核酸的結(jié)構(gòu)性質(zhì)和功能

關(guān)于核酸的結(jié)構(gòu)性質(zhì)和功能第一頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期一第一節(jié)DNA的結(jié)構(gòu)與功能一級結(jié)構(gòu)：DNA分子中脫氧單核苷酸的排列順序，又稱堿基序列*一個1kb的基因，其可能的核苷酸排列順序有41000=10602種，而直徑10億光年的宇宙，基體積不過1084cm3或10108A。(見M.Eigen,Steps-TowardsLife,oxfordUniversitypress,1992)第二頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期一第三頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期一核苷酸是怎么連接的？核酸是由核苷酸聚合而成的多聚核苷酸（polynucleotide）。相鄰二個核苷酸之間的連接鍵即：3’，5’－磷酸二酯鍵。這種連接可理解為核苷酸糖基上的3‘位羥基與相鄰5’核苷酸的磷酸殘基之間形成的兩個酯鍵。多個核苷酸殘基以這種方式連接而成的鏈式分子就是核酸。無論是DNA還是RNA，其基本結(jié)構(gòu)都是如此，故又稱DNA鏈或RNA鏈。第四頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期一AUGCphosphodiesterbonds第五頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期一（一）DNA的一級結(jié)構(gòu)與功能

1.DNA一級結(jié)構(gòu)中貯存的生物遺傳信息

DNA是雙螺旋的生物大分子。生物信息絕大部分都貯存在DNA分子中。這些信息以核苷酸不同的排列順序編碼在DNA分子上，核苷酸排列順序變了，它的生物學含義也就不同了。

DNA的一級結(jié)構(gòu)就是指核苷酸在DNA分子中的排列順序。因此測定DNA的堿基排列順序是分子生物學的基本課題之一。功能----遺傳信息的載體第六頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期一基因-----表現(xiàn)生物學功能調(diào)控基因---基因選擇性表達的信息DNA攜帶兩類遺傳信息第七頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期一二級結(jié)構(gòu)---雙螺旋模型背景Avery證明DNA為遺傳物質(zhì)DNA為什么能作為遺傳信息的載體，它是什么樣的結(jié)構(gòu)？第八頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期一（一）DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)及其意義1、雙螺旋結(jié)構(gòu)模型建立前人所作的貢獻Chargaff研究小組確定堿基組成規(guī)律。Franklin和Wilkins等人，發(fā)現(xiàn)了DNA晶體的X線衍射圖譜Watson和Crick兩位科學家于1953年提出DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型第九頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期一JamesWastonFrancisCrickRosalindFranklinMauriceWilkins1962:NobelPrizeinPhysiologyandMedicine第十頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期一Chargaff

研究小組的貢獻1950～1953，Chargaff研究小組對DNA的化學組成進行了分析研究，發(fā)現(xiàn)：①DNA堿基組成有物種差異，且物種親緣關(guān)系越遠，差異越大；②相同物種，不同組織器官中DNA堿基組成相同，而且不因年齡、環(huán)境及營養(yǎng)而改變；第十一頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期一③DNA分子中四種堿基的摩爾百分比具有一定的規(guī)律性，即A=T、G=C、A+G=T+C。這一規(guī)律被稱為Chargaff規(guī)則。

根據(jù)該規(guī)律、已知DNA分子中某一種堿基的百分數(shù)、可以推導其他三種堿基的百分數(shù)。第十二頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期一第十三頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期一1953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。DNA結(jié)晶體X衍射圖象，成為“解決生命奧秘的鑰匙”、這張照片表明DNA是一種可用簡單方法來測定的有規(guī)則的結(jié)構(gòu)，因為它能結(jié)晶。

第十四頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期一X-raysourceCrystallizedDNAMauriceWilkinsDNA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。第十五頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期一第十六頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期一Watson和Crick兩位科學家在前人工作基礎(chǔ)上、于1953年提出來DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型。這個模型至少要下列解決問題：第一、模型要反映出具有攜帶和傳遞遺傳信息的功能；第二，模型能說明DNA自我復制機制；第三，模型能說明引起生物突變的原因；第四，模型必須符合化學規(guī)律（堿基規(guī)律）第十七頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期一1953J.D.Watson和F.H.C.Cric在《Nature》發(fā)表DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)模型。twopolynucleotidechainsaretwistingaroundeachotherintheformofadoublehelix.1963Watson、Crick和Wilkins同獲諾貝爾生理獎/醫(yī)學獎

第十八頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期一B型雙螺旋模型結(jié)構(gòu)要點1、雙鏈、平行、反向2、雙鏈以氫鍵相連----堿基互補配對原則3、右手螺旋

4、維持力---氫鍵堿基堆積力其他第十九頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期一思考DNA雙鏈越長越穩(wěn)定，還是越短越穩(wěn)定？DNA在鹽溶液中穩(wěn)定，還是在水溶液中穩(wěn)定？第二十頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期一B-DNA螺旋：標準的

Watson,Crick雙螺旋，92%相對濕度的鈉鹽中的構(gòu)型A-DNA螺旋：DNA在75%相對濕度的鈉鹽中的構(gòu)型。C-DNA螺旋：DNA在66%相對濕度的鋰鹽中的構(gòu)型。Z-DNA螺旋：左手的DNA螺旋，這種螺旋模型可能可能在基因調(diào)控中起作用。3、DNA的類型（DNA二級結(jié)構(gòu)多樣性）第二十一頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期一不同DNA纖維的空間結(jié)構(gòu)

類型結(jié)晶狀態(tài)ANa鹽，相對濕度75%時結(jié)晶BNa鹽，相對濕度92%時結(jié)晶C鋰鹽，相對濕度66%時結(jié)晶第二十二頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期一1979年，美國麻省理工學院A.Rich等從d(GCGCGC)d的脫氧6個核苷酸X線衍射結(jié)果發(fā)現(xiàn)，該片段以左手螺旋存在于結(jié)晶中，并提出了左手螺旋的Z-DNA模型。目前已知DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)可分為A、B、C、D及Z型等數(shù)種，除Z型為左手雙螺旋外，其余均為右手雙螺旋。左手螺旋DNA第二十三頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期一第二十四頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期一天然細胞中DNA多為B型構(gòu)象，且B型構(gòu)象的DNA活性最高。但是在細胞中也存在其他構(gòu)象的DNA，且二級結(jié)構(gòu)和高級結(jié)構(gòu)之間存在相互轉(zhuǎn)化，始終處在一個動力學平衡之中。第二十五頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期一⑴三鏈結(jié)構(gòu)

單鏈DNA與雙鏈DNA分子中堿基發(fā)生相互作用、通過雙鏈DNA的大溝的非堿基配對自發(fā)形成三鏈結(jié)構(gòu)、含有同聚嘌呤-同聚嘧啶的鏡象序列可形成三螺旋結(jié)構(gòu)(Hoogsteen螺旋)、稱為H-螺旋。該螺旋常處在許多真核細胞基因的表達調(diào)節(jié)區(qū)。可能與基因表達的調(diào)節(jié)有關(guān).4、其他類型DNA第二十六頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期一第二十七頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期一⑵四鏈DNA雙鏈DNA之間相互作用形成四鏈結(jié)構(gòu)、鳥嘌呤可形成堿基四聚體。意義：可能存在于真核細胞染色體的端粒中第二十八頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期一DNA分子中存在翻轉(zhuǎn)重復序列、相互配對形成十字架或發(fā)夾結(jié)構(gòu)⑶十字架結(jié)構(gòu)第二十九頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期一雙鏈回文序列可形成十字架結(jié)構(gòu)第三十頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期一（三）DNA的三級結(jié)構(gòu)

DNA的三級結(jié)構(gòu)指雙螺旋鏈的扭曲。趨螺旋是DNA三級結(jié)構(gòu)的一種形式，DNA在核小體中的扭曲方式也是一種趨螺旋結(jié)構(gòu)。超螺旋的生物學意義可能是：1.使DNA分子體積變小，對其在細胞的包裝過程有利。（2.2×1011公里,2.2×109公里,100倍）2.影響雙螺旋的解鏈過程,從而影響DNA分子與其它分子(如酶、蛋白質(zhì)、核酸)之間的相互作用。第三十一頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期一DNA超螺旋結(jié)構(gòu)DNA三級結(jié)構(gòu)為超螺旋結(jié)構(gòu)超螺旋按其方向分為正超螺旋和負超螺旋兩種。真核生物中，DNA與組蛋白八聚體形成核小體結(jié)構(gòu)時，存在著負超螺旋。研究發(fā)現(xiàn)，所有的DNA超螺旋都是由DNA拓撲異構(gòu)酶產(chǎn)生的。第三十二頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期一第三十三頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期一（四）DNA作為遺傳物質(zhì)的主要優(yōu)點

1.信息量大，可以縮微；

2.表面互補，電荷互補，雙螺旋結(jié)構(gòu)說明了精確復制機理；

3.核糖的2’脫氧，在水溶液中穩(wěn)定性好；

4.可以突變，以求進化（突變對個體是不幸的，進化對群體是有利的）；

5.有T無U，基因組得以增大，而無C脫氨基成U帶來的潛在危險。（尿嘧啶DNA糖苷酶可以靈敏識別DNA中的U而隨時將其剔除）。

然而，如果DNA是最初的遺傳物質(zhì)，那么由于DNA復制需要酶，而酶是蛋白質(zhì)，蛋白質(zhì)又是由DNA的核苷酸序列編碼的，這就成了一個雞生蛋、蛋生雞的問題。80年代發(fā)現(xiàn)RNA擬酶，這個問題才得到解決。第三十四頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期一RNA作為遺傳物質(zhì)

RNA擬酶集信息傳遞作用和酶學催化作用于一身，很可能是最初的遺傳物質(zhì)。在這個基礎(chǔ)上，一個RNA世界到RNA蛋白質(zhì)世界，由RNA蛋白質(zhì)世界到DNA世界的進化圖景，已被科學界廣泛接受。但RNA作為最初遺傳物質(zhì)的設(shè)想，仍然有許多疑難。其中最大的疑難是RNA本身的起源問題。

蛋白質(zhì)因其缺乏遺傳表面，而且遺傳嗅覺不靈敏，不能作為遺傳物質(zhì)，早已成為定論。

·第三十五頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期一第二節(jié)RNA的結(jié)構(gòu)與功能一級結(jié)構(gòu)通常為單鏈，局部可形成雙鏈結(jié)構(gòu)核酸是生物體的主要高分子互化合物，它儲存著生物體全部遺傳信息，是基因表達不可缺少的基礎(chǔ)物質(zhì)。除DNA外，在生物體中還存在著另一類核酸——RNA。RNA有許多種，它們具有不同的生物學功能。第三十六頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期一（一）mRNAmRNA占細胞RNA總量的1%～5%，分子量范圍幾百～2萬個核苷酸，變化大（RT/PCR）。原核和真核生物mRNA的結(jié)構(gòu)不同。原核生物mRNA真核生物mRNA1.mRNA編碼區(qū)多順反子（幾個功能相關(guān)蛋白質(zhì)）單順反子*（1種蛋白質(zhì)）2.5‘端帽子結(jié)構(gòu)無帽子結(jié)構(gòu)，（有SD序列，RBS位于AUG上游8～13核苷酸處，與翻譯起始有關(guān)）。有帽子結(jié)構(gòu)（0.1.2三種類型）*使mRNA免遭外切核酸酶降解，與翻譯起始有關(guān)（CBP）.3.3‘端poly(A)尾無有，20～200核苷酸4.5’.3’端mRNA非偏碼區(qū)有有

由間隔區(qū)轉(zhuǎn)錄得到非編碼區(qū)廣泛存在于原核生物mRNA中（如RBS）。真核生物mRNA轉(zhuǎn)錄后加工,戴帽安尾。第三十七頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期一

*順反子（cistron）一段可供偏碼的結(jié)構(gòu)基因,是能夠編碼合成多肽的DNA的最小單位，遺傳的功能單位，由互補互析決定。由結(jié)構(gòu)基因轉(zhuǎn)錄生成的RNA序列亦稱為順反子。單順反子（monocistron）真核的結(jié)構(gòu)基因（及mRNA）是單順反子，一個蛋白基因為一個轉(zhuǎn)錄單位。多順反子（polycistron）原核的結(jié)構(gòu)基因（mRNA）是多順反子，多個蛋白基因串在一起為一個轉(zhuǎn)錄單位。*帽子結(jié)構(gòu)中的核苷酸大多數(shù)為7甲基鳥苷（m7G）.在其后面第2和第3個核苷酸的核糖第2位羥基上有時也甲基化。因此通常帽子的結(jié)構(gòu)可見3種類型： 帽子0型m7G（5’）PPP（5’）NP.

帽子1型m7G（5’）PPP（5’）NmpNP.

帽子2型m7G（5’）PPP（5’）NmPNmPNP.第三十八頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期一（二）tRNAtRNA的結(jié)構(gòu)相當保守，各種物種的tRNA均含有73～93個核苷酸，tRNA均有三葉草型的二級結(jié)構(gòu)和L狀的三級結(jié)構(gòu)。一端是CCA結(jié)合氨基酸部位，另一端為反密碼子環(huán)。tRNA通曉mRNA的核苷酸語言和蛋白質(zhì)的氨基酸語言（AARS），是蛋白質(zhì)翻譯的譯員。第三十九頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期一（三）rRNArRNA與核糖體蛋白共同構(gòu)成核糖體，后者是蛋白質(zhì)合成的場所。核糖體的組成原核生物（70S，小30s大50S）真核生物（80S,小40s大60s）小亞基rRNA蛋白質(zhì)16S(有mRNA識別結(jié)合位點)18S(有mRNA識別結(jié)合位點)21種33種大亞基rRNA23S、5S（識別、結(jié)合tRNA）28S、5S、5.8S(識別、結(jié)合tRNA)蛋白質(zhì)34種49種

一切生物的遺傳密碼都要在核糖體上翻譯。病毒本身沒有核糖體，其mRNA要靠宿主細胞的核糖體來翻譯。

核糖體蛋白如何識別rRNA上的結(jié)合位點，如何和rRNA結(jié)合，不同核糖體蛋白彼此如何識別，怎樣互相聯(lián)結(jié)，組裝成為功能性的核糖體，尚在研究之中。目前只知道彼此所處的相對位置，聯(lián)結(jié)的細節(jié)不明。第四十頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期一（四）具有催化活性的RNA（核酶，ribozyme）1.1981年，Cech等人研究四膜蟲（能自我拼接rRNA）時發(fā)現(xiàn)核酶。2.分類（1）異體催化的剪切型（如RNaseP一種核酸內(nèi)切酶）。（2）自體催化的剪切型（如植物類病毒）。（3）內(nèi)含子的自我剪切型（如四膜蟲大核26SrRNA前體）。3.生理功用絕大部分核酶參入RNA的加工和成熟。4.反應機理RNA為什么能成為催化中心？催化中心無非是提供一個表面，讓參加反應的基團靠近并形成固定不變的空間關(guān)系，蛋白質(zhì)以其側(cè)鏈基團的多樣性構(gòu)成現(xiàn)代生物細胞中絕大部分的酶。然而，RNA分子能夠以其分子的空間構(gòu)型產(chǎn)生鍵的斷裂和生成所必須的環(huán)境。催化RNA（R）和底物RNA（S）之間的堿基配對可能是產(chǎn)生這種環(huán)境的主要因素。第四十一頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期一5.現(xiàn)實意義（1）對研究生命起源和進化有意義先有DNA還是還先有RNA抑或是蛋白質(zhì)？雞生蛋，蛋生雞？上個世紀80年代已“定論”，很可能在原始生命中，RNA催化的斷裂——連接反應是最早出現(xiàn)的催化的過程。科學家推測在生命早期存在一個RNAworld。進化中RNA的催化功能交給了蛋白質(zhì)，而遺傳性息載體的功能交給了DNA。（2）對傳統(tǒng)酶學提出挑戰(zhàn)蛋白酶取代核酶，絕大部分酶的化學本質(zhì)是蛋白質(zhì)（側(cè)鏈基團多樣性，核酸無側(cè)鏈）。（3）抗病毒核酸，抗腫瘤核酸，基因治療中的應用前景。第四十二頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期一第六節(jié)病毒核酸

按照細胞的特征(自我裝配、自我調(diào)節(jié)、自我復制)

病毒既不是真核細胞，也不是原核細胞，它只是具有部分生命特征的感染物。是一類亞顯微專屬性的細胞內(nèi)寄生物。一、病毒的基本概念：第四十三頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期一

病毒必須依賴宿主細胞進行繁殖，它在細胞中復制和裝配是靠細胞的代謝活動來完成的。在細胞內(nèi)組裝成熟后釋放到細胞外，感染其它細胞。

病毒概念的限定：①病毒粒子由蛋白質(zhì)外殼與內(nèi)部核酸構(gòu)成；②病毒粒子是由預先形成的組分裝配而成的；③病毒自身不具備能量代謝的遺傳信息；④病毒自身不具備物質(zhì)代謝的遺傳信息。病毒外殼蛋白質(zhì)的作用：一是保護核酸，防止被核酸酶破壞；二是識別宿主細胞，幫助病毒感染細胞。第四十四頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期一⑵根據(jù)病毒所含核酸的性質(zhì)和狀態(tài)不同分六類：①雙鏈±DNA→＋mRNA→蛋白質(zhì)②單鏈＋DNA→±DNA→＋mRNA→蛋白質(zhì)③雙鏈±RNA→＋mRNA→蛋白質(zhì)④單鏈＋RNA→－RNA→＋mRNA→蛋白質(zhì)⑤單鏈－RNA→＋mRNA→蛋白質(zhì)⑥單鏈＋RNA→－DNA→±DNA→＋mRNA→蛋白質(zhì)

病毒的分類：⑴根據(jù)寄生的宿主不同分三類：

動物病毒、植物病毒、細菌病毒（噬菌體）。第四十五頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期一

無外殼蛋白，僅有傳染性的環(huán)狀RNA分子稱為類病毒(viroid)。類病毒主要在植物中引起一些疾病。

無基因組，而僅由蛋白質(zhì)組成的傳染因子稱為朊病毒(prions)。也稱侵染性蛋白質(zhì)或蛋白質(zhì)感染因子。如瘋牛病、腦軟化病、