生物化學核酸結構與功能第1頁/共71頁第三章

核酸的結構和功能StructureandFunctionofNucleicAcid第2頁/共71頁核酸(nucleicacid)

是以核苷酸為基本組成單位的生物大分子，攜帶和傳遞遺傳信息。核酸的概念第3頁/共71頁核酸的分類及分布90%以上分布于細胞核，其余分布于核外如線粒體，葉綠體，質粒等。分布于胞核、胞液。(deoxyribonucleicacid,DNA)(ribonucleicacid,RNA)脫氧核糖核酸

核糖核酸攜帶遺傳信息，決定細胞和個體的基因型(genotype)。參與細胞內DNA遺傳信息的表達。某些病毒RNA也可作為遺傳信息的載體。第4頁/共71頁

信使RNA（mRNA）攜帶DNA遺傳信息

轉運RNA（tRNA）通過反密碼子識別mRNA的密碼子，使氨基酸對號入座核蛋白體(rRNA)與核糖體蛋白形成核糖體，是蛋白質合成的場所RNA的分類及功能第5頁/共71頁第一節核酸的化學組成及其一級結構TheChemicalComponentandPrimaryStructureofNucleicAcid第6頁/共71頁元素組成:C、H、O、N、P（9%～10%）

分子組成—三部分堿基(base)：嘌呤堿，嘧啶堿戊糖(ribose)：核糖，脫氧核糖磷酸(phosphate)構成核酸的基本組成單位—核苷酸DNA的基本組成單位是脫氧核糖核苷酸。RNA的基本組成單位是核糖核苷酸。第7頁/共71頁嘌呤

嘧啶

堿基腺嘌呤（A）鳥嘌呤（G）胞嘧啶（C）胸腺嘧啶（T）尿嘧啶（U）DNA、RNA均有DNA有RNA有核苷酸的結構每種核酸都含有四種堿基。第8頁/共71頁嘌呤(purine)腺嘌呤(adenine,A)鳥嘌呤(guanine,G)堿基第9頁/共71頁嘧啶(pyrimidine)胞嘧啶(cytosine,C)尿嘧啶(uracil,U)胸腺嘧啶(thymine,T)第10頁/共71頁戊糖（構成RNA）1′2′3′4′5′核糖(ribose)（構成DNA）脫氧核糖(deoxyribose)第11頁/共71頁小結：兩類核酸的基本成分區別

RNA

DNA

磷酸

磷酸

磷酸

戊糖

D-核糖

D-2-脫氧核糖

嘌呤堿

腺(A)、鳥(G)

腺(A)、鳥(G)

嘧啶堿

胞(C)、尿(U)

胞(C)、胸腺(T)

第12頁/共71頁核苷（或脫氧核苷）：堿基和核糖（或脫氧核糖）通過糖苷鍵連接形成。OHH糖苷鍵HHN2O112OHOHHCH2ONNHHH脫氧胞嘧啶核苷NNNN9NH2OOHOHHHHCH2OHH1'2'糖苷鍵腺嘌呤核苷第13頁/共71頁核苷酸：AMP,GMP,UMP,CMP脫氧核苷酸：dAMP,dGMP,dTMP,dCMP

核苷酸（脫氧核苷酸）：核苷（脫氧核苷）和磷酸以酯鍵（酸脫羥基醇脫氫）連接形成。

第14頁/共71頁核苷酸的命名AMP

adenosinemonophosphate

腺苷一磷酸或一磷酸腺苷簡稱：腺苷酸dAMPdeoxyadenosinemonophosphate

脫氧一磷酸腺苷/一磷酸脫氧腺苷簡稱：脫氧腺苷酸默認情況下核苷酸均為5'-核苷酸第15頁/共71頁體內重要的游離核苷酸及其衍生物含核苷酸的生物活性物質：NAD+、NADP+、CoA-SH、FAD

等都含有

AMP

多磷酸核苷酸：NMP，NDP，NTP

環化核苷酸:cAMP，cGMPAMPADPATPcAMPNADP+NAD+第16頁/共71頁核苷酸種類和名稱：常見堿基部分可為5種堿基的一種核糖部分可為核糖或脫氧核糖酸的部分可為一磷酸、二磷酸、三磷酸或環磷酸中的一種根據三個組成部分第17頁/共71頁核苷酸的主要功能：核苷三磷酸——是合成核酸原料，又能提供能量。核苷二磷酸——活化中間代謝物,如UDP-葡萄糖等。核苷一磷酸——是核酸的組分,還是一些輔酶的成分。核苷環磷酸——在細胞信號轉導中起重要作用。第18頁/共71頁第二節核酸的分子結構

Themolecularstructureofnucleicacids

第19頁/共71頁OCH2OOHOHN1HOPOHOOCH2OOHOHN2HOPOHO核苷酸的連接H2OOHOHOCH2OOOHN1HOPOHOOCH2ON2HOPO3'5'5'3'OCH2OOHOHN3HOPOHOOCH2OOHOHN’HOPOHO3'-磷酸酯鍵5'-磷酸酯鍵一個核苷酸（脫氧核苷酸）3的羥基與另一個核苷酸（脫氧核苷酸）

5的α-磷酸基團縮合形成磷酸二酯鍵(phosphodiesterbond)。第20頁/共71頁5′端3′端核苷酸之間以3',5'-磷酸二酯鍵連接形成多核苷酸鏈，即核酸。CGA第21頁/共71頁多個核苷酸（脫氧核苷酸）通過磷酸二酯鍵構成了具有方向性的線性分子，稱為多聚核苷酸

(脫氧核苷酸)鏈，即DNA鏈。第22頁/共71頁核酸中核苷酸的排列順序/堿基序列。連接鍵：3'，5'磷酸二酯鍵方向性：5'→3'定義：DNA的一級結構（染色體DNA的結構）第23頁/共71頁AG

P5PT

PG

PC

PT

POH3書寫方法5pApCpTpGpCpT-OH

35

A

C

T

G

C

T

3簡化：再簡化：第24頁/共71頁DNA一級結構的意義：編碼生命的遺傳信息

簡單而又完美四個字“A

、

G

、C

、T”！驚嘆：具有強大編碼能力——DNA計算機神奇：演化整個生物界——生命語言蛋白質一級結構DNA一級結構計算機二進制編碼符號20種氨基酸A/G/C/T0/1語言蛋白質語言核酸語言智能語言第25頁/共71頁DNA的二級結構——雙螺旋結構第26頁/共71頁堿基配對規律（Chargaff規則） 1950年Chargaff通過研究DNA的分子組成，發現：不同物種來源的DNA的堿基組成不同同一生物的不同組織里的DNA堿基是相同的。DNA中嘌呤堿基等于嘧啶堿基。即：A+G=T+C;A=T、G=C第27頁/共71頁堿基互補配對TAGC第28頁/共71頁DNA雙螺旋結構模型要點（Watson,Crick,1953）DNA分子由兩條相互平行但走向相反的脫氧多核苷酸鏈組成，兩鏈以-脫氧核糖-磷酸-為骨架，以右手螺旋方式繞同一公共軸盤。螺旋直徑為2nm，形成大溝及小溝相間。大溝小溝第29頁/共71頁“大溝”、“小溝”的功能

溝狀結構與DNA、蛋白質間的相互識別有關。第30頁/共71頁DNA雙螺旋結構模型要點（Watson,Crick,1953）堿基垂直螺旋軸居雙螺旋內側，與對側堿基形成氫鍵配對（互補配對形式：A=T;GC）。大溝小溝第31頁/共71頁堿基配對規律的合理性第32頁/共71頁大溝小溝DNA雙螺旋結構模型要點

（Watson,Crick,1953）相鄰堿基平面距離0.34nm，螺旋一圈螺距3.4nm，一圈10對堿基。堿基在內側平面與縱軸垂直，糖基在外側平面與縱軸平行（即堿基平面與戊糖平面相互垂直）。第33頁/共71頁DNA雙螺旋結構模型要點

（Watson,Crick,1953）氫鍵維持雙鏈橫向穩定性，堿基堆積力維持雙鏈縱向穩定性。大溝小溝第34頁/共71頁小結：DNA二級結構主要特點兩條脫氧核酸鏈構成右手雙螺旋結構，鏈的走向相反磷酸脫氧核糖鏈在螺旋的外側，堿基在螺旋的內側脫氧核糖平面與堿基平面相互垂直堿基配對規律：A=T、GC穩定力： 橫向：氫鍵 縱向：堿基堆積力第35頁/共71頁DNA雙螺旋結構的多樣性

研究意義

DNA雙螺旋結構模型完美地說明了遺傳物質的遺傳、生化和結構的主要特征，它的提出是生物學史上劃時代的事件。從此，遺傳學的歷史和生物學的歷史正式從細胞階段進入了分子階段。第36頁/共71頁超螺旋結構意義:DNA雙螺旋鏈再盤繞即形成超螺旋結構DNA超螺旋結構整體或局部的拓撲學變化及其調控對于DNA復制和RNA轉錄過程具有關鍵作用。

DNA的三級結構第37頁/共71頁大多原核生物的DNA是共價封閉的環形DNA雙螺旋，在細胞內進一步盤繞成類核。環狀和超螺旋DNA結構示意圖（一）原核生物DNA的環狀超螺旋結構第38頁/共71頁

研究表明：DNA若完全展開的話，有將近2米，而細胞的尺寸是微級的。那么DNA是如何存在于細胞內部的呢？

（二）真核生物DNA的高度有序和高度致密的結構第39頁/共71頁核小體的構成核心顆粒連接區核心組蛋白：組蛋白八聚體H2A、H2B、H3、H4各2分子DNA雙螺旋分子(150bp)在核心組蛋白纏繞1.75圈DNA（60bp）組蛋白H1

連接核心顆粒核小體由DNA和蛋白質構成是真核生物染色質的基本單位第40頁/共71頁核小體的折疊及染色體組裝—2nm11nm30nm300nm1400nm700nm逐級盤曲折疊第41頁/共71頁DNA壓縮了8000～10000倍核小體螺線管染色質纖維超螺線管第42頁/共71頁三、DNA的功能是DNA分子中特定區段核苷酸的排列順序，即堿基序列信息，它決定了基因的功能。基因：基因組：一個遺傳體系所有基因總和的一整套遺傳信息。以基因的形式儲存、攜帶和傳遞遺傳信息。第43頁/共71頁第三節

RNA的結構與功能StructureandFunctionofRNA第44頁/共71頁

RNA特點：

RNA種類、分布、功能：第45頁/共71頁2.tRNA的二級結構—三葉草形3.tRNA的三級結構—倒L形轉運RNA（tRNA）1.tRNA的一級結構特點第46頁/共71頁4.tRNA的功能：把活化的aa搬運到核糖體，tRNA的反密碼子與mRNA的密碼子特異性結合，使氨基酸對號入座。mRNA3′5′321

3′aa5′氨基酰-tRNA第47頁/共71頁轉運RNA的功能氨基酸臂額外環DHU環

反密碼環額外環

TΨC環氨基酸臂第48頁/共71頁信使RNA的結構與功能*真核生物mRNA成熟過程DNAmRNAhnRNA(核內不均一RNA)

外顯子(exon)內含子(intron)第49頁/共71頁53AUG……………UAA密碼子編碼區5非翻譯區3非翻譯區m7GpppAAA…An帽子結構多聚A尾1.哺乳類動物mRNA結構示意圖：信使RNA（mRNA）第50頁/共71頁帽子結構第51頁/共71頁2.真核細胞mRNA結構特點：5′帽子結構：m7Gpppm2′Npm2′Np—3′末端多聚A尾polyA編碼區hnRNA剪掉內含子，外顯子拼接。第52頁/共71頁3.mRNA的功能把DNA的遺傳信息，轉錄成mRNA的密碼、指導蛋白質合成的氨基酸排列順序。DNA（遺傳信息）轉錄mRNA（密碼載體）翻譯蛋白質(氨基酸序列)第53頁/共71頁1.rRNA的結構：參與組成核蛋白體，為蛋白質生物合成的場所。2.rRNA的種類：3.rRNA的功能：多個莖環結構組成三、核蛋白體RNA（rRNA）第54頁/共71頁局部雙鏈tRNArRNAmRNA三葉草形、倒L形含稀有堿基多反密碼子CCA—OH3'呈花狀5'—m7GpppNm、3'—polyA編碼序列單鏈局部雙鏈結構蛋白質合成的模板搬運活化的aa到核糖體組成核蛋白體分子大小不一,量<10%,代謝快分子量小120堿基穩定分子大120堿基量>80%,穩定三種RNA內容小結功能第55頁/共71頁

核酶(ribozyme)一詞用于描述具有催化活性的RNA,即化學本質是核糖核酸(RNA),卻具有酶的催化功能。核酶的功能很多,有的能夠切割RNA,有的能夠切割DNA,有些還具有RNA連接酶、磷酸酶等活性。

隨著對核酶的深入研究，已經認識到核酶在遺傳病，腫瘤和病毒性疾病上的潛力。比如，對于艾滋病毒HIV的轉錄信息來源于RNA而非DNA，核酶能夠在特定位點切斷RNA，使得它失去活性。如果一個能專一識別HIV的RNA的核酶存在于被病毒感染的細胞內，那么它就能建立抵抗入侵的第一防線。甚至，HIV確實進入到了細胞并進行了復制，RNA也可以在病毒生活史的不同階段切斷HIV的RNA而不影響自身的RNA。又如，白血病是造血系統的惡性腫瘤,目前尚缺少有效的治療方法。核酶的發現，尤其是錘頭狀核酶，為白血病的基因治療帶來了新的希望。近些年，在國外的一些國家已經在小白鼠體內得到較好的效果。核酶是在對多種植物病毒衛星RNA及類病毒RNA的自我剪接研究中發現的，數量較少，常見于rRNA的內含子。第56頁/共71頁蛋白質與核酸結構比較蛋白質核酸DNARNA元素組成CHONCHONP基本單位L-a-氨基酸（20種）脫氧核苷酸ATGC核苷酸AUGC連接方式肽鍵3',5'-磷酸二酯鍵方向NC5'3'一級結構氨基酸排列順序核苷酸排列順序空間結構二、三、四級結構二級結構、超螺旋結構（多樣性）第57頁/共71頁核酸的理化性質ThePhysicalandChemicalCharactersofNucleicAcid第三節第58頁/共71頁DNA變性的圖示：理化因素，DNA雙鏈間氫鍵斷裂，成兩條單鏈。定義：一、核酸分子具有強烈的紫外吸收二、DNA變性是雙鏈解離為單鏈的過程增（高）色效應：

DNA變性時其溶液OD260增高的現象第59頁/共71頁例：變性引起紫外吸收值的改變DNA的紫外吸收光譜增色效應：DNA變性時其溶液OD260增高的現象。第60頁/共71頁DNA的變性(denaturation)方法：過量酸，堿，加熱，變性試劑如尿素、酰胺以及某些有機溶劑如乙醇、丙酮等。變性后其它理化性質變化：OD260增高 粘度下降比旋度下降 浮力密度升高酸堿滴定曲線改變 生物活性喪失第61頁/共71頁DNA熱變性：特點—驟然、突發式融解溫度Tm(meltingtemperature)Tm與G+C含量成正比第62頁