第02章 核酸的結(jié)構(gòu)與功能

第二章核酸的結(jié)構(gòu)與功能StructureandFunctionofNucleicAcidL72h版DNA

主要在細(xì)胞核、線粒體，儲存遺傳信息，決定

細(xì)胞和個體的基因型。RNA

主要在細(xì)胞質(zhì)參與遺傳信息的表達。第一節(jié)核酸的分子組成TheMolecularComponentofNucleicAcid

核苷酸由堿基、戊糖和磷酸組成。核酸的基本組成單位是核苷酸。

【核酸（nucleicacid）是由許多核苷酸首尾相連組成的多聚化合物，是核蛋白的組分，呈酸性。由于最初從細(xì)胞核中發(fā)現(xiàn)，所以稱核酸?！恳?、核酸的基本組成單位——核苷酸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)1.堿基

DNA中的堿基：A,G,C,T

RNA中的堿基：A,G,C,U1.嘌呤﹦嘧啶＋咪唑；2.原子序數(shù)：先反時針后順時針；3.取代基團位于2、6位。1.嘧啶的原子序數(shù)：順時針；2.取代基團位于2、4、5位，且第2位均為酮基。嘌呤與嘧啶的共同點：若將嘧啶環(huán)與苯環(huán)比較，當(dāng)苯環(huán)的1、3位—CH＝基被—N＝基取代后即成為嘧啶。而—N＝基是三級胺基，所以嘧啶和嘌呤均呈弱堿性、疏水性并且具有相同的化學(xué)性質(zhì)。（構(gòu)成RNA）1′2′3′4′5′核糖(ribose)（構(gòu)成DNA）脫氧核糖(deoxyribose)2.戊糖

核酸分子的戊糖有兩種。RNA所含戊糖為β-D-核糖；DNA所含戊糖為β-D-2-脫氧核糖。22αβ

DNA和RNA基本成分比較RNADNA磷酸磷酸磷酸戊糖D-核糖D-2-脫氧核糖嘌呤堿腺(A)鳥(G)腺(A)鳥(G)嘧啶堿胞(C)尿(U)胞胸腺(T)(C)

連接方式：嘌呤N-9或嘧啶N-1與戊糖C-1通過

β-N-糖苷鍵相連。NNNN9NH2OOHOHHHHCH2OHH1'2'糖苷鍵β

糖環(huán)中的碳原子應(yīng)寫成C-1、C-2、C-3等；C-1為不對稱碳原子。3.核苷腺嘌呤核糖核苷連接方式：嘌呤N-9或者嘧啶N-1與核糖C-1通過β-N-糖苷鍵相連。脫氧腺嘌呤核糖核苷【核苷中戊糖的5羥基與磷酸通過酯鍵連接成5-核苷酸?！縉NNN9NH2OOHOHHHHCH2H1'2'OPO-HOO糖苷鍵酯鍵4.核苷酸腺苷一磷酸（AMP）【核苷中戊糖的5羥基與磷酸通過酯鍵連接成5-脫氧核苷酸?！縉NNN9NH2OHOHHHHCH2H1'2'OPO-HOO糖苷鍵酯鍵脫氧腺苷一磷酸（dAMP）嘌呤核苷酸GMP鳥苷酸AMP腺苷酸

嘧啶核苷酸尿苷酸胞苷酸脫氧胸苷酸核苷酸的命名含一個磷酸基團稱：核苷一磷酸（NMP）含兩個磷酸基團稱：核苷二磷酸（NDP）含三個磷酸基團稱：核苷三磷酸（NTP）N：代表各種堿基的名稱；M表示一；D表示二，T表示三。環(huán)化核苷酸寫成：cNMP5.體內(nèi)重要的游離核苷酸酸酐鍵（1）腺苷酸：5-磷酸酯鍵（2）環(huán)化核苷酸：主要有cAMP、cGMP。它們是細(xì)胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo)中的第二信使。cAMP第二信使：可將細(xì)胞外激素的信息傳入細(xì)胞內(nèi)的化學(xué)物質(zhì)。第二節(jié)核酸的分子結(jié)構(gòu)MolecularStructureofNucleicAcid

核酸(DNA和RNA)中核苷酸的排列順序。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。

一級結(jié)構(gòu)是核酸分子的基本結(jié)構(gòu)。5′端3′端CGA（一）定義一、核酸的一級結(jié)構(gòu)5′-末端3′-末端CGA

3′,5′磷酸二酯鍵

3′,5′磷酸二酯鍵交替的磷酸基團和戊糖構(gòu)成了DNA鏈的骨架(backbone)。DNA鏈的方向是5

→3。（二）3，5-磷酸二酯鍵和多核苷酸鏈許多個核苷酸通過

3，5-磷酸二酯鍵連接成多核苷酸鏈，即核酸。

3，5-磷酸二酯鍵是由前一個核苷酸的

3羥基與下一個核苷酸的5位磷酸基脫水而形成。核酸具有方向性,也就是從5端開始，到3端結(jié)束。

或者說，5端為多核苷酸鏈的“頭”，3端為多核苷酸鏈的“尾”。－H2O3，

5-磷酸二酯鍵的形成（1h止）A

G

P5PT

PG

PC

PT

POH3核酸的書寫方法：5pApGpTpGpCpT-OH35

AGTGCT

33線條式：文字式：二、DNA的空間結(jié)構(gòu)與功能1.提出雙螺旋結(jié)構(gòu)模型的依據(jù)

一是DNA堿基組成的Chargaff規(guī)則：A=T，G=C，嘌呤總量=嘧啶總量；堿基組成具有種的特異性，但無組織差異；DNA的堿基組成不會改變等。二是對DNA纖維或晶體的X線衍射分析。DNA的所有原子在三維空間的相對位置，稱為DNA的空間結(jié)構(gòu)?？臻g結(jié)構(gòu)又分為二級結(jié)構(gòu)和三級結(jié)構(gòu)。（一）DNA的二級結(jié)構(gòu)2.DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型的要點⑴DNA分子是反向平行、右手螺旋的雙鏈結(jié)構(gòu)。2.nm小溝大溝⑵雙螺旋的直徑2nm，螺距

3.4nm，每個螺旋含10個

堿基對?！韭菪械膬蓷l鏈反向平行，即其中一條鏈的方向為5′→3′，而另一條鏈的方向為3′→5′，兩條鏈共同圍繞一個假想的中心軸呈右手雙螺旋結(jié)構(gòu)?！?/p>

⑶

磷酸和脫氧核糖基組成親水骨架位于

螺旋外側(cè)；疏水的

堿基位于螺旋內(nèi)側(cè)。

⑷兩鏈之間的A與T

通過2個氫鍵、G與C

通過3個氫鍵配對連接。堿基對平面與

中心軸垂直?！続與T配對和G與C配對，這樣形成的氫鍵數(shù)目是最多的，從立體效應(yīng)講，使DNA能形成最穩(wěn)固的構(gòu)型?！?/p>

⑸雙螺旋結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定橫向靠

互補堿基的氫鍵，縱向靠

堿基平面間的堆積力維持，

尤以堿基堆積力最重要。

【嘌呤和嘧啶形狀扁平，彼此貼近，層層堆積，可形成強大的疏水作用，特稱為堿基堆積力。】⑴B型-DNA(右手雙螺旋)：在相對濕度為92%條件下DNA纖維的結(jié)構(gòu)，是生理條件下大部分DNA的構(gòu)象。最穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，最主要的形式。⑵A型-DNA：相對濕度為75%條件下形成的結(jié)構(gòu)，呈

右手雙螺旋。⑶Z型-DNA：存在于人工合成的CGCGCGCG晶體結(jié)

構(gòu)中，呈左手螺旋，核酸鏈骨架呈Z字型走向。

3.DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)具有多樣性不同類型的DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)

DNA雙螺旋分子在空間上可進一步折疊或盤繞成更加復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，即三級結(jié)構(gòu)。

1.超螺旋結(jié)構(gòu)（二）DNA的三級結(jié)構(gòu)——超螺旋結(jié)構(gòu)原核生物DNA多為閉合環(huán)狀，再進一步卷曲盤繞成為超螺旋結(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。

⑴真核生物DNA主要以染色體形式存在，而染色體是

由DNA和組蛋白構(gòu)成的復(fù)合體。⑵組蛋白有五種，即H1、H2A、H2B、H3和H4。其中，H2A、H2B、H3、H4各2分子組成八聚體，在它的外

部有DNA纏繞形成“核小體”。核小體之間連有H1。⑶許許多多核小體形成串珠樣線性結(jié)構(gòu)并進一步盤曲

成直徑為30nm的螺線管結(jié)構(gòu)，即染色質(zhì)纖維。⑷染色質(zhì)再經(jīng)過多次卷曲形成染色體。

2.真核生物染色體DNA

三、RNA的空間結(jié)構(gòu)和功能

堿基組成：A、G、C、U；

多為單鏈結(jié)構(gòu)，在局部也可形成雙鏈區(qū)（配對堿基：A-U間2氫鍵,G-C間3氫鍵

）；

各核苷酸間連接鍵：

3′，

5′-磷酸二酯鍵。（一）信使RNA(mRNA)1.mRNA的一般特點：種類很多，分子大小不均一，含量占總RNA的1%~5%。2.真核生物mRNA的結(jié)構(gòu)特征：⑴5′末端有帽子結(jié)構(gòu):m7GpppN（m即methyl,甲基）⑵3′末端多帶有多聚腺苷酸(polyA)尾巴。

⑶分子由5′非編碼區(qū)、3′非編碼區(qū)和兩者之間的編

碼區(qū)組成；有時含修飾堿基（如甲基化）。真核生物成熟mRNA的分子結(jié)構(gòu)

3′末端有多聚腺苷酸尾(polyA)。

5′末端具有帽子結(jié)構(gòu)(m7GpppN)；

AA….AAPolyA3′-端5′-端帽子結(jié)構(gòu)非編碼區(qū)非編碼區(qū)編碼區(qū)AUGCACGAUCCGAAC

5′-末端帽子結(jié)構(gòu)---

m7GpppN

【真核生物mRNA

的5′-末端都以7-甲基鳥嘌呤核苷-5′-三磷酸腺苷（m7GpppA)為起始結(jié)構(gòu)。】7

甲基化的鳥嘌呤①促使mRNA從核內(nèi)向胞液的轉(zhuǎn)位；②維持mRNA的穩(wěn)定性；③調(diào)控翻譯起始。

[一旦去除5′-帽子結(jié)構(gòu)和3-多聚A尾，細(xì)胞內(nèi)mRNA的降解加速。]

3.mRNA的功能：

蛋白質(zhì)合成的直接模板。（4）帽子結(jié)構(gòu)和多聚A尾的功能：（2h止）（二）轉(zhuǎn)運RNA（tRNA)1.tRNA的一般特點：

分子量最?。?0～90核苷酸），含量占總RNA的

10%～15%，含較多稀有堿基，如ψ、T、DHU、

甲基化堿基等。2.tRNA的結(jié)構(gòu)特征（見圖）：⑴tRNA的二級結(jié)構(gòu)都呈“三葉草”形,即由一臂四

環(huán)組成。其中，氨基酸臂的3-末端有固有序列：

-—CpCpA-OH，是結(jié)合氨基酸的部位；反密碼環(huán)中

有反密碼子,能與mRNA中相應(yīng)密碼子配對結(jié)合。

⑵tRNA的三級結(jié)構(gòu)都呈“倒L”形。3.tRNA的功能：

蛋白質(zhì)合成過程中轉(zhuǎn)運氨基酸；識別密碼子。

tRNA中的稀有堿基

tRNA中除A、G、C、U

以外的堿基，稱稀有堿基。如：DHU

、、mG和mA等，這些稀有堿基均是在轉(zhuǎn)錄后經(jīng)修飾而成的。二氫尿嘧啶核苷7-甲基鳥嘌呤核苷假尿嘧啶核苷

tRNA的反密碼子和三級結(jié)構(gòu)（三）核糖體RNA(rRNA）一般特點：

含量最多，占總RNA的80%；3

～4種的rRNA和

幾十種蛋白質(zhì)組成核糖體的大、小兩個亞基。2.rRNA的結(jié)構(gòu)特征：

二級結(jié)構(gòu)呈眾多莖環(huán)結(jié)構(gòu)，為和核糖體蛋白結(jié)合

及核糖體的組裝提供結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。rRNA的功能：

參與組成核糖體，作為蛋白質(zhì)合成的場所。物種類別核糖體(s)大亞基rRNA(s)蛋白質(zhì)小亞基rRNA(s)蛋白質(zhì)原核生物70S5S,23S31種16S21種真核生物80S5S,5.8S,28S49種18S33種原核生物與真核生物的核糖體組成[S是沉降系數(shù)單位，即Svedberg單位，為1×10－13秒。分子越大，沉降系數(shù)越高，故可根據(jù)沉降系數(shù)來分離和檢定各種生物大分子。]原核、真核生物核糖體的亞基組成【核糖體由大、小兩個亞基構(gòu)成，兩亞基呈不規(guī)則形狀，聚合時中間有裂縫，可讓mRNA通過。】真核生物rRNA的二級結(jié)構(gòu)

[呈花狀和眾多的莖環(huán)結(jié)構(gòu)，為和核糖體蛋白的結(jié)合及核糖體組裝提供結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。]5SrRNA的二級結(jié)構(gòu)18SrRNA的二級結(jié)構(gòu)（四）細(xì)胞內(nèi)其他RNA具有催化活性的RNA從四膜蟲中發(fā)現(xiàn)，一種26SrRNA前體能進行自我剪接為成熟的rRNA。特將這種具有催化活性的RNA稱為核酶(ribozyme)。2.其他非編碼RNA(ncRNA)

它們不編碼蛋白質(zhì)但有重要生物學(xué)功能。

有多種：長鏈非編碼RNA(lncRNA，調(diào)控基因的表達和細(xì)胞分化等等)、短鏈非編碼RNA(sncRNA)、（轉(zhuǎn)下）

核小RNA(snRNA，和其他蛋白質(zhì)因子一起參與mRNA的剪接、加工)、質(zhì)內(nèi)小RNA(scRNA，存在于細(xì)胞質(zhì)中，參與形成信號識別顆粒)、核仁小RNA(snoRNA，與rRNA前體的甲基化有關(guān))、微小

RNA(miRNA,抑制mRNA分子的翻譯)和小片段干

擾RNA(siRNA，降解mRNA)。

ThePhysicalandChemicalCharactersofNucleicAcid

第三節(jié)核酸的理化性質(zhì)

核酸是多元酸，有較強的酸性，在酸性條件下較穩(wěn)定，在堿性條件下易降解。2.核酸的黏度：其黏度與分子量、濃度成正比，還與構(gòu)象有關(guān)。若分子量、濃度不變時，則：V線形＞

V無規(guī)線團＞

V球形。核酸分子的螺旋結(jié)構(gòu)破壞，轉(zhuǎn)變成無觀線團，黏度也隨之降低。黏度可作為DNA變性的一個指標(biāo)。[V表示黏度，Viscosity]一、核酸的一般理化性質(zhì)

1.

原理：

堿基含有共軛雙鍵，對紫外光有強烈吸收，故堿基、核苷、核苷酸、核酸均有紫外吸收特性。最大吸收波長：260nm?？勺鳛楹怂峒捌浣M份定性、定量測定的依據(jù)。

二、核酸的紫外吸收核酸的紫外吸收光譜2.應(yīng)用：（1）判斷核酸樣品純度純的DNA:A260/A280=1.8,純的RNA:A260/A280=2.0;（2）測定核酸濃度A260=1.0時，相當(dāng)于50μg/mL的雙鏈DNA,40μg/mL的RNA，33μg/mL的單鏈DNA。

DNA雙鏈間的氫鍵斷裂，解離成單鏈的過程。

變性的本質(zhì)：空間結(jié)構(gòu)破壞，一級結(jié)構(gòu)不變。

三、DNA的變性復(fù)性和雜交變性的特征：①紫外吸收值增加即增色效應(yīng)；②生物活性（部分）喪失；③黏度下降；④沉降系數(shù)增加。（一）DNA的變性1.DNA變性的定義協(xié)同性的DNA解鏈高溫或極端的pHDNA的變性2.增色效應(yīng)DNA解鏈時的紫外吸收變化

DNA變性后，原來處于內(nèi)側(cè)的堿基全部暴露，使260nm處的紫外吸收值增大，稱為增色效應(yīng)。3.解鏈溫度DNA解鏈曲線（S形）

[在各種變性因素中，