第二章核酸的结构与功能.docx

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第二章核酸的结构与功能

商洛职业技术学院教案教案首页

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》。

教案续页

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。

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。

真核生物染色体DNA是线性双螺旋结构，染色质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，形成染色体结构。

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：

①mRNA核内向胞质的转位。

②mRNA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-OH5´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。

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。

起着装配机的作用。

四、小分子核内RNA

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

（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。

增色效应：

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（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。

减色效应：

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

教案末页

小结

5分钟

通过这一课的学习，重点掌握DNA的化学组成，基本单位，核酸的一级结构，掌握DNA的双螺旋结构，了解核小体和DNA的三级结构。

重点掌握mRNA、tRNA、rRNA的结构特点和功能。

掌握核酸变性、复性及分子杂交的概念；核酸一般的理化性质。

复习思考题

及作业题

1.组成核酸的基本成分有哪些？

2.组成核酸的基本单位是什么？

他们是如何连接的？

3.组成两类核酸的主要核苷酸有哪些？

4.DNA双螺旋结构的要点有哪些？

5.核酸分子杂交的基本原理。

6.mRNA、tRNA、rRNA的结构特点及功能。

下次教学

预习要点

1.酶催化作用的特点，

2.酶的活性中心，酶原及酶原的激活。

3.同工酶，变构调节，化学修饰调节

主要经验

重点介绍核酸的组成、结构功能，使学生对其结构有较深入了解，为讲解基因表达及调控打下基础。

本次课教学目的明确，基础知识准确，符合大纲要求。

能合理地组织教材，突出重点，解决难点，便于学生理解并掌握系统的知识。

存在问题改进措施

核酸的结构比较复杂，需认真复习。

合理地组织教材，突出重点，解决难点，便于学生理解并掌握。