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、G | A、G |
嘧啶 | C、T | C、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。
【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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