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第三章 核酸的结构与功能,Department of Biochemistry Hangzhou Medical College Guyisheng,(Structure and Function of Nucleic Acid),生物化学 Biochemistry,2018/10/8,Department of Biochemistry,Hangzhou Medical College,【2】,概述,核酸(mucleic acid)是存在于细胞中的一类大分子酸性物质,包括核糖核酸(RNA)和脱氧核糖核酸(DNA)两大类。 RNA和DNA都是以单核苷酸为基本单位所组成的多核苷酸长链。 DNA(deoxyribonucleic acid)是遗传信息的载体;RNA(ribonucleic acid)主要参与遗传信息的表达(病毒中也可作为遗传信息的载体)。,比较,2018/10/8,Department of Biochemistry,Hangzhou Medical College,【3】,第一节 核酸的化学组成,1、核酸的元素组成:C、H、O、N、P 2、核酸的基本结构单位核苷酸 3、核酸的水解产物:3种成分,2018/10/8,Department of Biochemistry,Hangzhou Medical College,【4】,一、核苷酸中的碱基成分,主要有5种碱基:A、G、C、U、T 还有稀有碱基 酮式和烯醇式互变异构体 氨基和亚氨基互变异构体 含共轭双键,260nm左右紫外吸收峰(定性、定量分析),2018/10/8,Department of Biochemistry,Hangzhou Medical College,【5】,碱基结构式,DNA: A、G、C、TRNA: A、G、C、U,稀有碱基,共轭,紫外光,2018/10/8,Department of Biochemistry,Hangzhou Medical College,【6】,二、戊糖与核苷,1戊糖:-D-核糖、-D-2-脱氧核糖,2018/10/8,Department of Biochemistry,Hangzhou Medical College,【7】,核苷是由戊糖与含氮碱基经脱水缩合而生成的化合物。在大多数情况下,核苷是由核糖或脱氧核糖的C-1 位上的-羟基与嘧啶碱N1或嘌呤碱N9进行缩合,生成的化学键称为糖苷键。,核苷酸表,2核苷,2018/10/8,Department of Biochemistry,Hangzhou Medical College,【8】,核苷结构式,2018/10/8,Department of Biochemistry,Hangzhou Medical College,【9】,三、核苷酸(nucleotide)的结构与命名,核苷酸是由核苷与磷酸经脱水缩合后生成的磷酸酯类化合物,包括核糖核苷酸和脱氧核糖核苷酸两大类。 由于与磷酸基缩合的位置不同而分别生成2-核苷酸、3-核苷酸和5-核苷酸。最常见者为5-核苷酸(5 常被省略)。 含有一个磷酸基团的核苷酸称为核苷一磷酸(NMP) ;含有两个磷酸基团的核苷酸称为核苷二磷酸(NDP); 含有三个磷酸基团的核苷酸称为核苷三磷酸(NTP)。,核苷酸表,2018/10/8,Department of Biochemistry,Hangzhou Medical College,【10】,AMP与dCTP,2018/10/8,Department of Biochemistry,Hangzhou Medical College,【11】,cAMP(第二信使),2018/10/8,Department of Biochemistry,Hangzhou Medical College,【12】,第二节 核酸的一级结构,DNA分子主要由dAMP、dGMP、dCMP和dTMP四种脱氧核糖核苷酸所组成。DNA的一级结构就是指DNA分子中脱氧核糖核苷酸的排列顺序及连接方式。RNA分子主要由AMP,GMP,CMP,UMP四种核糖核苷酸组成。RNA的一级结构就是指RNA分子中核糖核苷酸的排列顺序及连接方式。,核酸的一级结构:多核苷酸链中核苷酸的排列顺序(核苷酸序列或碱基序列),2018/10/8,Department of Biochemistry,Hangzhou Medical College,【13】,核苷酸的连接方式,连接方式:一分子的核苷酸的3-位羟基与另一分子核苷酸的5-位磷酸基通过脱水可形成3,5-磷酸二酯键,从而将两分子核苷酸连接起来。,2018/10/8,Department of Biochemistry,Hangzhou Medical College,【14】,多核苷酸链:,核酸就是由许多核苷酸单位通过3,5-磷酸二酯键连接起来形成的不含侧链的长链状化合物。 核酸具有方向性的长链状化合物,多核苷酸链的两端,一端称为5-端,另一端称为3-端。,2018/10/8,Department of Biochemistry,Hangzhou Medical College,【15】,核酸一级结构的表示方法,2、文字简化式pApGpCpT pA-G -C-T pAGCT ,1、线条简化式,2018/10/8,Department of Biochemistry,Hangzhou Medical College,【16】,第三节 DNA的空间结构与功能,一、DNA的二级结构双螺旋结构模型(double helix model)DNA双螺旋结构是DNA二级结构的一种重要形式,它是Watson和Crick两位科学家于1953年提出来的一种结构模型。,Watson,2018/10/8,Department of Biochemistry,Hangzhou Medical College,【17】,(一)DNA双螺旋结构的研究背景:,19501953,Chargaff研究小组对DNA的化学组成进行了研究,发现: 不同生物种属的DNA碱基组成不同,且物种亲缘关系越远,差异越大; 同一个体(相同物种)不同组织器官中DNA碱基组成相同,且不因年龄、环境及营养而改变; DNA分子中四种碱基的摩尔百分比具有一定的规律性,即A=T、G=C、A+G=T+C。 这一规律被称为Chargaff原则。,2018/10/8,Department of Biochemistry,Hangzhou Medical College,【18】,1. 为右手反向平行双螺旋; 2. 主链位于螺旋外侧,碱基位于内侧; 3. 两条链间存在碱基互补:A与T或G与C配对形成氢键,称为碱基互补原则(A与T为两个氢键,G与C为三个氢键); 4. 螺旋的稳定因素为氢键和碱基堆砌力; 5. 螺旋的螺距为3.4nm,直径为2nm。,(二)DNA双螺旋结构的特点(B型):,2018/10/8,Department of Biochemistry,Hangzhou Medical College,【19】,B型双螺旋DNA的结构特征,2018/10/8,Department of Biochemistry,Hangzhou Medical College,【20】,碱基配对与氢键形成,2018/10/8,Department of Biochemistry,Hangzhou Medical College,【21】,(三)DNA双螺旋结构的多样性:,目前已知DNA双螺旋结构可分为A、B、C、D及Z型等数种,除Z型为左手双螺旋外,其余均为右手双螺旋。,螺旋模式,2018/10/8,Department of Biochemistry,Hangzhou Medical College,【22】,二、DNA的超螺旋结构,(一)原核生物DNA的三级结构: 绝大多数原核生物的DNA都是共价封闭的环状双螺旋。如果再进一步盘绕则形成麻花状的超螺旋三级结构。,超螺旋,2018/10/8,Department of Biochemistry,Hangzhou Medical College,【23】,(二)真核生物中的核小体结构,在真核生物中,双螺旋的DNA分子围绕一蛋白质八聚体进行盘绕,从而形成特殊的串珠状结构,称为核小体。核小体结构属于DNA的三级结构。,2018/10/8,Department of Biochemistry,Hangzhou Medical College,【24】,组蛋白与核小体(nucleosome),组蛋白有5种:H1、H2A、H2B、H3、H4 核心组蛋白(组蛋白八聚体) (H2A、H2B、H3、H4)2 核小体的核心颗粒(nucleosome core partiele ),连接区(linker),DNA双螺旋核小体串珠状多核小体细丝螺线管超螺线管染色单体,核小体,2018/10/8,Department of Biochemistry,Hangzhou Medical College,【25】,核小体结构,核小体,2018/10/8,Department of Biochemistry,Hangzhou Medical College,【26】,三、DNA的功能,遗传的 物质基础,携带与传递遗传信息 DNA的基本功能:作为遗传信息的载体,为生物遗传信息复制以及基因信息的转录提供模板。 DNA复制:亲代DNA子代DNA,遗传性状的相对保守性。 转录、翻译:DNARNA蛋白质,表达特殊的生物学性状。,2018/10/8,Department of Biochemistry,Hangzhou Medical College,【27】,基因与基因组,DNA分子中具有特定生物学功能的片段称为基因(gene)。 一个生物体的全部基因序列称为基因组(genome)。 基因组的大小与生物的复杂性有关,如病毒SV40的基因组大小为5.1103bp,大肠杆菌为5.7106bp,人为3109bp。,说明,2018/10/8,Department of Biochemistry,Hangzhou Medical College,【28】,第四节 RNA的空间结构与功能,主要存在于细胞质中 RNA通常以单链形式存在,但也可形成局部的双螺旋结构。RNA分子的种类较多,分子大小变化较大,功能多样化。 主要的RNA种类有rRNA、mRNA、tRNA、HnRNA、SnRNA等。,种类表,2018/10/8,Department of Biochemistry,Hangzhou Medical College,【29】,RNA的一般结构特征,分子比DNA小得多,仅含几十至数千个核苷酸。 一般是单链,碱基组成不遵守Chargaff 规则。 碱基组成上RNA分子中含有U,U与T具有相同的结构信息量。 RNA核糖分子上C2-OH是游离的,是易发生不良反应的位置,因此RNA不如DNA稳定。,2018/10/8,Department of Biochemistry,Hangzhou Medical College,【30】,一、mRNA的结构与功能,信使RNA(messenger RNA)细胞内含量较少,占总RNA的5%左右,但种类很多。 在细胞核内合成的初级产物称为HnRNA(不均一RNA)。 成熟的mRNA分子由编码区和非编码区组成。 mRNA的功能是把核内DNA的遗传信息(碱基序列)传送到胞质,指导蛋白质合成 。(含三联体密码,triplet code),2018/10/8,Department of Biochemistry,Hangzhou Medical College,【31】,真核生物mRNA的特殊结构:,5-末端的帽子结构:7-甲基鸟嘌呤核苷三磷酸(m7GpppNm)。促进核糖体与mRNA结合,加速翻译的起始速度,增强mRNA的稳定性 3-末端的多聚腺苷酸(polyA)尾巴结构:参与mRNA从核内向胞质转移,增强mRNA稳定性 真核生物mRNA含有内含子,在核内需经过一系列的加工、修饰及剪接等去除内含子,转变为成熟的mRNA,进入胞浆,
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