2 核酸的结构与功能.docx
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2核酸的结构与功能
第2章核酸的结构与功能
2.1核酸的种类和化学组成
2.1.1核酸的种类和分布
核酸按其所含戊糖不同可分为核糖核酸(RNA,细胞质内),脱氧核糖核酸(DNA,细胞核内),所有生物细胞同时含有这两种核酸,病毒和噬菌体只含有其中的一种(DNA或RNA)。
核酸的分布:
真核生物
原核生物
DNA
细胞核(98%)
细胞质(类核部分,拟核)
细胞质(少量)
质粒DNA
线粒体(少量)
病毒DNA
叶绿体(少量)等
RNA
细胞质(90%)
细胞质
核仁(少量)
病毒RNA
2.1.2核酸的化学组成
核酸由C,H,O,N,P组成,P含量比较稳定,可通过定P法测核酸含量。
任何核酸都含磷酸,因此核酸显酸性。
核酸的基本组成单位是核苷酸,根据所含戊糖不同可分为核糖核酸,脱氧核糖核酸。
核苷酸之间通过
-磷酸二酯键连接形成核酸。
戊糖的结构:
DNA所含的糖为β-D-2-脱氧核糖;RNA所含的糖则为β-D-核糖。
碱基(base):
(一)嘌呤(Pu)
鸟嘌呤(G)腺嘌呤(A)
6C位基团不同
(二)嘧啶(Py)
胞嘧啶(C)尿嘧啶(U)胸腺嘧啶(T)
4C位基团不同
(三)稀有碱基
稀有碱基结构多样,是基本碱基的结构修饰(甲基化、氢化、硫化等),因此也称修饰碱基,tRNA中含较多稀有碱基。
DNA中的碱基为A、T、C、G,RNA中的碱基为A、T、C、U。
2.1.3核苷
碱基和核糖或脱氧核糖通过糖苷键(glycosidicbond)缩合形成核苷或脱氧核苷。
(一)核苷的结构
腺苷鸟苷胞苷尿苷
(二)核苷种类
DNA中的脱氧核苷:
dA、dG、dC、dT;(d代表脱氧的意思)
RNA中的核苷:
A、G、C、U。
(三)核酸中存在的稀有组分大部分是以稀有核苷的形式被分离鉴定的。
稀有核苷分为3类:
修饰碱基组成的核苷、由2’—O—甲基核糖组成的核苷以及碱基与核糖连接方式改变形成的核苷。
(详见P11)
2.1.4核苷酸的结构及命名
核苷一磷酸(nucleosidemonophoaphate,NMP)核苷二磷酸(nucleosidediphosphate,NDP)核苷三磷酸(nucleosidetriphosphate,NTP)环核苷酸:
cAMP,cGMP。
(一)核苷酸结构
磷酸与核苷5’位-OH脱水形成磷酸酯键。
(三)核苷酸的种类
RNA中含有DNA中含有腺苷酸AMP脱氧腺苷酸dAMP鸟苷酸GMP脱氧鸟苷酸dGMP胞苷酸CMP脱氧胞苷酸dCMP胸苷酸UMP脱氧胸苷酸dTMP
注:
含一个磷酸为MP,两个位DP,三个为TP。
(四)多个磷酸组成的核苷酸
(四)环化腺苷酸
♦ATP在腺苷酸环化酶作用下脱下一分子焦磷酸形成cAMP。
哺乳动物体内的激素很多是通过cAMP起作用的,因此,cAMP被称为第二信使。
♦体内重要的环化核苷酸有3’,5’-环化腺苷酸(cAMP)和3’,5’-环化鸟苷酸(cGMP);它们不是核酸的组成成分,而是重要的调节物质。
♦微生物细胞内,还有cUMP、cCMP、cIMP,但功能不明。
第二信使
注:
不是核酸的组成部分,而是重要的调节物质。
2.2核酸的分子结构2.2.1磷酸二酯键与多核苷酸连
3’,5’磷酸二酯键
DNA多核苷酸链
2.2.2DNA的分子结构
(一)一级结构
DNA分子中脱氧核糖核苷酸的排列顺序和连接方式,也可指碱基的排列顺序。
DNA的碱基顺序本身就是遗传信息存储的分子形式。
生物界物种的多样性即寓于DNA分子中四种核苷酸千变万化的不同排列组合之中。
(详见p16)
Chargaff定则:
♦DNA碱基组成符合:
A+G=T+C
♦不对称比率:
A+T/G+C;物种不同,DNA碱基组成不同,物种亲缘愈接近,碱基组成也愈接近,该比率越相近似。
♦具有种的特异性,没有器官和组织的特异性,年龄、营养状况、环境的改变不影响DNA的碱基组成。
(二)二级结构:
双螺旋结构模型(B型)
双螺旋结构模型要点:
1.螺旋中的两条链反向平行,即其中一条链的方向为5’→3’,而另一条链的方向为3’→5’,两条链共同围绕一个假想的中心轴呈右手双螺旋结构。
2.疏水的碱基位于双螺旋的内侧,亲水的磷酸和脱氧核糖基位于螺旋外侧。
碱基平面与螺旋轴垂直,脱氧核糖平面和碱基与中心轴平行。
由于几何形状的限制,碱基对只能由嘌呤和嘧啶配对,即A与T,G与C。
这种配对关系,称为碱基互补。
A和T之间形成两个氢键,G与C之间形成三个氢键。
3.由于碱基对排列的方向性,使得碱基对占据空间不对称的,因此,在双螺旋表面形成大小两个凹槽,分别称为大沟和小沟,二者交替出现。
4.双螺旋横截面的直径约为2nm,相邻两个碱基平面之间的距离(轴距)为0.34nm,每10个核苷酸形成一个螺旋,其螺距(即螺旋旋转一圈)的高度为3.4nm。
5.两条链借碱基之间的氢键和碱基堆积力(即碱基之间的范德华力)牢固的连接起来,维持DNA双螺旋的三维结构。
(带负电荷的磷酸基团的静电斥力和碱基分子的内能会破坏DNA双螺旋结构)。
两条链是互补关系。
(DNA双螺旋结构的其他构象详见p20)
(三)三级结构:
超螺旋
超螺旋是指双螺旋进一步扭曲或再螺旋的构象。
正超螺旋(变紧)和负超螺旋(变松)。
DNA的存在形式是核小体,组成染色体的基本结构;染色体的物质基础是DNA,基本单位是核小体。
2.2.3RNA的分子结构
(一)tRNA
一级结构特点:
♦大多数为76个核苷酸组成的单链,
♦沉降系数为4S;
♦5’端为pG,3’端为-pCCAOH;
♦有十几个位置的核苷酸是恒定的;
♦有较多的修饰核苷酸。
注:
用离心法时,大分子沉降速度的量度,等于每单位离心场的速度。
或s=v/ω2r。
s是沉降系数,ω是离心转子的角速度(弧度/秒),r是到旋转中心的距离,v是沉降速度。
二级结构:
三叶草型
♦3’端有一段以-CCA为主的单链区;
♦大约有50%的核苷酸配对,形成4个双螺旋区,称为臂或茎(氨基酸接受臂、D臂、反密码子臂、TψC臂);
♦大约有50%的核苷酸不配对,形成4个环(反密码环、D环、额外环、TψC环);
♦不同的tRNA分子在长度上的变化主要发生在三个区域:
D环、D茎、额外环。
三级结构:
倒L型
(二)rRNA
♦约占全部RNA的80%,含量最多。
♦与多种蛋白质结合成核糖体,后者是合成蛋白质的场所。
♦真核细胞核糖体大亚基含28S、5.8S、5S三种rRNA,小亚基只含18S一种。
(四)mRNA
♦约占总RNA的3%∼5%,含量最少,种类最多。
♦mRNA从DNA转录遗传信息,并作为蛋白质合成的模板,决定蛋白质的氨基酸顺序。
真核细胞mRNA结构:
结构要点:
1)5’端有甲基化的帽,3’端有polyA尾巴;
2)一般为单顺反子结构,即一个mRNA中只含有一条多肽链信息,能指导一个蛋白质的生物合成;
3)mRNA代谢很慢,代谢半衰期长。
原核细胞mRNA结构要点:
1)5’端无帽状结构,3’端不含polyA结构;
2)一般为多顺反子结构,即一个mRNA中常含有几个蛋白质信息,能指导几个蛋白质的生物合成。
3)mRNA代谢很快,代谢半衰期一般以秒计,很少达到10min以上。
2.3核酸的性质
2.3.1一般性质
1)DNA为白色纤维状固体,RNA为白色粉末状固体,都微溶于水,不溶于乙醇,因此常用乙醇来沉淀DNA;DNA溶液黏度大于RNA;
2)DNA难溶于0.14mol/L的NaCl溶液,可溶于1∼2mol/L的NaCl溶液,RNA则相反,可据此分离二者;
3)加热条件下,
D-核糖+浓盐酸+苔黑酚绿色D-2-脱氧核糖+酸+二苯胺蓝紫色
2.3.2紫外吸收
1)在核酸分子中嘌呤碱和嘧啶碱都含有共轭双键体系,在260nm有吸收;
2)可以作为区别蛋白质(280nm)和对核酸及其组分定性和定量测定的依据,进行核酸纯度鉴定,也可作为核酸变性和复性的指标。
3)比吸光系数OD260/OD280可判断核酸样品的纯度。
2.3.3DNA变性与复性
DNA变性指核酸双螺旋区的多聚核苷酸链间的氢键断裂(磷酸二酯键不断裂),变成单链结构的过程。
DNA复性指变性DNA在适当条件下,两条彼此分开的单链重新缔合为双螺旋结构的过程。
热变性DNA缓慢冷却过程中的复性被称为退火。
♦DNA浓度越高,复性越快;
♦DNA分子越大,复性越慢;
♦高温会使DNA变性,温度过低可以使错配的碱基对不能分离而不利于复性,热变性DNA最佳的复性温度比Tm值低25oC,一般在60oC左右。
2.3.4DNA变性条件与复性条件
变性条件
♦热变性
♦酸碱变性(pH>11.3或<5.0)
♦有机溶剂如甲醛和尿素、甲酰胺等
♦低离子强度
复性条件
♦将热变性的DNA骤然冷却至低温时(即淬火),DNA不可能复性。
将变性的DNA缓慢冷却时,可以复性。
退火温度=tm—25℃。
♦分子量越大复性越难。
浓度越大,复性越容易。
此外,DNA的复性需要一定的盐浓度,也与它本身的组成和结构有关。
2.3.5DNA变性的特征
♦变性核酸将失去其部分或全部的生物活性。
♦变性改变了DNA的二级结构。
核酸的变性并不涉及磷酸二酯键的断裂,所以它的一级结构(碱基顺序)保持不变。
♦DNA的变性过程是爆发式的,它在很窄的温度区间内完成。
DNA熔解温度。
紫外吸收值明显增加,即增色效应。
♦粘度降低,沉降系数增加。
2.3.6DNA解链温度
♦当50%的DNA变性时的温度称为该DNA的解链温度(tm),即增色效应达到一半时的温度;一般DNA的tm值在70∼85C之间。
♦均一DNA(如病毒)的tm值范围较小。
♦分子中G和C的含量越高,越不易变性,tm值越高。
可通过经验公式计算:
(G-C)%=(tm-69.3)×2.44
♦tm值随溶液盐浓度增加而增大。
♦tm值较低,易变性,不易保存。
2.3.7增色效应与减色效应
♦天然DNA分子在热变性条件下,双螺旋结构破坏,碱基暴露,在紫外光260nm波长处的吸收度明显增加,此现象称为增色效应。
♦变性DNA分子复性形成双螺旋结构时其紫外吸收降低的现象称为减色效应。
2.3.8分子杂交
♦在变性的DNA溶液中加入外源DNA单链分子或RNA单链分子(与原DNA具有同源性),复性时互补序列形成双螺旋结构的过程。
♦这样形成的新分子称为杂交DNA分子。
♦探针:
用于杂交的异源DNA或RNA序列,其核苷酸序列是人工特定的和已知的,经放射性标记的一条链。
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