生物化学与分子生物学/核酸的结构与功能

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  • 核酸是由许多核苷酸聚合成的生物大分子化合物,为生命的最基本物质之一。核酸广泛存在于所有动植物细胞、微生物体内,生物体内的核酸常与蛋白质结合形成核蛋白。不同的核酸,其化学组成、核苷酸排列顺序等不同。根据化学组成不同,核酸可分为核糖核酸(简称RNA)和脱氧核糖核酸(简称DNA)。DNA是储存、复制和传递遗传信息的主要物质基础。RNA在蛋白质合成过程中起着重要作用--其中转运核糖核酸,简称tRNA,起着携带和转移活化氨基酸的作用;信使核糖核酸,简称mRNA,是合成蛋白质的模板;核糖体的核糖核酸,简称rRNA,是细胞合成蛋白质的主要场所。
  • 核酸大分子可分为两类:脱氧核糖核酸(DNA)和核糖核酸(RNA),在蛋白质的复制和合成中起着储存和传递遗传信息的作用。核酸不仅是基本的遗传物质,而且在蛋白质的生物合成上也占重要位置,因而在生长、遗传、变异等一系列重大生命现象中起决定性的作用。
  • 核酸在实践应用方面有极重要的作用,现已发现近2000种遗传性疾病都和DNA结构有关。如人类镰刀形红血细胞贫血症是由于患者的血红蛋白分子中一个氨基酸的遗传密码发生了改变,白化病患者则是DNA分子上缺乏产生促黑色素生成的酪氨酸酶的基因所致。肿瘤的发生、病毒的感染、射线对机体的作用等都与核酸有关。70年代以来兴起的遗传工程,使人们可用人工方法改组DNA,从而有可能创造出新型的生物品种。如应用遗传工程方法已能使大肠杆菌产生胰岛素、干扰素等珍贵的生化药物。

核酸的化学组成及一级结构[编辑]

一、核酸的化学组成

1、构成核酸分子主要元素有C、H、O、N、P等。其中P元素约占9%-10%,且含量比较恒定,因此可以运用定磷法测定核苷酸的含量。

2、核酸是一种线性多聚核苷酸,它的基本结构单位是核苷酸。核苷酸由核苷和磷酸组成,核苷又由戊糖和碱基以β-N-糖苷键链接而成

⑴、碱基 构成核苷酸中的碱基是含氮杂环化合物,由嘧啶(pyrimidine)和嘌呤(purine)构成。

嘌呤碱主要含有:鸟嘌呤(G)、腺嘌呤(A)

嘧啶碱主要含有:胸腺嘧啶(T)、尿嘧啶(U)、胞嘧啶(C)

其中DNA的碱基组成是:A、T、G、C;RNA的碱基组成是:A、U、G、C;

还有两种常见的环核苷酸:cAMP、cGMP,这两种环核苷酸一般可作为第二信使在细胞中发挥作用。

在某些RNA分子中也有胸腺嘧啶,少数几种噬菌体的DNA含尿嘧啶而不是胸腺嘧啶。这五种碱基受介质pH的影响出现酮式、烯醇式互变异构体。

在DNA和RNA中,尤其是tRNA中还有一些含量甚少的碱基,称为稀有碱基(rare bases)稀有碱基种类很多,大多数是甲基化碱基。tRNA中含稀有碱基高达10%。

⑵、戊糖

组成核酸的戊糖有两种,DNA所含有的戊糖是β-D-2-脱氧核糖,RNA所含有的是β-D-核糖。在核苷酸中,为了与碱基中的碳原子编号相区别核糖或脱氧核糖中碳原子标以C-1’,C-2’等。脱氧核糖与核糖两者的差别只在于脱氧核糖中与2’位碳原子连结的不是羟基而是氢,这一差别使DNA在化学上比RNA稳定得多。

RNA中含有稀有碱基,并且还存在异构化的核苷。如在tRNA和rRNA中含有少量假尿嘧啶核苷(用ψ表示),在它的结构中戊糖的C-1不是与尿嘧啶的N-1相连接,而是与尿嘧啶C-5相连接。 ⑶、核苷

有一个戊糖和一个碱基缩合而成。戊糖的第1’号 C 原子上的 -OH 与嘌呤碱的第9号 N 原子和嘧啶碱的第1号 N 原子上的 H 缩合形成的糖苷键。

⑷、核苷酸的生物学功能:

①参与DNA、RNA的合成、蛋白质的合成、糖与磷脂的合成。

②在能量转化中起重要作用,ATP是生物体内能量的通用货币

③是构成多种辅酶的成分:NAD、NADP、FAD、FMN和CoA

④参与细胞的代谢与调节(cAMP、cGMP)

二、DNA的一级结构

1、定义:指脱氧核苷酸按一定的排列顺序通过3’,5’-磷酸二酯键连接形成多核苷酸链称为DNA的一级结构。即碱基排列顺序。

备注:DNA的碱基顺序本身就是遗传信息储存的分子形式。生物界物种的多样性即寓意着DNA分子中四种脱氧核苷酸千变万化的排列组合之中。

2、碱基的组成:

⑴、在所有的DNA中A=T、G=C,即A+G=T+C

⑵、DNA的碱基组成具有种的特异性,即不同的生物物种的DNA具有自己独特的碱基组成,但是没有组织和器官的特异性。

3、DNA一级结构的表示方法:

⑴结构式表示法

⑵线条式表示法

⑶字母式表示法

4、意义:生物体的遗传信息是储存在由4种核苷酸编码的特定的序列之中,而与高级结构无关。

DNA的空间结构与功能[编辑]

一、DNA的二级结构——双螺旋结构

二、DNA的三级结构——超螺旋结构

三、核酸的功能

RNA的结构与功能[编辑]

核酸的理化性质[编辑]

化学特征[编辑]

① 酸效应:在强酸和高温,核酸完全水解为碱基,核糖或脱氧核糖和磷酸。在浓度略稀的的无机酸中,最易水解的化学键被选择性的断裂,一般为连接嘌呤和核糖的糖苷键,从而产生脱嘌呤核酸。

②碱效应

1. DNA:当PH值超出生理范围(pH7~8)时,对DNA结构将产生更为微妙的影响。碱效应使碱基的互变异构态发生变化。这种变化影响到特定碱基间的氢键作用,结果导致DNA双链的解离,称为DNA的变性

2. RNA:PH较高时,同样的变性发生在RNA的螺旋区域中,但通常被RNA的碱性水解所掩盖。这是因为RNA存在的2`-OH参与到对磷酸脂键中磷酸分子的分子内攻击,从而导致RNA的断裂。

③化学变性:一些化学物质能够使DNA/RNA在中性PH下变性。由堆积的疏水剪辑形成的核酸二级结构在能量上的稳定性被削弱,则核酸变性。

物理特征[编辑]

④黏性:DNA的高轴比等性质使得其水溶液具有高黏性,很长的DNA分子又易于被机械力或超声波损伤,同时黏度下降。

⑤ 浮力密度:可根据DNA的密度对其进行纯化和分析。在高浓度分子质量的盐溶液(CsCl)中,DNA具有与溶液大致相同的密度,将溶液高速离心,则CsCl趋于沉降于底部,从而建立密度梯度,而DNA最终沉降于其浮力密度相应的位置,形成狭带,这种技术成为平衡密度梯度离心或等密度梯度离心。

光谱学[编辑]

⑥减色性:dsDNA相对于ssDNA是减色的,而ssDNA相对于dsDNA是增色的。

⑦ DNA纯度:A260/A280。

热力学[编辑]

⑧热变性:dsDNA与RNA的热力学表现不同,随着温度的升高RNA中双链部分的碱基堆积会逐渐地减少,其吸光性值也逐渐地,不规则地增大。较短的碱基配对区域具有更高的热力学活性,因而与较长的区域相比变性快。而dsDNA热变性是一个协同过程。分子末端以及内部更为活跃的富含A-T的区域的变性将会使其赴京的螺旋变得不稳定,从而导致整个分子结构在解链温度下共同变性。

⑨ 复性:DNA的热变性可通过冷却溶液的方法复原。不同核酸链之间的互补部分的复性称为杂交。

核酸酶[编辑]