第三章核酸的結(jié)構(gòu)與功能(2016LB)

第三章

核酸的結(jié)構(gòu)與功能StructureandFunctionofNucleicAcid5′端3′端CGA

以單核苷酸為基本單位組成的生物大分子。是生物遺傳的物質(zhì)基礎(chǔ)。核酸(nucleicacid):

脫氧核糖核酸（DNA）

核糖核酸（RNA）

核酸mRNAtRNArRNA第一節(jié)核酸的化學(xué)組成和一級(jí)結(jié)構(gòu)TheChemicalComponentofNucleicAcid核酸的化學(xué)組成1.元素組成C、H、O、N、P（9~10%）2.分子組成——堿基(base)：嘌呤堿，嘧啶堿——戊糖(ribose)：核糖，脫氧核糖——磷酸(phosphate)嘌呤(purine)

腺嘌呤(adenine,A)鳥(niǎo)嘌呤(guanine,G)堿基嘧啶(pyrimidine)胞嘧啶(cytosine,C)尿嘧啶(uracil,U)胸腺嘧啶(thymine,T)戊糖（構(gòu)成RNA）1′2′3′4′5′核糖(ribose)（構(gòu)成DNA）脫氧核糖(deoxyribose)核苷：AR,GR,UR,CR脫氧核苷：dAR,dGR,dTR,dCR一、核苷酸的結(jié)構(gòu)1.核苷(nucleoside)的形成堿基和核糖（脫氧核糖）通過(guò)糖苷鍵連接形成核苷（脫氧核苷）。1′1核苷酸：AMP,GMP,UMP,CMP脫氧核苷酸：dAMP,dGMP,dTMP,dCMP

2.核苷酸(nucleotide)的結(jié)構(gòu)與命名核苷（脫氧核苷）和磷酸以磷酸酯鍵連接形成核苷酸（脫氧核苷酸）。

體內(nèi)重要的游離核苷酸及其衍生物含核苷酸的生物活性物質(zhì)：NAD+、NADP+、CoA-SH、FAD等都含有AMP

多磷酸核苷酸：NMP，NDP，NTP

環(huán)化核苷酸:cAMP，cGMPAMPADPATPcAMPNADP+NAD+二、核酸的一級(jí)結(jié)構(gòu)定義核酸中核苷酸的排列順序。由于核苷酸間的差異主要是堿基不同，所以也稱為堿基序列。5′端3′端CGA5′端3′端核苷酸之間以磷酸二酯鍵連接形成多核苷酸鏈，即核酸。CGAA

G

P5P

T

PG

PC

PT

P

OH3

書(shū)寫(xiě)方法5pApCpTpGpCpT-OH35

ACTGCT

3第二節(jié)DNA的空間結(jié)構(gòu)與功能DimensionalStructureandFunctionofDNADNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的研究背景

20世紀(jì)20年代，大多數(shù)科學(xué)家認(rèn)為蛋白質(zhì)是遺傳物質(zhì)，而不是DNA1944年Avery等利用從致病肺炎球菌中提取的DNA使另一種非致病性（無(wú)夾膜）肺炎球菌的遺傳性狀改變而成為致病菌（有夾膜），證實(shí)了遺傳物質(zhì)是DNA而非蛋白質(zhì)AveryDNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的研究背景

1951年，Pauling利用X線晶體衍射技術(shù)發(fā)現(xiàn)了蛋白質(zhì)的α螺旋結(jié)構(gòu)

α螺旋結(jié)構(gòu)理論首次解釋了生物大分子的空間結(jié)構(gòu)

LinusPaulingα螺旋結(jié)構(gòu)的提出對(duì)DNA二級(jí)結(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn)也起了很重要的啟發(fā)作用

DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的研究背景

1952年，Chargaff等科學(xué)家采用層析和紫外吸收光譜分析等技術(shù)發(fā)現(xiàn)了DNA堿基的組成規(guī)律（Chargaff定律）

ChargaffChargaff定律[A]=

[T]，[G]=

[C]不同種屬DNA的4種堿基組成不同

堿基組成沒(méi)有組織和器官的特異性

揭示了DNA分子堿基之間存在A與T，G與C的互補(bǔ)配對(duì)關(guān)系

DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的研究背景

1953年，F(xiàn)ranklin獲得高質(zhì)量的DNAX射線衍射圖譜

DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的研究背景

1953年，Wilkins發(fā)表了DNAX射線衍射的分析數(shù)據(jù)

DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的研究背景

綜合了前人的研究成果，Watson和Crick提出了DNA分子的雙螺旋結(jié)構(gòu)模型，并于1953年4月在英國(guó)《Nature》雜志上發(fā)表

Watson

Crick1958年，F(xiàn)ranklin因癌癥離開(kāi)了人世，年僅37歲

諾貝爾獎(jiǎng)的遺憾Pauling錯(cuò)誤地分析了X射線照片中DNA的密度，由此得出了DNA是一個(gè)三螺旋分子的錯(cuò)誤結(jié)論，從而與諾貝爾獎(jiǎng)失之交臂一、DNA的二級(jí)結(jié)構(gòu)——雙螺旋結(jié)構(gòu)（一）DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)提出的依據(jù)

堿基組成分析Chargaff規(guī)則：[A]=

[T][G]=

[C]

堿基的理化數(shù)據(jù)分析A-T、G-C以氫鍵配對(duì)較合理

DNA纖維的X-線衍射圖譜分析

（二）DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型要點(diǎn)（Watson,Crick,1953）DNA分子是反向平行的互補(bǔ)雙鏈結(jié)構(gòu)，兩鏈以-脫氧核糖-磷酸-為骨架，以右手螺旋方式繞公共軸盤(pán)旋。螺旋直徑為2.37nm，形成大溝及小溝相間。（二）DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型要點(diǎn)（Watson,Crick,1953）堿基垂直螺旋軸在內(nèi)側(cè)，與對(duì)側(cè)堿基形成氫鍵配對(duì)（互補(bǔ)配對(duì)形式：A=T;GC）。相鄰堿基平面距離0.34nm，螺旋一圈螺距3.54nm，一圈10.4對(duì)堿基。堿基互補(bǔ)配對(duì)TAGC（二）DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型要點(diǎn)（Watson,Crick,1953）氫鍵維持雙鏈橫向穩(wěn)定性，堿基堆積力維持雙鏈縱向穩(wěn)定性。（三）DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的多樣性二、DNA的超螺旋結(jié)構(gòu)及其在染色質(zhì)中的組裝（一）DNA的超螺旋結(jié)構(gòu)（supercoil）

DNA雙螺旋鏈再盤(pán)繞即形成超螺旋結(jié)構(gòu)。

負(fù)超螺旋正超螺旋DNA雙螺旋拓?fù)洚悩?gòu)酶（二）原核生物DNA的三級(jí)結(jié)構(gòu)（三）DNA在真核生物細(xì)胞核內(nèi)的組裝真核生物染色體由DNA和蛋白質(zhì)構(gòu)成，其基本單位是核小體(nucleosome)。核小體的組成DNA：約200bp組蛋白：H1H2A，H2BH3H4三、DNA的功能以基因的形式荷載遺傳信息，并作為基因復(fù)制和轉(zhuǎn)錄的模板?；颍菏侵窪NA分子中的特定區(qū)段，包含有編碼生物活性產(chǎn)物的信息單位。

第三節(jié)

RNA的結(jié)構(gòu)與功能StructureandFunctionofRNARNA的種類、分布、功能一、信使RNA的結(jié)構(gòu)與功能hnRNA內(nèi)含子(intron)mRNA*真核生物mRNA成熟過(guò)程

外顯子(exon)*mRNA含量較少(占細(xì)胞總RNA的3％～5％),

種類最多*mRNA的功能

把DNA所攜帶的遺傳信息，按堿基互補(bǔ)配對(duì)原則，抄錄并傳送至核糖體，用以決定其合成蛋白質(zhì)的氨基酸排列順序。DNAmRNA蛋白轉(zhuǎn)錄翻譯原核細(xì)胞細(xì)胞質(zhì)細(xì)胞核DNA內(nèi)含子外顯子轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)錄后剪接轉(zhuǎn)運(yùn)mRNAhnRNA翻譯蛋白真核細(xì)胞*真核生物mRNA結(jié)構(gòu)特點(diǎn)1.5′末端形成帽子結(jié)構(gòu)：m7GpppNm-。2.3′末端有一個(gè)多聚腺苷酸(polyA)結(jié)構(gòu)，稱為多聚A尾。帽子結(jié)構(gòu)和PolyA尾巴mRNA核內(nèi)向胞質(zhì)的轉(zhuǎn)位mRNA的穩(wěn)定性維系翻譯起始的調(diào)控帽子結(jié)構(gòu)和多聚A尾的功能：tRNA是細(xì)胞內(nèi)分子量最小的RNA（占總RNA的15％）二、轉(zhuǎn)運(yùn)RNA的結(jié)構(gòu)與功能

含10~20%稀有堿基包括雙氫尿嘧啶(DHU)、假尿嘧啶(ψ)和甲基化的嘌呤等N,N二甲基鳥(niǎo)嘌呤N6-異戊烯腺嘌呤雙氫尿嘧啶4-巰尿嘧啶

稀有堿基

氨基酸臂

DHU環(huán)反密碼環(huán)額外環(huán)

TΨC環(huán)氨基酸臂額外環(huán)tRNA的二級(jí)結(jié)構(gòu)——三葉草形*tRNA的三級(jí)結(jié)構(gòu)——倒L形*tRNA的功能活化、搬運(yùn)氨基酸到核糖體，參與蛋白質(zhì)的翻譯。1.如果一種tRNA上的反密碼子是GUA，則它能結(jié)合的mRNA上的密碼子是：

A．CATB．CAUC．UACD．TACE．不能確定2.與mRNA上ACG密碼子相應(yīng)的tRNA反密碼子是：

A．UGCB．TGCC．GCAD．CGUE．CGT*細(xì)胞內(nèi)含量最多的

RNA,占RNA總量的80％以上

三、核糖體RNA的結(jié)構(gòu)與功能*rRNA的功能參與組成核糖體，作為蛋白質(zhì)生物合成的場(chǎng)所。核糖體的結(jié)構(gòu)核糖體的組成原核生物（以大腸桿菌為例）真核生物（以小鼠肝為例）小亞基30S40SrRNA16S1542個(gè)核苷酸18S1874個(gè)核苷酸蛋白質(zhì)21種占總重量的40%33種占總重量的50%大亞基50S60SrRNA23S5S2940個(gè)核苷酸120個(gè)核苷酸28S5.85S5S4718個(gè)核苷酸160個(gè)核苷酸120個(gè)核苷酸蛋白質(zhì)31種占總重量的30%49種占總重量的35%四、其他小分子RNA及RNA組學(xué)除了上述三種RNA外，細(xì)胞的不同部位存在的許多其他種類的小分子RNA，統(tǒng)稱為非mRNA小RNA(smallnon-messengerRNAs,snmRNAs)。

snmRNAs的種類核內(nèi)小RNA核仁小RNA胞質(zhì)小RNA催化性小RNA小片段干涉RNA

snmRNAs的功能參與hnRNA和rRNA的加工和轉(zhuǎn)運(yùn)。

研究細(xì)胞中snmRNAs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)胞在不同時(shí)間、不同狀態(tài)下snmRNAs的表達(dá)具有時(shí)間和空間特異性。RNA組學(xué)核酸的理化性質(zhì)ThePhysicalandChemicalCharactersofNucleicAcid第四節(jié)腺嘌呤1.DNA或RNA的定量A260=1.0,相當(dāng)于50μg/ml雙鏈DNA40μg/ml單鏈DNA（或RNA）20μg/ml寡核苷酸2.判斷核酸樣品的純度DNA純品:A260/A280比值=1.8RNA純品:A260/A280比值=2.0一、

A260的應(yīng)用二、DNA的變性(denaturation)定義：在某些理化因素作用下，DNA雙鏈解開(kāi)成兩條單鏈的過(guò)程。方法：過(guò)量酸，堿，加熱，尿素、酰胺、有機(jī)溶劑(如乙醇、丙酮)等。變性后理化性質(zhì)變化：A260增高 粘度下降 生物活性喪失DNA變性的本質(zhì)是雙鏈間氫鍵的斷裂例：變性引起紫外吸收值的改變DNA的紫外吸收光譜增色效應(yīng)：DNA變性時(shí)其溶液A260增高的現(xiàn)象。熱變性熔解曲線：如果在連續(xù)加熱DNA的過(guò)程中以溫度對(duì)A260值作圖，所得的曲線。A260

紫外光吸收值達(dá)到最大值的50%時(shí)的溫度稱為DNA的熔點(diǎn)，又稱熔解溫度(meltingtemperature,Tm)。其大小與G+C含量成正比。A260三、DNA的復(fù)性與分子雜交DNA復(fù)性(renaturation)在適當(dāng)條件下，變性DNA的兩條互補(bǔ)鏈可恢復(fù)天然的雙螺旋構(gòu)象。熱變性的DNA經(jīng)緩慢冷卻后即可復(fù)性，這一過(guò)程稱為退火(annealing)

。在DNA復(fù)性過(guò)程中，如果將不同種類的DNA單鏈分子或RNA分子放在同一溶液中，在適宜的條件（溫度及離子強(qiáng)度）下，就可以在不同的分子間形成雜化雙鏈(heteroduplex)。這種現(xiàn)象稱為核酸分子雜交。核酸分子雜交(hybridization)DNA-DNA雜交雙鏈分子不同來(lái)源的DNA分子核酸分子雜交的應(yīng)用1.研究DNA分子中某一種基因的位置2.鑒定兩種核酸分子間的序列相似性3.檢測(cè)某些專一序列存在與否4.是基因芯片技術(shù)的基礎(chǔ)

核