堿的載體。nGTP、CTP、UTP在某些生化反響中也具在某

9、些生化反響中也具有傳送能量的作用。有傳送能量的作用。3. 環(huán)核苷酸環(huán)核苷酸cAMP & cGMP 環(huán)核苷酸是由核苷酸分子中的磷酸與核環(huán)核苷酸是由核苷酸分子中的磷酸與核糖的糖的3,5-二羥基構成磷酸二酯鍵環(huán)化而成。二羥基構成磷酸二酯鍵環(huán)化而成。NNNNNH2OOHOHHHCH2HOPHOOcAMPn環(huán)核苷酸的生物學功能環(huán)核苷酸的生物學功能: cAMP和cGMP是重要的第二信使，許多激素第一信使是經過cAMP而發(fā)揚其功能的。cAMP屬于放大激素作用信號，cGMP屬于減少激素作用信號。cAMP還參與大腸桿菌中DNA轉錄的調控。2.3 DNA的分子構造的分子構造The molecular Struct

10、ure of DNA 一級構造是指核酸分子中核苷酸的陳列順序及銜接方式。一級構造是指核酸分子中核苷酸的陳列順序及銜接方式。 陳列順序：不同的陳列順序：不同的DNA分子具有不同的核苷酸陳列順序，分子具有不同的核苷酸陳列順序，因此攜帶不同的遺傳信息。因此攜帶不同的遺傳信息。 銜接方式：以銜接方式：以3 ,5 -磷酸二酯鍵銜接構成多核苷酸鏈，磷酸二酯鍵銜接構成多核苷酸鏈，即核酸。即核酸。 書寫方法：構造式、線條式、文字式。書寫方法：構造式、線條式、文字式。 5端端3端端(由由左至右左至右)2.3.1 DNA的一級構造線條式線條式文字式文字式構造式構造式經典方法經典方法 Maxam-Gilbert D

11、NA Maxam-Gilbert DNA化學降解法化學降解法(Maxam (Maxam 和和Gilbert, 1977)Gilbert, 1977) Sanger Sanger雙脫氧鏈終止法雙脫氧鏈終止法 (Sanger (Sanger和和Coulson, 1977)Coulson, 1977)nDNA的一級構造測序的一級構造測序 一個末端標志的DNA片段在4組相互獨立的化學反響分別得到部分降解，其中每一組反響特異地針對某一種或某一類堿基。因此生成4組放射性標志的分子，從共同起點放射性標志末端延續(xù)到發(fā)生化學降解的位點。每組混合物中均含有長短不一的DNA分子，其長度取決于該組反響所針對的堿基在原

12、DNA全片段上的位置。以后，經過聚丙烯酰胺凝膠電泳和放射自顯影得到測序圖譜。nDNA化學降解法化學降解法nSanger雙脫氧鏈終止法雙脫氧鏈終止法n在在PCR時分別參與時分別參與ddA, ddT, ddC, ddG相相應于應于4種堿基種堿基nddX的兩個作用：的兩個作用：n可以當作正常堿基參與復制可以當作正常堿基參與復制n一旦鏈入一旦鏈入DNA中，其后就不能再繼續(xù)銜接中，其后就不能再繼續(xù)銜接n電泳電泳n誰終止，堿基就是誰誰終止，堿基就是誰n此方法獲此方法獲1980年年Nobel化學獎化學獎n現(xiàn)有的自動化測序儀根本按此原理設計現(xiàn)有的自動化測序儀根本按此原理設計脫氧核甘酸脫氧核甘酸雙脫氧核甘酸雙脫

13、氧核甘酸制備單鏈模板制備單鏈模板 將單鏈模板與一小段引物退火將單鏈模板與一小段引物退火 參與參與DNA聚合酶聚合酶Klenow+ 4種種dNTP + 引物引物 (分別參與少量分別參與少量4種種ddNTP) 將將4種反響產物分別在種反響產物分別在4條泳道電泳條泳道電泳 根據根據4個堿基在個堿基在4條泳道的終止位置讀出基因序列條泳道的終止位置讀出基因序列 n技術道路與要求技術道路與要求雙脫氧鏈末端終止法測序根本原理雙脫氧鏈末端終止法測序根本原理n雙螺旋模型的主要根據雙螺旋模型的主要根據n雙螺旋模型的要點雙螺旋模型的要點n雙螺旋模型的穩(wěn)定要素雙螺旋模型的穩(wěn)定要素n雙螺旋構造的多樣性雙螺旋構造的多樣性

14、n三鏈三鏈DNADNA2.3.2 DNA的二級構造雙螺旋雙螺旋 (double helix) (double helix)構構造造 James Watson Francis CrickDNA的二級構造secondary structure是指構成DNA的多聚脫氧核苷酸鏈之間經過鏈間氫鍵卷曲而成的構象。1953年，年，Watson-Crick提出雙螺旋構造模型。提出雙螺旋構造模型。 DNA的構造，發(fā)表的構造，發(fā)表于于171卷卷(1953) 737-738頁上頁上的插圖的插圖 DNA雙螺旋構造發(fā)現(xiàn)的故事nJames Watson (生物)nFrancis Crick (物理)nMaurice Wi

15、lkins (物理)nRosalind Franklin (化學)nLinus Pauling (生物化學)：美國加州理工大學 劍橋Cawendish Lab倫敦皇家學院DNA的雙螺旋構造 w 右手螺旋右手螺旋 右手性的定義表示圖。大姆指指向軸向，其他四指由掌根向指尖方向表示螺旋轉動方向。一DNA雙螺旋構造的實驗根據l Chargaff 規(guī)那么：規(guī)那么：l 不同物種的不同物種的DNA堿基組成不同，而同終身物的堿基組成不同，而同終身物的DNA組成是一樣的，即有種屬特異性，無組織特組成是一樣的，即有種屬特異性，無組織特異性；異性；l DNA堿基組成不隨年齡、營養(yǎng)情況和環(huán)境要素而堿基組成不隨年齡、營

16、養(yǎng)情況和環(huán)境要素而改動；改動；l 在同終身物體中在同終身物體中A = T，G = C，即，即A+G=T+C.l 2. Norweger、Furbug研討證明，戊糖糖環(huán)與研討證明，戊糖糖環(huán)與DNA分子縱軸平行，而堿基平面與縱軸垂直。分子縱軸平行，而堿基平面與縱軸垂直。l 3. DNA的的X-線衍射圖譜分析線衍射圖譜分析 Franklin。知的核酸化學數(shù)據：糖-磷酸基在外側，堿基在內側。二 DNA雙螺旋構造模型要點 1. 1. 兩條鏈反向平行，圍繞同兩條鏈反向平行，圍繞同一中心軸構成右手雙螺旋一中心軸構成右手雙螺旋 (double helix)(double helix)，外表有，外表有大溝和小溝

17、。大溝和小溝。2. 2. 磷酸磷酸- -脫氧核糖構成脫氧核糖構成DNADNA的的骨架，位于雙螺旋外側與骨架，位于雙螺旋外側與中軸平行，堿基垂直于螺中軸平行，堿基垂直于螺旋軸而伸入內側。旋軸而伸入內側。堿基平面與縱軸垂直，糖環(huán)平面與縱軸平行堿基平面與縱軸垂直，糖環(huán)平面與縱軸平行3. 雙螺旋直徑雙螺旋直徑2 nm，順軸方，順軸方向每隔向每隔0.34 nm有一個核有一個核苷酸，每圈螺旋含苷酸，每圈螺旋含10個核個核苷酸，相鄰兩個核苷酸間苷酸，相鄰兩個核苷酸間的夾角為的夾角為36, 螺距為螺距為3.4 nm。4. 兩條鏈經過堿基間的氫鍵兩條鏈經過堿基間的氫鍵相連，相連，A對對T有兩個氫鍵，有兩個氫鍵，

18、C對對G有三個氫鍵，這種有三個氫鍵，這種A-T、C-G配對的規(guī)律，配對的規(guī)律，稱為堿基互補規(guī)那么。稱為堿基互補規(guī)那么。堿基互補配對堿基互補配對 堿基對堿基對base pair, bp ：是一對相互匹配的堿基即：是一對相互匹配的堿基即A：T， G：C，A：U相互作用被氫鍵銜接起來。它常被用來衡量相互作用被氫鍵銜接起來。它常被用來衡量DNA和和RNA的長度雖然的長度雖然RNA是單鏈。是單鏈。 配對堿基的氫鍵配對堿基的氫鍵三雙螺旋構造的穩(wěn)定要素1. 堿基堆積力2. 配對堿基構成的氫鍵3. 離子鍵堿基堆積力是最主要的穩(wěn)定要素。堿基堆積力堿基堆積力base stacking forcesbase sta

19、cking forces: : 嘌呤與嘧啶外形扁平，成疏水性，分布于嘌呤與嘧啶外形扁平，成疏水性，分布于雙螺旋構造的內側。大量堿基層層堆積，兩相雙螺旋構造的內側。大量堿基層層堆積，兩相鄰堿基的平面非常貼近，于是使鄰堿基的平面非常貼近，于是使DNADNA雙螺旋構造雙螺旋構造內部構成一個強大的疏水區(qū)，與介質中的水分內部構成一個強大的疏水區(qū)，與介質中的水分隔開，在隔開，在DNADNA分子內部構成疏水中心，中心內幾分子內部構成疏水中心，中心內幾乎沒有游離的水分子，免遭水溶性活性小分子乎沒有游離的水分子，免遭水溶性活性小分子的攻擊，保證堿基在化學上的穩(wěn)定性。的攻擊，保證堿基在化學上的穩(wěn)定性。 堿基堆積力

20、是維持堿基堆積力是維持DNADNA雙螺旋構造穩(wěn)定的主雙螺旋構造穩(wěn)定的主要作用力。要作用力?；パa堿基之間的氫鍵：互補堿基之間的氫鍵：G-CG-C間有間有3 3個氫鍵，個氫鍵，A-TA-T之間僅有之間僅有2 2個氫鍵個氫鍵, , 故前者較穩(wěn)故前者較穩(wěn)定。定。離子鍵：離子鍵：帶負電荷磷酸之間的靜電斥力帶負電荷磷酸之間的靜電斥力會呵斥不穩(wěn)定，但會呵斥不穩(wěn)定，但帶負電荷磷酸可與陽離子結合有助于構造的穩(wěn)定。帶負電荷磷酸可與陽離子結合有助于構造的穩(wěn)定。Na+Na+、K+K+、Mg2+Mg2+、Mn2+ Mn2+ 是真核細胞內的組蛋白之間構是真核細胞內的組蛋白之間構成的離子鍵，中和了負電荷，降低了成的離子鍵，

21、中和了負電荷，降低了DNADNA鏈本身不鏈本身不同部位之間的斥力。同部位之間的斥力。DNA雙螺旋構造提出的生物學意義雙螺旋構造提出的生物學意義 該模型提示了該模型提示了DNADNA作為遺傳物質的穩(wěn)定性特征，作為遺傳物質的穩(wěn)定性特征，最有價值的是確認了堿基配對原那么，這是最有價值的是確認了堿基配對原那么，這是DNADNA復制復制、轉錄和反轉錄的分子根底，亦是遺傳信息傳送和表、轉錄和反轉錄的分子根底，亦是遺傳信息傳送和表達的分子根底。該模型的提出是達的分子根底。該模型的提出是2020世紀生命科學的艱世紀生命科學的艱苦突破之一，它奠定了生物化學和分子生物學乃至整苦突破之一，它奠定了生物化學和分子生物

22、學乃至整個生命科學飛速開展的基石。個生命科學飛速開展的基石。 假設人體有1014個細胞，每個體細胞的DNA量為6.4109對核苷酸。試計算人體DNA的總長度是多少？這個長度與太陽-地球之間的間隔1.5108 km相比如何？ 每個體細胞內DNA的總長度：6.41090.34=2.176109nm 人體DNA的總長度：2.1761091014=2.1761023nm=2.1761011 km 這個長度與太陽地球之間的間隔之比為2.1761011/1.51081451(倍)四四DNA雙螺旋構造的多樣性雙螺旋構造的多樣性類型類型螺旋方向螺旋方向存在條件存在條件螺距螺距堿基數(shù)堿基數(shù)/ /螺旋螺旋堿基傾角

23、堿基傾角A-DNA右手相對濕度75%2.53 nm1119B-DNA右手相對濕度92%3.54 nm10.41Z-DNA左手嘌呤嘧啶二核苷酸為重復單位如d (CGCGCG)4.56 nm129雙螺旋雙螺旋DNADNA的類型及相關參數(shù)的類型及相關參數(shù)DNA的三股螺旋的三股螺旋 多聚嘧啶和多聚嘌呤組成的多聚嘧啶和多聚嘌呤組成的DNADNA螺旋區(qū)段，螺旋區(qū)段，其序列中有較長的鏡像反復時，構成部分三其序列中有較長的鏡像反復時，構成部分三股配對，并相互環(huán)繞的三股螺旋，其中兩股股配對，并相互環(huán)繞的三股螺旋，其中兩股的堿基按的堿基按Watson-CrickWatson-Crick方式配對，第三股多方式配對，

24、第三股多聚嘧啶鏡像反復經過聚嘧啶鏡像反復經過TATTAT和和CGCCGC配對，而配對，而處于雙螺旋的大溝中。處于雙螺旋的大溝中。DNA三股螺旋三股螺旋DNA三螺旋的堿基配對三螺旋的堿基配對回文構造雙鏈DNA中含有的兩個構造一樣、方向相反的序列稱為反向反復序列，也稱為回文構造，每條單鏈以任一方向閱讀時都是一樣的。 短的回文構造能夠是一種特別的信號，如限制性內切酶的識別位點。較長的回文構造能構成發(fā)夾構造。5335DNA的其它螺旋構造的其它螺旋構造AATTCAAGGGAGAAGTATAGAAGAGGGAAGGATC TTAAGTTCCCTCT TCATATCT TCTCCCTTCCTAG鏡像反復存在

25、于同一股上的某些DNA區(qū)段的反向反復序列。此序列各單股中沒有互補序列，不能構成發(fā)夾構造。2.3.3 DNA的三級構造DNA的超螺旋構造的超螺旋構造超螺旋構造 (superhelix 或supercoil)DNA雙螺旋鏈再環(huán)繞即構成超螺旋構造 正超螺旋 (positive supercoil)環(huán)繞方向與DNA雙螺旋方同一樣 負超螺旋 (negative supercoil)環(huán)繞方向與DNA雙螺旋方向相反 意義: DNA超螺旋構造整體或部分的拓撲學變化及其調控對于DNA復制和RNA轉錄過程具有關鍵作用。 2.4 核酸與蛋白質的復合體染色體 (chromosome)病毒 (virus)染色體泛指病毒

26、、細菌、真核細胞遺傳信息庫中染色體泛指病毒、細菌、真核細胞遺傳信息庫中的核酸分子。真核生物染色體由的核酸分子。真核生物染色體由DNA和蛋白質和蛋白質構成，其根本單位是核小體構成，其根本單位是核小體 (nucleosome)。2.4.1 染色體核小體的組成 DNA： 約200 bp 組蛋白：H1 H2A，H2B H3 H4組蛋白組蛋白中心中心八聚體八聚體2 =真核核小體的構造真核核小體的構造串珠狀核小體構造串珠狀核小體構造真核生物染色體真核生物染色體DNADNA組組裝不同層次的構造裝不同層次的構造DNA 2 nm核小體鏈核小體鏈 11 nm，每個核小體，每個核小體200bp纖絲纖絲 30 nm，

27、每圈，每圈6個核小體個核小體突環(huán)突環(huán) 150 nm，每個突環(huán)大約，每個突環(huán)大約75000 bp玫瑰花結玫瑰花結 300 nm ，6個突環(huán)個突環(huán)螺旋圈螺旋圈 700 nm，每圈，每圈30個玫瑰花結個玫瑰花結染色體染色體 1400 nm，每個染色體，每個染色體含含10個螺旋圈個螺旋圈DNA的生物學功能DNA的根本功能是以基因的方式的根本功能是以基因的方式荷載遺傳信息，并作為基因復制和轉荷載遺傳信息，并作為基因復制和轉錄的模板。它是生命遺傳的物質根底，錄的模板。它是生命遺傳的物質根底，也是個體生命活動的信息根底。也是個體生命活動的信息根底。S：感?。焊胁?R：抗病：抗病nDNA分子中不同陳列順序的D

28、NA區(qū)段構成特定的功能單位，即基因 (gene)。n細胞內遺傳信息的攜帶者-染色體所包含的DNA總體稱為基因組 (genome)。人類基因組含人類基因組含3.23.2109 bp DNA109 bp DNA，實際上可編碼，實際上可編碼200200萬以上的基因，但是資料闡明編碼蛋白質的萬以上的基因，但是資料闡明編碼蛋白質的這部分序列只占基因組的這部分序列只占基因組的3 3到到5 5，也就是說，也就是說，人類基因組中多達人類基因組中多達 95 95到到9797是非編碼區(qū)。是非編碼區(qū)。 n病毒是由核酸和蛋白質組成的非細胞生物，是裸病毒是由核酸和蛋白質組成的非細胞生物，是裸露的染色體。露的染色體。n從

29、構造上看，核酸在內，蛋白質在外，包裹著核從構造上看，核酸在內，蛋白質在外，包裹著核酸，這層蛋白叫做衣殼酸，這層蛋白叫做衣殼capsid。n病毒通常只含有一種核酸，只含病毒通常只含有一種核酸，只含DNA的叫的叫DNA病毒；只含病毒；只含RNA的叫的叫RNA病毒病毒;目前尚未發(fā)現(xiàn)既目前尚未發(fā)現(xiàn)既含有含有DNA又含有又含有RNA的病毒。的病毒。2.4.2 病毒病毒顆粒構造表示圖病毒顆粒構造表示圖噬菌體噬菌體T2T2構造構造頭部頭部頸圈頸圈尾部尾部基板基板尾絲尾絲尖釘尖釘DNAHIV virus 截面圖截面圖2.5 RNA的分子構造RNA的特點RNA的構造 RNA的主要類型與功能2.5.1 RNA的特

30、點nRNA是單鏈分子，因此在是單鏈分子，因此在RNA分子中，嘌呤的總分子中，嘌呤的總數(shù)不一定等于嘧啶的總數(shù)。數(shù)不一定等于嘧啶的總數(shù)。nRNA分子中，部分區(qū)域也能構成雙螺旋構造，不分子中，部分區(qū)域也能構成雙螺旋構造，不能構成雙螺旋的部分，那么構成單鏈突環(huán)。這種能構成雙螺旋的部分，那么構成單鏈突環(huán)。這種構造稱為構造稱為“發(fā)夾型構造。發(fā)夾型構造。n不同類型的不同類型的RNA, 其二級構造有明顯的差別。其二級構造有明顯的差別。ntRNA中除了常見的堿基外，還存在一些稀有堿基，中除了常見的堿基外，還存在一些稀有堿基，這類堿基大部分位于突環(huán)部分。這類堿基大部分位于突環(huán)部分。 RNA的一級構造：是由數(shù)量極其

31、龐大的一級構造：是由數(shù)量極其龐大的四種核糖核酸的四種核糖核酸AMP、GMP、CMP、UMP按一定順序，經過按一定順序，經過3，5-磷酸二磷酸二酯鍵連成的線形分子，其表示方法與酯鍵連成的線形分子，其表示方法與DNA一樣。一樣。 RNA的二級構造：是不完全螺旋的多的二級構造：是不完全螺旋的多核苷酸鏈。核苷酸鏈。 RNA的三級構造：是在二級構造的根的三級構造：是在二級構造的根底上進一步扭曲折疊而成的復雜構造。底上進一步扭曲折疊而成的復雜構造。2.5.2 RNA的構造RNA的一級構造RNA的二級構造RNA的三級構造2.5.3 RNA的主要類型與功能核核蛋蛋白白體體RNA信信使使RNA轉轉運運RNA核核

32、內內不不均均一一RNA核核內內小小RNA胞胞漿漿小小RNA 細細胞胞核核和和胞胞液液線線粒粒體體功功能能rRNAmRNA mt rRNAtRNAmt mRNAmt tRNAHnRNASnRNASnoRNAscRNA/7SL-RNA 核核蛋蛋白白體體組組分分蛋蛋白白質質合合成成模模板板轉轉運運氨氨基基酸酸成成熟熟mRNA的的前前體體參參與與hnRNA的的剪剪接接、轉轉運運rRNA的的加加工工、修修飾飾蛋蛋白白質質內內質質網網定定位位合合成成的的信信號號識識別別體體的的組組分分核核仁仁小小RNA核核蛋蛋白白體體RNA信信使使RNA轉轉運運RNA核核內內不不均均一一RNA核核內內小小RNA胞胞漿漿小

33、小RNA 細細胞胞核核和和胞胞液液線線粒粒體體功功能能rRNAmRNA mt rRNAtRNAmt mRNAmt tRNAHnRNASnRNASnoRNAscRNA/7SL-RNA 核核蛋蛋白白體體組組分分蛋蛋白白質質合合成成模模板板轉轉運運氨氨基基酸酸成成熟熟mRNA的的前前體體參參與與hnRNA的的剪剪接接、轉轉運運rRNA的的加加工工、修修飾飾蛋蛋白白質質內內質質網網定定位位合合成成的的信信號號識識別別體體的的組組分分核核仁仁小小RNA1. tRNA的一級構造特點 含稀有堿基較多 3末端為 CCA-OH 5末端大多數(shù)為G，也有的為C 由7090個核苷酸組成(一) 轉運RNA的構造與功能2

34、. tRNA的二級構造 三葉草形氨基酸臂氨基酸臂額外環(huán)額外環(huán) 在構造上具有某些共在構造上具有某些共同之處，普通可將其同之處，普通可將其分為四臂四環(huán)：包括分為四臂四環(huán)：包括氨基酸接受臂、反密氨基酸接受臂、反密碼環(huán)臂、二氫尿碼環(huán)臂、二氫尿嘧啶環(huán)臂、嘧啶環(huán)臂、T TC C環(huán)臂和可變環(huán)。環(huán)臂和可變環(huán)。(1) 氨基酸接受區(qū)氨基酸接受區(qū)包含有包含有tRNA的的3-末端末端和和5-末端，末端，3-末端的末端的最后最后3個核苷酸殘基都個核苷酸殘基都是是CCA，A為腺苷酸。為腺苷酸。氨基酸可與其成酯，氨基酸可與其成酯，該區(qū)在蛋白質合成中該區(qū)在蛋白質合成中起攜帶氨基酸的作用。起攜帶氨基酸的作用。 (2) (2)

35、反密碼區(qū)反密碼區(qū)與氨基酸接受區(qū)相對，與氨基酸接受區(qū)相對，普通環(huán)中含有普通環(huán)中含有7 7個核個核苷酸殘基，臂中含有苷酸殘基，臂中含有5 5對堿基。其中環(huán)中對堿基。其中環(huán)中正中的正中的3 3個核苷酸殘個核苷酸殘基稱為反密碼子?；Q為反密碼子。(3) 二氫尿嘧啶區(qū)二氫尿嘧啶區(qū) 該區(qū)含有二氫尿嘧啶該區(qū)含有二氫尿嘧啶, 環(huán)由環(huán)由8-12個核苷酸組個核苷酸組成，臂由成，臂由3-4對堿基對堿基組成。組成。 (4) TC區(qū)區(qū) 因含因含TC順序而得順序而得名，環(huán)由名，環(huán)由7個核苷酸個核苷酸組成，經過組成，經過5對堿基對堿基組成的雙螺旋區(qū)組成的雙螺旋區(qū)(TC臂臂)與與tRNA的的其他部分相連。除其他部分相連。除個

36、別例外，幾乎一個別例外，幾乎一切切tRNA在此環(huán)中都在此環(huán)中都含有含有TC 。 (5) (5) 可變區(qū)可變區(qū) 位于反密碼區(qū)與位于反密碼區(qū)與T T C C區(qū)之間，不同區(qū)之間，不同的的tRNAtRNA該區(qū)變化該區(qū)變化較大，普通有較大，普通有3-3-1818個核苷酸組成。個核苷酸組成。3. tRNA的三級構造 倒L形* tRNA的功能的功能: 活化、搬活化、搬運氨基酸到核糖體，參與運氨基酸到核糖體，參與蛋白質的翻譯。蛋白質的翻譯。TC環(huán)環(huán)DHU環(huán)環(huán)* tRNA的生物學功能與其的生物學功能與其三級構造親密相關。三級構造親密相關。(二) 核糖體RNA的構造與功能* rRNA的功能的功能: 占細占細胞總胞

37、總RNA的的7585%，參與組成核蛋白體，參與組成核蛋白體，作為蛋白質生物合成作為蛋白質生物合成的場所。的場所。rRNA的二級構造大腸桿菌5S rRNA的構造 類似于三葉草型類似于三葉草型rRNA與蛋白質組成核糖體原核生物（以大腸桿菌為原核生物（以大腸桿菌為例）例）真核生物（以小鼠肝為真核生物（以小鼠肝為例）例）小亞基小亞基30S40SrRNA16S1542個核苷酸個核苷酸18S1874個核苷酸個核苷酸蛋白質蛋白質21種種占總重量的占總重量的40%33種種占總重量的占總重量的50%大亞基大亞基50S60SrRNA23S5S2940個核苷酸個核苷酸120個核苷酸個核苷酸28S5.8S5S4718

38、個核苷酸個核苷酸160個核苷酸個核苷酸120個核苷酸個核苷酸蛋白質蛋白質36種種占總重量的占總重量的30%49種種占總重量的占總重量的35%(三) 信使RNA的構造與功能原核生物原核生物mRNA的構造特點：的構造特點：SD序列：原核生物序列：原核生物mRNA的的5端總端總有一段富含嘌呤堿基的序列，典型的有一段富含嘌呤堿基的序列，典型的是是5-AGGAGGU-3，稱為，稱為Shine-Dalgarno序列序列 (SD序列序列)。該序列與。該序列與mRNA對核糖體的識別有關，有助于對核糖體的識別有關，有助于蛋白質合成時的正確起始。蛋白質合成時的正確起始。mRNA功能：作為蛋白質合成的模板。真核生物

39、真核生物mRNA的構造特點：的構造特點：1. 大多數(shù)真核mRNA的5末端均在轉錄后加上一個7-甲基鳥苷，同時第一個核苷酸的C2也常被甲基化，構成“帽子構造：m7GpppNm-。2. 大多數(shù)真核mRNA的3末端有一個多聚腺苷酸(polyA)構造，長約20-250個腺苷酸，稱為多聚A尾巴。 polyA作用：作用： 維護作用，抵抗核酸外切酶的降解；維護作用，抵抗核酸外切酶的降解； 與與mRNA從細胞核向細胞質的挪動有從細胞核向細胞質的挪動有關；關； 與與mRNA壽命有關。壽命有關。 “帽子構造作用：帽子構造作用： 維護作用，抵御維護作用，抵御5-核酸外切酶的降解核酸外切酶的降解作用；作用； 是核糖體

40、首先識別的位置，與蛋白質是核糖體首先識別的位置，與蛋白質合成的起始有關。合成的起始有關。2.6 核酸的理化性質核酸的普通性質核酸的紫外吸收特性DNA的變性復性與分子雜交核酸的顏色反響 DNA DNA為白色纖維狀固體，為白色纖維狀固體，RNARNA為白色粉末狀固為白色粉末狀固體，都微溶于水，其鈉鹽在水中的溶解度較大體，都微溶于水，其鈉鹽在水中的溶解度較大, ,但不溶于乙醇、乙醚和氯仿等普通有機溶劑。但不溶于乙醇、乙醚和氯仿等普通有機溶劑。用乙醇從溶液中沉淀核酸用乙醇從溶液中沉淀核酸 DNA DNA和和RNARNA在細胞中常以核蛋白方式存在，兩在細胞中常以核蛋白方式存在，兩種核蛋白在鹽溶液中的溶解

41、度不同。種核蛋白在鹽溶液中的溶解度不同。 DNA DNA核蛋白核蛋白 RNA RNA核蛋白核蛋白 0.14mol/L NaCl 0.14mol/L NaCl 不溶不溶 溶溶 1-2mol/L NaCl 1-2mol/L NaCl 溶溶 不溶不溶2.6.1 核酸的普通性質 DNA DNA溶液的黏度很大，而溶液的黏度很大，而RNARNA溶液的黏度小得多。核溶液的黏度小得多。核酸發(fā)生變性或降解后其黏度降低。酸發(fā)生變性或降解后其黏度降低。 核酸遭到強大離心力的作用時，可從溶液中沉降下核酸遭到強大離心力的作用時，可從溶液中沉降下來，其沉降速度與核酸的大小和密度有關。來，其沉降速度與核酸的大小和密度有關。

42、 核酸是兩性電解質含堿性基團、磷酸基團，因核酸是兩性電解質含堿性基團、磷酸基團，因磷酸的酸性強，常表現(xiàn)酸性。由于核酸分子在一定酸磷酸的酸性強，常表現(xiàn)酸性。由于核酸分子在一定酸度的緩沖液中帶有電荷，因此可利用電泳進展分別和度的緩沖液中帶有電荷，因此可利用電泳進展分別和研討其特性研討其特性, ,最常用的是凝膠電泳。最常用的是凝膠電泳。 2.6.2 核酸的紫外吸收特性n核酸在核酸在260 nm260 nm波長有最大吸收峰，是由堿基的共軛雙波長有最大吸收峰，是由堿基的共軛雙鍵決議的鍵決議的, ,常用作核酸的定性、定量分析。常用作核酸的定性、定量分析。1. DNA或RNA的定量OD260=1.0相當于5

43、0g/ml 雙鏈DNA37g/ml 單鏈DNA40g/ml RNA 2.判別核酸樣品的純度DNA純品: OD260/OD280 = 1.8RNA純品: OD260/OD280 = 2.0DNA的紫外吸收光譜1. 天然天然DNA2. 變性變性DNA3. 核苷酸總吸收值核苷酸總吸收值2202402602800.10.20.30.4波長波長nmnm光光吸吸收收123n核酸的紫外光吸收值常比核酸的紫外光吸收值常比其各核苷酸成分的光吸收其各核苷酸成分的光吸收值之和少值之和少202060%60%，這是，這是在有規(guī)律的雙螺旋構造中在有規(guī)律的雙螺旋構造中堿基嚴密地堆積在一同呵堿基嚴密地堆積在一同呵斥的。斥的。

44、 2.6.3 DNA的變性復性與分子雜交 一 DNA的變性 (denaturation)定義：核酸雙螺旋的氫鍵斷裂不涉及共價鍵的斷裂、變成單鏈，生物活性喪失的過程。變性要素：熱力、強酸、強堿、有機溶劑、變性劑、變性要素：熱力、強酸、強堿、有機溶劑、變性劑、射線、機械力等。射線、機械力等。部分雙螺旋解開部分雙螺旋解開 無規(guī)那么線團無規(guī)那么線團 鏈內堿基配鏈內堿基配對對DNA的變性過程DNA變性的本質是雙鏈間氫鍵的斷裂 變性后理化性量變化：變性后理化性量變化： DNADNA溶液的粘度降低溶液的粘度降低 浮力密度添加浮力密度添加 旋光偏振光改動旋光偏振光改動 紫外吸收添加增色效應紫外吸收添加增色效應

45、 生物活性喪失生物活性喪失 但但DNADNA的一級構造不發(fā)生改動的一級構造不發(fā)生改動增色效應：增色效應：DNADNA變性時其溶液變性時其溶液OD260OD260增高的景象。增高的景象。n當當DNA的稀鹽溶液加熱到的稀鹽溶液加熱到80100時，雙螺旋構造時，雙螺旋構造即發(fā)生解體，兩條鏈彼此即發(fā)生解體，兩條鏈彼此分開，構成無規(guī)線團。分開，構成無規(guī)線團。n熔解溫度熔解溫度Melting temperature, Tm：DNA熱變性過程中，紫外熱變性過程中，紫外吸收到達最大值的一半時吸收到達最大值的一半時溶液的溫度稱為熔解溫度溶液的溫度稱為熔解溫度Tm或解鏈溫度、變或解鏈溫度、變性溫度。性溫度。實驗室

46、常用的方法實驗室常用的方法熱變性熱變性 80 90 100 100%50%OD260 Tm 變性溫度范圍變性溫度范圍影響影響TmTm值的要素值的要素(2)DNA的性質和組成的性質和組成(1)溶液的離子強度溶液的離子強度大腸桿菌大腸桿菌DNADNA在不同濃度在不同濃度KClKCl溶液下的溶液下的熔融溫度曲線熔融溫度曲線離子強度越高，離子強度越高，TmTm值越高值越高GC，3個氫鍵，翻開所需能個氫鍵，翻開所需能量較量較A=T大，大，GC%越高，越高，Tm越高越高 核酸的均一性愈高的樣品，變性過程的溫度范圍愈小。核酸的均一性愈高的樣品，變性過程的溫度范圍愈小。(3) DNA的均一程度的均一程度二DNA的復性 定義定義在適當條件下，變性在適當條件下，變性DNA的兩