第三章核酸的組成與結(jié)構(gòu)

第三章核酸的組成與結(jié)構(gòu)1第1頁，共48頁，2023年，2月20日，星期一第一節(jié)

DNA的組成與結(jié)構(gòu)一、DNA（deoxyribonucleicacid）的組成

1.核酸是由許多個單核苷酸聚合而成的多核苷酸鏈；核苷酸由堿基、戊糖(D-2-脫氧核糖)和磷酸三部分構(gòu)成。

2.DNA含：A、T、C、G四種堿基嘌呤嘧啶核糖磷酸DNAA，GC，T脫氧核糖磷酸第2頁，共48頁，2023年，2月20日，星期一二、DNA的結(jié)構(gòu)與功能一級結(jié)構(gòu)（Primarystructure）：指DNA分子中核苷酸的排列順序。二級結(jié)構(gòu)（Secondarystructure）：雙螺旋（doublehelix）三股螺旋（triplehelix）三（高）級結(jié)構(gòu)（Tertiarystructure）：超螺旋（supercoil）第3頁，共48頁，2023年，2月20日，星期一（一）DNA的一級結(jié)構(gòu)指DNA分子中4種核苷酸的連接方式和排列順序。

1.Chargaff法則Chargaff于1946-1950年根據(jù)紙層析、離子交換層析和紫外分光光度試驗結(jié)果提出查伽夫定則：四種堿基的數(shù)量不是等量的；同一物種DNA堿基組成不變，而物種間則有很大不同；嘌呤堿基總量與嘧啶堿基的總量相等(A+G=T+C)，且腺嘌呤與胸腺嘧啶數(shù)相等“A”=“T”、鳥嘌呤與胞嘧啶數(shù)相等“G”=“C”。

2.核苷酸序列及其測定查伽夫定則表明：核酸并不是四核苷酸結(jié)構(gòu)的簡單重復(fù)，核酸的堿基序列信息可能具有重要意義。以后的研究表明：堿基序列正是核酸生物學(xué)功能的基礎(chǔ)，是遺傳信息的內(nèi)在形式。核酸序列分析技術(shù)是最重要的分子生物學(xué)研究技術(shù)，主要包括：Sanger雙脫氧法和MaxamandGillbert化學(xué)法?；诨瘜W(xué)法的DNA序列自動分析儀已成為常規(guī)實驗設(shè)備。第4頁，共48頁，2023年，2月20日，星期一5’末端的磷酸基團3‘，5’-磷酸二酯鍵3‘末端羥基DNA的長度單位：堿基對(bp)，千堿基對(Kb)，百萬堿基對(Mb)第5頁，共48頁，2023年，2月20日，星期一3.DNA一級結(jié)構(gòu)的表示方法線條式表示法文字表示法第6頁，共48頁，2023年，2月20日，星期一（二）DNA的二級結(jié)構(gòu)

指兩條核苷酸鏈反向平行盤繞所生成的雙螺旋結(jié)構(gòu)。1.DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型

1953年美國青年生物學(xué)家Watsn和英國中年物理學(xué)家Crick根據(jù)堿基互補配對規(guī)律和DNA的X射線衍射研究，提出了著名的DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型，并為以后拍攝的電鏡直觀形象所證實，從而奠定了分子生物學(xué)的基礎(chǔ)。（1）要點：DNA分子是由兩條同軸反向互相纏繞的多核甘酸鏈組成的雙螺旋結(jié)構(gòu)；糖和磷酸排在外面構(gòu)成骨架,兩鏈相應(yīng)的核甘酸的堿基互相配對由氫鍵連接排列在內(nèi)側(cè)；雙螺旋直徑為20?

，螺距為34?,包含10對堿基。（2）意義：DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型還表明，DNA可以按堿基互補配對原則進行半保留復(fù)制，而此前人們對復(fù)制方式一無所知；DNA核苷酸順序規(guī)定該基因編碼蛋白質(zhì)的氨基酸順序；DNA中的遺傳信息就是堿基序列；并存在某種遺傳密碼，將核苷酸序列譯成蛋白質(zhì)氨基酸順序。在其后的幾十年中，科學(xué)家們沿著這兩條途徑前進，探明了DNA復(fù)制、遺傳信息表達與中心法則等內(nèi)容。第7頁，共48頁，2023年，2月20日，星期一沃森、克里克和威爾金斯因發(fā)現(xiàn)生命的雙螺旋而榮獲1962年諾貝爾醫(yī)學(xué)生理學(xué)獎。（左一：威爾金斯，左三：克里克左五：沃森）

FranklinRE(1920－1958）和同事威爾金斯在1951年率先采用X射線衍射技術(shù)拍攝到DNA晶體照片，為推算出DNA分子呈螺旋結(jié)構(gòu)的結(jié)論，提供了決定性的實驗依據(jù)。但“科學(xué)玫瑰”沒等到分享榮耀，在研究成果被承認之前就已凋謝。第8頁，共48頁，2023年，2月20日，星期一超高分辨率掃描式電子顯微鏡拍到的DNA照片DNA的人工模型富蘭克林拍攝的DNA的X射線衍射圖X衍射技術(shù)是用X光透過物質(zhì)的結(jié)晶體，使其在照片底片上衍射出晶體圖案的技術(shù)，這個方法可以用來推測晶體的分子排列；沃森和克里克從衍射圖譜中受到啟示。第9頁，共48頁，2023年，2月20日，星期一DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型第10頁，共48頁，2023年，2月20日，星期一第11頁，共48頁，2023年，2月20日，星期一2.DNA分子構(gòu)型的多態(tài)性（1）右手螺旋：A-DNA、B-DNA、C-DNA、

D-DNA、E-DNA、T-DNA；（2）左手螺旋：Z-DNA。B-DNA：為DNA在生理狀態(tài)下的構(gòu)型，右手雙螺旋構(gòu)型（沃森和克里克模型），每螺旋為10個核苷酸對。

A-DNA：為DNA的脫水構(gòu)型，右手螺旋，每螺旋為11個核苷酸對。

Z-DNA：為左手螺旋，每個螺旋含12個核苷酸對。第12頁，共48頁，2023年，2月20日，星期一DNA分子構(gòu)型的多態(tài)性第13頁，共48頁，2023年，2月20日，星期一3.DNA的其它螺旋結(jié)構(gòu)（1）回文結(jié)構(gòu)：DNA序列中以某一中心區(qū)域為對稱軸，其兩側(cè)的堿基對順序正讀和反讀都相同的雙螺旋結(jié)構(gòu)。即對稱軸一側(cè)的片段旋轉(zhuǎn)180°后，與另一側(cè)片段對稱重復(fù)，稱為反轉(zhuǎn)重復(fù)序列?；匚慕Y(jié)構(gòu)能形成十字結(jié)構(gòu)和發(fā)夾結(jié)構(gòu)。第14頁，共48頁，2023年，2月20日，星期一

（2）反轉(zhuǎn)重復(fù)（invertedrepeated)：由反方向互補的兩個DNA片段組成，兩個反轉(zhuǎn)重復(fù)序列又叫回文序列(palindromesequence)。（3）鏡像重復(fù)(mirrorrepeat)

：存在于同一股上的某些DNA區(qū)段的反向重復(fù)序列。此序列各單股中沒有互補序列，不能形成十字型或發(fā)夾結(jié)構(gòu)。（4）直接重復(fù)(directrepeat)：由同一方向完全相同的兩個序列組成。又稱為正向重復(fù)序列、順向重復(fù)序列。第15頁，共48頁，2023年，2月20日，星期一（5）DNA三股螺旋（triplestrandsDNA，H-DNA，ts-DNA）：

1957年由Felesnfeld及Davis首先發(fā)現(xiàn)。多聚嘧啶和多聚嘌呤組成的DNA螺旋區(qū)段，其序列中有較長的鏡像重復(fù)時，形成局部三股配對，并互相盤繞的三股螺旋，其中兩股的堿基按Watson-Crick方式配對，第三股多聚嘧啶（鏡像重復(fù)）通過TAT和CGC配對，而處于雙螺旋的大溝中。三條鏈均為同型嘌呤（Hpu）或同型嘧啶（Hpy），有兩種基本類型：

Pu-Pu-Py型：在堿性介質(zhì)中穩(wěn)定。

Py-Pu-Py型：在偏酸性介質(zhì)中穩(wěn)定。三鏈DNA既可以是B-DNA與另一條DNA鏈結(jié)合成的鏈間的三鏈DNA，又可以是B-DNA與其自身的一條鏈結(jié)合形成的鏈內(nèi)的三鏈DNA。分子內(nèi)三鏈DNA于1987年由Mirkin在超螺旋中發(fā)現(xiàn)，其形成要求雙螺旋中存在連續(xù)的嘌呤或嘧啶序列，而且必須是鏡像重復(fù)序列。第16頁，共48頁，2023年，2月20日，星期一第17頁，共48頁，2023年，2月20日，星期一（三）DNA的高級結(jié)構(gòu)1.超螺旋（supercoilorsuperhelix

）結(jié)構(gòu)（1）超螺旋的發(fā)現(xiàn)

1965年Vinograd等用電鏡發(fā)現(xiàn)SV40和多瘤病毒的環(huán)形DNA的超螺旋；超螺旋是雙螺旋DNA進一步扭曲盤繞形成的高級結(jié)構(gòu)。

a.絕大多數(shù)原核生物DNA都是共價封閉環(huán)（covalentlyclosedcircle，CCC）分子，雙螺旋環(huán)狀分子螺旋化成為超螺旋結(jié)構(gòu)。

b.有些單鏈環(huán)形染色體（如φx174）或雙鏈線形染色體（如噬菌體），在其生活周期的某一階段，染色體也變?yōu)槌菪Y(jié)構(gòu)。

c.真核生物的染色體多為線形分子，但DNA均與蛋白質(zhì)相結(jié)合，同樣具有超螺旋形式。第18頁，共48頁，2023年，2月20日，星期一第19頁，共48頁，2023年，2月20日，星期一（2）超螺旋的形成

DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)中，一般每轉(zhuǎn)一圈有10個核苷酸對，平時雙螺旋總處于能量最低狀態(tài)；若正常DNA雙螺旋額外地多轉(zhuǎn)或少轉(zhuǎn)幾圈，使每一圈的核苷酸數(shù)目大于或小于10，就會出現(xiàn)雙螺旋空間結(jié)構(gòu)的改變，在DNA分子中產(chǎn)生額外張力；若此時雙螺旋的末端是固定的或是環(huán)狀分子，雙鏈不能自由轉(zhuǎn)動，額外的張力不能釋放，導(dǎo)致DNA分子內(nèi)部原子空位置的重排，造成扭曲，出現(xiàn)超螺旋。（3）超螺旋的方向性

a.正超螺旋：繩子的兩股以右旋方向纏繞，如果在一端使繩子向纏緊的方向旋轉(zhuǎn)，再將繩子兩端連接起來，會產(chǎn)生一個左旋的超螺旋，以解除外加的旋轉(zhuǎn)造成的脅變，這樣的超螺旋叫正超螺旋。

b.負超螺旋：如果在繩子一端向松纏方向旋轉(zhuǎn)，再將繩子兩端連接起來，會產(chǎn)生一個右旋的超螺旋，以解除外加的旋轉(zhuǎn)所造成的脅變，這樣的超螺旋稱負超螺旋。第20頁，共48頁，2023年，2月20日，星期一第21頁，共48頁，2023年，2月20日，星期一c.松旋效應(yīng)和緊旋效應(yīng)：形成負超螺旋時，旋轉(zhuǎn)方向與DNA雙螺旋方向相反，旋轉(zhuǎn)結(jié)果使DNA分子內(nèi)部張力減小，稱為松旋效應(yīng)（在自然條件下共價封閉環(huán)狀DNA呈負超螺旋結(jié)構(gòu)）；與負超螺旋相反，形成正超螺旋時的旋轉(zhuǎn)方向與DNA雙螺旋方向相同，結(jié)果加大了DNA分子內(nèi)部張力，具有緊旋效應(yīng)。（4）環(huán)繞數(shù)和超螺旋的關(guān)系

White在1969年建立了White方程來對超螺旋進行定量描敘，說明環(huán)繞數(shù)和超螺旋的關(guān)系。L=T+WL（linkingnumber）：鏈環(huán)數(shù)或稱拓撲環(huán)繞數(shù)，指DNA中一條鏈繞另一條鏈的總次數(shù)。L是整數(shù)，在不發(fā)生鏈斷裂時其值為常數(shù)，右手螺旋對L取正值。T（twistingnumber）：纏繞數(shù)，即雙螺旋的圈數(shù)。T為變量，可以是非整數(shù)，右手螺旋時T為正值。W（writhingnumber）：扭曲數(shù)，即超數(shù)旋數(shù)。W為變量，可以是非整數(shù)，右手螺旋時，W取負值。第22頁，共48頁，2023年，2月20日，星期一第23頁，共48頁，2023年，2月20日，星期一第24頁，共48頁，2023年，2月20日，星期一第25頁，共48頁，2023年，2月20日，星期一（5）DNA的超螺旋密度（λ）

λ=（L-L0）/L0

L0是指松馳環(huán)形DNA的L值，天然DNA的超螺旋密度一般為-0.03~-0.09，平均每100個螺旋出現(xiàn)3-9個負超螺旋。

a.天然的DNA都呈負超螺旋，但體外可得到正超螺旋；由于雙鏈DNA是動態(tài)變化的，其負超螺旋的鏈環(huán)數(shù)也會有所波動。

b.負超螺旋會部分地轉(zhuǎn)變?yōu)閱捂溑轄罱Y(jié)構(gòu)，這種單鏈泡狀結(jié)構(gòu)也是解除松纏作用造成的脅變的一種途徑；當然蛋白質(zhì)會與這些單鏈泡狀結(jié)構(gòu)結(jié)合參與復(fù)制活轉(zhuǎn)錄；這也許就是為什么在生物內(nèi)DNA總是采取負超螺旋形式的主要原因。

c.溴化乙錠（ethidiumbromide）能與DNA緊密結(jié)合，使DNA的密度降低；它插入DNA分子堿基對之間，引起DNA分子松旋，隨著EB量的增加，負超螺旋DNA就轉(zhuǎn)變?yōu)樗沙趹B(tài)；EB的進一步增加，DNA就轉(zhuǎn)變?yōu)檎菪?。?6頁，共48頁，2023年，2月20日，星期一第27頁，共48頁，2023年，2月20日，星期一（6）不同類型DNA的高級結(jié)構(gòu)及性質(zhì)

a.超螺旋使環(huán)狀DNA分子變得更致密，在超速離心和在凝膠電泳中的遷移速度都增加；瓊脂糖凝膠電泳可將超螺旋僅差一圈的DNA分離開。

b.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。c.DNA超螺旋是由DNA拓撲異構(gòu)酶產(chǎn)生的。

d.坍縮DNA：當閉合環(huán)超螺旋變成閉合環(huán)松弛形DNA時，經(jīng)堿變性或熱變性使其氫鍵斷裂，但兩條鏈無法分離，結(jié)果生成兩條鏈緊密纏結(jié)的分子；坍縮DNA具有很高的沉降常數(shù)，相對沉降常數(shù)約3.0（單鏈環(huán)狀DNA的相對沉降常數(shù)大約為1.14；線性單鏈DNA的相對沉降常數(shù)為1.30）。

e.環(huán)連DNA：在DNA復(fù)制過程中的產(chǎn)物或由拓撲異構(gòu)酶催化生成，由兩個以上環(huán)形DNA分子環(huán)連而成。

f.閉合環(huán)超螺旋DNA對于溫度和堿性有較強的抵抗力，不容易發(fā)生變性；這樣，可以尋找一個臨界條件，使閉合環(huán)松弛形和開環(huán)松弛形DNA發(fā)生變性；而閉合環(huán)超螺旋不變性或很少變性。很多分離或鑒定閉合環(huán)超螺旋形DNA的方法都是依據(jù)其特性而設(shè)計的。第28頁，共48頁，2023年，2月20日，星期一第29頁，共48頁，2023年，2月20日，星期一第30頁，共48頁，2023年，2月20日，星期一（7）超螺旋的意義

a.超螺旋的形成是DNA分子復(fù)制和轉(zhuǎn)錄的需要：生物體內(nèi)DNA結(jié)構(gòu)是處于動態(tài)之中，超螺旋的引入就提高了DNA的能量水平，而超螺旋程度的改變介導(dǎo)了DNA結(jié)構(gòu)的變化，即超螺旋多余的能量可能使DNA雙股鏈分開，或局部熔解，這種結(jié)構(gòu)上的變化對DNA分子復(fù)制和轉(zhuǎn)錄等的啟動很重要。

b.超螺旋可使DNA分子形成高度致密的狀態(tài)從而得以容納于有限的空間。如E.coli的DNA的總長度是其細胞長度的100倍，由于它的DNA存在著超螺旋才能包裝成類核（nucleoid）。

c.染色體的形成過程：一級結(jié)構(gòu)（核小體，直徑10nm）、二級結(jié)構(gòu)（螺線體，直徑30nm）、三級結(jié)構(gòu)（超螺線體，直徑400nm）、四級結(jié)構(gòu)（染色體，直徑1000nm），DNA雙螺旋進一步扭曲盤旋所形成的特定空間結(jié)構(gòu)。

第31頁，共48頁，2023年，2月20日，星期一第32頁，共48頁，2023年，2月20日，星期一第33頁，共48頁，2023年，2月20日，星期一第二節(jié)、RNA的組成與結(jié)構(gòu)一、RNA的組成

RNA所含的戊糖為D-核糖，堿基為A、C、G、U。二、RNA的基本結(jié)構(gòu)1．RNA的一級結(jié)構(gòu)：指RNA分子中4種核苷酸的連接方式和排列順序。2.RNA的分類及其二級結(jié)構(gòu)（1）mRNA：帽子結(jié)構(gòu)和尾巴，5’端，7’-甲基鳥苷；3’端，polyA尾巴。（2）rRNA：單鏈RNA自行盤繞形成局部雙螺旋的多“莖”多“環(huán)”結(jié)構(gòu)，螺旋部分稱為“莖”或“臂”非螺旋部分稱為“環(huán)”，在螺旋區(qū)，A與U配對，G與C配對。5SrRNA和16SrRNA分別構(gòu)成大亞基和小亞基。（3）tRNA的二級結(jié)構(gòu)：三葉草形狀可分為：氨基酸接受區(qū)、反密碼區(qū)、二氫尿嘧啶區(qū)、TΨC區(qū)和可變區(qū)。除氨基酸接受區(qū)外，其余每個區(qū)都含有一個突環(huán)和一個臂。第34頁，共48頁，2023年，2月20日，星期一3．tRNA的三級結(jié)構(gòu)：倒“L”形，所有的tRNA折疊后形成大小相似及三維構(gòu)象相似的三級結(jié)構(gòu)，這有利于攜帶的氨基酸的tRNA進入核糖體的特定部位。在翻譯過程中轉(zhuǎn)運各種氨基酸至核糖體，按mRNA的密碼順序合成蛋白質(zhì)的作用。第35頁，共48頁，2023年，2月20日，星期一三、mRNA的具體結(jié)構(gòu)與功能1.原核生物mRNA結(jié)構(gòu)特點：(1)多順反子（polycistron）：一分子mRNA帶有幾種蛋白質(zhì)的遺傳信息，可以作為幾種蛋白質(zhì)的模板，能翻譯出幾種蛋白質(zhì)。(2)mRNA5′端無帽子結(jié)構(gòu)，3′端一般無多聚A的尾巴。(3)一般沒有修飾堿基。第36頁，共48頁，2023年，2月20日，星期一2.真核生物mRNA結(jié)構(gòu)的特點（1）5′末端有帽子結(jié)構(gòu)。真核生物mRNA在轉(zhuǎn)錄后,在5’端加上帽子(7－甲基鳥嘌呤核苷)，在蛋白質(zhì)翻譯時識別起始位置及防止被RNA酶降解。第37頁，共48頁，2023年，2月20日，星期一（2）3′端多數(shù)帶有多聚A的尾巴(polyadenylatetail)，其長度為20~200個A.（3）分子中可能有修飾堿基，主要是甲基化。（4）分子中有編碼區(qū)與非編碼區(qū)。非編碼區(qū)（untranslatedregionUTR）位于編碼區(qū)的兩端；5′非編碼區(qū)有翻譯起始信號。第38頁，共48頁，2023年，2月20日，星期一四、tRNA：轉(zhuǎn)運氨基酸1．單鏈小分子，含73~93個核苷酸；2．含有很多稀有堿基或修飾堿基，多為甲基化；3．5′端總是磷酸化，且常是pG；4．3′端為CCAOH；5．二級結(jié)構(gòu)為三葉草形；6．三級結(jié)構(gòu)為倒L型。第39頁，共48頁，2023年，2月20日，星期一五、rRNA原核生物真核生物核糖體70S80S小亞基30S40SrRNA16S(1542個核苷酸)18S（1874個核苷酸）蛋白質(zhì)21種(占總重量的40%)33種（占總重量50%）大亞基50S60SrRNA23S(2940個核苷酸)28S（4718個核苷酸）5S(120個核苷酸)5.8S(160個核苷酸)5S(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%)１．核糖體的組成第40頁，共48頁，2023年，2月20日，星期一２．rRNA二級結(jié)構(gòu)：

單鏈RNA自行盤繞形成局部雙螺旋的多“莖”多“環(huán)”結(jié)構(gòu)，螺旋部分稱為“莖”或“臂”非螺旋部分稱為“環(huán)”，在螺旋區(qū)，A與U配對，G與C配對。

第41頁，共48頁，2023年，2月20日，星期一３．原核生物rRNA的特點（１）原核生物16SrRNA的3′端有一保守序列ACCUCCU，是mRNA的識別結(jié)合位點。（２）原核生物5SrRNA的第43~47位核苷酸為CGAAC序列，可與tRNA上GTΨCG互補。４．真核生物rRNA的特點（１）真核生物5.8SrRNA上也有相同的CGAAC序列,是tRNA與rRNA相互識別、相互作用的部位。（２）rRNA上有許多rRNA之間識別結(jié)合部位及蛋白質(zhì)的相互作用部位。第42頁，共48頁，2023年，2月20日，星期一原核生物70S核糖體真核生物80S核糖體核糖體的結(jié)構(gòu)第43頁，共48頁，2023年，2月20日，星期一六、核酶：有催化活性的RNA

１．核酶的發(fā)現(xiàn)

1982年，美國ThomasCech在研究四膜蟲rRNA自我剪接時發(fā)現(xiàn)的；與此同時，加拿大的SidneyAltman發(fā)現(xiàn)RNaseP分子中的RNA組分有催化活性；1989年分享了Noble化學(xué)獎。

２．核酶的發(fā)現(xiàn)意義不僅拓寬了生物催化劑的領(lǐng)域，而且對RNA的生物學(xué)功能開創(chuàng)了一種歷史性的新認識：RNA不僅具有儲存和傳遞遺傳信息的功能，而且還具有生物催化劑的功能，在一定程度上可以說，RNA一身兼有DNA和蛋白質(zhì)兩大類生物大分子的功能。第44頁，共48頁，2023年，2月20日，星期一３．核酶的二級結(jié)構(gòu)核酶的二級結(jié)構(gòu)對于催化活性很重要。Symons提出“錘頭