第四章核酸
第一节概论
⏹一、核酸的发现和研究简史
⏹(一)核酸的发现
⏹1868年瑞士青年科学家Miescher在外科绷带脓细胞分离得到细胞核,从中提取出一种含磷量很高的酸性化合物称为核素。
⏹1889年Altmann发明了从酵母和动物组织中制备不含蛋白质的核酸的方法。首次提出了核酸的名称 。
⏹1894年Hammars证明了酵母核酸中的糖是戊糖 。
⏹1909年Levene年确定戊糖是2-脱氧-D-核糖 。
⏹19世纪末~20世纪初Kossel鉴定了碱基 。
⏹(二)核酸的早期研究
⏹Levene“四核苷酸假说”阻碍了核酸的研究。
⏹20世纪40年代,显微紫外分光光度法、组织化学法、亚细胞单位的分离与化学分析法的应用,推翻了“四核苷酸假说” 。
⏹(三)DNA双螺旋结构模型结构的建立
⏹早期分子生物学的三个学派:
⏹结构学派:Astbury用X-射线结晶学技术研究生物大分子的三维结构,并认为研究其起源和功能是分子生物学的主要任务 。
⏹信息学派:Delbruck, Schrodinger、S.Luria 认为生命的本质是信息传递的问题:信息如何被编码?如何保持其稳定性?偶然的变异是如何产生的?
⏹生化遗传学派:用生物化学的方法阐明基因是如何行使功能而控制特定性状的 。
⏹1953 Watson和Crick提出DNA双螺旋结构模型。说明了基因的结构、信息和功能三者的关系,使三个学派得到统一,并推动了分子生物学的发展。
⏹1956年Kornberg发现DNA聚合酶。
DNA双螺旋立体结构
⏹1961年Jacob Monod提出操纵子学说,并假设了RNA的功能 。
⏹1965年Holley测定了酵母丙氨酸RNA的核苷酸序列。
⏹1966年Nirenberg破译了遗传密码 。
⏹1970年发现了逆转录酶。
⏹(四)生物技术的兴起
⏹七十年代前期DNA重组技术的建立的基础:
⏹DNA的切割技术—工具酶的发现和应用 。
⏹分子克隆—DNA体外重组体的无性繁殖 。
⏹1975,1976 快速测序—酶法与化学法测序技术的建立 。
⏹基因重组技术可应用于改变生物机体的性状特征 、改造基因 、以至改造物种 。导致了新的生物技术产业群的兴起。
⏹1981年Cech发现了核酶—催化功能 。
⏹1983年Simons,Mizuno 反义RNA—调节功能。
⏹(五)人类基因组计划开辟了生命科学的新纪元
⏹1990年人类基因组计划实施庞大的人类基因组计划,在经过各国科学家的多年努力,已取得巨大的成就。十多种低等模式生物的基因组序列测定已完成;
⏹第一个多细胞生物——线虫基因组的DNA全序列测定也在1998年底完成;
⏹人类基因组的全序列提前到2003、4 、14完成。
⏹生命科学已进入了后基因组时代,研究重心已从基因测序转移到基因的功能。
⏹功能基因组学
⏹蛋白质组学
⏹结构基因组学
⏹RNA组学
⏹二 、核酸的种类和分布
⏹(一)、类别:核酸分为脱氧核糖核酸(DNA) 、核糖核酸
(RNA) 。
⏹核糖核酸(RNA)分成三类:
⏹1、信使RNA(mRNA):单链差别较大,其顺序决定蛋白质的氨基酸顺序。
⏹2、转移RNA(tRNA):携带氨基酸,核糖体上,每种氨基酸至少有一种tRNA 。
⏹3 、核糖体RNA(rRNA):不稳定,与核蛋白结合 。
⏹二、分布:
⏹1 、DNA:
⏹原核生物集中于核区.
⏹真核生物细胞核,线粒体 、叶绿体亦含有DNA.
⏹原核 、真核生物的质粒
⏹病毒含有DNA或RNA.
⏹2 、RNA
⏹存在于细胞质和细胞核中。
⏹发现了许多新的具有特殊功能的RNA:
⏹如反义RNA,核酶等.
⏹病毒和亚病毒RNA有许多种:正链RNA病毒、负链RNA病毒 、类病毒、卫星病毒等 .
⏹三、核酸的生物功能
⏹(一)DNA是主要的遗传物质
⏹1、细菌转化实验
⏹2 、噬菌体侵染实验
⏹证明了DNA是主要遗传物质
⏹3 、有些病毒的遗传物质是RNA.
⏹(二)RNA参与蛋白质的生物合成
⏹rRNA占细胞总RNA的80%,它是装配者并起催化作用.
⏹t RNA占细胞总RNA的15%,它是转换器,携带氨基酸并起解译作用.
⏹mRNA占细胞总RNA的3~5%,它是信使,携带DNA的遗传信息,并起蛋白质合成的模板作用.
⏹(三)RNA功能的多样性
⏹1 、控制蛋白质合成.
⏹2 、作用于RNA转录后加工与修饰.
⏹3、基因表达与细胞功能的调节.
⏹4、生物催化与其他细胞持家功能.
⏹5、遗传信息的加工与进化.
第二节核酸的结构
⏹核酸全部磷酸二酯键断裂核苷酸
⏹核苷酸磷酸单酯键断裂核苷+磷酸
⏹核苷糖苷键断裂碱基+核糖
⏹核酸部分磷酸二酯键断裂寡核苷酸
⏹(一)核酸中的糖
⏹D—核糖D—2脱氧核糖
⏹二者都是β型 。
⏹差别:2 位羟基是否脱氧 。
脱氧核糖与核糖
⏹(二)碱基:
⏹1、嘌呤碱
⏹2 、嘧啶碱
⏹3、稀有碱基
⏹稀有碱基大部分都是甲基化碱基
⏹tRNA稀有碱基约占10%
嘌呤碱基和嘧啶碱基
⏹(三)核苷:戊糖与碱基通过糖苷键相连,C—N糖苷键 。⏹糖C1与嘧啶碱N1与嘌呤碱N9相连,碱基与糖环垂直。
⏹根据核苷中所含戊糖的不同,分为核糖核苷和脱氧核糖核苷 。
⏹命名先冠以碱基名称,糖环C加‘,碱基不加’ 。
⏹核苷的顺式结构和反式结构。
⏹ RNA某些修饰化和异构化的核苷,碱基 、核糖均可被修饰,主要是甲基化 。
⏹tRNA 、rRNA还含有少量假尿嘧啶核苷 。
核苷
⏹戊糖羟基的磷酸化成核苷酸 。
⏹核糖核苷糖环上有3个自由羟基 。
⏹脱氧核糖核苷糖环上有2个自由羟基。
⏹环化腺苷酸是细胞功能的调节分子和信号分子。核苷酸
⏹二、核酸的共价结构
⏹(一)核酸中核苷酸的连接方式
⏹RNA通过3‘,5‘ –磷酸二酯键连接的核苷酸 。
⏹DNA通过3‘,5‘–磷酸二酯键连接的核苷酸 。
⏹表示方法:书写顺序5‘——3’ 。
核苷酸的组成与连接
⏹1 、线条式:竖线碳链 、碱基 、磷酸
⏹2 、文字式:
⏹5'p A p C p T p T p G p A p A p C p G3'DNA
5'p A p C p U p U p G p A p A p C p G3'RNA
⏹此式可进一步简化为:
⏹5'ACTTGAACG3'
5'ACUUGAACG3'
⏹(二)DNA
⏹1 、一级结构
⏹DNA的一级结构A 、T 、G 、C通过3`,5`-磷酸二酯键连接,C’1—碱基, C’2——脱氧 。
⏹碱基:A 、T 、G 、C
⏹脱氧核糖
⏹没有侧链
DNA的一级结构
⏹DNA的相对分子量非常大,通常一个染色体就是一个DNA 分子,最大的染色体DNA可超过108 bp .能编码的信息量十分巨大 。
。
⏹细菌的基因是连续的,无内含子功能相关基因组成操纵子,有共同的调控序列,较少重复序列 。
⏹真核生物的基因是断裂的,有内含子功能相关基因不组成操纵子,调控序列占比重大,有较大重复序列 。
⏹越是高等的真核生物其调控序列和重复序列的比例越大 。
⏹2、二级结构
⏹(1) 、模型建立的依据:
⏹a Chargaff等科学家用纸层析及紫外分光光度技术分析了各种生物的DNA的碱基组成 。结果显示:
⏹摩尔数:
A=T;G=C;A+C=G+T;A+G=C+T
⏹(2)、DNA双螺旋的结构特征:
⏹A 、两条反平行多核苷酸链绕中心轴缠绕,右手螺旋;
⏹B、骨架:内侧——碱基垂直于纵轴;
⏹外侧——磷酸与戊糖 、彼此通过3’ 、5’磷酸二酯键,糖环平面与纵轴平行。
⏹大沟宽1.2nm,深0.85nm;
⏹小沟宽0.6nm,深0.75nm;
⏹C、直径:2nm,二相邻碱基高度0.34nm,二核苷酸夹角36度,旋转一周10个核苷酸,一周高度3.4nm;
⏹D、碱基互补配对:A 、T形成两个氢键;G C形成三个氢键,碱基在一条链上的排列顺序不受任何限制 。
⏹(三)DNA二级结构的多态性
⏹DNA分子结构可受环境的影响而改变
⏹B型DNA:在相对湿度92%下制得的纤维是B型结构,适中。
⏹A型DNA:在相对湿度75%下制得的纤维是A型结构,宽短 。
⏹Z型DNA:碱基与中心的倾角9℃,细长。
⏹三股螺旋DNA.
⏹人工合成DNA发现,第三股嵌在大沟里。
⏹2 、三级结构:
⏹细长的分子以一种高度压缩状态存在于细胞中,双螺旋的进一步扭曲就构成了三级结构。
⏹超螺旋,三级结构中的一种。
⏹DNA压缩总原则:多级螺旋,4级压缩。
⏹(三)RNA
⏹1、RNA结构的特点
⏹RNA与DNA结构十分相似,二者相比有几点不同:
⏹(1),核糖:
⏹(2),碱基:A、G、C 、U
⏹(3),二者在三维结构上的区别——RNA不具有规则的氢键结构,单链形式存在,只是回折,局部配对,不配对形成突环。
⏹2 、tRNA
⏹•由70--90个核苷酸组成,在蛋白质合成过程中具有转运氨基酸、识别密码子的作用,在DNA反转录合成及基因表达调控中起着重要的作用 。
⏹(1) 、结构特点:
⏹A 、有较多的稀有碱基,多为转录后加工而来 。
⏹B 、3`末端为氨基酸接受臂CCA 。
⏹C、5`末端作为G or C。
⏹2、二级结构—三叶草形:
⏹叶柄是双螺旋氨基酸臂;突环三大一小 。
⏹A 、接受臂:接受活化AA,末端为CCA 。
⏹B、TψC环:ψ假鸟嘧啶,有TψC顺序。
⏹C 、额外环:变化最大区域,不同tRNA不同大小额外环。
⏹D、反密码环:7个核苷酸组成,环中部反密码子 。三对碱基组成 。
⏹E、二氢尿嘧啶环:8---12核苷酸,两个二氢尿嘧啶。
⏹3 、rRNA
⏹rRNA占RNA总量的80%以上,核糖体由大小两个亚基组成,大小亚基分别几种rRNA和数十种蛋白质组成 。
⏹rRNA与几十种蛋白质组成的细胞颗粒——核糖体是细胞内合成蛋白质的工厂。核糖体上催化肽键合成的是rRNA,蛋白质只是维持rRNA的构象,起辅助作用。
⏹4、mRNA
⏹(1)原核生物mRNA结构特征
⏹原核生物的mRNA链上有多个编码区(多个基因),为多顺反子,5’和3‘端各有一段非翻译区 。
⏹多顺反子:一个转录本加工而成的mRNA序列中包含多个基团。
⏹编码区:mRNA中以AUG为起点,以终止密码子为终点,编码AA的一系列密码子序列。
⏹(2)真核生物mRNA结构特征
⏹真核生物的mRNA都是单顺反子。
⏹单顺反子:一个转录本加工而成的mRNA序列只代表一个基因。
⏹mRNA5’端都有帽子结构 。
⏹绝大多数真核生物mRNA具有poly(A)尾。
⏹帽子结构功能:
⏹a、增加mRNA稳定性,保护mRNA免遭5’外切酶的攻击 。
⏹b 、有助于核糖体对mRNA的识别和结合,使翻译得以正确起始 。
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