第2章核酸的结构与功能

第第 2 2 章章 核酸的结构与功能核酸的结构与功能 概述：概述：1 1、核酸的发现及命名、核酸的发现及命名 核酸是脱氧核糖核酸（核酸是脱氧核糖核酸（DNA）与核糖核酸与核糖核酸（RNA）的通称的通称 2 2、核酸的分类、分布及生理功用、核酸的分类、分布及生理功用 分分 类类 主要分布主要分布 主要生理功用主要生理功用 DNA 细胞核细胞核 遗传信息的载体遗传信息的载体 RNA 细胞质细胞质 参与蛋白质的生物合成参与蛋白质的生物合成 DNARNAProteinsTranscription 转录转录Translation 翻译翻译Replication 复制复制 线粒体线粒体也有也有DNADNA主要分布在细胞核，而主要分布在细胞核，而RNA主要分布在细胞浆。主要分布在细胞浆。核酸的分布核酸的分布 3、核酸的水解核酸的水解核酸核酸核苷酸核苷酸磷酸磷酸核苷核苷戊糖戊糖碱基碱基水水解解基本结构单位：基本结构单位：核苷酸核苷酸；基本组成成分：；基本组成成分：磷酸、戊糖和碱基磷酸、戊糖和碱基一、核酸的化学组成及特点一、核酸的化学组成及特点组成核苷酸的元素：，组成核苷酸的元素：，与蛋白质相比组成上的两大特点：与蛋白质相比组成上的两大特点：核酸不含元素，核酸不含元素，核酸中元素的含量多核酸中元素的含量多,且恒定（）且恒定（）(可用于核酸含量测定可用于核酸含量测定)第一节第一节 核酸的化学组成及一级结构核酸的化学组成及一级结构(H)HHHOHOHHOCH2H12345OHRAN:-D-核糖核糖DNA:-D-2-脱氧核糖脱氧核糖.为区别碱基中的碳原子的为区别碱基中的碳原子的编号编号,戊糖中的碳原子标戊糖中的碳原子标以以C-1,C-2.1.戊糖戊糖脱氧部位脱氧部位C-2DNA 比比 RNA 稳定稳定!二、核酸分子中的基本组成成分二、核酸分子中的基本组成成分*2.碱基（碱基（base):嘌呤碱嘌呤碱 (purine)鸟鸟嘌呤嘌呤(guanine G)腺腺嘌呤嘌呤(adenine A)嘧啶碱嘧啶碱(pyrimidinepyrimidine)胞嘧啶胞嘧啶 (cytosine C)尿尿嘧啶嘧啶(uracil U)胸腺胸腺嘧啶嘧啶(thymime T)碱基都具有芳香环的结构特征（含共轭双键）碱基都具有芳香环的结构特征（含共轭双键）嘌呤嘌呤(purine)NNNHN123456789NNNHNNH2腺嘌呤腺嘌呤(adenine,A)NNHNHNNH2O鸟嘌呤鸟嘌呤(guanine,G)NNH132456嘧啶嘧啶(pyrimidine)胞嘧啶胞嘧啶(cytosine,C)NNHNH2O尿嘧啶尿嘧啶(uracil,U)NHNHOO胸腺嘧啶胸腺嘧啶(thymine,T)NHNHOOCH3小结：小结：DNADNA、RNARNA基本组成的异同基本组成的异同*戊戊 糖糖 碱碱 基基 磷酸磷酸 DNADNA 脱氧核糖脱氧核糖 A A、G G、C C、T T 磷酸磷酸 RNARNA 核核 糖糖 A A、G G、C C、U U 磷酸磷酸 3、核苷（核苷（nucleoside)nucleoside)1 1）核苷的定义：碱基与戊糖通过）核苷的定义：碱基与戊糖通过糖苷键糖苷键相相 连而成的化合物。连而成的化合物。2 2）碱基与戊糖的连接部位）碱基与戊糖的连接部位：3 3）分类：核糖核苷分类：核糖核苷 脱氧核糖核苷脱氧核糖核苷糖苷键糖苷键 4 4、核苷酸、核苷酸(nucleotide)nucleotide)1 1）定义：核苷与磷酸通过）定义：核苷与磷酸通过酯键酯键相连而成的化相连而成的化 合物合物 2 2）连接部位：戊糖的）连接部位：戊糖的第五位第五位碳上的羟基磷碳上的羟基磷 酸化酸化 3 3）分类：核糖核苷酸分类：核糖核苷酸 脱氧核糖核苷酸脱氧核糖核苷酸 注：一磷酸核苷注：一磷酸核苷 monophosphatemonophosphate(MP)(MP)二磷酸核苷二磷酸核苷 diphosphatediphosphate (DP)(DP)三磷酸核苷三磷酸核苷 triphosphatetriphosphate (TP)(TP)核苷酸的结构核苷酸的结构碱基连接（糖苷键）碱基连接（糖苷键）酯酯 键键（对（对DNA为为H）三、核酸的一级结构三、核酸的一级结构 1 1、定义：、定义：组成组成 DNA（或（或RNA）的脱氧核苷酸）的脱氧核苷酸 （或核苷酸）的排列顺序（或核苷酸）的排列顺序 2 2、连接键：、连接键：3535-磷酸二酯键磷酸二酯键 （多核苷酸链的方向：（多核苷酸链的方向：5353）3 3、表达方式：结构式、表达方式：结构式 线条式线条式 文字式文字式 155端端3端端CGAA G P5 P T PG PC PT P OH 3 5 pApCpTpGpCpT-OH 3 5 A C T G C T 3 第二节第二节 DNA的空间结构与功能的空间结构与功能 一、一、DNA碱基组成的特点碱基组成的特点 1 1、有物种特异性，且物种亲缘关系越远，、有物种特异性，且物种亲缘关系越远，差异越大；差异越大；2 2、无组织器官特异性。、无组织器官特异性。不同组织器官中不同组织器官中 DNA DNA碱基组成相同，而且不因年龄、环碱基组成相同，而且不因年龄、环 境及营养而改变；境及营养而改变；3 3、组成的规律性：组成的规律性：DNA分子中四种碱基的分子中四种碱基的 摩尔百分比，即摩尔百分比，即A=T、G=C、A+G=T+CDNA的二级结构的二级结构双螺旋结构双螺旋结构二、二、DNA双螺旋结构模型要点双螺旋结构模型要点*（B型）型）1 1、反向平行的、反向平行的右手双螺旋结右手双螺旋结 构构，螺距为，螺距为 3.43.4nmnm，直径直径 为为2.02.0nmnm。每圈每圈1010对对碱基，碱基，存在大沟、小沟存在大沟、小沟2、主链位于螺旋外侧，碱基、主链位于螺旋外侧，碱基 位于内侧。位于内侧。3、两链间、两链间A与与T互补形成互补形成两个两个 氢键氢键，G与与C互补形成互补形成三个三个 氢键氢键4、螺旋的稳定因素为、螺旋的稳定因素为氢键和氢键和 碱基堆砌力碱基堆砌力碱基互补配对碱基互补配对 DNADNA双螺旋结构的多样性双螺旋结构的多样性DNADNA双螺旋分子在空间进一步折叠或环绕双螺旋分子在空间进一步折叠或环绕成更复杂的结构，即成更复杂的结构，即DNADNA三级结构。三级结构。（人体每个体细胞（人体每个体细胞DNA长长2m,细胞直径细胞直径0.1mm,细胞核细胞核0.05mm）（一）一）DNA 超螺旋超螺旋 原核生物原核生物DNA高级结构高级结构正正超螺旋超螺旋:盘旋方向与盘旋方向与DNA双螺旋方向相同双螺旋方向相同负超螺旋：负超螺旋：盘旋方向与盘旋方向与DNA双螺旋方向相反双螺旋方向相反超螺旋超螺旋核核小小体体（二）核小体（二）核小体RNA的种类、分布、功能的种类、分布、功能核核蛋蛋白白体体RNA信信使使RNA转转运运RNA核核内内不不均均一一RNA核核内内小小RNA胞胞浆浆小小RNA 细细胞胞核核和和胞胞液液线线粒粒体体功功能能rRNAmRNA mt rRNAtRNAmt mRNAmt tRNAHnRNASnRNASnoRNAscRNA/7SL-RNA 核核蛋蛋白白体体组组分分蛋蛋白白质质合合成成模模板板转转运运氨氨基基酸酸成成熟熟mRNA的的前前体体参参与与hnRNA的的剪剪接接、转转运运rRNA的的加加工工、修修饰饰蛋蛋白白质质内内质质网网定定位位合合成成的的信信号号识识别别体体的的组组分分核核仁仁小小RNA核核蛋蛋白白体体RNA信信使使RNA转转运运RNA核核内内不不均均一一RNA核核内内小小RNA胞胞浆浆小小RNA 细细胞胞核核和和胞胞液液线线粒粒体体功功能能rRNAmRNA mt rRNAtRNAmt mRNAmt tRNAHnRNASnRNASnoRNAscRNA/7SL-RNA 核核蛋蛋白白体体组组分分蛋蛋白白质质合合成成模模板板转转运运氨氨基基酸酸成成熟熟mRNA的的前前体体参参与与hnRNA的的剪剪接接、转转运运rRNA的的加加工工、修修饰饰蛋蛋白白质质内内质质网网定定位位合合成成的的信信号号识识别别体体的的组组分分核核仁仁小小RNA第三节第三节 RNARNA的空间结构与功能的空间结构与功能 主要主要RNARNA的分类及功用的分类及功用 分分 类类 主要功用主要功用 mRNA mRNA 蛋白质生物合成的模板蛋白质生物合成的模板 tRNAtRNA 氨基酸的搬运工具氨基酸的搬运工具 rRNArRNA 与蛋白结合成核蛋白体，为与蛋白结合成核蛋白体，为 蛋白质生物合成提供场所蛋白质生物合成提供场所 RNARNA的总体结构特点的总体结构特点：以单链形式存在；局部可形成双螺旋；碱基以单链形式存在；局部可形成双螺旋；碱基组成比例无规律性组成比例无规律性 真核生物真核生物mRNAmRNA的结构特点：的结构特点：1 1）mRNAmRNA含量少、更新快、分子大小不一含量少、更新快、分子大小不一 2 2)mRNA)mRNA可形成局部双螺旋结构的二级结构。可形成局部双螺旋结构的二级结构。3)3)mRNAmRNA在真核生物中的初级产物称为在真核生物中的初级产物称为HnRNAHnRNA 4)5-4)5-端有端有7-7-甲基鸟苷三磷酸甲基鸟苷三磷酸(m m7 7GTP)GTP)的的帽子帽子 结构结构 5)3-5)3-端有多聚腺苷酸端有多聚腺苷酸(PolyAPolyA)尾巴结构尾巴结构 一、一、信使信使RNA（mRNA）-蛋白质合成的直接模板蛋白质合成的直接模板 二、二、tRNAtRNA的结构特点：的结构特点：1)1)分子最小分子最小；大小均一；含有；大小均一；含有稀有碱基最多稀有碱基最多 2）局部双链形成局部双链形成茎茎-环样结构环样结构/发夹结构发夹结构 3)3)二级结构：呈二级结构：呈“三叶草三叶草”型。型。包括：包括：氨基酸臂氨基酸臂、DHUDHU环、环、反密码环反密码环、附、附 加环、加环、TCTC环等环等 4 4）三级结构：）三级结构：倒倒“L”L”型型NNHNHNNOCH3CH3NNNHNNHCH2CHCCH3CH3NHNHOOHHHHNHNHSON,N二甲基鸟嘌呤二甲基鸟嘌呤N6-异戊烯腺嘌呤异戊烯腺嘌呤双氢尿嘧啶双氢尿嘧啶4-巯尿嘧啶巯尿嘧啶 稀有碱基稀有碱基 tRNA二级结构：三叶草形结构二级结构：三叶草形结构氨基酸臂氨基酸臂额外环额外环*tRNAtRNA的三级结构的三级结构 倒倒L L形形*t tRNARNA的功能的功能活化、搬运氨基活化、搬运氨基酸到核糖体，参与蛋酸到核糖体，参与蛋白质的翻译。白质的翻译。与蛋白质结合形成与蛋白质结合形成核蛋白体核蛋白体成为成为蛋白质合成的场所蛋白质合成的场所三、核蛋白体三、核蛋白体RNA（rRNA）：大分子物质在超速离心沉降中的一个大分子物质在超速离心沉降中的一个 物理学单位，反映分子质量的大小物理学单位，反映分子质量的大小S 小亚基小亚基 大亚基大亚基 原核生物原核生物 70S 含：含：30S 50S 真核生物真核生物 80S 含：含：40S 60S rRNArRNA的结构特点：的结构特点：1 1）rRNArRNA是是含量最多含量最多的的RNARNA，占总量的占总量的 80 80。2 2）rRNArRNA与蛋白质构成核蛋白体与蛋白质构成核蛋白体 （由大、小亚基组成）（由大、小亚基组成）原核生物：原核生物：5 5S,S,16S,23S16S,23S 小亚基含：小亚基含：16S16S 亚基含：亚基含：5 5S S和和2323S S 真核生物：真核生物：5 5S S，5.8S5.8S，18S18S，28S28S 小亚基含：小亚基含：18S18S 大亚基含：大亚基含：5.85.8S S，5S5S，28S28S 第四节第四节 核酸的理化性质、核酸的理化性质、变性和复性及其应用变性和复性及其应用 一一、核酸的一般理化性质核酸的一般理化性质 （一）为两性电解质；呈酸性；分子大，（一）为两性电解质；呈酸性；分子大，粘度高粘度高 （二）紫外吸收特性：（二）紫外吸收特性：1 1、最大紫外吸收峰：、最大紫外吸收峰：260260nmnm 2 2、产生原因：、产生原因：碱基中的共扼双键碱基中的共扼双键 3 3、应用：定量分析；鉴定纯度、应用：定量分析；鉴定纯度 三、核酸变性（三、核酸变性（DNADNA变性）变性）1 1、定义：定义：在理化因素作用下，在理化因素作用下，DNADNA双螺旋双螺旋 的两条互补链松散而分开变成单链的过程。的两条互补链松散而分开变成单链的过程。2 2、变性的因素：高温（常用）、变性的因素：高温（常用）强酸、强碱强酸、强碱 有机溶剂等有机溶剂等 3 3、变性的实质：、变性的实质：氢键断裂氢键断裂（磷酸二酯键完（磷酸二酯键完好）好）4 4、主要性质改变：、主要性质改变：1)1)紫外吸收值增加紫外吸收值增加-增色效应增色效应 增色效应增色效应:指指DNADNA变性后对变性后对260260nmnm紫外光紫外光 的光吸收度增加的现象。的光吸收度增加的现象。2)2)旋光性下降；旋光性下降；3)3)粘度降低；粘度降低；4)4)生物功能丧失或改变生物功能丧失或改变解链温度解链温度OD260TDNA热变性曲线呈热变性曲线呈S型型50DNA变性变性四、四、DNA的热变性的热变性 1、定义：将、定义：将DNA稀盐溶液加热使之变性的过程稀盐溶液加热使之变性的过程（melting temperature):核酸核酸分子大小分子大小复性：复性：变性变性DNA在适当条件下可重新配对，在适当条件下可重新配对，恢复天然的双螺旋构像的现象。恢复天然的双螺旋构像的现象。退火：退火：热变性的热变性的DNA随着温度的随着温度的 缓慢降低再重缓慢降低再重新形成双螺旋的过程。新形成双螺旋的过程。复性过程：成核反应复性过程：成核反应拉链反应拉链反应 DNA的变性与复性的变性与复性 六、核酸杂交六、核酸杂交 (hybridization)1 1、具有一定互补序列的多核苷酸链按碱基、具有一定互补序列的多核苷酸链按碱基 配对规则结合成异质双链的过程。配对规则结合成异质双链的过程。2 2、结构基础：有互补序列、结构基础：有互补序列 3、分类分类：DNA-DNA Southern杂交杂交 待测者待测者 RNA-DNA Northern杂交杂交 RNA-RNA 4 4、应用简介应用简介 主要用于特异主要用于特异DNA或或RNA的定性定量检测。的定性定量检测。带有一定标记的已带有一定标记的已知顺序的核酸片段知顺序的核酸片段称为探针。称为探针。