1第二章

核酸的結(jié)構(gòu)與功能StructureandFunctionofNucleicAcid生物化學(xué)與分子生物學(xué)教研室

2（一）熟悉核酸的分類和生物學(xué)功能、分子組成、化學(xué)結(jié)構(gòu)特點。（二）掌握核酸一級結(jié)構(gòu)的概念及連接鍵。（三）掌握DNA的堿基組成及Chargaff規(guī)則、DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)要點。（四）熟悉DNA的超螺旋結(jié)構(gòu)、核小體的組成。（五）掌握RNA的分類、mRNA的結(jié)構(gòu)特點、tRNA一級結(jié)構(gòu)及二級結(jié)構(gòu)的特點、rRNA的功能。（六）熟悉核酸重要的理化性質(zhì)。核酸(nucleicacid)

是以核苷酸為基本組成單位的生物大分子，攜帶和傳遞遺傳信息。包括核糖核酸（ribonucleicacid,RNA）和脫氧核糖核酸（deoxyribonucleicacid,DNA）兩大類。核酸的分類及分布存在于細(xì)胞核和線粒體

分布于細(xì)胞核、細(xì)胞質(zhì)、線粒體(deoxyribonucleicacid,DNA)(ribonucleicacid,RNA)脫氧核糖核酸

核糖核酸攜帶遺傳信息，并通過復(fù)制傳遞給下一代。是DNA轉(zhuǎn)錄的產(chǎn)物，參與遺傳信息的復(fù)制與表達(dá)。某些病毒RNA也可作為遺傳信息的載體第一節(jié)核酸的化學(xué)組成及其一級結(jié)構(gòu)TheChemicalComponentandPrimaryStructureofNucleicAcid6核酸(DNA和RNA)核苷酸核苷和脫氧核苷磷酸戊糖堿基嘌呤嘧啶核糖脫氧核糖核酸組成堿基分子組成堿基(base)：嘌呤堿，嘧啶堿戊糖(ribose)：核糖，脫氧核糖磷酸(phosphate)一、核苷酸是構(gòu)成核酸的基本組成單位8堿基(base)是含氮的雜環(huán)化合物。堿基嘌呤嘧啶腺嘌呤（A）鳥嘌呤（G）尿嘧啶（U）胸腺嘧啶（T）胞嘧啶（C）存在于DNA和RNA中僅存在于RNA中僅存在于DNA中1.堿基嘌呤(purine，Pu)腺嘌呤(adenine,A)鳥嘌呤(guanine,G)嘧啶(pyrimidine，Py)胞嘧啶(cytosine,C)尿嘧啶(uracil,U)胸腺嘧啶(thymine,T)11DNA中含有A、G、C、TRNA中含有A、G、C、U12堿基的互變異構(gòu)體

2.戊糖（構(gòu)成RNA）1′2′3′4′5′核糖(ribose)（構(gòu)成DNA）脫氧核糖(deoxyribose)143．核苷(nucleoside)：

核苷是由戊糖與含氮堿基經(jīng)脫水縮合而生成的化合物。在大多數(shù)情況下，核苷是由核糖或脫氧核糖的C1′與嘧啶堿N1或嘌呤堿N9進(jìn)行縮合反應(yīng)，故生成的化學(xué)鍵稱為N-糖苷鍵。15嘌呤核苷、嘧啶核苷1′1NNNN9NH2OOHOHHHHCH2OHH1'2'164.核苷酸(ribonucleotide)NNNN9NH2OOHOHHHHCH2H1'2'OPO-HOO糖苷鍵酯鍵核苷酸(nucleotide)是由核苷與磷酸經(jīng)脫水縮合后生成的磷酸酯類化合物，包括核糖核苷酸和脫氧核糖核苷酸兩大類。17

5

-核苷酸又可按其在5

位縮合的磷酸基的多少，分為一磷酸核苷（核苷酸）、二磷酸核苷和三磷酸核苷。

環(huán)化核苷酸：cAMP、cGMP，是細(xì)胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo)中的第二信使。cAMP核苷酸衍生物19核苷酸的命名及縮寫符號脫氧堿基磷酸基數(shù)目磷酸dAMPGDTTCU二、DNA是脫氧核苷酸通過3’,5’-磷酸二酯鍵連接形成的大分子一個脫氧核苷酸3

的羥基與另一個脫氧核苷酸5

的α-磷酸基團(tuán)縮合形成磷酸二酯鍵(phosphodiesterbond)。

多個脫氧核苷酸通過磷酸二酯鍵構(gòu)成了具有方向性的線性分子，稱為多聚脫氧核苷酸(polydeoxynucleotide)，即DNA鏈。213',5'-磷酸二酯鍵的形成磷酸二酯鍵225′-末端3′-末端CGA磷酸二酯鍵磷酸二酯鍵23交替的磷酸基團(tuán)和戊糖構(gòu)成了DNA的骨架(backbone)。DNA鏈的方向是5

→3

24三、RNA也是具有3’,5’-磷酸二酯鍵的線性大分子RNA也是多個核苷酸分子通過酯化反應(yīng)形成的線性大分子，并且具有方向性；RNA的戊糖是核糖；RNA的嘧啶是胞嘧啶和尿嘧啶。定義構(gòu)成核酸的核苷酸或脫氧核苷酸從5′-末端到3′-末端的排列順序。由于核苷酸間的差異主要是堿基不同，所以也稱為堿基序列。5′端3′端CGA四、核酸的一級結(jié)構(gòu)是核苷酸的排列順序AGP5

PTPGPCPTPOH3

書寫方法：5

pApCpTpGpCpT-OH

3

5

ACTGCT

3

核酸分子的大小常用堿基(base或kilobase)數(shù)目來表示。小的核酸片段(<50bp)常被稱為寡核苷酸(oligonucleotide)。自然界中的DNA和RNA的長度可以高達(dá)幾十萬個堿基。DNA和RNA的區(qū)別核糖G、C、A、URNA脫氧核糖G、C、A、TDNA堿基核糖核酸第二節(jié)DNA的空間結(jié)構(gòu)與功能DimensionalStructureandFunctionofDNA30DNA的空間結(jié)構(gòu)又分為二級結(jié)構(gòu)(secondarystructure)和高級結(jié)構(gòu)。DNA的空間結(jié)構(gòu)(spatialstructure)構(gòu)成DNA的所有原子在三維空間具有確定的相對位置關(guān)系。31[A]=[T]，[G]=[C]不同生物種屬的DNA的堿基組成不同同一個體的不同器官或組織的DNA堿基組成相同。Chargaff規(guī)則（一）DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的研究背景一、DNA的二級結(jié)構(gòu)是雙螺旋結(jié)構(gòu)321951年由Franklin和Wilkins等人完成的研究工作，發(fā)現(xiàn)了DNA晶體的X線衍射圖譜中存在兩種周期性反射，并證明DNA是一種螺旋構(gòu)象。

34（二）DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型要點DNA是反向平行、右手螺旋的雙鏈結(jié)構(gòu)DNA雙鏈之間形成了互補堿基對疏水作用力和氫鍵共同維系著DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。36兩條多聚核苷酸鏈在空間的走向呈反向平行(anti-parallel)。兩條鏈圍繞著同一個螺旋軸形成右手螺旋(right-handed)的結(jié)構(gòu)。1.DNA是反向平行、右手螺旋的雙鏈結(jié)構(gòu)脫氧核糖和磷酸基團(tuán)組成的親水性骨架位于雙螺旋結(jié)構(gòu)的外側(cè)，疏水的堿基位于內(nèi)側(cè)。2.3737雙螺旋結(jié)構(gòu)的表面形成了一個大溝(majorgroove)和一個小溝(minorgroove)。

2.DNA雙鏈之間形成了互補堿基對A與T或G與C配對形成氫鍵，這種堿基配對關(guān)系稱為互補堿基對(complementarybasepair)。DNA的兩條鏈則互為互補鏈(complementarystrand)。A與T為兩個氫鍵，G與C為三個氫鍵；堿基對平面與螺旋軸垂直。39堿基配對及氫鍵形成相鄰兩個堿基對會有重疊，產(chǎn)生了疏水性的堿基堆積力(basestackinginteraction)。堿基堆積力和互補堿基對的氫鍵共同維系著DNA結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。3.疏水作用力和氫鍵共同維系著DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。堿基堆積作用力42（三）DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的多樣性43旋向螺距(nm)堿基數(shù)（每圈）螺旋直徑（nm）骨架走行存在條件A型右手2.3112.5平滑體外脫水B型右手3.4102.3平滑DNA生理條件Z型左手4.5121.8鋸齒型CG序列三種DNA構(gòu)型的比較44（四）DNA的多鏈螺旋結(jié)構(gòu)在酸性的溶液中，胞嘧啶的N-3原子被質(zhì)子化，可與鳥嘌呤的N-7原子形成氫鍵；同時，胞嘧啶的N-4的氫原子也可與鳥嘌呤的O-6形成氫鍵，這種氫鍵被稱為Hoogsteen氫鍵。Hoogsteen氫鍵Hoogsteen氫鍵，不破壞Watson-Crick氫鍵，由此形成了C＋GC的三鏈結(jié)構(gòu)(triplex)。45三鏈結(jié)構(gòu)46鳥嘌呤之間通過Hoogsteen氫鍵形成特殊的四鏈結(jié)構(gòu)(tetraplex)。四鏈結(jié)構(gòu)－真核生物DNA分子的3′末端47真核生物DNA3

-末端是富含GT的多次重復(fù)序列，因而自身形成了折疊的四鏈結(jié)構(gòu)。二、DNA的高級結(jié)構(gòu)是超螺旋結(jié)構(gòu)超螺旋結(jié)構(gòu)(superhelix或supercoil)DNA雙螺旋鏈再盤繞即形成超螺旋結(jié)構(gòu)。正超螺旋(positivesupercoil)盤繞方向與DNA雙螺旋方同相同。負(fù)超螺旋(negativesupercoil)盤繞方向與DNA雙螺旋方向相反。

（一）原核生物DNA的環(huán)狀超螺旋結(jié)構(gòu)絕大多數(shù)原核生物的DNA都是共價封閉的環(huán)狀雙螺旋。進(jìn)一步盤繞則形成麻花狀的負(fù)超螺旋結(jié)構(gòu)，平均每200堿基就有一個超螺旋形成。50DNA超螺旋結(jié)構(gòu)的電鏡圖象（二）真核生物DNA的高度有序和高度致密的結(jié)構(gòu)真核生物DNA以非常有序的形式存在于細(xì)胞核內(nèi)。在細(xì)胞周期的大部分時間里，DNA以松散的染色質(zhì)(chromatin)形式存在，在細(xì)胞分裂期，則形成高度致密的染色體(chromosome)。52DNA染色質(zhì)呈現(xiàn)出的串珠樣結(jié)構(gòu)。染色質(zhì)的基本單位是核小體(nucleosome)。DNA染色質(zhì)的電鏡圖像53DNA：約200bp

組蛋白：H12×H2A，H2B2×H32×H4核小體的組成54核小體串珠樣的結(jié)構(gòu)55雙鏈DNA的折疊和組裝56DNA經(jīng)過多次折疊，被壓縮了8000～10000倍，組裝在直徑只有為數(shù)微米的細(xì)胞核內(nèi)。57真核生物的染色體DNA的基本功能是以基因的形式荷載遺傳信息，并作為基因復(fù)制和轉(zhuǎn)錄的模板。它是生命遺傳的物質(zhì)基礎(chǔ)，也是個體生命活動的信息基礎(chǔ)?；驈慕Y(jié)構(gòu)上定義，是指DNA分子中的特定區(qū)段，其中的核苷酸排列順序決定了基因的功能。三、DNA是遺傳信息的物質(zhì)基礎(chǔ)第三節(jié)

RNA的結(jié)構(gòu)與功能StructureandFunctionofRNA60RNA與蛋白質(zhì)共同負(fù)責(zé)基因的表達(dá)和表達(dá)過程的調(diào)控。RNA通常以單鏈的形式存在，但有復(fù)雜的局部二級結(jié)構(gòu)或三級結(jié)構(gòu)。RNA比DNA小的多。RNA的種類、大小和結(jié)構(gòu)遠(yuǎn)比DNA表現(xiàn)出多樣性。RNA的種類、分布、功能信使RNA轉(zhuǎn)運RNA核內(nèi)不均一RNA核內(nèi)小RNA胞漿小RNA細(xì)胞核和胞液線粒體功能mRNAtRNAmtmRNAmttRNAHnRNASnRNASnoRNAscRNA/7SL-RNA蛋白質(zhì)合成模板轉(zhuǎn)運氨基酸成熟mRNA的前體參與hnRNA的剪接、轉(zhuǎn)運rRNA的加工、修飾蛋白質(zhì)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)定位合成的信號識別體的組分核仁小RNA信使RNA轉(zhuǎn)運RNA核內(nèi)不均一RNA核內(nèi)小RNA胞漿小RNA細(xì)胞核和胞液線粒體功能mRNAtRNAmtmRNAmttRNAHnRNASnRNASnoRNAscRNA/7SL-RNA蛋白質(zhì)合成模板轉(zhuǎn)運氨基酸成熟mRNA的前體參與hnRNA的剪接、轉(zhuǎn)運rRNA的加工、修飾蛋白質(zhì)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)定位合成的信號識別體的組分核仁小RNA核蛋白體RNArRNAmtrRNA核蛋白體組分62

在細(xì)胞核內(nèi)以DNA為模板，通過轉(zhuǎn)錄合成mRNA,于是DNA攜帶的遺傳信息傳給了mRNA,mRNA到胞液，作為模板指導(dǎo)蛋白質(zhì)的合成，于是將DNA的遺傳信息變?yōu)榈鞍踪|(zhì)肽鏈上氨基酸的排列順序，從而體現(xiàn)DNA的遺傳特征。在此過程中RNA起到了將DNA遺傳信息傳給蛋白質(zhì)的作用，故將此RNA命名為信使RNA.一、mRNA是蛋白質(zhì)合成中的模板63mRNA在真核生物中的初級產(chǎn)物稱為hnRNA。不均一核RNA(hnRNA)含有內(nèi)含子(intron)和外顯子(exon)。外顯子是氨基酸的編碼序列，而內(nèi)含子是非編碼序列。hnRNA經(jīng)過剪切后成為成熟的mRNA。hnRNA內(nèi)含子(intron)mRNAmRNA成熟過程

外顯子(exon)65成熟的mRNA由氨基酸編碼區(qū)和非編碼區(qū)構(gòu)成。5

-末端的帽子(cap)結(jié)構(gòu)和3

-末端的多聚A尾(poly-Atail)結(jié)構(gòu)。從AUG開始，每三個核苷酸為一組編碼了一個氨基酸，稱為三聯(lián)體密碼(codon)。成熟的真核生物mRNA66帽子結(jié)構(gòu):m7GpppNm（一）大部分真核細(xì)胞mRNA的5'末端都以7-甲基鳥嘌呤-三磷酸核苷為起始結(jié)構(gòu)67帽子結(jié)構(gòu)的功能：

①有利于mRNA從細(xì)胞核向胞質(zhì)轉(zhuǎn)運。②在蛋白質(zhì)合成中與核蛋白體結(jié)合，與起始因子結(jié)合。③增加mRNA的穩(wěn)定性。mRNA的帽結(jié)構(gòu)與帽結(jié)合蛋白(capbindingprotein，CBP)結(jié)合成復(fù)合物后，可發(fā)揮多種功能。68真核生物的mRNA的3-末端轉(zhuǎn)錄后加上一段長短不一的聚腺苷酸。（二）在真核生物mRNA的3'末端有多聚腺苷酸結(jié)構(gòu)69PolyA與PolyA結(jié)合蛋白(PABP)結(jié)合成復(fù)合物存在，10~20個堿基結(jié)合一個PABP。

多聚A尾的功能：①與帽子結(jié)構(gòu)共同負(fù)責(zé)mRNA由胞核向胞質(zhì)轉(zhuǎn)運。②維持mRNA的穩(wěn)定性。③調(diào)控翻譯的起始。70（三）mRNA依照自身的堿基順序指導(dǎo)蛋白質(zhì)氨基酸順序的合成從mRNA分子5'末端起的第一個AUG開始，每3個核苷酸為一組決定一種氨基酸，稱為密碼子(codon)或三聯(lián)體密碼(tripletcode)。AUG被稱為起始密碼子；決定肽鏈終止的密碼子則稱為終止密碼子。位于起始密碼子和終止密碼子之間的核苷酸序列稱為開放閱讀框(openreadingframe,ORF)，決定了多肽鏈的氨基酸序列。71（四）mRNA的成熟過程是hnRNA的剪接過程卵清蛋白mRNA的成熟72轉(zhuǎn)運RNA(transferRNA,tRNA)在蛋白質(zhì)合成過程中作為各種氨基酸的載體,將氨基酸轉(zhuǎn)呈給mRNA。由74～95核苷酸組成；占細(xì)胞總RNA的15%；具有很好的穩(wěn)定性。二、tRNA是蛋白質(zhì)合成中的氨基酸載體73（一）tRNA中含有多種稀有堿基tRNA中稀有堿基占所有堿基的10%~20%NHNH2CH2COORDihydrouridine（DHU）NHHNOORpseudouridine（y）NHNNNONH2RCH37-Methylguanosine（mG）135531351774

莖環(huán)結(jié)構(gòu)（發(fā)卡式結(jié)構(gòu)）：由于tRNA幾十個核苷酸中存有一些局部互補配對區(qū)域，可通過配對堿基氫鍵形成而形成局部雙鏈，呈莖狀，中間不能配對部分膨出形成環(huán)，稱為莖環(huán)(stem-loop)結(jié)構(gòu)或發(fā)卡(hairpin)結(jié)構(gòu)。（二）tRNA具有莖環(huán)結(jié)構(gòu)75tRNA的二級結(jié)構(gòu)由于局部雙螺旋的形成而呈現(xiàn)“三葉草”形，故稱為“三葉草”結(jié)構(gòu)。tRNA的“三葉草”形結(jié)構(gòu)包括：氨基酸臂、DHU臂、反密碼臂、可變臂和TψC臂五部分。76攜帶氨基酸因含稀有堿基DHU識別mRNA上的密碼含稀有堿基胸嘧啶T和假尿嘧啶Ψ氨基酸臂DHU臂反密碼臂可變臂T

C臂77tRNA的倒L三級結(jié)構(gòu)78tRNA的3-末端都是以CCA結(jié)尾。3-末端的A與氨基酸共價連結(jié)，tRNA成為了氨基酸的載體。不同的tRNA可以結(jié)合不同的氨基酸。（三）tRNA的3-末端連接氨基酸79tRNA的反密碼子環(huán)上有一個由三個核苷酸構(gòu)成的反密碼子(anticodon)。tRNA上的反密碼子依照堿基互補的原則識別mRNA上的密碼子。（四）tRNA的反密碼子識別mRNA的密碼子80核蛋白體RNA(ribosomalRNA，rRNA)是細(xì)胞內(nèi)含量最多的RNA(>80％)。rRNA與核蛋白體蛋白結(jié)合組成核蛋白體(ribosome)，為蛋白質(zhì)的合成提供場所。三、以rRNA為組分的核蛋白體是蛋白質(zhì)合成的場所81原核生物中，rRNA有三種：5S，16S，23S。其中，16S的rRNA參與構(gòu)成核蛋白體的小亞基，而5S和23S的rRNA參與構(gòu)成核蛋白體大亞基。真核生物中，rRNA有四種：5S，5.8S，18S，28S。其中，18S的rRNA參與構(gòu)成核蛋白體小亞基，其余的rRNA參與構(gòu)成核蛋白體大亞基。82核蛋白體的組成原核生物（以大腸桿菌為例）真核生物（以小鼠肝為例）小亞基30S40SrRNA16S1542個核苷酸18S1874個核苷酸蛋白質(zhì)21種占總重量的40%33種占總重量的50%大亞基50S60SrRNA23S5S2940個核苷酸120個核苷酸28S5.85S5S4718個核苷酸160個核苷酸120個核苷酸蛋白質(zhì)31種占總重量的30%49種占總重量的35%8318S

rRNA的二級結(jié)構(gòu)84原核生物翻譯過程中核蛋白體結(jié)構(gòu)模式A位：氨基酰位(aminoacylsite)P位：肽酰位(peptidylsite)E位：排出位(exitsite)與模板mRNA和起始tRNA結(jié)合位點：主要與小亞基有關(guān)A位：又稱受位或氨?；?，可與新進(jìn)入的氨基酰tRNA結(jié)合；由大、小亞基成分構(gòu)成。P位：又稱給位或肽?；唬膳c延伸中的肽?；鵷RNA結(jié)合；由大、小亞基成分構(gòu)成。E位：又稱排出位，空載tRNA脫離核蛋白體前的結(jié)合位點；主要由大亞基成分構(gòu)成。85蛋白質(zhì)合成時形成的復(fù)合體86四、snmRNA參與了基因表達(dá)的調(diào)控細(xì)胞的不同部位存在的許多其他種類的小分子RNA，統(tǒng)稱為非mRNA小RNA(smallnon-messengerRNAs,snmRNAs)。snmRNAs核內(nèi)小RNA（snRNA）核仁小RNA(snoRNA)胞質(zhì)小RNA(scRNA)催化性小RNA(smallcatalyticRNA)小片段干涉RNA

(siRNA)

snmRNAs的種類88snmRNAs的功能（1）參與hnRNA和rRNA的加工和轉(zhuǎn)運。（2）參與基因表達(dá)過程的調(diào)控。（3）催化性小RNA具有催化特定RNA降解的活性，稱為核酶。（4）siRNA可與外源基因表達(dá)的mRNA結(jié)合，誘導(dǎo)其降解。

89RNA組學(xué)研究細(xì)胞中snmRNAs的種類、結(jié)構(gòu)和功能。同一生物體內(nèi)不同種類的細(xì)胞、同一細(xì)胞在不同時間、不同狀態(tài)下snmRNAs的表達(dá)具有時間和空間特異性。RNA組學(xué)90原核生物基因表達(dá)的特異性五、核酸在真核細(xì)胞和原核細(xì)胞中表現(xiàn)了不同的時空特性91真核生物基因表達(dá)的特異性核酸的理化性質(zhì)ThePhysicalandChemicalCharactersofNucleicAcid第四節(jié)核酸的酸堿及溶解度性質(zhì)核酸為多元酸，具有較強的酸性。核酸的高分子性質(zhì)粘度：DNA>RNAdsDNA>ssDNA沉降行為:不同構(gòu)象的核酸分子的沉降的速率有很大差異，這是超速離心法提取和純化核酸的理論基礎(chǔ)。核酸在波長260nm

處有強烈的吸收，是由堿基的共軛雙鍵所決定的。這一特性常用作核酸的定性和定量分析。一、核酸分子具有強烈的紫外吸收堿基的紫外吸收光譜DNA或RNA的定量A260=1.0相當(dāng)于50μg/ml雙鏈DNA(dsDNA)40μg/ml單鏈DNA(ssDNAorRNA)20μg/ml寡核苷酸確定樣品中核酸的純度

純

DNA:A260/A280=1.8

純

RNA:A260/A280=2.0紫外吸收的應(yīng)用二、DNA變性是雙鏈解離為單鏈的過程在理化因素會導(dǎo)致DNA雙鏈互補堿基對之間的氫鍵發(fā)生斷裂，使雙鏈DNA解離為單鏈，這種現(xiàn)象稱為DNA的變性(denaturation)。定義引起DNA變性的因素主要有：①高溫，②強酸強堿，③有機(jī)溶劑等。部分變性DNA的電鏡圖像99①增色效應(yīng)(hyperchromiceffect)：指DNA變性后對260nm紫外光的光吸收度增加的現(xiàn)象；②旋光性下降；③粘度降低；④生物學(xué)功能喪失或改變。DNA變性后的性質(zhì)改變：增色效應(yīng)(hyperchromiceffect)：DNA變性時其溶液OD260增高的現(xiàn)象。DNA解鏈時的紫外吸收變化DNA的解鏈曲線連續(xù)加熱DNA的過程中以溫度相對于A260值作圖，所得的曲線稱為解鏈曲線。解鏈過程中，紫外吸光度的變化達(dá)到最大變化值的一半時所對應(yīng)的溫度。解鏈溫度(meltingtemperature，Tm)