《生物化學(xué)》核酸的結(jié)構(gòu)與功能

第二章

核酸的結(jié)構(gòu)和功能StructureandFunctionofNucleicAcid1《生物化學(xué)》核酸的結(jié)構(gòu)與功能5/9/2024內(nèi)容提要：概述第一節(jié)核酸的種類與分布第二節(jié)核苷酸第三節(jié)DNA的分子結(jié)構(gòu)第四節(jié)核酸與蛋白質(zhì)的復(fù)合體第五節(jié)RNA的分子結(jié)構(gòu)第六節(jié)核酸的理化性質(zhì)2《生物化學(xué)》核酸的結(jié)構(gòu)與功能5/9/2024一、什么是核酸？

核酸(nucleicacid)是一種生物大分子；是活細(xì)胞中最關(guān)鍵的組分，它攜帶著遺傳信息，是遺傳的物質(zhì)基礎(chǔ)；它決定蛋白質(zhì)和酶的結(jié)構(gòu)，它決定每一種生物體的代謝類型和形態(tài)。概述3《生物化學(xué)》核酸的結(jié)構(gòu)與功能5/9/20241868年FridrichMiescher從膿細(xì)胞中提取“核素”

20年后R.Altmann分離到不含蛋白質(zhì)的核酸

1944年Avery等人證實(shí)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(cè)序方法1985年Mullis發(fā)明PCR技術(shù)1990年美國(guó)啟動(dòng)人類基因組計(jì)劃(HGP)1994年中國(guó)人類基因組計(jì)劃啟動(dòng)2001年美、英等國(guó)完成人類基因組計(jì)劃基本框架二、核酸的發(fā)現(xiàn)和研究工作進(jìn)展4《生物化學(xué)》核酸的結(jié)構(gòu)與功能5/9/2024第一節(jié)核酸的種類與分布5《生物化學(xué)》核酸的結(jié)構(gòu)與功能5/9/2024一、核酸的種類脫氧核糖核酸（DNA）核酸核糖核酸（RNA）轉(zhuǎn)運(yùn)核糖核酸（tRNA）10-15%信使核糖核酸（mRNA）5%核糖體核糖核酸（rRNA）80%6《生物化學(xué)》核酸的結(jié)構(gòu)與功能5/9/2024二、核酸的分布幾乎所有的生物體（包括細(xì)菌、病毒等）內(nèi)都含有核酸。大多數(shù)生物既含有DNA又含有RNA，在病毒分子中，只含有一種核酸（DNA或RNA）。7《生物化學(xué)》核酸的結(jié)構(gòu)與功能5/9/2024第二節(jié)核苷酸(nucleotide)核酸的化學(xué)組成TheChemicalComponentofNucleicAcid8《生物化學(xué)》核酸的結(jié)構(gòu)與功能5/9/2024核酸的基本元素組成：C、H、O、N、P(9-10%)核酸的基本構(gòu)成單位

—核苷酸(nucleotide)DNA的基本組成單位是脫氧核糖核苷酸；

RNA的基本組成單位是核糖核苷酸。9《生物化學(xué)》核酸的結(jié)構(gòu)與功能5/9/2024核酸的酸性水解過(guò)程核酸核苷酸核苷磷酸戊糖堿基10《生物化學(xué)》核酸的結(jié)構(gòu)與功能5/9/2024一、堿基嘌呤

嘧啶

堿基腺嘌呤（A）鳥(niǎo)嘌呤（G）胞嘧啶（C）胸腺嘧啶（T）尿嘧啶（U）DNA、RNA均有DNA有（某些RNA中有 少量存在）RNA有11《生物化學(xué)》核酸的結(jié)構(gòu)與功能5/9/2024嘌呤腺嘌呤(6-氨基嘌呤)鳥(niǎo)嘌呤（2-氨基-6-氧嘌呤）12《生物化學(xué)》核酸的結(jié)構(gòu)與功能5/9/2024嘧啶胸腺嘧啶（5-甲基-2，4-二氧嘧啶）胞嘧啶2-氧-4-氨基嘧啶尿嘧啶2，4-二氧嘧啶13《生物化學(xué)》核酸的結(jié)構(gòu)與功能5/9/2024稀有堿基14《生物化學(xué)》核酸的結(jié)構(gòu)與功能5/9/2024二、戊糖15《生物化學(xué)》核酸的結(jié)構(gòu)與功能5/9/2024三、核苷(nucleoside)

堿基和核糖（或脫氧核糖）通過(guò)C-N糖苷鍵連接形成核苷（或脫氧核苷）。核糖核苷：AR,GR,CR,UR脫氧核苷：dAR,dGR,dCR,dTR91′11′16《生物化學(xué)》核酸的結(jié)構(gòu)與功能5/9/2024四、核苷酸

核苷（脫氧核苷）和磷酸以酯鍵連接形成核苷酸（脫氧核苷酸）。1.核苷一磷酸核苷酸：AMP,GMP,UMP,CMP

脫氧核苷酸：dAMP,dGMP,dTMP,dCMP

17《生物化學(xué)》核酸的結(jié)構(gòu)與功能5/9/20242.核苷多磷酸

5′核苷酸的磷酸基團(tuán)可與另一磷酸分子縮合形成核苷二磷酸（NDP），核苷二磷酸還可進(jìn)一步與磷酸縮合形成核苷三磷酸（NTP）。N=A/U/G/C腺嘌呤腺苷18《生物化學(xué)》核酸的結(jié)構(gòu)與功能5/9/2024ATP分子的最顯著特點(diǎn)是含有兩個(gè)高能磷酸鍵。水解時(shí),ATP可以釋放出大量自由能，用于推動(dòng)生物體內(nèi)各種需能的生化反應(yīng)。

GTP、CTP、UTP在某些生化反應(yīng)中也具有傳遞能量的作用。

UDP、ADP、GDP在多糖合成中，可作為攜帶葡萄糖基的載體；CDP在磷脂合成中可作為攜帶膽堿的載體。

NTP和dNTP分別是RNA和DNA的直接前體。核苷多磷酸的生物學(xué)功能19《生物化學(xué)》核酸的結(jié)構(gòu)與功能5/9/20243.環(huán)核苷酸（cAMP&cGMP）環(huán)核苷酸是由核苷酸分子中的磷酸與核糖的3’,5’-二羥基形成磷酸二酯鍵環(huán)化而成。20《生物化學(xué)》核酸的結(jié)構(gòu)與功能5/9/2024cAMP和cGMP是最普通的第二信使，它們廣泛存在于動(dòng)物、植物和微生物中，雖然在細(xì)胞內(nèi)的含量很低，但有極重要的生理功能。cAMP屬于放大激素作用信號(hào)，cGMP屬于縮小激素作用信號(hào)。這兩種環(huán)核苷酸在細(xì)胞代謝過(guò)程中其重要的調(diào)節(jié)作用。目前已知，許多激素（第一信使）是通過(guò)cAMP(第二信使)而發(fā)揮其功能的。另外，cAMP也參與大腸桿菌中DNA轉(zhuǎn)錄的調(diào)控。環(huán)核苷酸的生物學(xué)功能21《生物化學(xué)》核酸的結(jié)構(gòu)與功能5/9/2024第三節(jié)DNA的分子結(jié)構(gòu)MolecularStructureofDNA22《生物化學(xué)》核酸的結(jié)構(gòu)與功能5/9/2024DNA的分子結(jié)構(gòu)可分為一級(jí)結(jié)構(gòu)、二級(jí)結(jié)構(gòu)和三級(jí)結(jié)構(gòu)。一、DNA的一級(jí)結(jié)構(gòu)

一級(jí)結(jié)構(gòu)是指核酸分子中核苷酸的排列順序及連接方式。排列順序：不同的DNA分子具有不同的核苷酸排列順序，因此攜帶不同的遺傳信息。連接方式：以3

,5

-磷酸二酯鍵連接形成多核苷酸鏈，即核酸書(shū)寫(xiě)方法：結(jié)構(gòu)式、線條式、文字式。5ˊ端→3ˊ端(由左至右)23《生物化學(xué)》核酸的結(jié)構(gòu)與功能5/9/2024線條式文字式結(jié)構(gòu)式24《生物化學(xué)》核酸的結(jié)構(gòu)與功能5/9/2024DNA的一級(jí)結(jié)構(gòu)測(cè)序經(jīng)典方法Maxam-GilbertDNA化學(xué)降解法(Maxam和Gilbert,1977)

Sanger雙脫氧鏈終止法(Sanger和Coulson1977)25《生物化學(xué)》核酸的結(jié)構(gòu)與功能5/9/2024

一個(gè)末端標(biāo)記的DNA片段在4組互相獨(dú)立的的化學(xué)反應(yīng)分別得到部分降解，其中每一組反應(yīng)特異地針對(duì)某于種或某一類堿基。因此生成4組放射性標(biāo)記的分子，從共同起點(diǎn)（放射性標(biāo)記末端）延續(xù)到發(fā)生化學(xué)降解的位點(diǎn)。每組混合物中均含有長(zhǎng)短不一的DNA分子，其長(zhǎng)度取決于該組反應(yīng)所針對(duì)的堿基在原DNA全片段上的位置。此后，各組均通過(guò)聚丙烯酰胺凝膠電泳進(jìn)行分離，再通過(guò)放射自顯影來(lái)檢測(cè)末端標(biāo)記的分子。Maxam-GilbertDNA化學(xué)降解法26《生物化學(xué)》核酸的結(jié)構(gòu)與功能5/9/2024Sanger雙脫氧鏈終止法Sanger法：在PCR時(shí)分別加入ddA,ddT,ddC,ddG（相應(yīng)于4種堿基）ddX的兩個(gè)作用：可以當(dāng)作正常堿基參與復(fù)制一旦鏈入DNA中，其后就不能再繼續(xù)連接電泳誰(shuí)終止，堿基就是誰(shuí)此方法獲1974年的Nobel獎(jiǎng)27《生物化學(xué)》核酸的結(jié)構(gòu)與功能5/9/2024脫氧核甘酸與雙脫氧核甘酸結(jié)構(gòu)比較少一個(gè)－OH28《生物化學(xué)》核酸的結(jié)構(gòu)與功能5/9/2024技術(shù)路線與要求制備單鏈模板

↓將單鏈模板與一小段引物退火↓加入DNA聚合酶（Klenow）+4種dNTP+引物

分別加入少量4種ddNTP

↓將4種反應(yīng)產(chǎn)物分別在4條泳道電泳↓根據(jù)4個(gè)堿基在4條泳道的終止位置讀出基因序列

29《生物化學(xué)》核酸的結(jié)構(gòu)與功能5/9/2024雙脫氧鏈末端終止法測(cè)序基本原理示意圖30《生物化學(xué)》核酸的結(jié)構(gòu)與功能5/9/202431《生物化學(xué)》核酸的結(jié)構(gòu)與功能5/9/2024二、DNA的二級(jí)結(jié)構(gòu)(secondarystructure)——雙螺旋(doublehelix)結(jié)構(gòu)32《生物化學(xué)》核酸的結(jié)構(gòu)與功能5/9/2024DNA的二級(jí)結(jié)構(gòu)（secondarystructure）是指構(gòu)成DNA的多聚脫氧核苷酸鏈之間通過(guò)鏈間氫鍵卷曲而成的構(gòu)象。1953年，Watson-Crick提出的雙螺旋模型。33《生物化學(xué)》核酸的結(jié)構(gòu)與功能5/9/2024

DNA的結(jié)構(gòu)，發(fā)表于《自然》171卷(1953)737-738頁(yè)上的插圖

34《生物化學(xué)》核酸的結(jié)構(gòu)與功能5/9/2024DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)

右手螺旋35《生物化學(xué)》核酸的結(jié)構(gòu)與功能5/9/2024右手性的定義示意圖。大姆指指向軸向，其他四指由掌根向指尖方向表示螺旋轉(zhuǎn)動(dòng)方向。36《生物化學(xué)》核酸的結(jié)構(gòu)與功能5/9/2024（一）DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)依據(jù)Chargaff規(guī)則：不同物種的DNA堿基組成不同，而同一生物的DNA組成是一樣的，即有種屬特異性，無(wú)組織特異性；DNA堿基組成不隨年齡、營(yíng)養(yǎng)狀況和環(huán)境因素而改變；在同一生物體中[A]=[T]，[G]=[C]，即A+G=T+C。37《生物化學(xué)》核酸的結(jié)構(gòu)與功能5/9/20242.Norweger、Furbug研究證實(shí)，戊糖糖環(huán)與DNA分子縱軸平行，而堿基平面與縱軸垂直。

3.DNA的X-線衍射圖譜分析38《生物化學(xué)》核酸的結(jié)構(gòu)與功能5/9/2024已知的核酸化學(xué)數(shù)據(jù)39《生物化學(xué)》核酸的結(jié)構(gòu)與功能5/9/2024（二）DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型要點(diǎn)1.兩條鏈反向平行，圍繞同一中心軸構(gòu)成右手雙螺旋(doublehelix)。表面有大溝和小溝。2.磷酸-脫氧核糖形成DNA的骨架，位于雙螺旋外側(cè)與中軸平行，堿基垂直于螺旋軸而伸入內(nèi)側(cè)。40《生物化學(xué)》核酸的結(jié)構(gòu)與功能5/9/2024堿基平面與縱軸垂直，糖環(huán)平面與縱軸平行41《生物化學(xué)》核酸的結(jié)構(gòu)與功能5/9/20243.雙螺旋直徑2nm，順軸方向每隔0.34nm有一個(gè)核苷酸，每圈螺旋含10個(gè)核苷酸，相鄰兩個(gè)核苷酸間的夾角為36°,螺距為3.4nm。4.兩條鏈通過(guò)堿基間的氫鍵相連，A對(duì)T有兩個(gè)氫鍵，C對(duì)G有三個(gè)氫鍵，這種A-T、C-G配對(duì)的規(guī)律，稱為堿基互補(bǔ)規(guī)則。42《生物化學(xué)》核酸的結(jié)構(gòu)與功能5/9/2024堿基互補(bǔ)配對(duì)TAGC堿基對(duì)（basepair）：是一對(duì)相互匹配的堿基（即A：T，G：C，A：U相互作用）被氫鍵連接起來(lái)，簡(jiǎn)寫(xiě)作bp。然而，它常被用來(lái)衡量DNA和RNA的長(zhǎng)度（盡管RNA是單鏈）。43《生物化學(xué)》核酸的結(jié)構(gòu)與功能5/9/2024配對(duì)堿基的氫鍵44《生物化學(xué)》核酸的結(jié)構(gòu)與功能5/9/2024（三）雙螺旋結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定的因素1.堿基堆積力2.配對(duì)堿基形成的氫鍵3.離子鍵堿基堆積力是最主要的穩(wěn)定因素45《生物化學(xué)》核酸的結(jié)構(gòu)與功能5/9/2024DNA分子中的堿基堆積力（basestackingforces）：嘌呤與嘧啶形狀扁平，成疏水性，分布于雙螺旋結(jié)構(gòu)的內(nèi)側(cè)。大量堿基層層堆積，兩相鄰堿基的平面十分貼近，于是使DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)內(nèi)部形成一個(gè)強(qiáng)大的疏水區(qū)，與介質(zhì)中的水分隔開(kāi)，在DNA分子內(nèi)部形成疏水核心，核心內(nèi)幾乎沒(méi)有游離的水分子，免遭水溶性活性小分子的攻擊，保證堿基在化學(xué)上的穩(wěn)定性。

堿基堆積力是維持DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的主要作用力。46《生物化學(xué)》核酸的結(jié)構(gòu)與功能5/9/2024

互補(bǔ)堿基之間的氫鍵：G-C間有3個(gè)氫鍵，A-T之間僅有2個(gè)氫鍵。故前者較穩(wěn)定。離子鍵：帶負(fù)電荷磷酸之間的靜電斥力——會(huì)造成不穩(wěn)定，但帶負(fù)電荷磷酸可與陽(yáng)離子結(jié)合有助于結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。Na+、K+、Mg2+、Mn2+

或是真核細(xì)胞內(nèi)的組蛋白之間形成的離子鍵，中和了負(fù)電荷，降低了DNA鏈本身不同部位之間的斥力。47《生物化學(xué)》核酸的結(jié)構(gòu)與功能5/9/2024DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)提出的生物學(xué)意義

該模型揭示了DNA作為遺傳物質(zhì)的穩(wěn)定性特征，最有價(jià)值的是確認(rèn)了堿基配對(duì)原則，這是DNA復(fù)制、轉(zhuǎn)錄和反轉(zhuǎn)錄的分子基礎(chǔ)，亦是遺傳信息傳遞和表達(dá)的分子基礎(chǔ)。該模型的提出是20世紀(jì)生命科學(xué)的重大突破之一，它奠定了生物化學(xué)和分子生物學(xué)乃至整個(gè)生命科學(xué)飛速發(fā)展的基石。48《生物化學(xué)》核酸的結(jié)構(gòu)與功能5/9/2024

如果人體有1014個(gè)細(xì)胞，每個(gè)體細(xì)胞的DNA量為6.4×109對(duì)核苷酸。試計(jì)算人體DNA的總長(zhǎng)度是多少？這個(gè)長(zhǎng)度與太陽(yáng)-地球之間的距離（1.5×108km）相比如何？①每個(gè)體細(xì)胞內(nèi)DNA的總長(zhǎng)度：6.4×109×0.34=2.176×109nm②人體DNA的總長(zhǎng)度：2.176×109×1014=2.176×1023nm=2.176×1011km③這個(gè)長(zhǎng)度與太陽(yáng)—地球之間的距離之比為2.176×1011/1.5×108≈1451(倍)49《生物化學(xué)》核酸的結(jié)構(gòu)與功能5/9/2024（四）DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的多樣性Z型DNAB型DNAA型DNA50《生物化學(xué)》核酸的結(jié)構(gòu)與功能5/9/2024A-DNAB-DNA&H-DNA51《生物化學(xué)》核酸的結(jié)構(gòu)與功能5/9/202452《生物化學(xué)》核酸的結(jié)構(gòu)與功能5/9/2024DNA的

三股螺旋53《生物化學(xué)》核酸的結(jié)構(gòu)與功能5/9/2024

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(zhǎng)的鏡像重復(fù)時(shí)，形成局部三股配對(duì)，并互相盤(pán)繞的三股螺旋，其中兩股的堿基按Watson-Crick方式配對(duì)，第三股多聚嘧啶（鏡像重復(fù)）通過(guò)TAT和CGC+配對(duì)，而處于雙螺旋的大溝中。*DNA三股螺旋54《生物化學(xué)》核酸的結(jié)構(gòu)與功能5/9/2024DNA的

三股螺旋55《生物化學(xué)》核酸的結(jié)構(gòu)與功能5/9/2024DNA三螺旋的堿基配對(duì)56《生物化學(xué)》核酸的結(jié)構(gòu)與功能5/9/2024DNA三螺旋的堿基配對(duì)57《生物化學(xué)》核酸的結(jié)構(gòu)與功能5/9/2024DNA的其它螺旋結(jié)構(gòu)回文結(jié)構(gòu)鏡像重復(fù)58《生物化學(xué)》核酸的結(jié)構(gòu)與功能5/9/2024

回文結(jié)構(gòu)—雙鏈DNA中含有的二個(gè)結(jié)構(gòu)相同、方向相反的序列稱為反向重復(fù)序列，也稱為回文結(jié)構(gòu)，每條單鏈以任一方向閱讀時(shí)都是一樣的。

短的回文結(jié)構(gòu)可能是一種特別的信號(hào)，如限制性內(nèi)切酶的識(shí)別位點(diǎn)。較長(zhǎng)的回文結(jié)構(gòu)能形成發(fā)夾結(jié)構(gòu)。5’3’3’5’59《生物化學(xué)》核酸的結(jié)構(gòu)與功能5/9/2024AATTCAAGGGAGAAGTATAGAAGAGGGAAGGATCTTAAGTTCCCTCTTCATATCTTCTCCCTTCCTAG

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(méi)有互補(bǔ)序列，不能形成發(fā)夾結(jié)構(gòu)。鏡像重復(fù)60《生物化學(xué)》核酸的結(jié)構(gòu)與功能5/9/2024三、DNA的三級(jí)結(jié)構(gòu)DNA的超螺旋結(jié)構(gòu)超螺旋結(jié)構(gòu)(superhelix或supercoil)DNA雙螺旋鏈再盤(pán)繞即形成超螺旋結(jié)構(gòu)。正超螺旋(positivesupercoil)盤(pán)繞方向與DNA雙螺旋方同相同負(fù)超螺旋(negativesupercoil)盤(pán)繞方向與DNA雙螺旋方向相反61《生物化學(xué)》核酸的結(jié)構(gòu)與功能5/9/202462《生物化學(xué)》核酸的結(jié)構(gòu)與功能5/9/2024意義DNA超螺旋結(jié)構(gòu)整體或局部的拓?fù)鋵W(xué)變化及其調(diào)控對(duì)于DNA復(fù)制和RNA轉(zhuǎn)錄過(guò)程具有關(guān)鍵作用。63《生物化學(xué)》核酸的結(jié)構(gòu)與功能5/9/2024第四節(jié)核酸與蛋白質(zhì)的復(fù)合體ComplexofNucleicAcidandProtein64《生物化學(xué)》核酸的結(jié)構(gòu)與功能5/9/2024一、染色體染色體泛指病毒、細(xì)菌、真核細(xì)胞遺傳信息庫(kù)中的核酸分子。真核生物染色體由DNA和蛋白質(zhì)構(gòu)成，其基本單位是核小體(nucleosome)。65《生物化學(xué)》核酸的結(jié)構(gòu)與功能5/9/2024核小體的組成DNA：

約200bp組蛋白：H1

H2A，H2B

H3

H4組蛋白核心八聚體×2=66《生物化學(xué)》核酸的結(jié)構(gòu)與功能5/9/2024真核-核小體的結(jié)構(gòu)67《生物化學(xué)》核酸的結(jié)構(gòu)與功能5/9/2024核小體和染色質(zhì)68《生物化學(xué)》核酸的結(jié)構(gòu)與功能5/9/2024串珠狀核小體結(jié)構(gòu)69《生物化學(xué)》核酸的結(jié)構(gòu)與功能5/9/202470《生物化學(xué)》核酸的結(jié)構(gòu)與功能5/9/202471《生物化學(xué)》核酸的結(jié)構(gòu)與功能5/9/2024真核生物染色體DNA組裝不同層次的結(jié)構(gòu)DNA

（2nm）核小體鏈（11nm，每個(gè)核小體200bp）纖絲（30nm，每圈6個(gè)核小體）突環(huán)（150nm，每個(gè)突環(huán)大約75000bp）玫瑰花結(jié)（300nm，6個(gè)突環(huán)）螺旋圈（700nm，每圈30個(gè)玫瑰花結(jié)）染色體（1400nm，每個(gè)染色體含10個(gè)螺旋圈）72《生物化學(xué)》核酸的結(jié)構(gòu)與功能5/9/2024DNA的生物學(xué)功能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(gè)體生命活動(dòng)的信息基礎(chǔ)。73《生物化學(xué)》核酸的結(jié)構(gòu)與功能5/9/2024S：光滑R：粗糙74《生物化學(xué)》核酸的結(jié)構(gòu)與功能5/9/2024DNA分子中不同排列順序的DNA區(qū)段構(gòu)成特定的功能單位，即基因(gene)。細(xì)胞內(nèi)遺傳信息的攜帶者---染色體所包含的DNA總體稱為基因組(genome)。人類基因組含3×109bpDNA，理論上可編碼200萬(wàn)以上的基因，但是資料表明編碼蛋白質(zhì)的這部分序列只占基因組的3％到5％，也就是說(shuō)，人類基因組中多達(dá)95％到97％是非編碼區(qū)。75《生物化學(xué)》核酸的結(jié)構(gòu)與功能5/9/2024二、病毒(virus)病毒是由核酸和蛋白質(zhì)組成的非細(xì)胞生物，是裸露的染色體。從結(jié)構(gòu)上看，核酸在內(nèi)，蛋白質(zhì)在外，包裹著核酸，這層蛋白叫做衣殼（capsid）。病毒通常只含有一種核酸，只含DNA的叫DNA病毒；只含RNA的叫RNA病毒，目前尚未發(fā)現(xiàn)既含有DNA，又含有RNA的病毒。76《生物化學(xué)》核酸的結(jié)構(gòu)與功能5/9/2024病毒顆粒結(jié)構(gòu)示意圖77《生物化學(xué)》核酸的結(jié)構(gòu)與功能5/9/2024噬菌體T2結(jié)構(gòu)頭部頸圈尾部基板尾絲尖釘DNA78《生物化學(xué)》核酸的結(jié)構(gòu)與功能5/9/2024HIVvirus截面圖79《生物化學(xué)》核酸的結(jié)構(gòu)與功能5/9/2024第五節(jié)

RNA的分子結(jié)構(gòu)MolecularStructureofRNA80《生物化學(xué)》核酸的結(jié)構(gòu)與功能5/9/2024RNA的特點(diǎn)RNA是單鏈分子，因此在RNA分子中，嘌呤的總數(shù)不一定等于嘧啶的總數(shù)。RNA分子中，部分區(qū)域也能形成雙螺旋結(jié)構(gòu)，不能形成雙螺旋的部分，則形成單鏈突環(huán)。這種結(jié)構(gòu)稱為“發(fā)夾型”結(jié)構(gòu)。不同類型的RNA,其二級(jí)結(jié)構(gòu)有明顯的差異。tRNA中除了常見(jiàn)的堿基外，還存在一些稀有堿基，這類堿基大部分位于突環(huán)部分。81《生物化學(xué)》核酸的結(jié)構(gòu)與功能5/9/2024

RNA的結(jié)構(gòu)

RNA的一級(jí)結(jié)構(gòu)：是由數(shù)量極其龐大的四種核糖核酸（AMP、GMP、CMP、UMP）按一定順序，通過(guò)3′，5′-磷酸二酯鍵連成的線形分子，其表示方法與DNA相同。

RNA的二級(jí)結(jié)構(gòu)：是不完全螺旋的多核苷酸鏈。

RNA的三級(jí)結(jié)構(gòu)：是在二級(jí)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上進(jìn)一步扭曲折疊而成的復(fù)雜結(jié)構(gòu)。82《生物化學(xué)》核酸的結(jié)構(gòu)與功能5/9/202483《生物化學(xué)》核酸的結(jié)構(gòu)與功能5/9/2024RNA的二級(jí)結(jié)構(gòu)84《生物化學(xué)》核酸的結(jié)構(gòu)與功能5/9/2024RNA的二級(jí)結(jié)構(gòu)85《生物化學(xué)》核酸的結(jié)構(gòu)與功能5/9/2024RNA的三級(jí)結(jié)構(gòu)86《生物化學(xué)》核酸的結(jié)構(gòu)與功能5/9/2024RNA的主要類型與功能87《生物化學(xué)》核酸的結(jié)構(gòu)與功能5/9/20241.tRNA的一級(jí)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)含稀有堿基較多

3′末端為—CCA-OH

5′末端大多數(shù)為G，也有的為C

由70~90個(gè)核苷酸組成一、轉(zhuǎn)運(yùn)RNA的結(jié)構(gòu)與功能88《生物化學(xué)》核酸的結(jié)構(gòu)與功能5/9/20242.tRNA的二級(jí)結(jié)構(gòu)——三葉草形氨基酸臂額外環(huán)

在結(jié)構(gòu)上具有某些共同之處，一般可將其分為四臂四環(huán)：包括氨基酸接受臂、反密碼（環(huán)）臂、二氫尿嘧啶（環(huán)）臂、TC（環(huán)）臂和可變環(huán)。89《生物化學(xué)》核酸的結(jié)構(gòu)與功能5/9/2024(1)氨基酸接受區(qū)

包含有tRNA的3’-末端和5’-末端，3’-末端的最后3個(gè)核苷酸殘基都是CCA，A為腺苷酸。氨基酸可與其成酯，該區(qū)在蛋白質(zhì)合成中起攜帶氨基酸的作用。

90《生物化學(xué)》核酸的結(jié)構(gòu)與功能5/9/2024

(2)反密碼區(qū)

與氨基酸接受區(qū)相對(duì)，一般環(huán)中含有7個(gè)核苷酸殘基，臂中含有5對(duì)堿基。其中環(huán)中正中的3個(gè)核苷酸殘基稱為反密碼子。91《生物化學(xué)》核酸的結(jié)構(gòu)與功能5/9/2024(3)二氫尿嘧啶區(qū)該區(qū)含有二氫尿嘧啶。環(huán)由8-12個(gè)核苷酸組成，臂由3-4對(duì)堿基組成。

92《生物化學(xué)》核酸的結(jié)構(gòu)與功能5/9/2024

(4)TC區(qū)

因含TC順序而得名，環(huán)由7個(gè)核苷酸組成，通過(guò)5對(duì)堿基組成的雙螺旋區(qū)(TC臂)與tRNA的其余部分相連。除個(gè)別例外，幾乎所有tRNA在此環(huán)中都含有TC。93《生物化學(xué)》核酸的結(jié)構(gòu)與功能5/9/2024

(5)可變區(qū)位于反密碼區(qū)與TC區(qū)之間，不同的tRNA該區(qū)變化較大，一般有3-18個(gè)核苷酸組成。94《生物化學(xué)》核酸的結(jié)構(gòu)與功能5/9/20243.tRNA的三級(jí)結(jié)構(gòu)——倒L形*tRNA的功能活化、搬運(yùn)氨基酸到核糖體，參與蛋白質(zhì)的翻譯。TC環(huán)DHU環(huán)95《生物化學(xué)》核酸的結(jié)構(gòu)與功能5/9/2024二、核糖體RNA的結(jié)構(gòu)與功能*rRNA的功能占細(xì)胞總RNA的80%，參與組成核蛋白體，作為蛋白質(zhì)生物合成的場(chǎng)所。96《生物化學(xué)》核酸的結(jié)構(gòu)與功能5/9/2024rRNA的二級(jí)結(jié)構(gòu)-大腸桿菌5SrRNA的結(jié)構(gòu)

類似于三葉草型97《生物化學(xué)》核酸的結(jié)構(gòu)與功能5/9/2024rRNA與蛋白質(zhì)組成核糖體原核生物（以大腸桿菌為例）真核生物（以小鼠肝為例）小亞基30S40SrRNA16S1542個(gè)核苷酸18S1874個(gè)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(gè)核苷酸120個(gè)核苷酸28S5.8S5S4718個(gè)核苷酸160個(gè)核苷酸120個(gè)核苷酸蛋白質(zhì)36種占總重量的30%49種占總重量的35%98《生物化學(xué)》核酸的結(jié)構(gòu)與功能5/9/2024三、信使RNA的結(jié)構(gòu)與功能原核生物mRNA的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：SD序列：原核生物mRNA的5’端總有一段富含嘌呤堿基的序列，典型的是5’-AGGAGGU-3’，稱為SD序列。該序列與mRNA對(duì)核糖體的識(shí)別有關(guān)，有助于蛋白質(zhì)合成時(shí)的正確起始。mRNA的功能：作為蛋白質(zhì)合成的模板。99《生物化學(xué)》核酸的結(jié)構(gòu)與功能5/9/2024*真核生物mRNA的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：1.大多數(shù)真核mRNA的5′末端均在轉(zhuǎn)錄后加上一個(gè)7-甲基鳥(niǎo)苷，同時(shí)第一個(gè)核苷酸的C′2也是甲基化，形成“帽子結(jié)構(gòu)”：m7GpppNm-。2.大多數(shù)真核mRNA的3′末端有一個(gè)多聚腺苷酸(polyA)結(jié)構(gòu)，長(zhǎng)約20-300個(gè)腺苷酸，稱為多聚A尾。100《生物化學(xué)》核酸的結(jié)構(gòu)與功能5/9/2024polyA作用：保護(hù)作用，抵抗核酸外切酶的降解；與mRNA從細(xì)胞核向細(xì)胞質(zhì)的移動(dòng)有關(guān)；與mRNA壽命有關(guān)。“帽子結(jié)構(gòu)”作用：保護(hù)作用，抵御5’-核酸外切酶的降解作用；與蛋白質(zhì)合成的起始有關(guān)。101《生物化學(xué)》核酸的結(jié)構(gòu)與功能5/9/2024核酸的理化性質(zhì)ThePhysicalandChemicalCharactersofNucleicAcid第六節(jié)102《生物化學(xué)》核酸的結(jié)構(gòu)與功能5/9/2024DNA為白色纖維狀固體，RNA為白色粉末狀固體，都微溶于水，其鈉鹽在水中的溶解度較大。但不溶于乙醇、乙醚和氯仿等一般有機(jī)溶劑。（用乙醇從溶液中沉淀核酸）

DNA和RNA在細(xì)胞中常以核蛋白形式存在，兩種核蛋白在鹽溶液中的溶解度不同。

DNA核蛋白R(shí)NA核蛋白

0.14mol/LNaCl不溶溶

1-2mol/LNaCl溶不溶一、核酸的一般性質(zhì)103《生物化學(xué)》核酸的結(jié)構(gòu)與功能5/9/2024DNA溶液的黏度很大，而RNA溶液的黏度小得多。核酸發(fā)生變性或降解后其黏度降低。核酸受到強(qiáng)大離心力的作用時(shí)，可從溶液中沉降下來(lái)，其沉降速度與核酸的大小和密度有關(guān)。核酸是兩性電解質(zhì)（含堿性基團(tuán)、磷酸基團(tuán)），因磷酸的酸性強(qiáng)，常表現(xiàn)酸性。由于核酸分子在一定酸度的緩沖液中帶有電荷，因此可利用電泳進(jìn)行分離和研究其特性。最常用的是凝膠電泳。104《生物化學(xué)》核酸的結(jié)構(gòu)與功能5/9/2024二、核酸的紫外吸收特性核酸在260nm波長(zhǎng)有最大吸收峰，是由堿基的共軛雙鍵決定的。這一特性常用作核酸的定性、定量分析。105《生物化學(xué)》核酸的結(jié)構(gòu)與功能5/9/2024OD260的應(yīng)用1.DNA或RNA的定量OD260=1.0相當(dāng)于50μg/ml雙鏈DNA40μg/ml單鏈DNA或RNA2.判斷核酸樣品的純度DNA純品:OD260/OD280=1.8RNA純品:OD260/OD280=2.0106《生物化學(xué)》核酸的結(jié)構(gòu)與功能5/9/2024DNA的紫外吸收光譜1.天然DNA2.變性DNA3.核苷酸總吸收值2202402602800.10.20.30.4波長(zhǎng)（nm）光吸收123107《生物化學(xué)》核酸的結(jié)構(gòu)與功能5/9/2024核酸的紫外光吸收值常比其各核苷酸成分的光吸收值之和少20－60%，這是在有規(guī)律的雙螺旋結(jié)構(gòu)中堿基緊密地堆積在一起造成的。108《生物化學(xué)》核酸的結(jié)構(gòu)與功能5/9/2024三、DNA的變性復(fù)性與分子雜交

（一）

DNA的變性(denaturation)定義：核酸的變性指核酸雙螺旋的氫鍵斷裂（不涉及共價(jià)鍵的斷裂），變成單鏈，生物活性喪失的過(guò)程。變性因素：熱力、強(qiáng)酸、強(qiáng)堿、有機(jī)溶劑、變性劑、射線、機(jī)械力等。109《生物化學(xué)》核酸的結(jié)構(gòu)與功能5/9/2024DNA的變性過(guò)程加熱部分雙螺旋解開(kāi)無(wú)規(guī)則線團(tuán)鏈內(nèi)堿基配對(duì)110《生物化學(xué)》核酸的結(jié)構(gòu)與功能5/9/2024DNA變性的本質(zhì)是雙鏈間氫鍵的斷裂111《生物化學(xué)》核酸的結(jié)構(gòu)與功能5/9/2024

變性后理化性質(zhì)變化：

DNA溶液的粘度降低浮力密度增加旋光偏振光改變紫外吸收增加（增色效應(yīng)）生物活性喪失但DNA的一級(jí)結(jié)構(gòu)不發(fā)生改變112《生物化學(xué)》核酸的結(jié)構(gòu)與功能5/9/2024增色效應(yīng)：DNA變性時(shí)其溶液OD260增高的現(xiàn)象。113《生物化學(xué)》核酸的結(jié)構(gòu)與功能5/9/2024當(dāng)DNA的稀鹽溶液加熱到80-100℃時(shí)，雙螺旋結(jié)構(gòu)即發(fā)生解體，兩條鏈彼此分開(kāi)，形成無(wú)規(guī)線團(tuán)。

熔解溫度（meltingtemperature,Tm）：DNA熱變性過(guò)程中，紫外吸收達(dá)到最大值的一半時(shí)溶液的溫度稱為熔解溫度（Tm）或解鏈溫度、變性溫度。實(shí)驗(yàn)室常用的方法——熱變性114《生物化學(xué)》核酸的結(jié)構(gòu)與功能5/9/20248090100100%50%OD260

Tm

變性溫度范圍①②③℃115《生物化學(xué)》核酸的結(jié)構(gòu)與功能5/9/2024影響Tm值的因素(2)DNA的性質(zhì)和組成(1)溶液的離子強(qiáng)度大腸桿菌DNA在不同濃度KCl溶液下的熔融溫度曲線離子強(qiáng)度越高，Tm值越高G≡C，3個(gè)氫鍵，打開(kāi)所需能量較A=T大，GC%越高，Tm越高116《生物化學(xué)》核酸的結(jié)構(gòu)與功能5/9/2024

核酸的均一性愈高的樣品，變性過(guò)程的溫度范圍愈小。(3)DNA的均一程度117《生物化學(xué)》核酸的結(jié)構(gòu)與功能5/9/2024（二）DNA的復(fù)性

DNA復(fù)性(renaturation)的定義在適當(dāng)條件下，變性DNA的兩條互補(bǔ)鏈可恢復(fù)天然的雙螺旋構(gòu)象，這一現(xiàn)象稱為復(fù)性。