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生物化学核酸的结构与功能

生物化学核酸的结构与功能


第3章 核酸的结构与功能

(Nucleic acid Structure and function)

核酸的分类、分布及功能
脱氧核糖核酸
(deoxyribonucleic acid, DNA)

分布于细胞核,线粒体, 叶绿体,质粒等 是生物体遗传信息的携带者 分布于胞核、胞液 参与细胞内DNA遗传信息 的表达

核糖核酸
(ribonucleic acid, RNA)

第1节

核酸的化学组成

一、核酸的组成元素和组成成分
元素组成 C、H、O、N、P(9~10%) 核酸的基本单位是核苷酸。

(一)戊糖

图3-1 核酸中戊糖的结构

(二) 碱基

图3-2 核酸中主要碱基的结构

(三) 磷酸

图3-3 磷酸H3PO4的结构

两类核酸分子组成的异同点

组 磷 戊 碱 基

分 酸 糖 嘌呤 嘧啶

RNA

DNA

磷 酸 核 糖 脱氧核糖 A G U C T

二、核酸的基本组成单位——核苷酸
核苷酸: 核苷与磷酸通过磷酸酯键相连而成的化合物

图3-4 构成核酸的8种核苷酸结构图

三、体内重要的核苷酸与功能
(一)多磷酸核苷

图3-5 AMP、ADP、ATP的结构关系示意图

(二)环核苷酸

图3-6 环化核苷酸结构式

(三)辅酶中的核苷酸
?

核苷酸还可通过辅酶而参与物质代谢,如

NAD+、FAD、CoA等辅酶分子中都含有腺
苷酸。

第2节
?

DNA的分子结构与功能

一、DNA的一级结构
DNA的一级结构即4种脱氧核糖核苷酸(dAMP、 dGMP、dCMP和dTMP)的排列顺序。
? ?

连接两个核苷酸的化学键是3?,5?-磷酸二酯键。 多个核苷酸借3?,5?-磷酸二酯键连接成多核苷酸链, 也就是核酸。

二、DNA的空间结构
(一) DNA的二级结构-双螺旋结构
? ?

DNA “双螺旋结构”要点如下: ①由两条反相平行的多核苷酸链围绕同一中心轴形成的右 手螺旋结构。

?

②两条多核苷酸链通过碱基间的氢键连接,配对方式为碱
基互补规则。

?

③磷酸和脱氧核糖基骨架位于螺旋的外侧,各碱基在螺旋
的内侧。碱基平面垂直于螺旋的纵轴。

④螺旋每旋转一周含10个碱基对,螺旋的直径为
2nm,螺距为3.4nm。两个相邻碱基之间堆砌的距

离为0.34nm,其旋转的夹角为36°。

⑤维持DNA双螺旋结构稳定性的因素主要是碱基
对之间的氢键和碱基平面之间的碱基堆积力。

图3-8 DNA的双螺旋结构模型(A)及碱基互补规则示意图(B)

(二) DNA的超螺旋结构
DNA分子在双螺旋结构的基础上进一步盘曲所形成

的空间构象,称为超螺旋结构。

图3-9 原核生物DNA的超螺旋结构模式图(A) 真核生物的核小体结构示意图(B)

DNA的超螺旋结构(三级结构)
超螺旋结构(superhelix 或supercoil) DNA双螺旋链再盘绕即形成超螺旋结构。 正超螺旋(positive supercoil) 盘绕方向与DNA双螺旋方同相同 负超螺旋(negative supercoil) 盘绕方向与DNA双螺旋方向相反

意义
DNA超螺旋结构整体或局部的拓扑学
变化及其调控对于DNA复制和RNA转录过

程具有关键作用。

1.原核生物DNA的环状超级结构

?

天然的DNA都呈负超螺旋

?

超螺旋的生物学意义:
使DNA高度致密从而得以压缩容纳在有限的空间 内; 能够引起结构的改变以满足功能上的需要。

2.真核生物DNA分子的高级结构
真核生物染色体由DNA和蛋白质构成,

其基本单位是 核小体(nucleosome)。
核小体的组成:

DNA :约200bp
组蛋白:H2A H2B H3 H4 各2个

三、DNA的功能
?

DNA的遗传信息以基因的形式存在

?

基因(gene):DNA分子中的特定区段,其中 的核苷酸排列顺序决定了基因的功能。

?

基因组(genome):一个生物的全部基因序列。

第3节
?

RNA的分子结构与功能

RNA的一级结构:
4种核糖核苷酸(AMP、GMP、CMP和 UMP)的排列顺序。

RNA分子结构特点: 1.分子较小,一般以单链形式存在,可以通过回 折形成局部双螺旋结构; 2.碱基配对原则 :A与U配对,G与C配对; 3.回折处不能配对的碱基膨出呈环状(这种短的
双螺旋结构区域和环被形象称为茎环结构或发夹 结构)。

RNA根据结构特点和在遗传信息的表达过程中的作用不同

可分为三类:

一、信使RNA(messenger RNA ,mRNA)
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是DNA遗传信息的传递着,将DNA遗传信息 从细胞核带到细胞质,并作为蛋白质合成的 模板指导蛋白质的生物合成。

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mRNA结构特点有: (一)含量少,种类多(约占3%,种类达105 种) (二) 5?端的“帽子结构” (与蛋白质生物 合成的起始有关) (三)3?端的“尾巴结构”(与mRNA的稳 定性有关)

图3-10 真核mRNA 5’端甲基化的帽子结构

二、转运RNA(transfer RNA,tRNA)
tRNA是分子量最小的RNA,一般由70~90
个核苷酸组成。占总RNA15%。 含有的稀有碱基:二氢尿嘧啶(DHU)、假尿

嘧啶(Ψ )、次黄嘌呤(I)、胸腺嘧啶(T)

tRNA二级结构为三叶草形 结构,包括四个双螺旋 区、三个环及一个附加 叉。

tRNA分子的三级结构
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在二级结构的基础上进一步 盘曲折叠而成

?

倒“L”型,一端为氨基酸臂,

另一端为反密码环。

?

tRNA的主要功能:
将转运氨基酸到核糖体,参与蛋白质的生

物合成。
?

一种tRNA一般只转运某一特定的氨基酸,但

一种氨基酸可由几种tRNA转运。

三、核糖体RNA (ribosomal RNA,rRNA)
?

rRNA是细胞中含量最多的一类RNA。

?
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核糖体由大小两个亚基组成。
rRNA的主要功能:与多种蛋白质结合成核糖体,核

糖体为蛋白质的合成提供场所。

四、核内小RNA和核酶
?

核内小RNA(small nuclear RNA,snRNA): 真核细胞内存在的一类碱基数小于300的小分子

RNA
?

核酶(ribozyme):具有自身催化作用的RNA

第4节

核酸的理化性质

一、核酸的一般性质
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DNA是线性高分子,粘度极大,而RNA分子远小于 DNA,粘度也小很多。

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核酸分子中有酸性的磷酸基及含氮碱基,为两性电解 质。

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因磷酸基的酸性很强,故核酸具有较强的酸性。
各种核酸分子大小不同,所带电荷也不同。

二、核酸的紫外吸收性质
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核酸、核苷酸、

核苷都具有紫外
吸收特性,最大

吸收峰在260nm
附近。

各种碱基的紫外吸收光谱(pH7.0)

三、核酸的变性和复性
?

核酸的变性:在某些理化因素作用下,DNA分子中互
补碱基对之间的氢键断裂,使DNA双螺旋结构解开变

成单链的过程。

加温

缓慢 降温 (复性)

(变性)

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DNA的增色效应:DNA变性时,随着解链程度逐渐 增大,DNA的紫外吸光度值也随之增加,这种现象称 为DNA的增色效应。

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解链温度(melting temperature,Tm) :紫外吸
收达到最大吸收值50%时的温度,称熔点或解链温度。

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DNA的复性:DNA发生热变性后,经缓慢降温,如 放置室温逐渐冷却,解开的互补链之间对应的碱基对

再次形成氢键,恢复完整的双螺旋结构。
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减色效应:核酸复性时紫外吸光度值下降。

退火:DNA热变性后缓慢冷却处理的过程。

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核酸分子杂交:当不同来源的核酸分子变性后一起复 性时,只要核酸单链含有一定的互补碱基序列,即可 通过碱基配对,形成杂化双链的现象。

加温

缓慢 降温

变性

复性

复性

核酸分子杂交的应用
?研究DNA分子中某一种基因的位置

?比较两种核酸分子间的序列相似性
?检测某些专一序列在待检样品中存在与否

?基因芯片技术的基础

这个世界既不是 有钱人的世界, 也不是有权人的世界, 它是有心人的世界。


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