核酸的功能
核酸是一类含磷的生物大分子化合物,携带和传递遗传信息,为生命的最基本物质之一。根据组成不同,可分为核糖核酸(RNA)和脱氧核糖核酸(DNA)。
第一节 核酸的化学组成及一级结构
核酸分子的元素组成为C,H,O,N和P,基本单位为核苷酸。(也称单核苷酸)
一、核苷酸
核苷酸完全水解可释放出等摩尔量的含氮碱基,戊糖(脱氧戊糖)和磷酸。
1.碱基
(1)存在于DNA分子中:A,T,C,G;存在于RNA中:A,U,C,G。
(2)此外,核酸还含有一些含量很少的碱基,种类很多,大多数为甲基化碱基。
2.戊糖
(1)核糖构成RNA,脱氧核糖构成DNA;
(2)RNA分子较DNA分子更易发生水解,因此不如DNA稳定。
3.核苷
(1)碱基和核糖(脱氧核糖)通过糖苷键连接成核苷(脱氧核苷)。
(2)核 苷:AR,GR,UR,CR
(3)脱氧核苷:Dar,dGR, dTR, dCR.
4.单核苷酸
(1)核苷(脱氧核苷)和磷酸酯键连接形成核苷酸(脱氧核苷酸)
①核苷酸:AMP,GMP,UMP,CMP
②脱氧核苷酸:dAMP,dGMP,dTMP,dCMP.
③重要的核苷酸衍生物
④多磷酸核苷酸:NTP(三核酸核苷),NDPC(二磷酸核苷)
⑤环化核苷酸:cAMP(3’,5’-环腺甘酸)cGMP(3’,5’-环鸟苷酸)
二、核酸的一级结构
1.定义:核酸中核苷酸的排列顺序。由于核苷酸间的差异主要是碱基的不同,所以也称为碱基序列。
2.核苷酸之间以磷酸二酯键连接形成多核苷酸链,且多核苷酸链是有方向性的。
第二节 DNA的空间结构和功能
一、DNA的二级结构——双螺旋结构模型
DNA双螺旋结构的特点
1.DNA分子由两条反向平行但走向相反的脱氧多核苷酸链组成,两链以一脱氧核苷酸-磷酸,为骨架,以右手螺旋方式绕同一公共轴盘螺旋,直径为2nm,形成大沟和小沟相间,碱基垂直螺旋轴居双螺旋内侧,与对侧碱基形成氢键配对(互补配对形式:A=T,C=G),相邻碱基平面距离0.34nm,螺旋一圈螺距3.4nm,一圈10对碱基。
2.DNA双螺旋结构的稳定主要由互补碱基对之间的氢键和碱基堆积力来维持。氢键主持双链横向稳定性,碱基堆积力维持双链纵向稳定性。
3.DNA双螺旋结构的多样性
DNA双螺旋结构是DNA分子在水性环境和生理环境下最稳定的结构,但当改变溶液的离子浓度或相对温度时,DNA结构会发生改变。
二、DNA的超螺旋结构及其在染色质中的组装
1.DNA超双螺旋结构
(1)超螺旋结构:DNA双螺旋链再盘绕成超螺旋结构;
(2)正超螺旋:盘绕方向与DNA双螺旋方向相同
(2)负超螺旋:盘绕方向与DNA双螺旋方向相反
2.原核生物DNA是环状超螺旋结构
3.真核生物DNA在核内的组装
真核生物染色体由DNA和蛋白质构成,其基本单位是核小体,
(1)核心颗粒:由长146bp的双螺旋DNA以超螺旋方式缠绕组蛋白八聚休1.8圈组成。
(2)连接区:由连接区DNA和组蛋白H1组成
(3)连接区DNA:连接相邻两个核心颗粒。
(4)组蛋白
①组蛋白种类:H1,H2A,H2B,H3,H4
②组蛋白八聚体(核心组蛋白)由各2分子H2A,H2B,H3,H4组成八聚体
(5)真核生物染色体DNA组装不同层次的结构
(6)染色体是由DNA和蛋白质构成的不同层次缠绕线和螺线管结构
三、DNA的功能
1.DNA的基本功能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。它是生命遗传的物质基础,也是个体生命活动的信息基础。
2.基因就是指在染色体上占有一定位置的遗传的基本单位或单元。
3.基因组是指来自一个遗传体系的一整套遗传信息。
4.此外,真核细胞还有线粒体和叶绿体,分别含有线粒体DNA和叶绿体DNA,属于核外遗传物质。
第三节 RNA的功能和结构
一、信使RNA的结构与功能
mRNA的结构特点
1.大多数真核mRNA的5’末端均在转录后加上一个甲基鸟苷,同时第一个核苷酸的C2’也是甲基化,形成帽子结构。
2.大多数真核mRNA的3’末端有一个多聚腺苷酸(polyA)结构,称为多聚A尾
3.mRNA中间包含遗传密码
4.mRNA的功能:转录核内DNA遗传信息的碱基排列顺序,并携带至细胞质,指导蛋白质合成的氨基酸排列顺序。
二、转运RNA的结构和功能
1.tRNA分子中含有较多的稀有碱基,含10-20%稀有碱基,如DHU,3’末端为-CCA-OH,5’末端大多数为G
2.tRNA二级结构——三叶草氨基酸臂,DHU环,反密码环,额外环,TψC环
3.tRNA的三级结构——倒L形
4.tRNA的功能:搬运氨基酸到核糖体和识别密码子,参与蛋白质的翻译
三、核蛋白休RNA的结构和功能
1.rRNA与核糖体蛋白共同构成核蛋白体或称为核糖体,核糖体均由易于解聚的大小两个亚基组成。
2.rRNA的功能:参与组成核蛋白体,作为蛋白质生物合成的场所。
3.rRNA的种类:(根据沉降系数)
真核生物 原核生物
5srRNA 5srRNA
28srRNA 23srRNA
5.8srRNA 16srRNA
18srRNA
四、其它小分子RNA及RNA组学
1.SnmRNAs:除上述三种RNA外,细胞的不同部位存在的许多其它种类的小分子RNA,统称为非mRNA小RNA(SnmRNAs)
2.SnmRANs的种类:核内小RNA,核仁小RNA,胞质小RNA,催化性小RNA,小片段干涉性RNA
3.SnmRNAs的功能:参与hnRNA和rRNA的加工和转运。
第四节 核酸的理化性质
一、核酸的一般理化性质
1.核酸分子中有末端磷酸和许多连接核苷的磷酸残基,为多元酸,具有较强的酸性。
2.核酸分子中还有含氮碱基上的碱性基团,故为两性电解质,各种核酸分子大小及所带电荷不同,电泳和离子法来分离不同的核酸。
3.A260的应用:
(1)DNA或RNA的定量
(2)判断核酸样品的纯度
①DNA纯品:A260/A280≥1.8
②RNA纯品:A260/A280≥2.0
二、DNA的变性
1.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。变性并不涉及核苷酸共键(磷酸二脂键)的断裂。
2.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。
3.变性后其它理化性质变化:
DNA变性的本质是双链间氢键的断裂
变性引起紫外吸收值的改变
4.增色效应:DNA变性时其溶液A260增高的现象
5.Tm: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%时的温度温度称为DNA的解链温度,又称熔解温度,或熔点。
6.Tm值与下列因素有关:
(1)DNA的均一性:DNA的均一性较高,那么DNA链各部分的氢键断裂所需的能值较接近,Tm值范围较窄,所之亦然,由于可见Tm值可作为衡量DNA样品均一性的指标。
(2)C-G碱基对含量:G-C碱基对为3对氢键,而A-T碱基对只有2对氢键,所以破坏G-C间氢键较A-T间氢键需要更多的能量。因此Tm值大小与G+C含量成正比,也可通过Tm值推算出DNA碱基的百分组成。
(3)介质中离子强度:离子强度低,DNA的Tm值较低。
三、DNA的复性与分子杂交
1.DNA复性定义: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。(1、足够的盐浓度——消除磷酸基的静电斥力,2、足够高的温度——破坏无规则的链内氢键)
2.热变性的DNA经缓慢冷却后即可复性,这一过程称为退火。
3.减色效应:DNA复性时,其溶液A260降低。
4.核酸分子杂交: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。
5.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,这种现象称为核酸分子杂交。
6.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
第五节 核酸的分离和纯化
一、核酸分离与纯化的一般原则
采用温和条件,防止过酸、过碱,避免剧烈搅拌,抑制核酸酶的活性,防止核酸分子被降解和变性,核酸的分离和纯化,酚抽提法,超速离心法,凝胶电泳法,层析法分离法
二、核酸含量测定与纯度鉴定
1.含量测定常用此外分光光度计法,定磷法,定糖法,高效液相色谱分析法等。
2.电泳分离也常用于测定核酸的大小和检查核酸的纯度