第二章 核酸的結構與功能,本章內容提要 第一節 核酸的分子組成 第二節 DNA的結構與功能 第三節 RNA的結構與功能 第四節 核酸的理化性質,概述：核酸(nucleic acid)是細胞中最重要的生物大分子，一切生物都含有核酸，核酸是遺傳的物質基礎。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主要分布在細胞胞核內，功能是儲存遺傳信息，指導RNA合成。 RNA主要分布在細胞質中，功能是參與遺傳信息的表達，指導蛋白質的生物合成。 研究歷史：早在1868年，瑞士醫生F. Miescher從細胞核中分離得到一種酸性物質，即現在被稱為核酸的物質。1939年，E. Knapp等第一次用實驗方法證實核酸是生命遺傳的基礎物質。,第一節 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構單位-核苷酸，核苷酸在經完全水解后，產物為堿基、戊糖和磷酸。,一、戊糖 構成核酸的戊糖有兩種，即核糖和脫氧核糖，其中構成DNA的為脫氧核糖（全稱為-D-2-脫氧核糖），構成RNA的為核糖（全稱為-D-核糖）。,二、堿基：構成核酸的堿基(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： 1、受介質pH的影響，構成核酸的五種堿基中的酮基或氨基可以與相鄰雜環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體。,2、紫外吸收性質：嘌呤堿和嘧啶堿分子中都含有共軛雙鍵體系，在紫外區（260 nm左右）有特征的吸收峰，利用此性質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種堿基發生共價修飾的產物。,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。連接方式是嘌呤環上的N-9或嘧啶環上的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，生物體內多為5-核苷酸。,5-核苷酸可以分別含13個磷酸基團，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,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,核苷酸主要構成核酸，少量游離的核苷酸還構成參加各種物質代謝的調節物質和一些有特殊生物學功能的物質。如ATP是生物體內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，它的結構如下：,兩種重要的環核苷酸： 3,5-環腺苷酸 （ cAMP）和3,5-環鳥苷酸 （cGMP），環化核苷酸參與調節細胞生理生化過程而控制生物的生長、分化和細胞對激素的效應。,第二節 DNA的結構與功能 一、核酸的一級結構 核酸的基本結構單位是核苷酸，核苷酸之間通過3，5-磷酸二酯鍵相連（一個核苷酸的C-3羥基和相鄰的另一個核苷酸的C-5磷酸脫水形成酯鍵），多個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，其中一個核苷酸分子中的戊糖環的第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合于戊糖環的第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構的方向性。,核酸一級結構：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的二級結構 （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，發現一個共同的規律，即DNA中，A與T的數目相等，G與C的數目相等，稱之為Chargaff規律。 1953年，Watson和Crick根據DNA結晶的X-衍射圖譜和分子模型，提出了著名的DNA雙螺旋結構模型。,DNA雙螺旋結構模型的主要論點： 1、DNA由兩條脫氧核苷酸鏈構成，兩條鏈反向平行（兩條鏈走向分別為35和53） ，形成雙螺旋結構。 2、在雙螺旋結構中，堿基位于鏈內側，戊糖、磷酸位于外側。 3、雙螺旋結構結構中，兩條鏈的堿基之間通過H鍵互補配對，其中A與T配對（形成兩個H鍵），C與G（形成三個H鍵）配對，這一規律稱為“堿基配對”規律或“堿基互補”規律。 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36度，間距為0.34nm，10個堿基對上升一圈，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定性。另外磷酸基的負電荷與介質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的復制機理是DNA復制、轉錄和翻譯的分子基礎。,DNA雙螺旋結構模型,A-T、G-C間的氫鍵形成,三、DNA的超螺旋結構 細胞中的DNA通常分子巨大，DNA在雙螺旋分子基礎上再次螺旋化生成緊密結構，其主要意義是有規律地壓縮分子體積，減少所占空間。 1、原核生物的DNA多以共價封閉的環狀雙螺旋，環狀雙螺旋可形成負超螺旋結構，以較致密的形式存在于細胞中。,2、真核細胞的細胞核內，DNA非常致密，DNA壓縮形成染色質的形式存在于細胞中，染色質的基本單位是核小體： （1）核小體：由DNA和組蛋白構成，組蛋白有五種（H1、H2A、H2B、H3） ，其中由H2A、H2B、H3、H4各兩分子構成核心結構,DNA雙鏈分子（146個bp）繞1.75圈，構成一個核小體，核小體之間有30個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中的遺傳信息轉錄個RNA，再由RNA直到蛋白質的合成，此過程被稱為遺傳信息的表達。 2、DNA的雙鏈結構中，每一條單鏈都含有與互補鏈相同的信息，都可作為復制的模板參與DNA的復制，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定地傳遞。 3、DNA的雙螺旋互補結構，為DNA損傷后的修復提供保障，假如一條鏈的堿基出現意外損傷而造成差錯，可以另一條鏈作為修復模板，從而保證遺傳的穩定性。 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 RNA的結構與功能 RNA的結構特點： 1、RNA的堿基由A、G、C、U組成。其基本結構單位是核苷酸，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量比例關系，即分子中的嘌呤堿基總數不一定等于嘧啶堿基的總數。 3、RNA分子中，部分區域也能形成雙螺旋結構，不能形成雙螺旋的部分，則形成突環，這種結構可以形象地稱為“發夾型”結構。在RNA的雙螺旋結構中，堿基的配對情況不象DNA中嚴格。G 除了可以和C 配對外，也可以和U 配對。不同類型的RNA, 其二級結構有明顯的差異。 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部分。,RNA的類型：RNA主要存在于細胞質中，大多在細胞核中合成。根據結構和功能的不同，RNA可分為： 1、核蛋白體RNA (rRNA)； 2、轉運RNA (tRNA)； 3、信使RNA (mRNA)； 4、不均一核RNA (HnRNA)； 5、核小RNA (SnRNA) ； 6、染色質RNA (ChRNA),一、信使RNA(mRNA)的結構與功能 結構特點： 1、 5 -末端有一個甲基化的鳥苷酸，稱為帽結構。與翻譯與mRNA的穩定有關。 2、真核細胞mRNA的3-末端有一段長達200個核苷酸左右的聚腺苷酸(poly A)，稱為尾結構。參與mRNA從細胞核到細胞質的轉移，與mRNA的半壽期有關。 3、初級轉錄本含有內含子，經過一系列的加工、修飾及剪切、去除內含子為成熟的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的功能是指導蛋白質的生物合成。即把核內DNA的堿基順序（遺傳信息），按堿基互補配對原則，抄錄并轉送至細胞質的核糖體，用以決定蛋白質合成的氨基酸排列順序。,二、轉運RNA(tRNA)的結構與功能 1、結構： 7090個核苷酸組成，沉降系數為4S左右。分子中含有較多的修飾成分 一級結構：tRNA是細胞內分子最小的RNA，含有10%至20%的稀有堿基（DHU，mG、mA等）, 3末端為-CCA-OH。 二級結構：三葉草形 三級結構：倒L型 2、功能：攜帶各種氨基酸用于蛋白質的合成。,三、核糖體RNA(rRNA)的結構與功能 rRNA是細胞含量最多的RNA（80%）。大小不均一。 rRNA分子中存在大量氫鍵配對，存在螺旋區和環區組成的區域。 它與核糖體蛋白共同構成核糖體，作為蛋白質生物合成的場所。 真核細胞與原核細胞的核糖體成分上有差異： 小亞基 大亞基 真核細胞： 18SrRNA 5SrRNA 5.8SrRNA 28SRNA 原核細胞：16SrRNA 5SrRNA 23SrRNA,第四節 核酸的理化性質 一、核酸的一般理化性質 DNA是線性生物高分子，雙螺旋結構使DNA分子具有一定剛性，但由于分子極為細長，其直徑與長度比可達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、氯仿等有機溶劑。核酸是高分子物質，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。因為DNA變性時發生螺旋到線團的轉變而粘度降低。 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，在紫外區有吸收（260 nm左右）。 核酸酶：能催化核酸的水解，分核酸內切酶和核酸外切酶兩種，有的核酸內切酶對切點要求嚴格，稱限制性核酸內切酶。,二、 DNA的變性 1、 DNA的變性：指核酸雙螺旋區的多聚核苷酸鏈間的氫鍵斷裂，變成單鏈結構的過程。 核酸的變性并不涉及磷酸二酯鍵的斷裂，所以它的一級結構(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。 變性的結果：雙螺旋轉變成無規線團；增色效應；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，它在很窄的溫度區間內完成。因此，通常將引起DNA變性的溫度稱為熔點（解鏈溫度、熔解溫度） Tm：解鏈溫度，指使DNA分子50%解鏈時的溫度。G和C的含量高， Tm值高。G+C)%=(Tm-69.3) 2.44,三、DNA的復性 DNA的復性變性DNA在適當的條件下，兩條彼此分開的單鏈可以重新締合成為雙螺旋結構，這一過程稱為復性。也稱退火。 DNA復性后，一系列性質將得到恢復，但是生物活性一般只能得到部分的恢復。 DNA復性的程度、速率與復性過程的條件有關。 將熱變性的DNA驟然冷卻至