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生物化学之核酸的结构与功能

 茂林之家 2016-11-18

第一章 生物化学

第二节 核酸的结构与功能

一、核酸的基本组成单位—核苷酸

核酸分为脱氧核糖核酸(DNA)和核糖核酸(RNA),DNA为遗传信息的贮存和携带者;RNA参与遗传信息的表达。

(一)核苷酸分子组成(★★★)

碱基:A、G、C、T、U

核苷和脱氧核苷

核糖: 脱氧核糖、核糖

核苷酸

磷酸:P

注:腺嘌呤(A),鸟嘌呤(G)胸腺嘧啶(T),胞嘧啶(C),尿嘧啶(U)

(二)核酸(DNA和RNA)(★★★)

DNA、RNA组成异同(表1-2-1)

表1-2-1 DNA、RNA组成异同

DNA(双链)RNA(单链)
磷酸磷酸磷酸
戊糖2-脱氧核糖(dR)核糖(R)
碱基嘌呤A、GA、G
嘧啶C、TC、U

(三)核酸的空间结构(★★★)

核酸的一级结构:核苷酸的一级结构是指构成核酸的核苷酸或脱氧核苷酸从5′末端到3′末端的排列顺序,也就是核苷酸序列。由于核苷酸之间的差异在于碱基不同,因此核酸的一级结构也就是它的碱基序列。在核酸长链上的排列顺序,也称为碱基序列。

几个或十几个核苷酸通过磷酸二酯键连接而成的分子称寡核苷酸,由更多的核苷酸连接而成的聚合物就是多聚核苷酸。多聚核苷酸链的方向:5′→3′。

(四)核酸的理化性质(★★★)

1.DNA变性 是指DNA在各种因素作用下,由双链解离为单链的过程称为DNA的变性。其变性因素有加热、加酸或加碱,其中最常用的DNA变性方法是加热。变性后理化性质的变化:DNA在260nm处吸光度增加,溶液粘度降低。

2.DNA的复性 是指变性的DNA在适当条件下,两条互补链可重新配对,恢复天然的双螺旋结构,这一现象称为复性。加热使DNA变性经缓慢冷却后即可复性,这一过程称为退火,退火产生减色效应。

(五)DNA变性和蛋白质变性的比较

DNA变性和蛋白质变性的比较(表1-2-2)

表1-2-2 DNA变性和蛋白质变性的比较

DNA变性蛋白质变性
定义是指DNA在各种因素作用下,由双链解离为单链的过程称为DNA的变性在某些理化因素的作用下,蛋白质的空间结构(但不包括一级结构)遭到破坏,导致蛋白质理化性质和生物学活性的改变,称为蛋白质的变性作用
主要破坏主要破坏维系双链碱基配对的氢键,不破坏一级结构中的核苷酸序列。主要破坏二硫键和非共价键,不破坏一级结构中的氨基酸序列。
变性因素加热(最常用),加酸,加碱加热、乙醇、强酸、强碱、重金属离子、生物碱试剂
变性后DNA变性后,双链解开,DNA的A260增加(DNA增色效应),溶液黏度降低。蛋白质变性后溶解度降低,黏度增加,结晶能力消失,生物活性丧失,易被蛋白酶水解。
复性在一定条件下,变性的DNA可以复性。在一定条件下,变性的蛋白质可以复性。

二、DNA的结构与功能

(一)DNA碱基组成规律及一级结构(★★★)

1.DNA碱基组成规律

DNA碱基组成规律:A=T,G=C。DNA一级结构是指脱氧核糖核酸的排列顺序,即碱基排列顺序。

2.DNA中四种碱基组成的Chargaff规则

(1)腺嘌呤与胸腺嘧啶的摩尔数相等,而鸟嘌呤与胞嘧啶的摩尔数相等;

(2)不同生物种属的DNA碱基组成不同;

(3)同一个体不同器官、不同组织的DNA具有相同的碱基组成。

3.Watson-crick结构模型(DNA双螺旋结构模型)的要点

(1)DNA是反平行、右手螺旋的双链结构;

(2)DNA双链之间形成了互补碱基对;

(3)疏水作用力和氢键共同维持着DNA双螺旋结构的稳定。

(二)DNA二级结构(双螺旋结构)(★★★)

1.DNA分子由两条以脱氧核糖-磷酸作骨架的双链组成,以右手螺旋的方式围绕同一公共轴有规律地盘旋。螺旋直径2nm,并形成交替出现的大沟和小沟。

2.两股单链的戊糖-磷酸骨架位于螺旋外侧,与糖相连的碱基平面垂直于螺旋轴而伸入螺旋之内。每个碱基与对应链上的碱基共处同一平面,并以氢键维持配对关系,A与T配对,C与G配对。螺旋旋转一周为10对碱基。

3.两碱基之间的氢键是维持双螺旋横向稳定的主要化学键。纵向则以碱基平面之间的碱基堆积力维持稳定。

4.双螺旋两股单链走向相反,从5′向3′端追踪两链,一链自下而上,另一链自上而下。

(三)DNA的三级结构(★★)

原核生物:超螺旋结构

真核生物:DNA+组蛋白。5种组蛋白(H):H1,H2A,H2B,H3,H4,其中H2A,H2B,H3,H4各两分子形成八聚体,DNA围绕八聚体形成核小体。

(四)DNA的功能(★★★)

1.DNA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;

2.DNA是生命遗传的物质基础,也是个体生命活动的信息基础遗传的物质基础,遗传信息的携带者。

三、DNA变性及其应用

(一)DNA的变性、复性(★★★)

1.变性 在理化因素作用下,DNA互补碱基对的氢键断裂,其双螺旋链解离为单链为DNA变性,通常以热变性为例。

高色效应:核酸变性后、氢键破坏,双螺旋结构破坏,碱基暴露,紫外吸收(260nm)增强,谓高色效应。

2.解链温度\融解温度(Tm) UV吸收增值达到最大吸收增值50%时的温度,称Tm。Tm值与DNAG+C含量有关,G+C含量愈大,Tm愈高,反之则低。与核酸分子长度有关,分子愈长,Tm愈高。

3.DNA变性的复性 DNA发生热变性后,经缓慢降温,如放置室温逐渐冷却,解开的互补链之间对应的碱基对再形成氢键,恢复完整的双螺旋结构,称DNA热变性的复性。

(二)核酸分子杂交

当不同来源的核酸变性后一起复性时,只要这些核酸分子中含有相同序列的片段,即可形成碱基配对,出现复性现象,形成杂种核酸分子,或称杂化双链,称核酸分子杂交。杂交可出现在DNA之间,也可发生在RNA-DNA之间。

(三)核酸的紫外线吸收

嘌呤和嘧啶都含有共轭双键。碱基、核苷、核苷酸和核酸在的紫外线波段有较强烈的吸收。在中性条件下,它们的最大吸收值在260nm附近。利用这一性质可以对它们进行定量和定性分析。

四、RNA的结构与功能

(一)mRNA

1.5′帽子 5′末端具有m7-GpppN的mRNA结构;

2.3′PolyA尾巴 mRNA具有3′-末端的多聚A尾结构;编码区是蛋白质合成的模板,三个碱基为一组构成1个氨基酸的密码。

3.功能 mRNA是蛋白质合成的模板。

4.遗传密码及特点 mRNA分子中每3个核苷酸为一组,决定多肽链上一个氨基酸,称为遗密码。

遗传密码的特点为:

(1)三个相连核苷酸组成一个密码子,编码一个氨基酸,共有64个密码子;

(2)密码子之间无核苷酸间隔;

(3)一种氨基酸可有多种密码子;

(4)所有生物使用同一套密码子。

(二)tRNA

1.形态学特征 二级结构:三叶草形状;三级结构:倒L型

2.特点:

(1)含有稀有碱基(10~20%)。

(2)茎环结构。

(3)3′-末端为-CCA结构,结合氨基酸。

(4)反密码。

3.功能 转运氨基酸

(三)rRNA

1.组成 由多种蛋白质和多种rRNA组成大、小亚基。

2.功能 蛋白质合成的场所。

(四)其他RNA

1.snmRNA 一类称之为非mRNA小RNA的RNA。

2.组成 SnmRNAs主要包括核内小RNA(snRNA)、核仁小RNA(snoRNA)、胞质小RNA(scRNA)、催化性小RNA、小片段干扰RNA(siRNA)等。

3.功能 在hnRNA和rRNA的转录后加工、转运及基因表达调控等方面具有非常重要的生理作用。

生物化学之核酸的结构与功能

【经典习题】

1.核酸对紫外线的最大吸收峰是

A.240nm

B.260nm

C.280nm

D.300nm

E.320nm

答案:B

考点:核酸的功能

解析: 嘌呤和嘧啶都含有共轭双键。因此,碱基、核苷、核苷酸和核酸在的紫外波段有较强烈的吸收。在中性条件下,它们的最大吸收值在260nm 附近。利用这一性质可以对核酸、核苷酸、核苷和碱基进行定性和定量分析。故选B。

2.下列有关DNA双螺旋结构的叙述,错误的是

A.DNA双螺旋以右手螺旋的方式围绕同一轴有规律地盘旋

B.DNA双螺旋由两条以脱氧核糖-磷酸作骨架的双链组成

C.DNA双螺旋是核酸二级结构的重要形式

D.两股单链从5′至3′端走向在空间排列相同

E.两碱基之间的氢键是维持双螺旋横向稳定的主要化学键

答案:D

考点:核酸的空间结构

解析: DNA的二级结构是双螺旋结构,故C对。DNA双螺旋是反向平行、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。一条链的5' → 3' 方向是从上向下,而另一条链的5'→3'方向是从下向上。两条链围绕着同一个螺旋轴形成右手螺旋的结构,故A、B对,D错。疏水作用力和氢键共同维持着DNA双螺旋结构的稳定,E正确。

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