第二章核酸的结构与功能.pdf
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1、第二章 核酸的结构与功能 Structure and Function of nucleic acid 一、授课章节及主要内容:第二章 核酸的结构与功能 二、授课对象:临床医学、预防、法医(五年制)、临床医学(七年制)通过本章的学习让学生掌握两种核酸分子即 DNA 和 RNA 的化学组成、分子结构和功能及其理化性质的特点和应用。三、授课学时 本章共安排 3 学时(每个课时为 45 分钟)。讲授安排如下:1 学时:概述+第一节 核酸的化学组成及一级结构和第二节 DNA 的空间结构与功能中的第一部分:DNA 的二级结构双螺旋结构模型;2 学时:第二节 DNA 的空间结构与功能的第二部分:DNA 的
2、超螺旋结构及其在染色质中的组装和第三节 RNA 的空间结构与功能的第一点:信使 RNA(mRNA)的结构与功能 3 学时:第三节 RNA 的空间结构与功能的第二点:转运 RNA(tRNA)的结构与功能 和第二点:转运 RNA(tRNA)的结构与功能和第二点:核蛋白体 RNA(rRNA)的结构与功能及第四节核酸的理化性质和第五节核酸酶 四、教学目的与要求 五、重点与难点 重点:掌握核酸的分类、分布及生物学意义。掌握 DNA 和 RNA 的化学组成。掌握 DNA的一级结构、空间结构及其功能,RNA 的一级结构以及三种 RNA 的功能。掌握 DNA 的变性、复性、分子杂交的概念。难点:核酸的结构(D
3、NA 的一级结构、空间结构,几种重要的 RNA 的结构)六、教学方法及授课大致安排 以讲授为主,授课结束前作适当的小节,帮助学生消化当天所学的内容,另外课前穿插提问帮助学生复习,巩固已学的知识。七、主要外文专业词汇 八、思考题 1、试比较两类核酸的化学组成、分子结构、分布及生物学功能。2、简述 DNA 双螺旋结构的碱基组成的 Chargaff 规则。3、简述真核细胞的 mRNA 的结构特点和功用。4、简述 tRNA 的分子组成、结构特点和功能。5、什么是 TM 值?他有何生物学意义?6、什么是核酶?他在医学发展中有何意义?7、什么是 DNA 变性、复性、分子杂交和增色效应?有何实际意义?九、教
4、材与教具:人民卫生出版社生物化学第六版 十、授课提纲(或基本内容)概 述 Introduction 核酸(nucleic acid)是以核苷酸为基本组成单位的生物信息大分子。核酸可以分为脱氧核糖核酸(deoxyribonucleic acid,DNA)和核糖核酸(ribonucleic acid,RNA)两大类。第一节 核酸的化学组成及一级结构 Chemical constitution and primary construction of nucleic acid 核酸的基本组成单位是核苷酸(nucleotide),而核苷酸则由碱基、戊糖和磷酸三种成分连接而成。DNA的基本组成单位是脱氧核
5、糖核苷酸(deoxyribonucleotide或deoxynucleotide),RNA 的基本组成单位是核糖核苷酸(ribonucleotide)。一、核苷酸的结构 (一)碱基的种类:构成核苷酸的五种碱基(base)分别属于嘌呤(purine)和嘧啶(pyrimidine)两类含氮杂环化合物。DNA 分子中的碱基成分为 A、G、C 和 T 四种;而 RNA 分子则主要由 A、G、C 和 U 四种碱基组成。(二)戊糖与核苷:是核苷酸的另一重要成分。脱氧核糖核苷酸中的戊糖是 bD2脱氧核糖;核糖核苷酸中的戊糖为 bD核糖。这一结构上的差异使得 DNA 分子较 RNA 分子在化学上更为稳定,从而
6、被自然选择作为生物遗传信息的储存载体。为区别于碱基中的碳原子编号,核糖或脱氧核糖中的碳原子标以 C1、C2等。碱基和核糖或脱氧核糖通过糖苷键(glycosidic bond)缩合形成核苷或脱氧核苷,连接位置是 C1。(三)核苷与磷酸通过酯键结合即构成核苷酸或脱氧核苷酸。生物体内多数核苷酸都是 5核苷酸,即磷酸基团位于核糖的第五位碳原子 C5上。根据磷酸基团的数目不同,有核苷一磷酸(nucleoside monophosphate,NMP)、核苷二磷酸(nucleoside diphosphate,NDP)、核苷三磷酸(nucleoside triphosphate,NTP)的命名方式;根据碱基
7、成分的不同,有 AMP(adenosine monophosphate)、ADP(adenosine diphosphate)、ATP(adenosine triphosphate)等命名。(四)核苷酸除了构成核酸大分子以外,还参加各种物质代谢的调控和多种蛋白质功能的调节。例如 ATP 和 UTP 在能量代谢中均为重要的底物或中间产物;环腺苷酸(cyclic AMP,cAMP)和环鸟苷酸(cyclic GMP,cGMP)等则在细胞信号转导过程中具有重要调控作用。二、核酸的一级结构 (一)定义:核酸的一级结构是指 DNA 和 RNA 分子中核苷酸的排列顺序,也称核苷酸序列。由于核酸分子中不同核苷
8、酸之间的差异仅在于碱基的不同,因此也称为碱基序列。(二)连接方式:磷酸二酯键。四种脱氧核苷酸按照一定的排列顺序以化学键:3,5磷酸二酯键(phosphodiester linkage)相连形成的多聚脱氧核苷酸(polydeoxynucleotides)链称为DNA。多聚核苷酸(polynucleotides)链则称为 RNA。这些脱氧核苷酸或核苷酸的连接具有严格的方向性,由前一位核苷酸的 3OH 与下一位核苷酸的 5位磷酸基之间形成 3,5磷酸二酯键,从而构成一个没有分支的线性大分子。它们的两个末端分别称为 5末端(游离磷酸基)和 3末端(游离羟基)。书写规则应从 5末端到 3末端。(见六版教
9、材图 2-4)(三)DNA 和 RNA 一级结构的差异:RNA 是生物体内另一大类核酸。它与 DNA 的差别是:组成它的核苷酸的戊糖不是脱氧核糖而是核糖;RNA 中的嘧啶成分为胞嘧啶和尿嘧啶,而不含有胸腺嘧啶,所以构成 RNA 的基本四种核苷酸是 AMP、GMP、CMP 和 UMP,其中 U 代替了 DNA 中的 T。DNA 和 RNA 对遗传信息的携带和传递,是依靠碱基排列顺序变化而实现的。第二节 DNA 的空间结构与功能 Space structure and function of DNA 一、DNA 的二级结构双螺旋结构模型(一)双螺旋结构的研究背景 1碱基组成的 Chargaff 规
10、则:A=T,C=G;不同种属的 DNA 碱基组成不同;同一个体不同器官、不同组织的 DNA 具有相同的碱基组成。2DNA 纤维的 X 线图谱分析显示 DNA 是螺旋型分子,且为双链分子。3Rosalind Franklin 获得了高质量的 DNA 的 X 线衍射照片,显示出 DNA 是螺旋形分子,而且从密度上提示 DNA 是双链分子。1953 年 Watson 和 Crick 总结前人的研究成果,提出了 DNA 的双螺旋结构模型。(二)DNA 双螺旋结构模型的要点 1 DNA 是一反向平行的互补双链结构:DNA 分子是由两条反向平行的脱氧多核苷酸链组成,一条链的走向是 53,另一条链的走向是
11、35。在 DNA 双链结构中,外侧是由亲水的脱氧核糖基和磷酸基构成的骨架,内侧是碱基,两条链的碱基之间以氢键结合即 A 与 T 配对;C 与 G 配对。两个配对的碱基结构几乎在一个平面上,并且此平面与线性分子的长轴相垂直(图 25)。2DNA 是右手螺旋结构 DNA 线性长分子通过初始的折叠形成一个右手螺旋式结构,螺旋直径为 2nm,螺旋一周包含了 10 对碱基,螺距为 3.4nm。外观上,DNA 双螺旋分子存在一个大沟和一个小沟,此沟状结构可能与蛋白质和 DNA 间的识别有关。3疏水力和氢键维系 DNA 双螺旋结构 的稳定 DNA 双螺旋结构的稳定性横向靠两条链间互补碱基的氢键维系,纵向则靠
12、碱基平面间的疏水性堆积力维持,由以后者更为重要。(三)DNA 结构的多样性 不同的环境条件下,DNA 的结构不同,自然界存在的 DNA 有:B-DNA 右手螺旋(Watson-Crick 模型结构)Z-DNA 左手螺旋 A-DNA 右手螺旋 体内不同构象的 DNA 在功能上有所差异,可能参与基因表达的调节和控制。(见六版教材图 2-6)二、DNA 的超螺旋结构及其在染色质中的组装 DNA 是十分巨大的信息高分子,DNA 的长度要求其必须形成紧密折叠扭转的方式才能够存在于很小的细胞核内。(一)DNA 的超螺旋结构 DNA 双螺旋链再盘绕即形成超螺旋结构(superhelix 或 supercoi
13、l)。盘绕方向与 DNA双螺旋方同相同为正超螺旋(positive supercoil);盘绕方向与 DNA 双螺旋方向相反则为负超螺旋(negative supercoil)。自然界的闭合双链 DNA 主要是以负超螺旋形式存在。(二)原核生物 DNA 的高级结构 绝大部分原核生物的 DNA 都是共价封闭的环状双螺旋分子。在细胞内进一步盘绕,并形成类核(nucleoid)结构,以保证其以较致密的形式存在于细胞内。在细菌基因组中,超螺旋可以相互独立存在,形成超螺旋区,各区域间的 DNA 可以有不同程度的超螺旋结构。(三)DNA 在真核生物细胞核内的组装 在真核生物,DNA 以非常致密的形式存在于
14、细胞核内。在细胞周期的大部分时间里以分散存在的染色质(chromatin)形式出现,在细胞分裂期形成高度组织有序的染色体(chromosome)染色质的基本组成单位被称为核小体(nucleosome),由 DNA 和 5 种组蛋白(histone,H)共同构成。核小体中的组蛋白分别称为 H1,H2A,H2B,H3 和 H4。各两分子的 H2A,H2B,H3 和 H4 共同构成八聚体的核心组蛋白,DNA 双螺旋链缠绕在这一核心上形成核小体的核心颗粒(core particle)。核小体的核心颗粒之间再由 DNA(约 60 bp)和组蛋白 H1 构成的连接区连接起来形成串珠样的结构。核小体是 DN
15、A 在核内形成致密结构的第一层次折叠,使得 DNA 的整体体积减少约 6 倍。第二层次的折叠是核小体卷曲(每周 6 个核小体)形成直径 30 nm、在染色质和间期染色体中都可以见到的纤维状结构和襻状结构,DNA 的致密程度增加约 40 倍。第三层次的折叠是30 nm 纤维再折叠形成柱状结构,致密程度增加约 1000 倍,在分裂期染色体中增加约 10 000倍,从而将约 1 米长的 DNA 分子压缩,容纳于直径只有数微米的细胞核中。人类的基因组 2.8109bp DNA 的结构特点是具有高度的复杂性和稳定性,可以满足遗传多样性和稳定性的需要。第三节 RNA 的空间结构与功能 Space stru
16、cture and function of RNA RNA 在生命活动中同样具有重要作用。它和蛋白质共同负责基因的表达和表达过程的调控。RNA 分子远小于 DNA 分子,分子大小的差异变化大,小的仅有数十个核苷酸,大的由数千个核苷酸组成。RNA 分子通常以单链形式存在,局部有二级结构或三级结构。RNA 的种类具有多样性,同时 RNA 的功能也是多样性的。表 2-2 动物细胞内主要 RNA 的种类及功能 一、信使 RNA(messenger RNA,mRNA)的结构与功能 mRNA 的长短差异很大,半期最短,由几分钟到数小时不等,在细胞核内合成的 mRNA初级产物比成熟的 mRNA 分子大得多,
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