第二章核酸的结构与功能

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课程名称	生物化学	序次	3	专业班级		2009级护理
授课教师	王文玉	职称	副教授	类型	理论	学时	2
授课题目 (章,节)	第二章核酸的结构与功能第一节核酸的化学组成第二节 DNA的结构与功能第三节 RNA的结构与功能第四节 DNA的理化性质
教学目的与要求	1. 掌握两类核酸化学组成的异同和核酸的基本结构单位。 2. 掌握核酸的基本单位、、单核苷酸在核酸中的连接方式。 3. 熟悉多磷酸核苷酸的结构特点。 4. 掌握核酸一级结构的概念和DNA双螺旋结构的要点。 5. 了解DNA的三级结构和功能。 6. 掌握细胞内RNA的主要种类及mRNA、tRNA、rRNA的功能。 7. 核酸变性、复性及分子杂交的概念。 8. 熟悉核酸一般的理化性质；核酸酶。
教学重点	1. 核酸的化学组成和基本单位，DNA的各级结构。 2. 细胞内RNA的主要种类及mRNA、tRNA、rRNA的功能； 3. 核酸变性、复性
教学难点	1. DNA的双螺旋结构及核小体结构。 2. 核酸变性、复性及分子杂交
教学方法和手段	课堂讲述和多媒体教学相结合
复习内容	1.蛋白质的各级结构及维持各级结构的化学键。 2.蛋白质的两性电离和等电点、蛋白质变性。（5分钟）。
使用教材	全国医药类高职高专“十二五”规划教材《生物化学》邱烈王文玉主编，第四军医大学卫生出版社，2010年1月第1版。实验指导为本校自编《生物化学实验指导》。

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基本内容	辅助手段和时间分配
第二章核酸的结构与功能核酸分为脱氧核糖核酸（DNA）和核糖核酸(RNA)。DNA存在于细胞核和线粒体内，是遗传信息的载体；RNA存在于细胞核和细胞质内，参与细胞内遗传物质的表达。病毒的RNA也可作为遗传信息的载体。第一节核酸的化学组成核酸的元素组成：C、H、O、N、P。核酸水解产生核苷酸。核苷酸完全水解可释放出等量的碱基、戊糖和磷酸。因此，核酸的基本组成单位是核苷酸。而核苷酸则由碱基、戊糖和磷酸3种成分连接而成。一、碱基嘌呤：A、G ；嘧啶: C、U、T。胸腺嘧啶只存在于DNA分子中，尿嘧啶只存在于RNA分子中。核酸分子中除含有A、G、C、U或T等碱基外，某些核酸中还含有其它碱基，称为稀有碱基，如黄嘌呤、次黄嘌呤、二氢尿嘧啶、甲基胞嘧啶等。嘌呤和嘧啶环中都有共轭双键，对260nm左右的紫外光有较强的吸收，这一重要特性被用于核酸、核苷酸、核苷和碱基的定性和定量分析。腺嘌呤(adenine, A) 鸟嘌呤(guanine, G) 胞嘧啶( C ) 尿嘧啶( U ) 胸腺嘧啶( T ) 二、戊糖核酸中的戊糖有两类，即β-D-核糖和β-D-2-脱氧核糖。D-核糖存在于RNA中，D-2-脱氧核糖存在于DNA中。为了和碱基的碳原子相区别，戊糖中的碳原子顺序用“C-1＇，C-2＇”表示。三、核苷核苷是碱基与戊糖以糖苷键相连接所形成的化合物。腓骨小头糖苷键是由戊糖的第1位碳原子上的羟基和嘧啶的第1位氮原子或嘌呤的第9位氮原子的氢脱水缩合而成。核苷根据所含的碱基和戊糖来命名。核苷：AR, GR, UR, CR 脱氧核苷： dAR, dGR, dTR, dCR 四、核苷酸核苷与磷酸通过磷酸酯键相连形成的化合物称为核苷酸。核苷酸可分为两大类：即核糖核苷酸和脱氧核糖核苷酸。核苷酸：AMP, GMP, UMP, CMP 脱氧核苷酸：dAMP, dGMP, dTMP, dCMP 体内重要的游离核苷酸及其衍生物核苷酸除参与构成核酸外，还具有多种重要的生理功能。多磷酸核苷酸：NMP，NDP，NTP。含1个磷酸基团的核苷酸为核苷一磷酸（NMP）,含2个或3个磷酸基团的核苷酸分别为核苷二磷酸（NDP）或核苷三磷酸(NTP)。环化核苷酸: cAMP，cGMP 是重要的调节因子。含核苷酸的生物活性物质： NAD+、NADP+、CoA-SH、FAD 等都含有 AMP 五、核酸中核苷酸的连接方式核苷酸之间是通过3＇，5＇磷酸二酯键连接的，即前一个核苷酸的3＇羟基与后一个核苷酸的5＇磷酸基脱水形成的化学键。许多核苷酸借助3＇，5＇磷酸二酯键连接形成了没有分支的线性大分子的多核苷酸链。构成多核苷酸链主链的是戊糖和磷酸。第二节 DNA的结构与功能一、DNA的一级结构 DNA的一级结构是指DNA分子中脱氧核苷酸的排列顺序。由于脱氧核苷酸彼此的差别在于碱基部分，因此DNA的一级结构即为DNA分子中碱基的排列顺序。DNA分子的每条多核苷酸链有两个末端，具有游离磷酸基的一端为5＇末端，有游离羟基的一端为3＇末端，书写时是从5＇末端到3＇末端。二、 DNA的二级结构 DNA的碱基组成具有以下特点： ①腺嘌呤与胸腺嘧啶及鸟嘌呤与胞嘧啶的摩尔数相等； ②嘌呤碱和嘧啶碱的摩尔数相等(A+G=T+C)； ③不同种属的生物碱基组成不同； ④同一个体的不同器官、不同组织的DNA碱基组成相同。上述称为Chargaff规则。 DNA的二级结构为双螺旋结构。1953年Watson和Crick提出了著名的DNA双螺旋结构模型，其要点是： 1. DNA分子是由两条反向平行的多核苷酸链以右手螺旋方式围绕同一中心轴盘绕而成的双螺旋结构。 2.在两条链中，磷酸与脱氧核糖链位于螺旋外侧，碱基位于螺旋内侧。两条链之间的碱基处在同一平面，构成碱基平面，碱基平面彼此平行、互相重叠，并垂直于双螺旋的中心轴，螺旋表面形成大沟和小沟。 3.双螺旋的直径为2nm，每两个相邻碱基对之间的距离为0.34nm，其旋转夹角为36°，螺旋每旋转一周含10对碱基，螺距为3.4nm。 4.两条多核苷酸链之间的碱基通过氢键配对，A-T之间形成2个氢键，G-C之间形成3个氢键。双螺旋结构的稳定靠氢键和碱基堆积力维系。三、DNA的超级结构超螺旋结构 DNA双螺旋链再盘绕即形成超螺旋结构。正超螺旋盘绕方向与DNA双螺旋方同相同负超螺旋盘绕方向与DNA双螺旋方向相反意义： DNA超螺旋结构整体或局部的拓扑学变化及其调控对于DNA复制和RNA转录过程具有关键作用。真核生物染体DNA是线性双螺旋结构，染质DNA与组蛋白组成核小体。许多核小体形成的串珠样线性结构再进一步盘曲成直径为30nm的纤维样结构，再经过几次卷曲，形成染体结构。四、DNA的功能 DNA是遗传信息的载体，是复制和转录的模版。“基因”就是DNA中的碱基序列。一个生物体的全部基因序列称为基因组。“基因”中DNA的碱基序列决定了其表达的蛋白质的氨基酸的序列。第三节 RNA结构与功能 RNA在生命活动中具有重要作用,它和蛋白质共同负责基因的表达过程的调控。一、mRNA 细胞核内初合成的是不均一核RNA——hnRNA，是mRNA的前体，hnRNA经过剪切加工转变为成熟的mRNA。 1.添加帽子结构 2.添加多聚腺苷酸尾巴帽子结构和多聚A尾的功能：① mRNA核内向胞质的转位。② mRNA的稳定性维系。③ 翻译起始的调控。 mRNA的功能：把DNA所携带的遗传信息，按碱基互补配对原则，抄录并传送至核糖体，用以决定其合成蛋白质的氨基酸排列顺序。二、tRNA 占细胞总RNA的15%，由70-90个核苷酸组成的一类小分子RNA；其主要功能是在蛋白质合成过程中作为各种氨基酸的载体，并按mRNA上的遗传密码顺序“对号入座”地将其转给蛋白质。 tRNA的结构特点 1.稀有碱基含 10~20% 稀有碱基，如 DHU 2. 3´末端为 — CCA-OH 5´末端大多数为G 3.二级结构呈三叶草型结构 4.DHU环、TΨC环和反密码子环 5.三级结构呈倒L型 tRNA的功能：活化、搬运氨基酸到核糖体，参与蛋白质的翻译。喷雾干燥法三、rRNA 核糖体RNA是细胞内含量最多的RNA，占细胞总RNA的80%以上。rRNA与蛋白质结合形成的核糖体是蛋白质合成的场所。原核生物含有三种rRNA，真核生物含有四种rRNA。在蛋白质合成过程中，各种rRNA本身并无单独执行功能的能力，必须与多种蛋白质结合成核糖体后才能发挥作用。 rRNA的功能：参与组成核蛋白体，作为蛋白质生物合成的场所。 1yys 起着装配机的作用。四、小分子核内RNA淮北市国税局 snRNA是一类碱基数目小于300的小分子RNA，参与mRNA的剪切加工。除了上述三种RNA外，细胞的不同部位存在的许多其他种类的小分子RNA，统称为非mRNA小RNA(snmRNAs)。 snmRNAs的种类：核内小RNA 、核仁小RNA 、胞质小RNA 、催化性小RNA 、小片段干涉 RNA 。 snmRNAs的功能：参与hnRNA和rRNA的加工和转运。五、核酶概念：核酶（ribozyme）是指一类具有催化作用的RNA。种类：（1）内含子的自我剪接型（2）异体催化的剪切型（3）自体催化的剪切型（科学启示录4）催化肽键的形成有些rRNA具有催化功能，具有酶的性质。核酶一级结构没有规律，二级结构呈锤头状。第三节核酸的理化性质一、核酸的一般性质核酸是两性电解质，真核生物核酸多呈线性大分子。核酸溶液的黏度比较大，核酸粘度降低或消失，即意味着变性或降解。 DNA分子的长度与直径之比达到107，极易在机械力的作用下发生断裂。核酸的沉降特性。二、核酸的紫外吸收核酸分子中的碱基含有共轭双键，有紫外吸收的性质，其最大吸收峰值在260nm。利用核酸的紫外吸收特性，可以用紫外分光光度法对DNA和RNA进行定性和定量分析。三、核酸的变性与复性（一） DNA的变性(denaturation) 定义：在某些理化因素作用下，DNA双链解开成两条单链的过程。方法：过量酸，碱，加热，变性试剂如尿素、酰胺以及某些有机溶剂如乙醇、丙酮等。变性后其它理化性质变化： OD260增高、粘度下降、比旋度下降、浮力密度升高、酸碱滴定曲线改变、生物活性丧失。增效应：DNA变性时其溶液OD260增高的现象。热变性解链曲线：如果在连续加热DNA的过程中以温度对A260（A260代表溶液在260nm处的吸光率）值作图，所得的曲线称为解链曲线。 Tm值：变性是在一个相当窄的温度范围内完成，在这一范围内，紫外光吸收值达到最大值的50%时的温度称为DNA的解链温度，又称融解温度(Tm)。其大小与G+C含量成正比。（二） DNA的复性与分子杂交 1. DNA复性省委书记秘书(renaturation) 定义：在适当条件下，变性DNA的两条互补链可恢复天然的双螺旋构象，这一现象称为复性。热变性的DNA经缓慢冷却后即可复性，这一过程称为退火。减效应：DNA复性时，其溶液OD260降低。 2. 核酸分子杂交(hybridization) 在DNA变性后的复性过程中，如果将不同种类的DNA单链分子或RNA分子放在同一溶液中，只要两种单链分子之间存在着一定程度的碱基配对关系，在适宜的条件（温度及离子强度）下，就可以在不同的分子间形成杂化双链。这种现象称为核酸分子杂交。这种杂化双链可以在不同的DNA与DNA之间形成，也可以在DNA和RNA分子间或者RNA与RNA分子间形成。核酸分子杂交的应用：（1）研究DNA分子中某一种基因的位置（2）定两种核酸分子间的序列相似性（3）检测某些专一序列在待检样品中存在与否（4）是基因芯片技术的基础	25分钟挂图或幻灯片：嘌呤和嘧啶的化学结构挂图或幻灯片：核苷和脱氧核苷挂图或幻灯片：构成核酸的碱基、核苷与相应核苷酸的代号挂图或幻灯片：核苷酸和环腺苷酸的结构 20分钟挂图或幻灯片：DNA双螺旋结构挂图或幻灯片：DNA的超螺旋结构 20分钟挂图或幻灯片：细胞内主要RNA的分布与功能挂图或幻灯片： mRNA5’帽子结构挂图或幻灯片：tRNA的稀有碱基幻灯片：tRNA的二级结构与三级结构挂图或幻灯片：生物18SrRNA的二级结构锤头核酶的结构 15分钟挂图或幻灯片：DNA解链温度