核酸的结构与功能

核酸的结构与功能核酸的化学组成及其一级结构核酸（DNA和RNA）核苷酸磷酸核苷和脱氧核苷戊糖核糖脱氧核糖碱基嘌呤嘧啶核苷酸是构成核酸的基本组成单位分子组成： 碱基：嘌呤碱，嘧啶碱 戊糖：核糖，脱氧核糖 磷酸 碱基：碱基是含氮的杂环化合物 DNA是脱氧核苷酸通过3'，5'—磷酸二酯键连接形成的大分子一个脱氧核苷酸3'的羟基与另一个核苷酸5'的α-磷酸基团缩合形成磷酸二酯键。 多个脱氧核苷酸通过磷酸二酯键构成了具有方向性的线性分子，称为多聚脱氧核苷酸，即DNA链。 RNA也是具有3'，5''—磷酸二酯键的线性大分子RNA也是多个核苷酸分子通过酯化反应形成的线性大分子，并且具有方向性； RNA的戊糖是核糖； RNA的嘧啶是胞嘧啶和尿嘧啶。 核酸的一级结构是核苷酸的排列顺序定义：核酸中核苷酸的排列顺序。由于核苷酸间的差异主要是碱基不同，所以也称为碱基序列。 核酸分子的大小常用碱基数目来表示。 小的核酸片段（<50bp） 常被称为寡核苷酸。自然界中的DNA和RNA的长度可以高达几十万个碱基。DNA的空间结构与功能DNA的空间结构：构成DNA的所有原子在三维空间具有确定的相对位置关系。 DNA的空间结构又分为二级结构和高级结构。 DNA的二级结构是双螺旋结构DNA双螺旋结构的研究背景Charga?规则： 不同的生物种属的DNA的碱基组成不同 同一个个体的不同器官或组织的DNA碱基组成相同 A=T，G=C 获得了高质量的DNA分子的X射线衍射照片 提出了DNA分子双螺旋结构模型 DNA双螺旋结构模型要点DNA是反向平行，右手螺旋的双链结构两条多聚核苷酸链在空间的走向呈反向平行。两条链围绕着同一个螺旋轴形成右手螺旋的结构双螺旋结构的直径为2.37nm，螺距为3.54nm。 脱氧核糖和磷酸基团组成的亲水性骨架位于双螺旋结构的外侧，疏水的碱基位于内侧。 双螺旋结构的表面形成了一个大沟和一个小沟。 DNA双链之间形成了互补碱基对碱基配对关系称为互补碱基对 DNA的两条链则互为互补链 碱基对平面与螺旋轴垂直 疏水作用力和氢键共同维系着DNA双螺旋结构的稳定相邻碱基对会有重叠，产生了疏水性的碱基堆积力 碱基堆积力和互补碱基对的氢键共同维系着DNA结构的稳定 DNA双螺旋结构的多样性DNA的多链螺旋结构Hoogsteen氢键 在酸性的溶液中，胞嘧啶的N—3原子被质子化，可与鸟嘌呤的N—7原子形成氢键；同时，胞嘧啶的N—4的氢原子也可与鸟嘌呤的O—6形成氢键，这种氢键被称为Hoogsteen氢键。 Hoogsteen氢键，不破坏Watson—Crick氢键，由此形成了C+GC的三链结构。 四链结构：鸟嘌呤之间通过Hoogsteen氢键形成特殊的四链结构。 真核生物DNA3' —末端是富含GT的多次重复序列，因而自身形成了折叠的四链结构。 DNA的高级结构是超螺旋结构超螺旋结构：DNA双螺旋链再盘旋即形成超螺旋结构 正超螺旋：盘旋方向与DNA双螺旋方向相同 负超螺旋：盘旋方向与DNA双螺旋方向相反 原核生物DNA的环状超螺旋结构原核生物DNA多为环状，以负超螺旋的形式存在，平均每200碱基就有一个超螺旋形成真核生物DNA的高度有序和高度致密的结构真核生物DNA以非常有序的形式存在于细胞核内 在细胞周期的大部分时间里，DNA以松散的染色质形式存在，在细胞分裂期，则形成高度致密的染色体。 DNA染色质呈现出的串珠样结构 染色质的基本单位是核小体 DNA是遗传信息的物质基础DNA的基本功能是以基因的形式荷载遗传信息，并作为基因复制和转录的模板。它是生命遗传的物质基础，也是个体生命活动的信息基础。 基因从结构上定义，是指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。 RNA的结构与功能RNA与蛋白质共同负责基因的表达和表达过程的调控。 RNA通常以单链的形式存在，但有复制的局部二级结构或三级结构 RNA比DNA小的多 RNA的种类、大小和结构远比DNA表现出多样性。 mRNA是蛋白质合成中的模板信使RNA是合成蛋白质的模板 不均一核RNA（hnRNA）含有内含子和外显子 外显子是氨基酸的编码序列，而内含子是非编码序列 hnRNA经过剪切后成为成熟的mRNA。 成熟的真核生物RNA从AUG开始，每三个核苷酸为一组编码了一个氨基酸，称为三联体密码。成熟的mRNA由氨基酸编码区和非编码区构成。 5'—末端的帽子结构和3'—末端的多聚A尾结构。大部分真核细胞mRNA的5'末端都以7—甲基鸟嘌呤—三磷酸核苷为起始结构帽子结构：m7GpppNm mRNA的帽结构可以与帽结合蛋白（CBP）结合。 在真核生物mRNA的3'末端有多聚腺苷酸结构真核生物的mRNA的3'—末端转录后加上长短不一的聚腺苷酸。 帽子结构和多聚A尾的功能： mRNA核内向胞质的转位 mRNA的稳定性维系 翻译起始的调控 mRNA依照自我的碱基顺序指导蛋白质氨基酸顺序的合成从mRNA分子5'末端起的第一个AUG开始，每3个核苷酸为一组称为密码子或三联体密码。 AUG被称为起始密码子；决定肽链终止的密码子则称为终止密码子。 位于起始密码子和终止密码子之间的核苷酸序列称为开放阅读框，决定了多肽链的氨基酸序列。 mRNA的成熟过程是hnRNA的剪接过程tRNA是蛋白质合成中的氨基酸载体转运RNA在蛋白质合成过程中作为各种氨基酸的载体，将氨基酸转呈给mRNA。 由74～95核苷酸组成 占细胞总RNA的15% 具有很好的稳定性 tRNA中含有多种稀有碱基tRNA具有茎环结构tRNA具有局部的茎环结构或发卡结构 tRNA的二级结构—三叶草形（氨基酸臂，DHU环，反密码环，TψC环，附加环） tRNA的3'—末端连接氨基酸tRNA的 3'—末端都是以CCA结尾 3'—末端的A与氨基酸共价连结，tRNA成为了氨基酸的载体 不同的tRNA可以结合不同的氨基酸 tRNA的反密码子识别mRNA的密码子tRNA的反密码子环上有一个由三个核苷酸构成的反密码子 tRNA上的反密码子依照碱基互补的原则识别mRNA上的密码子 以rRNA为组分的核蛋白体是蛋白质合成的场所核蛋白质RNA（rRNA）是细胞内含量最多的RNA（>80%）。 rRNA与核蛋白体蛋白结合组成核蛋白体，为蛋白质的合成提供场所。 snmRNA参与基因表达的调控snmRNAs：细胞的不同部位存在的许多其他种类的小分子RNA，统称为非mRNA小RNA。 RNA组学是研究细胞内snmRNA的种类、结构和功能。同一生物体内不同种类的细胞、同一细胞在不同时空状态下snmRNA表达谱的变化，以及与功能之间的关系。 snmRNA的种类：核内小RNA，核仁小RNA，胞质小RNA，催化性小RNA，小片段干涉RNA snmRNAs的功能：参与hnRNA的加工剪切 核酶：某些小RNA分子具有催化特定RNA降解的活性，这种具有催化作用的小RNA亦被称为核酶或催化性RNA。 小片段干扰RNA：siRNA是生物宿主对外源侵入的基因表达的双链RNA进行切割所产生的特定长度和特定核酸序列的小片段RNA。siRNA可以与外源基因表达的mRNA相结合，并诱发这些mRNA的降解。基于此机理，人们发明了RNA干扰技术。 核酸在真核细胞和原核细胞中表现了不同的时空特性核酸的理化性质核酸的酸碱及溶解度性质 核酸为多元酸，具有较强的酸性 核酸的高分子性质 粘度：DNA>RNA dsDNA>ssRNA 沉降行为：不同构象的核酸分子的沉降的速率有很大差异，这是超速离心法提取和纯化核酸的理论基础。 核酸分子具有强烈的紫外吸收核酸在波长260nm处有强烈的吸收，是由碱基的共轭双键所决定的。这一特性常用作核酸的定性和定量分析。 紫外吸收的应用 DNA或RNA的定量 确定样品中核酸的纯度 DNA变性是双链解离为单链的关键定义：在某些理化因素作用下，DNA双链解开成两条单链的过程。 DNA变性的本质是双链间氢键的断裂。 DNA解链时的紫外吸收变化 增色效应：DNA变性时其溶液OD260增高的现象。 连续加热DNA的过程中以温度相对于A260值作图，所得的曲线称为解链曲线。 解链温度：解链过程中，紫外吸光度的变化达到最大变化值的一半时所对应的温度。 G+C含量越高，解链温度就越高。 变性的核酸可以复性或形成杂交双链当变性条件缓慢地除去后，两条解链的互补链可重新配对，恢复原来的双螺旋结构，这一现象称为DNA复性。 热变性的DNA经缓慢冷却后即可复性，这一过程称为退火。 减色效应：DNA复性时，其溶液OD260降低。 核酸分子杂交不同种类的DNA单链分子或RNA分子放在同一溶液中只要两种单链分子之间存在着一定程度的碱基配对关系，在适宜的条件可以在不同的分子间形成杂化双链。 这种杂化双链可以在不同的DNA直之间形成，也可以在DNA和RNA分子间或者RNA与RNA分子间形成。这种现象称为核酸分子杂化。 核酸分子杂交的应用研究DNA分子中某一种基因的位置 鉴定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 核酸酶核酸酶是指可以水解核酸的酶 根据底物的不同分类：DNA酶（专一降解DNA） ，RNA酶（专一降解RNA） 依据切割部门不同：核酸内切酶（分为限制性核酸内切酶和非特异性限制性核酸内切酶） ，核酸外切酶（5'→3?或3'→5'核酸外切酶）核酸酶的功能参与DNA的合成、修复以及RNA的剪接 消除多余的、结构和功能异常的核酸，以及侵入细胞的外源性核酸 降解食物中的核酸 体外重组DNA技术中的重要工具酶