生物化學(xué)第一章核酸的結(jié)構(gòu)與功能課件

第一章

核酸的結(jié)構(gòu)與功能第一節(jié)核酸是遺傳物質(zhì)的載體第二節(jié)核酸的基本化學(xué)組成第三節(jié)DNA的結(jié)構(gòu)第四節(jié)RNA的結(jié)構(gòu)與功能第五節(jié)核酸的性質(zhì)核酸是一類重要的生物大分子，擔(dān)負(fù)著生命信息的儲存與傳遞。核酸是現(xiàn)代生物化學(xué)、分子生物學(xué)的重要研究領(lǐng)域，是基因工程操作的核心分子。核酸概述1944年，Avery的轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)

orand可分離1952年，Hexshey、ChaseT2噬菌體（搗碎器實(shí)驗(yàn)）1953年，Watson、CrickDNA雙螺旋模型核酶（Ribozyme）98％核中（染色體中）真核線粒體（mDNA）核外葉綠體（ctDNA）DNA擬核或類核原核核外：質(zhì)粒（plasmid）病毒：DNA病毒二、核酸的種類和分布

核酸分為兩大類：脫氧核糖核酸DeoxyribonucleicAcid（DNA）核糖核酸RibonucleicAcid（RNA）第二節(jié)核酸的基本化學(xué)組成核酸核苷酸核苷磷酸堿基戊糖元素組成：CHONP

核酸完全水解產(chǎn)生嘌呤和嘧啶等堿性物質(zhì)、戊糖（核糖或脫氧核糖）和磷酸的混合物。每個(gè)核苷分子含一分子堿基和一分子戊糖，一分子核苷酸部分水解后除產(chǎn)生核苷外，還有一分子磷酸。核酸的各種水解產(chǎn)物可用層析或電泳等方法分離鑒定。組成核酸的戊糖有兩種。DNA所含的糖為β-D-2-脫氧核糖；RNA所含的糖則為β-D-核糖。一、戊糖RiboseDeoxyribose二、堿基1.嘌呤（Purine）123456978腺嘌呤AdenineA鳥嘌呤guanineG核酸中也存在一些不常見的稀有堿基。稀有堿基的種類很多，大部分是上述堿基的甲基化產(chǎn)物。三、核苷（nucleoside）核苷戊糖+堿基

糖與堿基之間的C-N鍵，稱為C-N糖苷鍵1’2’3’4’5’(OH)1’2’3’4’5’(OH)假尿苷（ψ）次黃苷（肌苷）I黃嘌呤核苷X二氫尿嘧啶核苷DHU2-O-甲基腺苷Am

取代核苷的表示方式5-甲基鳥苷m5G5OHAdenosineGuanosineCytidineUridine五、核苷酸衍生物1.繼續(xù)磷酸化AMPADPATP2.環(huán)化磷酸化

cAMP

cGMP3.肌苷酸及鳥苷酸(強(qiáng)力味精)4.輔酶

NAD(輔酶I，煙酰胺腺嘌呤二核苷酸)、NADP

(輔酶II，煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸)

、FMN（黃素單核苷酸）、FAD（黃素腺嘌呤二核苷酸）、CoASH（輔酶A）IMP

GMP5′-磷酸端（常用5’-P表示）；3′-羥基端（常用3’-OH表示）多聚核苷酸鏈具有方向性，當(dāng)表示一個(gè)多聚核苷酸鏈時(shí)，必須注明它的方向是5′→3′或是3′→5′。多聚核苷酸的表示方式DNARNA5′PdAPdCPdGPdTOH3′5′PAPCPGPUOH′或5′ACGTGCGT3′5′ACGUAUGU3′

ACGTGCGTACGUAUGUT5’3’OHU5’3’OHOHOHOHOH第三節(jié)DNA的結(jié)構(gòu)一、DNA的一級結(jié)構(gòu)脫氧核糖核酸的排列順序可以用堿基排列順序表示連接鍵：3’，5’-磷酸二酯鍵磷酸與戊糖順序相連形成主鏈骨架堿基形成側(cè)鏈多核苷酸鏈均有5’-末端和3’-末端DNA的堿基順序本身就是遺傳信息存儲的分子形式。生物界物種的多樣性即寓于DNA分子中四種核苷酸千變?nèi)f化的不同排列組合之中。2.基因與基因組基因（gene）：一段有功能的DNA片段，生物細(xì)胞中DNA分子的最小功能單位（交換單位）。

蛋白質(zhì)（mRNA蛋白質(zhì)）產(chǎn)物tRNARNArRNA調(diào)節(jié)功能：調(diào)節(jié)基因無產(chǎn)物

作用未知結(jié)構(gòu)基因基因組（genome）：某生物體（完整單倍體）所含全部遺傳物質(zhì)的總和。包括：核基因組（擬核/核DNA）及核外（質(zhì)粒/質(zhì)體DNA）bp（堿基對）

103104105106107108109101010111012人兩棲類魚類藻類酵母細(xì)菌E.Coli病毒質(zhì)粒各種細(xì)胞、病毒和細(xì)菌質(zhì)粒中基因組的大小DNA雙螺旋模型要點(diǎn)B型結(jié)構(gòu)兩條鏈反向平行，右手螺旋堿基在內(nèi)（A＝T，G≡C）堿基平面垂直于螺旋軸戊糖在外，雙螺旋每轉(zhuǎn)一周為10堿基對（bp）A型結(jié)構(gòu)堿基平面傾斜20o，螺旋變粗變短，螺距2～3nm。Z型結(jié)構(gòu)左手螺旋，只有小溝2.0nm小溝大溝雙螺旋DNA的結(jié)構(gòu)參數(shù)類型旋轉(zhuǎn)方向螺旋直徑（nm）螺距（nm）每轉(zhuǎn)堿基對數(shù)目堿基對間垂直距離（nm）堿基對與水平面傾角A－DNAB－DNAZ－DNA右右左2.32.01.82.83.44.51110120.2550.340.2720o0o7o雙螺旋穩(wěn)定的力氫鍵堿基堆積力（疏水相互作用及范德華力）離子鍵等則:DNA變性劑（熱、pH、脲/酰胺、有機(jī)溶劑）

三鏈DNA：Hoogsten方式配對DNA的三鏈結(jié)構(gòu)可能與基因表達(dá)調(diào)控有關(guān)。第三股鏈的存在可能阻礙了一些調(diào)控蛋白或RNA聚合酶與DNA的結(jié)合。二、DNA的三級結(jié)構(gòu)DNA雙螺旋的進(jìn)一步扭曲構(gòu)成三級結(jié)構(gòu)，負(fù)超螺旋

原核雙鏈環(huán)狀DNA（dcDNA）病毒單鏈環(huán)狀DNA（scDNA）單鏈線性DNA（ssDNA）

DNA的存在形式真核雙鏈線性DNA（dsDNA）第四節(jié)RNA的結(jié)構(gòu)與功能一、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)堿基組成A、G、C、U（A＝U/G≡C）稀有堿基較多，穩(wěn)定性較差，易水解多為單鏈結(jié)構(gòu)，少數(shù)局部形成螺旋分子較小分類mRNA（hnRNA

核不均一RNA）tRNA

rRNA（snRNA/asRNA）少數(shù)RNA病毒二、tRNA占RNA總量的15％一種氨基酸對應(yīng)最少一種RNA分子量25000左右，大約由70－90個(gè)核苷酸組成，沉降系數(shù)為4S左右。分子中含有較多的修飾成分。3'-末端都具有CpCpAOH的結(jié)構(gòu)。tRNA的三級結(jié)構(gòu)三、rRNA占RNA總量的80％原核生物真核生物核糖體rRNA核糖體rRNA30s70s50s16s5s、23s40s80s50s18s5s、5.8s、28s四、mRNA和hnRNA占細(xì)胞總RNA的3％～5％真核細(xì)胞mRNA的3‘-末端有一段長達(dá)200個(gè)核苷酸左右的聚腺苷酸(polyA)，稱為“尾結(jié)構(gòu)”，5’-末端有一個(gè)甲基化的鳥苷酸，稱為”帽結(jié)構(gòu)“。五、snRNA（smallnucleicRNA小核RNA）scRNA（smallcytoplasmicRNA）asRNA（antisenseRNA）帽子結(jié)構(gòu)和3’—PolyA都有抗核酸外切酶降解的作用。另外5’帽子結(jié)構(gòu)可能與蛋白質(zhì)合成的正確起始作用及協(xié)助核糖體與mRNA相結(jié)合有關(guān)。第五節(jié)核酸的性質(zhì)一、一般的理化性質(zhì)兩性解離/一般呈酸性（在中性溶液中帶負(fù)電荷），微溶于水，不溶于有機(jī)溶劑線性大分子（粘度高?？辜羟辛Σ睿┛捎秒娪净螂x子交換（色譜）進(jìn)行分離室溫條件下，DNA在堿中變性，但不水解，RNA水解加熱條件下，D－核糖＋濃鹽酸＋苔黑酚綠色

D－2－脫氧核糖＋酸＋二苯胺藍(lán)紫色二、核酸的紫外吸收特性在核酸分子中，由于嘌呤堿和嘧啶堿具有共軛雙鍵體系，因而具有獨(dú)特的紫外線吸收光譜，一般在260nm左右有最大吸收峰，可以作為核酸及其組份定性和定量測定的依據(jù)。以A260/A280進(jìn)行定性、定量DNA和RNA溶液中加入溴化乙錠（EB），在紫外下發(fā)出熒光核酸的光吸收值常比其各核苷酸成分的光吸收值之和少30％一40％。這是在有規(guī)律的雙螺旋結(jié)構(gòu)中堿基緊密地堆積在一起造成的。這種現(xiàn)象叫做DNA的減色效應(yīng)。三、核酸的變性、復(fù)性與分子雜交1.變性穩(wěn)定核酸雙螺旋次級鍵斷裂，空間結(jié)構(gòu)破壞，變成單鏈結(jié)構(gòu)的過程。核酸的一級結(jié)構(gòu)(堿基順序)保持不變。變性表征生物活性部分喪失、粘度下降、浮力密度升高、紫外吸收增加（增色效應(yīng)：260nm紫外吸收值升高）變性因素

pH（>11.3或<5.0）變性劑（脲、甲酰胺、甲醛）低離子強(qiáng)度加熱DNA的變性過程是突變性的，它在很窄的溫度區(qū)間內(nèi)完成。因此，通常將紫外吸收的量達(dá)最大量一半時(shí)的溫度稱熔解溫度，用Tm表示。一般DNA的Tm值在70-85C之間。DNA的Tm值與分子中的G和C的含量有關(guān)。G和C的含量高，Tm值高。因而測定Tm值，可反映DNA分子中G,C含量，可通過經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算：（G+C)%=(Tm-69.3)×2.442.熱變性和Tm3.核酸的復(fù)性變性核酸的互補(bǔ)鏈在適當(dāng)?shù)臈l件下，重新締合成為雙螺旋結(jié)構(gòu)的過程稱為復(fù)性。DNA復(fù)性后，一系列性質(zhì)將得到恢復(fù)，但是生物活性一般只能得到部分的恢復(fù)，具有減色效應(yīng)。將熱變性的DNA驟然冷卻至低溫時(shí)，DNA不可能復(fù)性。變性的DNA緩慢冷卻時(shí)可復(fù)性，因此又稱為“退火”。退火溫度＝Tm－25℃復(fù)性影響因素片段濃度/片段大小/片段復(fù)雜性（重復(fù)序列數(shù)目）/溶液離子強(qiáng)度4.分子雜交DNA單鏈與在某些區(qū)域有互補(bǔ)序列的異源DNA單鏈或RNA鏈形成雙螺旋結(jié)構(gòu)的過程。這樣形成的新分子稱為雜交DNA分子。核酸的雜交在分子生物學(xué)和遺傳學(xué)的研究中具有重要意義。Southern雜交（Southernbolting）Northern雜交（Northernbolting）Western雜交（Westernbolting）本章小結(jié)核酸是遺傳物質(zhì)載體的證明和研究歷史核酸的化學(xué)結(jié)構(gòu)：戊糖、堿基（A、T、G、C、U），核苷、核苷酸及其衍生物的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)（原子編號）DNA的結(jié)構(gòu)：一級結(jié)構(gòu)（核酸序列及其表示、基因及基因組、序列測定）、二級結(jié)構(gòu)（Watson－Crick雙螺旋模型、Z－DNA）、結(jié)構(gòu)維持的化學(xué)鍵RNA結(jié)構(gòu)與功能：堿基組成特點(diǎn)、RNA的種類結(jié)構(gòu)及功能核酸的性質(zhì)：酸堿性、變性與復(fù)性、分