第二章 核酸的結(jié)構(gòu)與功能,本章內(nèi)容提要 第一節(jié) 核酸的分子組成 第二節(jié) DNA的結(jié)構(gòu)與功能 第三節(jié) RNA的結(jié)構(gòu)與功能 第四節(jié) 核酸的理化性質(zhì),概述：核酸(nucleic acid)是細(xì)胞中最重要的生物大分子，一切生物都含有核酸，核酸是遺傳的物質(zhì)基礎(chǔ)。天然存在的核酸有兩種：脫氧核糖核酸(deoxyribonucleic acid，DNA)和核糖核酸(ribonucleic acid，RNA)。 DNA主要分布在細(xì)胞胞核內(nèi)，功能是儲(chǔ)存遺傳信息，指導(dǎo)RNA合成。 RNA主要分布在細(xì)胞質(zhì)中，功能是參與遺傳信息的表達(dá)，指導(dǎo)蛋白質(zhì)的生物合成。 研究歷史：早在1868年，瑞士醫(yī)生F. Miescher從細(xì)胞核中分離得到一種酸性物質(zhì)，即現(xiàn)在被稱為核酸的物質(zhì)。1939年，E. Knapp等第一次用實(shí)驗(yàn)方法證實(shí)核酸是生命遺傳的基礎(chǔ)物質(zhì)。,第一節(jié) 核酸的分子組成 核酸的元素組成有：C、H、O、N、P（9-10%）。 用核酸酶將核酸分解得到其基本結(jié)構(gòu)單位-核苷酸，核苷酸在經(jīng)完全水解后，產(chǎn)物為堿基、戊糖和磷酸。,一、戊糖 構(gòu)成核酸的戊糖有兩種，即核糖和脫氧核糖，其中構(gòu)成DNA的為脫氧核糖（全稱為-D-2-脫氧核糖），構(gòu)成RNA的為核糖（全稱為-D-核糖）。,二、堿基：構(gòu)成核酸的堿基(base)有兩類：嘌呤堿(purine)和嘧啶堿(pyrimidine)。嘌呤堿包括腺嘌呤(adenine，A)、鳥嘌呤(guanine，G)。嘧啶堿包括胞嘧啶(cytosine，C)、尿嘧啶(uracil，U)和胸腺嘧啶(thymine，T)。其中在DNA中有腺嘌呤(A)、鳥嘌呤(G)。胞嘧啶(C)、胸腺嘧啶(T)。RNA中有腺嘌呤(A)、鳥嘌呤(G)。胞嘧啶(C)，尿嘧啶(uracil，U)。,堿基的一些性質(zhì)： 1、受介質(zhì)pH的影響，構(gòu)成核酸的五種堿基中的酮基或氨基可以與相鄰雜環(huán)N原子間形成酮式或烯醇式的以及氨基或亞氨基的互變異構(gòu)體。,2、紫外吸收性質(zhì)：嘌呤堿和嘧啶堿分子中都含有共軛雙鍵體系，在紫外區(qū)（260 nm左右）有特征的吸收峰，利用此性質(zhì)可廣泛用于核酸的定性及定量測定。,3、稀有堿基：核酸中還存在有少量稀有堿基，都是上述5種堿基發(fā)生共價(jià)修飾的產(chǎn)物。,三、核苷、核苷酸與多核苷酸 1、核苷：堿基與戊糖通過糖苷鍵連成核苷。連接方式是嘌呤環(huán)上的N-9或嘧啶環(huán)上的N-1與糖的C-1以糖苷鍵相連。,2、核苷酸：核苷分子中戊糖上的羥基與磷酸結(jié)合形成單核苷酸。核苷酸是核苷的磷酸酯。有2-核苷酸，3-核苷酸，5-核苷酸等幾種，生物體內(nèi)多為5-核苷酸。,5-核苷酸可以分別含13個(gè)磷酸基團(tuán)，分別稱核苷一磷酸，核苷二磷酸，核苷三磷酸。,A U C G,U,U,UDP,CTP,舉例：AMP,A T C G,T,T,dADP,dTTP,dGMP,核苷酸的命名及其符號,磷酸（脫氧） 苷,堿基及其相應(yīng)的核苷、核苷酸 堿基 核苷 核苷一磷酸 核苷二磷酸 核苷三磷酸 腺嘌呤 A 腺苷 AMP ADP ATP RNA 鳥嘌呤 G 鳥苷 GMP GDP GTP 胞嘧啶 C 胞苷 CMP CDP CTP 尿嘧啶 U 尿苷 UMP UDP UTP 腺嘌呤 A 脫氧腺苷 dAMP dADP dATP DNA 鳥嘌呤 G 脫氧鳥苷 dGMP dGDP dGTP 胞嘧啶 C 脫氧胞苷 dCMP dCDP dCTP 胸腺嘧啶T 脫氧胸苷 dTMP dTDP dTTP,兩類核酸在分子組成上的異同點(diǎn),RNA,DNA,組 分,磷 酸,磷 酸,戊 糖,核 糖,脫氧核糖,堿 基,嘌 呤,嘧 啶,A G,U,C,T,核苷酸主要構(gòu)成核酸，少量游離的核苷酸還構(gòu)成參加各種物質(zhì)代謝的調(diào)節(jié)物質(zhì)和一些有特殊生物學(xué)功能的物質(zhì)。如ATP是生物體內(nèi)分布最廣和最重要的一種核苷酸衍生物，起貯存及提供能量的作用，它的結(jié)構(gòu)如下：,兩種重要的環(huán)核苷酸： 3,5-環(huán)腺苷酸 （ cAMP）和3,5-環(huán)鳥苷酸 （cGMP），環(huán)化核苷酸參與調(diào)節(jié)細(xì)胞生理生化過程而控制生物的生長、分化和細(xì)胞對激素的效應(yīng)。,第二節(jié) DNA的結(jié)構(gòu)與功能 一、核酸的一級結(jié)構(gòu) 核酸的基本結(jié)構(gòu)單位是核苷酸，核苷酸之間通過3，5-磷酸二酯鍵相連（一個(gè)核苷酸的C-3羥基和相鄰的另一個(gè)核苷酸的C-5磷酸脫水形成酯鍵），多個(gè)核苷酸連接在一起形成多聚核苷酸鏈。由于在多聚核苷酸鏈的兩端，其中一個(gè)核苷酸分子中的戊糖環(huán)的第3位碳原子(3)上的羥基是游離的，故把這一端稱為3端(3 end)，而另一端的核苷酸分子中結(jié)合于戊糖環(huán)的第5位碳原子(5)上的磷酸上的羥基也是游離的，故把這一端稱為5端(5 end)，以此表明核酸分子結(jié)構(gòu)的方向性。,核酸一級結(jié)構(gòu)：核酸中核苷酸的排列順序，又稱為核苷酸序列。脫氧核糖核苷酸之間以 磷酸二酯鍵 相連。 核酸的書寫（注意 5與 3端）。,5PAPCPGPCPTPGPTPA 3 或5 ACGCTGTA 3,二、DNA的二級結(jié)構(gòu) （一）DNA的堿基組成 DNA中含有四種堿基：A、T、G、C；1950年左右，Chargaff分析了不同生物的DNA堿基組成，發(fā)現(xiàn)一個(gè)共同的規(guī)律，即DNA中，A與T的數(shù)目相等，G與C的數(shù)目相等，稱之為Chargaff規(guī)律。 1953年，Watson和Crick根據(jù)DNA結(jié)晶的X-衍射圖譜和分子模型，提出了著名的DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型。,DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型的主要論點(diǎn)： 1、DNA由兩條脫氧核苷酸鏈構(gòu)成，兩條鏈反向平行（兩條鏈走向分別為35和53） ，形成雙螺旋結(jié)構(gòu)。 2、在雙螺旋結(jié)構(gòu)中，堿基位于鏈內(nèi)側(cè)，戊糖、磷酸位于外側(cè)。 3、雙螺旋結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)中，兩條鏈的堿基之間通過H鍵互補(bǔ)配對，其中A與T配對（形成兩個(gè)H鍵），C與G（形成三個(gè)H鍵）配對，這一規(guī)律稱為“堿基配對”規(guī)律或“堿基互補(bǔ)”規(guī)律。 4、每一對堿基位于同一平面上，垂直于螺旋主軸，每一對相鄰的堿基旋轉(zhuǎn)36度，間距為0.34nm，10個(gè)堿基對上升一圈，間距為3 . 4nm，雙螺旋直徑為2nm。 5、堿基對之間的氫鍵是維持雙螺旋穩(wěn)定性的主要力量（橫向）；堿基平面之間的堿基堆積力則維持雙螺旋的縱向穩(wěn)定性。另外磷酸基的負(fù)電荷與介質(zhì)中的陽離子之間的離子鍵也有一定作用。 意義：提出了遺傳信息的貯存方式、DNA的復(fù)制機(jī)理是DNA復(fù)制、轉(zhuǎn)錄和翻譯的分子基礎(chǔ)。,DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型,A-T、G-C間的氫鍵形成,三、DNA的超螺旋結(jié)構(gòu) 細(xì)胞中的DNA通常分子巨大，DNA在雙螺旋分子基礎(chǔ)上再次螺旋化生成緊密結(jié)構(gòu)，其主要意義是有規(guī)律地壓縮分子體積，減少所占空間。 1、原核生物的DNA多以共價(jià)封閉的環(huán)狀雙螺旋，環(huán)狀雙螺旋可形成負(fù)超螺旋結(jié)構(gòu)，以較致密的形式存在于細(xì)胞中。,2、真核細(xì)胞的細(xì)胞核內(nèi)，DNA非常致密，DNA壓縮形成染色質(zhì)的形式存在于細(xì)胞中，染色質(zhì)的基本單位是核小體： （1）核小體：由DNA和組蛋白構(gòu)成，組蛋白有五種（H1、H2A、H2B、H3） ，其中由H2A、H2B、H3、H4各兩分子構(gòu)成核心結(jié)構(gòu),DNA雙鏈分子（146個(gè)bp）繞1.75圈，構(gòu)成一個(gè)核小體，核小體之間有30個(gè)bp與H1相連。,（2）螺線管：形成串珠狀的核小體呈螺旋狀排列形成，直徑為30nm。 （3）超螺線管： （4）染色體：DNA壓縮了8400倍。,四、DNA的功能 1、DNA是遺傳信息的載體，基因是DNA分子中貯存遺傳信息的遺傳單位，DNA中的遺傳信息轉(zhuǎn)錄個(gè)RNA，再由RNA直到蛋白質(zhì)的合成，此過程被稱為遺傳信息的表達(dá)。 2、DNA的雙鏈結(jié)構(gòu)中，每一條單鏈都含有與互補(bǔ)鏈相同的信息，都可作為復(fù)制的模板參與DNA的復(fù)制，使新合成的DNA子鏈中含有原來母鏈的一條單鏈，從而能使遺傳信息穩(wěn)定地傳遞。 3、DNA的雙螺旋互補(bǔ)結(jié)構(gòu)，為DNA損傷后的修復(fù)提供保障，假如一條鏈的堿基出現(xiàn)意外損傷而造成差錯(cuò)，可以另一條鏈作為修復(fù)模板，從而保證遺傳的穩(wěn)定性。 基因（gene）：DNA中的功能性片段。 基因組（genome）：一種生物體中的全部基因序列稱為基因組。,第三節(jié) RNA的結(jié)構(gòu)與功能 RNA的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)： 1、RNA的堿基由A、G、C、U組成。其基本結(jié)構(gòu)單位是核苷酸，各核苷酸間通過3，5-磷酸二酯鍵相連。 2、RNA分子通常較小，是單鏈分子，在RNA分子中，并不遵守堿基種類的數(shù)量比例關(guān)系，即分子中的嘌呤堿基總數(shù)不一定等于嘧啶堿基的總數(shù)。 3、RNA分子中，部分區(qū)域也能形成雙螺旋結(jié)構(gòu)，不能形成雙螺旋的部分，則形成突環(huán)，這種結(jié)構(gòu)可以形象地稱為“發(fā)夾型”結(jié)構(gòu)。在RNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)中，堿基的配對情況不象DNA中嚴(yán)格。G 除了可以和C 配對外，也可以和U 配對。不同類型的RNA, 其二級結(jié)構(gòu)有明顯的差異。 4、RNA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。,RNA的類型：RNA主要存在于細(xì)胞質(zhì)中，大多在細(xì)胞核中合成。根據(jù)結(jié)構(gòu)和功能的不同，RNA可分為： 1、核蛋白體RNA (rRNA)； 2、轉(zhuǎn)運(yùn)RNA (tRNA)； 3、信使RNA (mRNA)； 4、不均一核RNA (HnRNA)； 5、核小RNA (SnRNA) ； 6、染色質(zhì)RNA (ChRNA),一、信使RNA(mRNA)的結(jié)構(gòu)與功能 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)： 1、 5 -末端有一個(gè)甲基化的鳥苷酸，稱為帽結(jié)構(gòu)。與翻譯與mRNA的穩(wěn)定有關(guān)。 2、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(poly A)，稱為尾結(jié)構(gòu)。參與mRNA從細(xì)胞核到細(xì)胞質(zhì)的轉(zhuǎn)移，與mRNA的半壽期有關(guān)。 3、初級轉(zhuǎn)錄本含有內(nèi)含子，經(jīng)過一系列的加工、修飾及剪切、去除內(nèi)含子為成熟的mRNA。 功能：mRNA是壽命最短的RNA，生物體各種mRNA鏈長短差別很大。mRNA的功能是指導(dǎo)蛋白質(zhì)的生物合成。即把核內(nèi)DNA的堿基順序（遺傳信息），按堿基互補(bǔ)配對原則，抄錄并轉(zhuǎn)送至細(xì)胞質(zhì)的核糖體，用以決定蛋白質(zhì)合成的氨基酸排列順序。,二、轉(zhuǎn)運(yùn)RNA(tRNA)的結(jié)構(gòu)與功能 1、結(jié)構(gòu)： 7090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 一級結(jié)構(gòu)：tRNA是細(xì)胞內(nèi)分子最小的RNA，含有10%至20%的稀有堿基（DHU，mG、mA等）, 3末端為-CCA-OH。 二級結(jié)構(gòu)：三葉草形 三級結(jié)構(gòu)：倒L型 2、功能：攜帶各種氨基酸用于蛋白質(zhì)的合成。,三、核糖體RNA(rRNA)的結(jié)構(gòu)與功能 rRNA是細(xì)胞含量最多的RNA（80%）。大小不均一。 rRNA分子中存在大量氫鍵配對，存在螺旋區(qū)和環(huán)區(qū)組成的區(qū)域。 它與核糖體蛋白共同構(gòu)成核糖體，作為蛋白質(zhì)生物合成的場所。 真核細(xì)胞與原核細(xì)胞的核糖體成分上有差異： 小亞基 大亞基 真核細(xì)胞： 18SrRNA 5SrRNA 5.8SrRNA 28SRNA 原核細(xì)胞：16SrRNA 5SrRNA 23SrRNA,第四節(jié) 核酸的理化性質(zhì) 一、核酸的一般理化性質(zhì) DNA是線性生物高分子，雙螺旋結(jié)構(gòu)使DNA分子具有一定剛性，但由于分子極為細(xì)長，其直徑與長度比可達(dá)1：107，所以也具一定柔性。DNA的分子量多在1061010道爾頓之間；RNA的分子量多在104106道爾頓之間。 RNA和DNA都是極性化合物，都微溶于水，而不溶于乙醇、氯仿等有機(jī)溶劑。核酸是高分子物質(zhì)，故其溶液粘度很大。極稀的DNA溶液也有極大粘度； RNA的粘度相對要小得多。粘度可作為DNA變性的指標(biāo)。因?yàn)镈NA變性時(shí)發(fā)生螺旋到線團(tuán)的轉(zhuǎn)變而粘度降低。 核酸 的紫外吸收：由于嘌呤堿和嘧啶堿分子中都含有共軛雙鍵體系，在紫外區(qū)有吸收（260 nm左右）。 核酸酶：能催化核酸的水解，分核酸內(nèi)切酶和核酸外切酶兩種，有的核酸內(nèi)切酶對切點(diǎn)要求嚴(yán)格，稱限制性核酸內(nèi)切酶。,二、 DNA的變性 1、 DNA的變性：指核酸雙螺旋區(qū)的多聚核苷酸鏈間的氫鍵斷裂，變成單鏈結(jié)構(gòu)的過程。 核酸的變性并不涉及磷酸二酯鍵的斷裂，所以它的一級結(jié)構(gòu)(堿基順序)保持不變。 變性核酸將失去其部分或全部的生物活性。 增色效應(yīng)核酸變性后，其在260nm處的紫外吸收值將增加。DNA約增加2540%；RNA約增加1.1%。利用紫外吸收的變化，可以檢測核酸變性的情況。 核酸變性的因素：溫度升高、酸堿度改變、甲醛和尿素等的存在均可引起核酸的變性。 變性的結(jié)果：雙螺旋轉(zhuǎn)變成無規(guī)線團(tuán)；增色效應(yīng)；粘度；沉降速度；浮力密度。,DNA的變性,DNA的熱變性 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，通常將引起DNA變性的溫度稱為熔點(diǎn)（解鏈溫度、熔解溫度） Tm：解鏈溫度，指使DNA分子50%解鏈時(shí)的溫度。G和C的含量高， Tm值高。G+C)%=(Tm-69.3) 2.44,三、DNA的復(fù)性 DNA的復(fù)性變性DNA在適當(dāng)?shù)臈l件下，兩條彼此分開的單鏈可以重新締合成為雙螺旋結(jié)構(gòu)，這一過程稱為復(fù)性。也稱退火。 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)。 DNA復(fù)性的程度、速率與復(fù)性過程的條件有關(guān)。 將熱變性的DNA驟然冷卻至