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单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,核酸的结构与功能,Nucleic Acid,核酸与蛋白质一样，是一切生物机体不可缺少的组成局部。,核酸是生命遗传信息的携带者和传递者，它不仅对于生命的延续，生物物种遗传特性的保持，生长发育，细胞分化等起着重要的作用，而且与生物变异，如肿瘤、遗传病、代谢病等也密切相关。,因此，核酸是现代生物化学、分子生物学和医学的重要根底之一。,核酸与遗传,早在1868年，F. Miescher从细胞核中别离得到一种酸性物质，即现在被称为核酸的物质。,1939年，E. Knapp等第一次用实验方法证实核酸是生命遗传的根底物质。,第一节 核酸的分类和组成,核酸分为两大类.,脱氧核糖核酸DNA,Deoxyribonucleic Acid,核糖核酸RNA,Ribonucleic Acid。,一、,核酸的分类,DNA分子含有生物物种的所有遗传信息，分子量一般都很大。,DNA为双链分子，其中大多数是链状结构大分子，也有少局部呈环状结构。,脱氧核糖核酸DNA,核糖核酸RNA,RNA主要是负责DNA遗传信息的,翻译和表达,，分子量要比DNA小得多。RNA为单链分子。,RNA,的类别,根据RNA的功能，可以分为mRNA、tRNA和rRNA三种。,mRNA (信使RNA),约占总RNA的5%。,不同细胞的mRNA的链长和分子量差异很大。,它的功能是将DNA的遗传信息传递到蛋白质合成基地 核糖核蛋白体。,Messenger RNA,tRNA (转移RNA),约占总RNA的10-15%。,它在蛋白质生物合成中起翻译氨基酸信息，并将相应的氨基酸转运到核糖核蛋白体的作用。,每一个氨基酸至少有一个相应的tRNA。,RNA分子的大小很相似，链长一般在73-78个核苷酸之间。,Transfer RNA,rRNA (核糖体RNA),约占全部RNA的80%，,是核糖核蛋白体的主要组成局部。,rRNA 的功能与蛋白质生物合成相关。,Ribosome RNA,二 核酸的化学组成,核酸DNA和RNA是一种线性多聚核苷酸，它的根本结构单元是核苷酸。,核苷酸本身由核苷和磷酸组成,而核苷那么由戊糖和碱基形成,DNA与RNA结构相似，但在组成成份上略有不同。,1核苷酸,1组成核酸的碱基,腺嘌呤Adenine,1核苷酸,1组成核酸的碱基,鸟嘌呤guanine,1核苷酸,1组成核酸的碱基,尿嘧啶uracil,1核苷酸,1组成核酸的碱基,胞嘧啶cytosine,1核苷酸,1组成核酸的碱基,胸腺嘧啶thymine,1核苷酸,碱基的结构特征,碱基都具有芳香环的结构特征。嘌呤环和嘧啶环均呈平面或接近于平面的结构。,碱基的芳香环与环外基团可以发生酮式烯醇式或胺式亚胺式互变异构。,胺式亚胺式互变异构,酮式烯醇式互变异构,1核苷酸,碱基的结构特征,嘌呤碱和嘧啶碱分子中都含有共轭双键体系，在紫外区有吸收260 nm左右。,1核苷酸,2戊糖,组成核酸的戊糖有两种。DNA所含的糖为-D-2-脱氧核糖；RNA所含的糖那么为-D-核糖。,1核苷酸,3核苷 nucleoside,糖与碱基之间的C-N键，称为C-N糖苷键,。,1核苷酸,4核苷酸nucleotide,核苷酸是核苷的磷酸酯。作为DNA或RNA结构单元的核苷酸分别是5-磷酸-脱氧核糖核苷和5-磷酸-核糖核苷。,1核苷酸,(5)修饰成分,核酸中也存在一些不常见的稀有碱基。稀有碱基的种类很多，大局部是上述碱基的甲基化产物。,2核苷酸的衍生物,ATP,是生物体内分布最广和最重要的一种核苷酸衍生物。它的结构如下：,1 ATP (腺嘌呤核糖核苷三磷酸),ATP,的性质,ATP 分子的最显著特点是含有两个高能磷酸键。ATP水解时, 可以释放出大量自由能。,ATP 是生物体内最重要的能量转换中间体。ATP 水解释放出来的能量用于推动生物体内各种需能的生化反响。,ATP 也是一种很好的磷酰化剂。磷酰化反响的底物可以是普通的有机分子，也可以是酶。磷酰化的底物分子具有较高的能量活化分子，是许多生物化学反响的激活步骤。,(2)GTP (鸟嘌呤核糖核苷三磷酸),GTP是生物体内游离存在的另一种重要的核苷酸衍生物。它具有ATP 类似的结构, 也是一种高能化合物。,GTP主要是作为蛋白质合成中磷酰基供体。在许多情况下, ATP 和 GTP 可以相互转换。,3cAMP 和 cGMP,cAMP(3,5- 环腺嘌呤核苷一磷酸)和 cGMP( 3,5-环鸟嘌呤核苷一磷酸)的主要功能是作为细胞之间传递信息的信使。,cAMP 和 cGMP 的环状磷酯键是一个高能键。在 pH 7.4 条件下, cAMP 和 cGMP 的水解能约为43.9 kj /mol，比 ATP 水解能高得多。,3多聚核苷酸,多聚核苷酸是通过核苷酸的5-磷酸基与另一分子核苷酸的C3-OH形成磷酸二酯键相连而成的链状聚合物。,由脱氧核糖核苷酸聚合而成的称为DNA链；,由核糖核苷酸聚合而成的那么称为RNA链。,多聚核苷酸的特点,在多聚核苷酸中，两个核苷酸之间形成的磷酸二酯键通常称为53磷酸二酯键。,多聚核苷酸链一端的C5带有一个自由磷酸基，称为5-磷酸端常用5-P表示；另一端C3带有自由的羟基，称为3-羟基端常用3-OH表示。,多聚核苷酸链具有方向性，当表示一个多聚核苷酸链时，必须注明它的方向是53或是35。,方向性,在多聚核苷酸DNA或RNA链中，由于构成核苷酸单元的戊糖和磷酸基是相同的，表达核苷酸差异的实际上只是它所带的碱基，所以多聚核苷酸链结构也可表示为：,在讨论有关核酸问题时，一般只关心其中碱基的种类和顺序，所以上式可以进一步简化为：,5,P,A,P,C,P,G,P,C,P,T,P,G,P,T,P,A 3,或5,ACGCTGTA 3,第二节 核酸的一级结构,多聚核苷酸是由四种不同的核苷酸单元按特定的顺序组合而成的线性结构聚合物，因此，它具有一定的核苷酸顺序，即碱基顺序。,核酸的碱基顺序是核酸的一级结构。,DNA的碱基顺序本身就是遗传信息存储的分子形式。生物界物种的多样性即寓于DNA分子中四种核苷酸千变万化的不同排列组合之中。,而mRNA(信息RNA)的碱基顺序，那么直接为蛋白质的氨基酸编码，并决定蛋白质的氨基酸顺序。,第三节 DNA,的空间结构与功能,1953年，J. Watson和F. Crick 在前人研究工作的根底上，根据DNA结晶的X-衍射图谱和分子模型，提出了著名的DNA双螺旋结构模型，并对模型的生物学意义作出了科学的解释和预测。,1DNA双螺旋结构的特点,DNA分子由两条DNA单链组成。,DNA的双螺旋结构是分子中两条DNA单链之间基团相互识别和作用的结果。,双螺旋结构是DNA二级结构的最根本形式。,DNA双螺旋结构的要点,1DNA分子由两条多聚脱氧核糖核苷酸链(简称DNA单链)组成。两条链沿着同一根轴平行盘绕，形成右手双螺旋结构。螺旋中的两条链方向相反，即其中一条链的方向为53，而另一条链的方向为35。,2嘌呤碱和嘧啶碱基位于螺旋的内侧，磷酸和脱氧核糖基位于螺旋外侧。碱基环平面与螺旋轴垂直。,DNA双螺旋结构的要点,3螺旋的直径约为2nm，螺旋每旋转一周包含10对碱基，每个碱基的旋转角度为36度。螺距为3.4 nm，每个碱基平面之间的距离为,DNA双螺旋结构的要点,DNA双螺旋结构的要点,4维系DNA双螺旋稳定的化学键：,横向是氢键。A和T之间形成两个氢键，G与C之间形成三个氢键。,纵向是碱基平面间的疏水性堆积力。,原核生物DNA的高级结构,真核生物DNA的高级结构,2DNA超螺旋结构,DNA的存在形式,3DNA的功能,复制的模板,转录的模板,tRNA,一级结构的特点,tRNA,分子具有以下特点：,是分子量最小的一类核酸。大约由7090个核苷酸组成。,分子中含有较多的稀有碱基,3-末端都具有CCA的结构。,第四节,RNA,的结构与功能,m,RNA,一级结构的特点,真核细胞mRNA的3-末端有一段长达200个核苷酸左右的聚腺苷酸(polyA)，称为 “尾结构 ，5 -末端有一个甲基化的鸟苷酸，称为 帽结构“ 。,极大多数真核细胞mRNA在3-末端有一段长约200核苷酸的polyA。polyA是在转录后经polyA聚合酶的作用而添加上去的。原核生物的mRNA一般无polyA，但某些病毒mBNA也有3-polyA,polyA可能有多方面功能,与mRNA从细胞核到细胞质的转移有关；与mRNA的半寿期有关，新合成的mRNA,polyA链较长，而衰老的mRNA，polyA链缩短,rRNA,真核生物rRNA有四类：5SrRNA，18SrRNA，28SRNA；原核生物rRNA有三类： 5SrRNA，16SrRNA，23SrRNA.,RNA的高级结构特点,RNA是单链分子，因此，在RNA分子中，并不遵守碱基种类的数量比例关系，即分子中的嘌呤碱基总数不一定等于嘧啶碱基的总数。,RNA分子中，局部区域也能形成双螺旋结构，不能形成双螺旋的局部，那么形成突环。这种结构可以形象地称为“发夹型结构。,在RNA的双螺旋结构中，碱基的配对情况不象DNA中严格。G 除了可以和C 配对外，也可以和U 配对。G-U 配对形成的氢键较弱。不同类型的RNA, 其二级结构有明显的差异。,tRNA中除了常见的碱基外，还存在一些稀有碱基，这类碱基大局部位于突环局部.,tRNA,的高级结构,1，tRNA的二级结构,tRNA的二级结构都呈 三叶草 形状，在结构上具有某些共同之处，一般可将其分为五臂四环：包括氨基酸接受区、反密码区、二氢尿嘧啶区、TC区和可变区。除了氨基酸接受区外，其余每个区均含有一个突环和一个臂。,(1)氨基酸接受区包含有tRNA,的3-末端和5-末端， 3-末端的最后3个核苷酸残基都是CCA，A为核苷。氨基酸可与其成酯，该区在蛋白质合成中起携带氨基酸的作用。(2)反密码区与氨基酸接受区相对的一般含有7个核苷酸残基的区域，其中正中的3个核苷酸残基称为反密码,3)二氢尿嘧啶区,该区含有二氢尿嘧啶。,(4) TC区 该区与二氢尿嘧啶区相对， 假尿嘧啶核苷胸腺嘧啶核糖核苷环(TC)由7个核苷酸组成，通过由5对碱基组成的双螺旋区(TC臂)与tRNA的其余局部相连。除个别例外，几乎所有tBNA在此环中都含有TC 。,(5)可变区,位于反密码区与TC区之间，不同的tRNA该区变化较大。,2,tRNA,的三级结构,在三叶草型二级结构的根底上，突环上未配对的碱基由于整个分子的扭曲而配成对，目前的tRNA的三级结构均为倒L型,第五节、核酸的理化性质,一核酸的一般理化性质,1.酸性,粘度大,3 核酸的紫外吸收,在核酸分子中，由于嘌呤碱和嘧啶碱具有共轭双键体系，因而具有独特的紫外线吸收光谱，一般在260nm,左右有最大吸收峰，可以作为核酸及其组份定性和定量测定的依据。,二DNA的变性,DNA的变性是指DNA双螺旋区的多聚核苷酸链间的氢键断裂，变成单链结构的过程。变性核酸将失去其局部或全部的生物活性。核酸的变性并不涉及磷酸二酯键的断裂，所以它的一级结构(碱基顺序)保持不变。,能够引起核酸变性的因素很多。温度升高、酸碱度改变、甲醛和尿素等的存在均可引起核酸的变性。,RNA本身只有局部的双螺旋区，所以变性行为所引起的性质变化没有DNA那样明显。,利用紫外吸收的变化，可以检测核酸变性的情况。,例如，天然状态的DNA在完全变性后，紫外吸收(260 nm)值增加2540%.,而RNA变性后，约增加1.1%。这种现象称为增色效应.,DNA,变性的特征,DNA的变性过程是突变性的，它在很窄的温度区间内完成。因此，通常将引起DNA变性的温度称为融点或解链温度，用Tm表示。,一般DNA的Tm值在70-85C之间。DNA的Tm值与分子中的G和C的含量有关。,G和C的含量高，Tm值高。因而测定Tm值，可反映DNA分子中G, C含量，,DNA的Tm值计算公式: Tm0.41(%G+C),小于20bp的寡核苷酸的Tm的计算公式：,Tm4(G+C)+2(A+T),DNA变性,当DNA的稀盐溶液加热到80-100时，双螺旋结构即发生解体，两条链彼此分开，形成无规线团。,DNA变性后，它的一系列性质也随之发生变化，如紫外吸收(260 nm)值升高, 粘度降低等。,三、DNA的复性,变性DNA在适当的条件下，两条彼此分开的单链可以重新缔合成为双螺旋结构，这一过程称为复性。DNA复性后，一系列性质将得到恢复，但是生物活性一般只能得到局部的恢复。,DNA复性的程度、速率与复性过程的条件有关。,将热变性的DNA骤然冷却至低温时，DNA不可能复性。但是将变性的DNA缓慢冷却时，可以复性。分子量越大复性越难。浓度越大，复性越容易。此外，DNA的复性也与它本身的组成和结构有关。,DNA复性,四、核酸的分子杂交,热变性的DNA单链，在复性时并不一定与同源DNA互补链形成双螺旋结构，它也可以与在某些区域有互补序列的异源DNA单链形成双螺旋结构。,这样形成的新分子称为杂交DNA分子。DNA单链与互补的RNA链之间也可以发生杂交。,核酸的杂交在分子生物学和遗传学的研究中具有重要意义。,核酸的杂交,
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