第二章核酸的分子結(jié)構(gòu)與功能

目錄第一節(jié)核酸的化學組成及一級結(jié)構(gòu)第二節(jié)DNA的空間結(jié)構(gòu)與功能第三節(jié)RNA的結(jié)構(gòu)與功能第四節(jié)核酸的理化性質(zhì)第五節(jié)核酸酶當前1頁，總共127頁。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。第一節(jié)核酸的化學組成及一級結(jié)構(gòu)當前2頁，總共127頁。1868年FridrichMiescher從膿細胞中提取核素。1944年Avery等人證實DNA是遺傳物質(zhì)。1953年Watson和Crick發(fā)現(xiàn)DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)。1968年Nirenberg發(fā)現(xiàn)遺傳密碼。1975年Temin和Baltimore發(fā)現(xiàn)逆轉(zhuǎn)錄酶。1981年Gilbert和Sanger建立DNA測序方法。1985年Mullis發(fā)明PCR技術(shù)。1990年美國啟動人類基因組計劃(HGP)。1994年中國人類基因組計劃啟動。2001年美英等國完成人類基因組計劃。核酸研究的發(fā)展簡史當前3頁，總共127頁。1953年，Watson和Crick提出DNA的反向平行雙螺旋模型當前4頁，總共127頁。核酸的分類及分布存在于細胞核和線粒體

分布于細胞核、細胞質(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。某些病毒RNA也可作為遺傳信息的載體當前5頁，總共127頁。第一節(jié)核酸的化學組成及其一級結(jié)構(gòu)當前6頁，總共127頁。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當前7頁，總共127頁。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當前8頁，總共127頁。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中堿基當前9頁，總共127頁。嘌呤(purine，Pu)腺嘌呤(adenine,A)鳥嘌呤(guanine,G)當前10頁，總共127頁。嘧啶(pyrimidine，Py)胞嘧啶(cytosine,C)尿嘧啶(uracil,U)胸腺嘧啶(thymine,T)當前11頁，總共127頁。（4）堿基的性質(zhì)

互變異構(gòu)現(xiàn)象

uracil酮式

uracil烯醇式當前12頁，總共127頁。1’2’3’4’5’戊糖（構(gòu)成RNA）核糖(ribose)（構(gòu)成DNA）脫氧核糖(deoxyribose)H當前13頁，總共127頁。醛型-呋喃型當前14頁，總共127頁。脫氧核苷嘌呤N-9或嘧啶N-1與脫氧核糖C-1通過β-N-糖苷鍵相連形成脫氧核苷(deoxyribonucleoside)。當前15頁，總共127頁。DNA中的脫氧核糖核苷酸當前16頁，總共127頁。

嘌呤N-9或嘧啶N-1與核糖C-1通過β-N-糖苷鍵相連形成核苷(ribonucleoside)。核苷NNNN9NH2OOHOHHHHCH2OHH1'2'糖苷鍵1/911/當前17頁，總共127頁。RNA中的核糖核苷酸當前18頁，總共127頁。核苷或脫氧核苷與磷酸通過酯鍵結(jié)合構(gòu)成核苷酸(ribonucleotide)或脫氧核苷酸(deoxyribonucleotide)。核苷酸(ribonucleotide)NNNN9NH2OOHOHHHHCH2H1'2'OPO-HOO糖苷鍵酯鍵當前19頁，總共127頁。堿基、核苷、核苷酸的概念和關(guān)系

NitrogenousbasePentosesugarHOCH2HOHDoxyribose(inDNA)HOCH2HOOHRibose(inRNA)PhosphatePyrimidinesCytosineThymineUracilCUTPurihesAdenineGuanineAG核苷酸磷酸核苷戊糖堿基當前20頁，總共127頁。多磷酸核苷酸當前21頁，總共127頁。環(huán)化核苷酸：cAMP、cGMP，是細胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo)中的第二信使。核苷酸衍生物當前22頁，總共127頁。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的羥基與另一個核苷酸5的α-磷酸基團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。當前23頁，總共127頁。5533核酸分子中核苷酸之間的共價鍵3-5磷酸二酯鍵當前24頁，總共127頁。5′-末端3′-末端CGA磷酸二酯鍵磷酸二酯鍵當前25頁，總共127頁。交替的磷酸基團和戊糖構(gòu)成了DNA的骨架(backbone)。DNA鏈的方向是5

→3當前26頁，總共127頁。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。當前27頁，總共127頁。DNA和RNA的區(qū)別核糖G、C、A、URNA脫氧核糖G、C、A、TDNA堿基核糖核酸當前28頁，總共127頁。定義核酸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。5′端3′端CGA四、核酸的一級結(jié)構(gòu)是核苷酸的排列順序當前29頁，總共127頁。核酸分子的大小常用堿基(base或kilobase)數(shù)目或堿基對(basepair或kilobasepair)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的長度可以高達幾十萬個堿基。

當前30頁，總共127頁。DNA一級結(jié)構(gòu)的表示法5′3′結(jié)構(gòu)式5′3′

p

p

p

pOH3′ACTG1′線條式5′ACTGCATAGCTCGA3′字母式當前31頁，總共127頁。核酸骨架（主鏈）

側(cè)鏈3/-5/-磷酸二

酯鍵

具方向性5/-端，3/-端多樣性水溶性DNA的一級結(jié)構(gòu)當前32頁，總共127頁。第二節(jié)DNA的空間結(jié)構(gòu)與功能DimensionalStructureandFunctionofDNA當前33頁，總共127頁。DNA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。當前34頁，總共127頁。一、DNA的二級結(jié)構(gòu)是雙螺旋結(jié)構(gòu)當前35頁，總共127頁。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。[A]=[T]，[G]=[C]Chargaff規(guī)則（一）DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的研究背景獲得了高質(zhì)量的DNA分子的X射線衍射照片。提出了DNA分子雙螺旋結(jié)構(gòu)(doublehelix)模型。當前36頁，總共127頁。AGCTA/TG/CG+C嘌呤/嘧啶大腸桿菌26.024.925.223.91.090.9950.11.04結(jié)核桿菌15.134.935.414.61.030.9970.31.00酵母31.718.317.432.60.971.0535.71.00牛29.021.221.228.71.011.0042.41.01豬29.820.720.729.11.021.0041.41.01人30.419.919.930.11.011.0039.81.01不同生物來源DNA堿基組分和相對比例當前37頁，總共127頁。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)。雙螺旋結(jié)構(gòu)的直徑為2.37nm，螺距為3.54nm。脫氧核糖和磷酸基團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)。雙螺旋結(jié)構(gòu)的表面形成了一個大溝(majorgroove)和一個小溝(minorgroove)。（二）DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型要點1.DNA是反向平行、右手螺旋的雙鏈結(jié)構(gòu)當前38頁，總共127頁。當前39頁，總共127頁。親水性的骨架位于雙鏈的外側(cè)。疏水性的堿基位于雙鏈的內(nèi)側(cè)。骨架與堿基當前40頁，總共127頁。當前41頁，總共127頁。2.DNA雙鏈之間形成了互補堿基對堿基配對關(guān)系稱為互補堿基對(complementarybasepair)。DNA的兩條鏈則互為互補鏈(complementarystrand)。堿基對平面與螺旋軸垂直。當前42頁，總共127頁。堿基互補配對:鳥嘌呤/胞嘧啶當前43頁，總共127頁。堿基互補配對:腺嘌呤/胸腺嘧啶當前44頁，總共127頁。大溝與小溝當前45頁，總共127頁。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。當前46頁，總共127頁。堿基堆積作用力當前47頁，總共127頁。（三）DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的多樣性當前48頁，總共127頁。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)型的比較當前49頁，總共127頁。（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)。當前50頁，總共127頁。三鏈結(jié)構(gòu)當前51頁，總共127頁。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)當前52頁，總共127頁。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)。當前53頁，總共127頁。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。

負超螺旋(negativesupercoil)盤繞方向與DNA雙螺旋方向相反。

當前54頁，總共127頁。螺旋和超螺旋電話線螺旋超螺旋當前55頁，總共127頁。DNA超螺旋結(jié)構(gòu)形成的意義

使DNA形成高度致密狀態(tài)從而得以裝入核中；推動DNA結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)化以滿足功能上的需要。如負超螺旋分子所受張力會引起互補鏈分開導(dǎo)致局部變性，利于復(fù)制和轉(zhuǎn)錄。當前56頁，總共127頁。（一）原核生物DNA的環(huán)狀超螺旋結(jié)構(gòu)原核生物DNA多為環(huán)狀，以負超螺旋的形式存在，平均每200堿基就有一個超螺旋形成。當前57頁，總共127頁。DNA超螺旋結(jié)構(gòu)的電鏡圖象當前58頁，總共127頁。（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胞核內(nèi)。在細胞周期的大部分時間里，DNA以松散的染色質(zhì)(chromatin)形式存在，在細胞分裂期，則形成高度致密的染色體(chromosome)。

當前59頁，總共127頁。DNA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)的電鏡圖像當前60頁，總共127頁。DNA：約150bp

組蛋白：H1H2A，H2BH3H4核小體的組成當前61頁，總共127頁。核小體串珠樣的結(jié)構(gòu)當前62頁，總共127頁。雙鏈DNA的折疊和組裝當前63頁，總共127頁。DNA經(jīng)過多次折疊，被壓縮了8000～10000倍，組裝在直徑只有為數(shù)微米的細胞核內(nèi)。當前64頁，總共127頁。真核生物的染色體當前65頁，總共127頁。染色體包裝的結(jié)構(gòu)模型多級螺旋模型壓縮倍數(shù)76405（8400）

DNA→核小體→螺線管→超螺線管→染色單體2nm10nm30(10)nm400nm2~10μm

一級包裝二級包裝三級包裝四級包裝當前66頁，總共127頁。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)當前67頁，總共127頁。重要的實驗證明DNA是主要的遺傳物質(zhì)：肺炎球菌轉(zhuǎn)化實驗T2噬菌體的感染實驗當前68頁，總共127頁。TheAvery-MacLeod-McCartyexperiment(1944)當前69頁，總共127頁。當前70頁，總共127頁。

結(jié)論在S型細胞的各種組分中，只有DNA能引起R型細胞的轉(zhuǎn)化，DNA是S型細胞多糖莢膜和病原特征的決定因子，只要給R型細胞提供S型細菌的DNA，就等于是提供了S基因。意義：第一次證明基因是由DNA組成的，DNA是遺傳物質(zhì)。轉(zhuǎn)化已成為基因工程的重要手段。當前71頁，總共127頁。TheHershey-Chaseexperiment(1952)當前72頁，總共127頁。第三節(jié)

RNA的結(jié)構(gòu)與功能StructureandFunctionofRNA當前73頁，總共127頁。RNA與蛋白質(zhì)共同負責基因的表達和表達過程的調(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)遠比DNA表現(xiàn)出多樣性。當前74頁，總共127頁。RNA的種類、分布、功能當前75頁，總共127頁。信使RNA(messengerRNA,mRNA)是合成蛋白質(zhì)的模板。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)過剪接后成為成熟的mRNA。一、mRNA是蛋白質(zhì)合成中的模板當前76頁，總共127頁。hnRNA

內(nèi)含子(intron)mRNA

mRNA成熟過程

外顯子(exon)當前77頁，總共127頁。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)。

成熟的真核生物mRNA當前78頁，總共127頁。帽子結(jié)構(gòu):m7GpppNm（一）大部分真核細胞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)

mRNA的帽結(jié)構(gòu)可以與帽結(jié)合蛋白(capbindingprotein，CBP)結(jié)合。

當前79頁，總共127頁。帽子0結(jié)構(gòu)鳥嘌呤7N甲基化5’5’3’當前80頁，總共127頁。5′帽子分Cap0、Cap1、Cap2。當前81頁，總共127頁。加帽過程當前82頁，總共127頁。真核生物的mRNA的3-末端轉(zhuǎn)錄后加上一段長短不一的多聚腺苷酸。（二）在真核生物mRNA的3'末端有多聚腺苷酸結(jié)構(gòu)

polyA的出現(xiàn)不依賴DNA模板,poly（A）合成酶催化.當前83頁，總共127頁。加尾過程當前84頁，總共127頁。帽子結(jié)構(gòu)和polyAtail的功能：mRNA從細胞核到細胞質(zhì)的轉(zhuǎn)位；mRNA穩(wěn)定性的維系；翻譯起始的調(diào)控；與mRNA的半壽期有關(guān)。新合成的mRNA，polyA鏈較長；衰老的mRNA，polyA鏈縮短。當前85頁，總共127頁。（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。當前86頁，總共127頁。（四）mRNA的成熟過程是hnRNA的剪接過程卵清蛋白mRNA的成熟當前87頁，總共127頁。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當前88頁，總共127頁。（一）tRNA中含有多種稀有堿基當前89頁，總共127頁。tRNA具有局部的莖環(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)tRNA的二級結(jié)構(gòu)——三葉草形氨基酸臂DHU環(huán)反密碼環(huán)TψC環(huán)附加叉當前90頁，總共127頁。tRNA的倒L三級結(jié)構(gòu)當前91頁，總共127頁。tRNA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-末端連接氨基酸當前92頁，總共127頁。tRNA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的密碼子當前93頁，總共127頁。核蛋白體RNA(ribosomalRNA，rRNA)是細胞內(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)合成的場所當前94頁，總共127頁。核蛋白體的組成

31當前95頁，總共127頁。18S

rRNA的二級結(jié)構(gòu)當前96頁，總共127頁。蛋白質(zhì)合成時形成的復(fù)合體當前97頁，總共127頁。TuTsGTPGDPAUG5'3'TuTsGTP當前98頁，總共127頁。fMetAUG5'3'fMetTuGTP當前99頁，總共127頁。進位轉(zhuǎn)位成肽當前100頁，總共127頁。RNA組學是研究細胞內(nèi)snmRNA的種類、結(jié)構(gòu)和功能。同一生物體內(nèi)不同種類的細胞、同一細胞在不同時空狀態(tài)下snmRNAs表達譜的變化，以及與功能之間的關(guān)系。

四、snmRNA參與了基因表達的調(diào)控細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當前101頁，總共127頁。核內(nèi)小RNA(smallnuclearRNA,

snRNA)核仁小RNA(smallnucleolarRNA,snoRNA)胞質(zhì)小RNA(smallcytoplasmicRNA,scRNA)催化性小RNA(smallcatalyticRNA)小片段干擾RNA(smallinterferingRNA,

siRNA)

snmRNAs的種類當前102頁，總共127頁。snRNA參與真核生物hnRNA的剪接snoRNA參與rRNA的轉(zhuǎn)錄后修飾

核酶（催化性RNA）基于siRNA的RNA干擾技術(shù)(RNAinterference,RNAi)當前103頁，總共127頁。核酶某些小RNA分子具有催化特定RNA降解的活性，這種具有催化作用的小RNA亦被稱為核酶(ribozyme)或催化性RNA(catalyticRNA)。當前104頁，總共127頁。siRNA是生物宿主對外源侵入的基因表達的雙鏈RNA進行切割所產(chǎn)生的特定長度和特定核酸序列的小片段RNA。siRNA可以與外源基因表達的mRNA相結(jié)合，并誘發(fā)這些mRNA的降解。基于此機理，人們發(fā)明了RNA干擾(RNAinterference，RNAi)技術(shù)。小片段干擾RNA當前105頁，總共127頁。原核生物基因表達的特異性五、核酸在真核細胞和原核細胞中表現(xiàn)了不同的時空特性當前106頁，總共127頁。真核生物基因表達的特異性當前107頁，總共127頁。多聚核糖體（a為原核生物，b為真核生物）ab當前108頁，總共127頁。核酸的理化性質(zhì)ThePhysicalandChemicalCharactersofNucleicAcid第四節(jié)當前109頁，總共127頁。為兩性電解質(zhì)，通常表現(xiàn)為酸性。DNA為線性高分子，溶液粘度極高，RNA溶液要小得多。RNA能在室溫條件下被稀堿水解，DNA對堿穩(wěn)定。當前110頁，總共127頁。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當前111頁，總共127頁。堿基的紫外吸收光譜當前112頁，總共127頁。DNA或RNA的定量A260=1.0相當于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)用當前113頁，總共127頁。二、DNA變性是雙鏈解離為單鏈的過程在某些理化因素作用下，DNA雙鏈解開成兩條