第一章 核酸的高级结构

1、第第 一一 章章 核酸的高级结构核酸的高级结构|18681868年年，瑞士的一位年轻的科学家，瑞士的一位年轻的科学家 FridrichFridrich MiescherMiescher（1844-18951844-1895） 从从外科绷带上脓细胞外科绷带上脓细胞的细胞核中分的细胞核中分 离出一种有机物质，它的含磷量超离出一种有机物质，它的含磷量超 过了当时发现的任何有机化合物，并有很强的酸性，由过了当时发现的任何有机化合物，并有很强的酸性，由于该物质是从细胞核中分离出来的，因此当时就称它为于该物质是从细胞核中分离出来的，因此当时就称它为“核素核素”（nucleinnuclein），），Mies

2、cherMiescher所分离到的核素就是我所分离到的核素就是我们今天所指的脱氧核糖核蛋白。们今天所指的脱氧核糖核蛋白。 |18891889年，年， AltmannAltmann首先制备了不含蛋白质的核酸制品，首先制备了不含蛋白质的核酸制品，因为是从细胞核中分离出来的酸性物质，所有叫因为是从细胞核中分离出来的酸性物质，所有叫核酸核酸（nucleic acidnucleic acid）。 后来，研究发现后来，研究发现细胞质、线粒体、叶绿体细胞质、线粒体、叶绿体、无核结构的、无核结构的细菌细菌和没有细胞结构的和没有细胞结构的病毒病毒都含有核酸，从此都含有核酸，从此“核酸核酸”这一名称保留并一直沿用

3、至今。这一名称保留并一直沿用至今。 核酸作为生物体的一种化学物质，早期的研究仅限于它核酸作为生物体的一种化学物质，早期的研究仅限于它的的化学组成化学组成。 虽然早在虽然早在2020世纪世纪4040年代，人们已经知道年代，人们已经知道DNADNA是由是由四种核四种核苷酸苷酸组成的多聚体长链，但也只是将它看作细胞中的一组成的多聚体长链，但也只是将它看作细胞中的一般化学成分，且由于这四种核苷酸比较相像，化学结构般化学成分，且由于这四种核苷酸比较相像，化学结构看来也十分简单，因此也没有人注意到它的生物学功能。看来也十分简单，因此也没有人注意到它的生物学功能。当时普遍认为，决定遗传特性的物质是蛋白质。当

4、时普遍认为，决定遗传特性的物质是蛋白质。19441944年年， AveryAvery等人等人著名的肺炎双球菌转化实验著名的肺炎双球菌转化实验证实证实核酸核酸是是主要主要遗传物质遗传物质。见图见图19521952年，年，HersheyHershey等人用等人用同位素标记法同位素标记法研究研究T2T2噬菌体的噬菌体的感染作用，他们用感染作用，他们用3232P P标记噬菌体的标记噬菌体的DNADNA，用，用3535S S标记蛋白标记蛋白质，然后感染大肠杆菌。结果发现只有质，然后感染大肠杆菌。结果发现只有3232P-DNAP-DNA进入细进入细菌细胞，菌细胞，3535S S蛋白质留在细胞外，进一步蛋白

5、质留在细胞外，进一步肯定了肯定了DNADNA的遗的遗传作用。传作用。19531953年年，WatsonWatson和和CrickCrick确定了确定了DNADNA的双螺旋结构，发的双螺旋结构，发现碱基互补配对原理，同时提出了现碱基互补配对原理，同时提出了DNADNA半保留复制假说。半保留复制假说。基础知识基础知识l野 生 型 肺 炎 双 球 菌野 生 型 肺 炎 双 球 菌( (S t r e p - t o c o c c u s S t r e p - t o c o c c u s pneumoniaepneumoniae) )菌落为菌落为光滑光滑型型，一种突变型为，一种突变型为粗糙型粗

6、糙型，两者根本差异在于荚膜形两者根本差异在于荚膜形成；成；l荚膜的主要成分是多糖，荚膜的主要成分是多糖，具特殊的抗原性；具特殊的抗原性；l不同抗原型是遗传的、稳不同抗原型是遗传的、稳定的，一般情况下不发生定的，一般情况下不发生互变。互变。荚膜荚膜 菌落菌落 毒性毒性类型类型光滑型光滑型S S 发达发达 光滑光滑有有I, II, I, II, IIIIII粗糙型粗糙型R R无无粗糙粗糙无无I, III, IIorand可分离可分离v19681968年，年， NirenbergNirenberg发现发现遗传密码。遗传密码。v19751975年，年， TeminTemin和和BaltimoreBal

7、timore发发现现逆转录酶。逆转录酶。v19811981年，年， GilbertGilbert和和SangerSanger建建立立DNA DNA 测序方法。测序方法。同年，同年，CechCech发现四膜虫发现四膜虫rRNArRNA前体能够通过自我拼接切除内含子，前体能够通过自我拼接切除内含子，表明表明RNARNA也具有催化功能，称为核酶也具有催化功能，称为核酶(ribozyme),(ribozyme),这是对这是对“酶一定是蛋白质酶一定是蛋白质”传统观点的一次大的冲击。传统观点的一次大的冲击。v1 9 8 31 9 8 3 年 ，年 ， S i m o n sS i m o n s 和和 M

8、 i z u n oM i z u n o 等 分 别 发 现 了 反 义等 分 别 发 现 了 反 义RNA(antisense RNA)RNA(antisense RNA)，表明，表明RNARNA还具有调节功能。还具有调节功能。v 1985年，年， Mullis发明发明PCR(Polymerase Chain Reaction)技术技术,即聚合酶链式反应。此项技术是模仿即聚合酶链式反应。此项技术是模仿DNA在生物在生物体内的自然复制过程体内的自然复制过程,来扩增来扩增DNA片段片段。v 1986年，年，Gilbert提出提出“RNA世界世界”的假说。这一假说的假说。这一假说认为，在认为，在

9、40亿年前的太古代，地球上就已经诞生了亿年前的太古代，地球上就已经诞生了RNA自我复制系统自我复制系统“RNA世界世界”。v 之后，之后，RNA不但能进行有机物合成，而且还能与原始不但能进行有机物合成，而且还能与原始地球上出现的蛋白质相互作用，迎来了它们的共生时地球上出现的蛋白质相互作用，迎来了它们的共生时代代“RNA-蛋白质世界蛋白质世界”，最终逐渐形成原始生命。，最终逐渐形成原始生命。l后来，后来，RNA将大多数催化功能交给更高活性的蛋白质，将大多数催化功能交给更高活性的蛋白质，将遗传信息传递功能交给了在化学性质上更稳定的将遗传信息传递功能交给了在化学性质上更稳定的DNA，久而久之，才演变

10、成现在的生物世界，也就是，久而久之，才演变成现在的生物世界，也就是“DNA世界世界”。l1990年，年， 美国政府出资美国政府出资30亿美元，用亿美元，用15年的时间完成年的时间完成人类基因组计划人类基因组计划(human genome project,HGP)。1994年，中国人类基因组计划启动。年，中国人类基因组计划启动。2001年，美、英等国年，美、英等国完成人类基因组计划基本框架。完成人类基因组计划基本框架。2003年年4月月14日，人类日，人类基因组计划胜利完成。基因组计划胜利完成。 核酸（核酸（nucleic acid）是以核苷酸为基本是以核苷酸为基本组成单位的生物大分子，携带和传

11、递遗组成单位的生物大分子，携带和传递遗传信息。传信息。二、核酸的概念二、核酸的概念根据核酸的化学组成可分为：根据核酸的化学组成可分为：1.1.脱氧核糖核酸（脱氧核糖核酸（Deoxyribonucleic acidDeoxyribonucleic acid，DNADNA）部位：部位：细胞核（细胞核（98%98%）、线粒体、叶绿体）、线粒体、叶绿体功能：功能：是遗传的物质基础。能携带遗传信息，决定是遗传的物质基础。能携带遗传信息，决定C C和个和个体的基因型。体的基因型。2. 2. 核糖核酸（核糖核酸（ribonucleic acidribonucleic acid，RNARNA）部位：部位：主要

12、细胞质主要细胞质 功能：功能：参与参与C C内内DNADNA遗传信息的表达。在少数物种如某些病遗传信息的表达。在少数物种如某些病毒中也可作为遗传信息的载体。毒中也可作为遗传信息的载体。 RNARNA又可根据分子大小和又可根据分子大小和生物学功能不同，分为生物学功能不同，分为: :信使核糖核酸信使核糖核酸（messenger RNA，mRNA）转运核糖核酸转运核糖核酸（Transfer RNA，tRNA）核糖体核糖核酸核糖体核糖核酸（Ribosomal RNA，rRNA）rRNArRNAtRNAtRNAmRNAmRNA比例比例80808282151516163 35 5沉降系数沉降系数原核：原核

13、：5S5S、16S16S、23S23S；真核：真核：5S5S、18S18S、28S28S、5.8S5.8S4S4S6 625S25S代谢稳定性代谢稳定性稳定稳定稳定稳定不稳定不稳定存在形式存在形式与多种蛋白质形成与多种蛋白质形成核糖核蛋白体，位核糖核蛋白体，位于粗面内质网上或于粗面内质网上或以单体形式存在以单体形式存在与氨基酸结合或与氨基酸结合或以游离状态存在以游离状态存在与核糖体结合或与核糖体结合或单独存在单独存在存在部位存在部位细胞质细胞质细胞质细胞质细胞质细胞质生理功能生理功能蛋白质合成的场蛋白质合成的场所所在蛋白质合成在蛋白质合成过程中运输活过程中运输活化的氨基酸化的氨基酸蛋白质合成的

14、蛋白质合成的模板模板The Chemical Component of Nucleic Acid戊糖戊糖含含N N碱基碱基核酸核酸核苷酸核苷酸 水解水解 磷酸磷酸嘧啶碱嘧啶碱嘌呤碱嘌呤碱核苷核苷核糖核糖 （戊糖）（戊糖）脱氧核糖脱氧核糖 ( (脱氧戊糖脱氧戊糖) )1、核酸的彻底水解：、核酸的彻底水解：核酸的基本构成核酸的基本构成核酸核酸Nucleic acid核苷酸核苷酸Nucleotide核苷核苷Nucleoside 碱基碱基Base 核糖核糖Ribose 脱氧核糖脱氧核糖Deoxyribose 嘧啶碱嘧啶碱Purine bases胸腺嘧啶胸腺嘧啶thymine胞嘧啶胞嘧啶cytosine

15、尿嘧啶尿嘧啶uracil嘌呤碱嘌呤碱Pyrimidine bases腺嘌呤腺嘌呤adenine鸟嘌呤鸟嘌呤guanine磷酸磷酸phosphoric acid戊糖戊糖pentose2、核酸的化学组成、核酸的化学组成 1）元素组成）元素组成C、H、O、N、P（910%）2）分子组成）分子组成 碱基碱基(base)：嘌呤碱、嘧啶碱嘌呤碱、嘧啶碱 戊糖戊糖(ribose)：核糖、脱氧核糖核糖、脱氧核糖 磷酸磷酸(phosphate)DNADNA：戊糖为：戊糖为-D-2-D-2脱氧核糖脱氧核糖RNARNA：戊糖为：戊糖为-D-D-核糖。核糖。（构成（构成RNA）1 2 3 4 5 OHOCH2OHOH

16、OH核糖核糖(ribose)（构成（构成DNA）OHOCH2OHOH脱氧核糖脱氧核糖(deoxyribose)1.1.嘌呤嘌呤 ( (purinepurine) ) NNNHN123456789NNNHNNH2腺嘌呤腺嘌呤(adenine, A)NNHNHNNH2O鸟嘌呤鸟嘌呤(guanine, G)NNH1324562.2.嘧啶嘧啶(pyrimidine(pyrimidine) )胞嘧啶胞嘧啶(cytosine, C)NNHNH2O尿嘧啶尿嘧啶(uracil, U)NHNHOO胸腺嘧啶胸腺嘧啶(thymine, T)NHNHOOCH3l含氧的碱基有含氧的碱基有烯醇式烯醇式和和酮式酮式两种互变

17、异构体，在生理两种互变异构体，在生理 pH条件下主要以条件下主要以酮式酮式存在。体内核酸大分子中的碱基存在。体内核酸大分子中的碱基也以酮式存在。也以酮式存在。l尿嘧啶的互变异构作用如下：尿嘧啶的互变异构作用如下：酮式酮式NHNHOO烯醇式烯醇式NHNHOOOHOH注意：嘌呤和嘧啶中均含有共轭双键，因此对注意：嘌呤和嘧啶中均含有共轭双键，因此对 260nm波长的紫外线有特异吸收峰。波长的紫外线有特异吸收峰。核苷核苷是由戊糖与含氮碱是由戊糖与含氮碱基经脱水缩合而生成的基经脱水缩合而生成的化合物（糖苷）。化合物（糖苷）。由碱基和核糖或脱氧核由碱基和核糖或脱氧核糖通过糖通过糖苷键糖苷键连接而成。连接而

18、成。连接部位：连接部位：糖的糖的C-1C-1，嘌，嘌呤呤-N9-N9，嘧啶，嘧啶-N1-N1。u核苷：核苷：用单字符号（用单字符号（A, G, U, CA, G, U, C）表示）表示u脱氧核苷：脱氧核苷：在单字符号前加一小写得在单字符号前加一小写得d d （dA, dG, dT, dCdA, dG, dT, dC）l在大多数情况下，核苷是由核糖或脱氧在大多数情况下，核苷是由核糖或脱氧核糖的核糖的C1-羟基与嘧啶碱羟基与嘧啶碱N1或嘌呤碱或嘌呤碱N9进进行缩合，故生成的化学键称为行缩合，故生成的化学键称为，N糖苷键糖苷键由由碱基和核糖（脱氧核糖）通过碱基和核糖（脱氧核糖）通过糖苷键糖苷键连接形

19、连接形成核苷（脱氧核苷）。成核苷（脱氧核苷）。OHOCH2OHOHNNNH2O1 1嘧啶碱：嘧啶碱： C C1 1 N N1 1，嘌呤碱：，嘌呤碱： C C1 1 N N9 9。核酸中的核苷与脱氧核苷均为核酸中的核苷与脱氧核苷均为-型型碱基平面与核糖平面互相垂直碱基平面与核糖平面互相垂直腺苷腺苷(A) 脱氧胞苷脱氧胞苷(dC)1,N9-糖苷键糖苷键 1,N1-糖苷键糖苷键11N-9N-1 POOOHOHOCH2OHOHNNNH2OOHOCH2OHOHNNNH2O核苷核苷（脱氧核苷）和磷酸脱水缩合后生脱氧核苷）和磷酸脱水缩合后生成的磷酸酯类化合物，以成的磷酸酯类化合物，以磷酸酯键磷酸酯键连接形成

20、。即核连接形成。即核苷的磷酸酯。包括核苷酸和脱氧核苷酸。苷的磷酸酯。包括核苷酸和脱氧核苷酸。 POOOHOHOCH2OHOHNNNH2OH磷酸磷酸OHOCH2OHOHNNNH2O脱氧胞苷脱氧胞苷(dC) H2O磷酸酯键磷酸酯键核苷酸的分子结构核苷酸的分子结构l2.生物体内多为生物体内多为5，- 核苷酸，即核苷酸，即P基团位于糖基团位于糖的的C-5，上。上。3. 5-3. 5-核苷酸又可按其在核苷酸又可按其在55位缩合的磷酸基位缩合的磷酸基的多少，分为一磷酸核苷（核苷酸）、二磷酸核的多少，分为一磷酸核苷（核苷酸）、二磷酸核苷和三磷酸核苷。苷和三磷酸核苷。 l4.有些核酸中还含有稀有碱基，这些碱基

21、大多是有些核酸中还含有稀有碱基，这些碱基大多是在上述嘌呤或嘧啶碱的在上述嘌呤或嘧啶碱的不同部位甲基化不同部位甲基化或进行或进行其其它的化学修饰它的化学修饰而形成的衍生物。而形成的衍生物。，l3，5环化腺苷酸环化腺苷酸 (cAMP, adenosine 3, 5cyclic monophosphate)l3，5环化鸟苷酸环化鸟苷酸 (cGMP, guanosine 3，5cyclic monophosphate)l环化核苷酸在细胞内代谢的调节和跨细胞膜信号中起着环化核苷酸在细胞内代谢的调节和跨细胞膜信号中起着十分重要的作用。十分重要的作用。5 端端3 端端6 6、核苷酸的连接核苷酸的连接 核酸是

22、由许多单核苷核酸是由许多单核苷酸聚合形成的多核苷酸链，酸聚合形成的多核苷酸链，没有分支。核苷酸之间以没有分支。核苷酸之间以33，55磷酸二酯键磷酸二酯键连连接形成多核苷酸链。核苷接形成多核苷酸链。核苷酸链的方向是酸链的方向是5533。CGAl 3 3，5- 5- 磷酸二酯键磷酸二酯键 33，5- 5- 磷酸二酯键是磷酸二酯键是由一个核苷酸的由一个核苷酸的55位磷酸与另位磷酸与另一个核苷酸的一个核苷酸的3-OH 3-OH 形成的。形成的。55端端3端端CGAl由相间排列的戊糖和磷酸构成由相间排列的戊糖和磷酸构成核酸大分子的主链。核酸大分子的主链。l代表其特性的碱基则可以看成代表其特性的碱基则可以

23、看成是有次序的链接在其主链上的是有次序的链接在其主链上的侧链基团。侧链基团。l主链上的磷酸基是酸性的，在主链上的磷酸基是酸性的，在细胞的细胞的pHpH条件下带负电荷；而条件下带负电荷；而嘌呤和嘧啶碱基相对不溶于水嘌呤和嘧啶碱基相对不溶于水而具有疏水性质。而具有疏水性质。55端端3端端CGA注意：注意：1.1.由于生物体中主要为游由于生物体中主要为游离的离的5-5-磷酸核糖磷酸核糖 ( (即用于即用于合成核酸的单核苷酸为合成核酸的单核苷酸为55核苷酸核苷酸) )，因此，核苷酸链，因此，核苷酸链的合成方向是由的合成方向是由5 35 3。2.DNA2.DNA、RNARNA均构成不分支均构成不分支的线

24、性大分子，其中磷酸的线性大分子，其中磷酸基和基和( (脱氧脱氧) )戊糖基构成戊糖基构成DNADNA、RNARNA链的骨架，可变部分是链的骨架，可变部分是碱基排列顺序。碱基排列顺序。55端端3端端CGA55端端3端端CGAStructure of DNAlDNA的一级结构的一级结构: 基本结构基本结构lDNA的二级结构的二级结构 空间结构空间结构lDNA的三级结构的三级结构概念：概念： 核酸中核酸中4种核苷酸的连接及排列顺序。种核苷酸的连接及排列顺序。 由于核苷酸间的差异主要是碱基不同，由于核苷酸间的差异主要是碱基不同，所以也称为所以也称为碱基序列碱基序列。基因：基因：DNADNA分子中的某一

25、区段，经复制可传给分子中的某一区段，经复制可传给子代，经转录和翻译往往可合成蛋白质。子代，经转录和翻译往往可合成蛋白质。基因组（基因组（genomegenome）：）：一个生物体的全部基因序一个生物体的全部基因序列。人的基因组约有列。人的基因组约有3030亿亿bpbp。l(1)(1)原核生物的基因组小；原核生物的基因组小；l(2)(2)结构相对简单；结构相对简单；l(3)(3)基因为连续的基因为连续的DNADNA片段。片段。l (1)(1)大量重复序列：根据重复次数的多少分为：大量重复序列：根据重复次数的多少分为：高度重复序列：高度重复序列：可重复几百万次，多数为小于可重复几百万次，多数为小于

26、10bp10bp的短的短序列。一般位于异染色质上，多数不编码蛋白质或序列。一般位于异染色质上，多数不编码蛋白质或RNARNA，可能与染色体结构的形成及基因表达的调控有关。可能与染色体结构的形成及基因表达的调控有关。中度重复序列：中度重复序列：在在DNADNA分子中可重复几十次到几千次，分子中可重复几十次到几千次，主要主要rRNArRNA、tRNAtRNA基因和某些蛋白质基因属于此类。基因和某些蛋白质基因属于此类。单考贝序列：单考贝序列：在整个在整个DNADNA分子中质出现一次或少数几次，分子中质出现一次或少数几次，主要是编码蛋白质的结构基因，主要转录主要是编码蛋白质的结构基因，主要转录mRNA

27、mRNA。在人体。在人体细胞中约占细胞中约占DNADNA总数的一半。总数的一半。l(2)(2)基因的不连续性基因的不连续性真核结构基因的两侧，存在一些不被转录的非真核结构基因的两侧，存在一些不被转录的非编码序列，它们多为调控区。编码序列，它们多为调控区。而基因内部也有很多非编码序列，称而基因内部也有很多非编码序列，称内含子内含子。相应的，编码序列称相应的，编码序列称外显子外显子。断裂基因断裂基因-真核生物结构基因，由若干个真核生物结构基因，由若干个编码区和非编码区互相间隔开但又连续镶嵌而成编码区和非编码区互相间隔开但又连续镶嵌而成，去除非编码区再连接后，可翻译出由连续氨基，去除非编码区再连接后

28、，可翻译出由连续氨基酸组成的完整蛋白质，这些基因称为断裂基因酸组成的完整蛋白质，这些基因称为断裂基因(splite(splite gene) gene) 。 CABD编码区编码区 A、B、C、D(外显子外显子)非编码区非编码区( (内含子内含子) )外显子外显子(exon)和内含子和内含子(intron) 外显子外显子在断裂基因及其初级转录产物上出现，在断裂基因及其初级转录产物上出现，并表达为成熟并表达为成熟RNA的核酸序列。的核酸序列。 内含子内含子隔断基因的线性表达而在剪接过程中被隔断基因的线性表达而在剪接过程中被除去的核酸序列。除去的核酸序列。 研究背景研究背景: : DNA DNA双螺

29、旋结构模型的提出，揭示了生双螺旋结构模型的提出，揭示了生物界遗传性状得以世代相传的分子奥秘，标物界遗传性状得以世代相传的分子奥秘，标志着当代分子生物学的诞生，是科学史上最志着当代分子生物学的诞生，是科学史上最伟大的事件之一。伟大的事件之一。（一）（一） Watson和和Crick 提出的双螺旋结构提出的双螺旋结构 Watson Watson和和CrickCrick将当时人们对于将当时人们对于DNADNA分子特性的认识分子特性的认识和获得的各种数据在理论上综合分析计算，经过刻苦努和获得的各种数据在理论上综合分析计算，经过刻苦努力，并充分发挥出超凡想象力，终于推论出这一模型。力，并充分发挥出超凡想

30、象力，终于推论出这一模型。所以，他们在所以，他们在19621962年获诺贝尔奖时引用了牛顿的名言年获诺贝尔奖时引用了牛顿的名言“我（们）之所以看得远些，只因为站在巨人的肩膀我（们）之所以看得远些，只因为站在巨人的肩膀上上”。l因此，这一模型也称为因此，这一模型也称为“Watson-CrickWatson-Crick结构模型结构模型”。l他们主要的依据是什么呢？他们主要的依据是什么呢？l是下列三点：是下列三点：1. Chargaff规则：规则：应用层析法对多种生物应用层析法对多种生物DNA的碱基组成进行了分的碱基组成进行了分析，发现：析，发现：v（1）在）在DNA中中 A=T G=C。 这是这是

31、Chargaff规则的主要内容。规则的主要内容。v（2）不同生物种属的）不同生物种属的DNA碱基组成不同。碱基组成不同。v（3）同一个体不同器官、不同组织的）同一个体不同器官、不同组织的DNA具有相同的碱基组成。具有相同的碱基组成。2. 碱基间可以形成氢键碱基间可以形成氢键 A、T之间可以生成两个氢键，之间可以生成两个氢键，G、C之间可以生成三个氢键。之间可以生成三个氢键。研究氢键，可以帮助判断研究氢键，可以帮助判断DNA的构象，如当时已经了解的的构象，如当时已经了解的-螺旋。螺旋。l1.DNA1.DNA分子是由两条多核苷酸链围绕一个共同的轴而形分子是由两条多核苷酸链围绕一个共同的轴而形成的螺

32、旋体；成的螺旋体；l2.2.两条链都是右手螺旋，它们的骨架均由脱氧核糖和两条链都是右手螺旋，它们的骨架均由脱氧核糖和磷酸组成；磷酸组成；l3.3.碱基对在螺旋碱基对在螺旋内侧内侧，通过大沟和小沟可接近它们，通过大沟和小沟可接近它们，脱氧核糖基和脱氧核糖基和P P基骨架在骨架基骨架在骨架外侧外侧；l4.4.整个螺旋体的直径为整个螺旋体的直径为2nm2nm，螺距，螺距3.4nm3.4nm，碱，碱基平面距离基平面距离0.34nm0.34nm，即每个螺圈含，即每个螺圈含1010个螺旋。个螺旋。单股单股DNADNA链的方向取决于核苷酸单体间磷酸二链的方向取决于核苷酸单体间磷酸二酯键的走向，习惯上走向常是

33、酯键的走向，习惯上走向常是5 35 3，与之，与之相对应的链必为由相对应的链必为由3 5 3 5 ，因此，因此DNADNA分子分子中的两条链反向平行。中的两条链反向平行。l5. 5. 两条链以碱基间氢键而连结。两条链以碱基间氢键而连结。 A-TA-T配对、形成二个氢键。配对、形成二个氢键。 G-CG-C配对、形成三个氢键。配对、形成三个氢键。 -这称为这称为“碱基互补规碱基互补规律律”。碱基互补配对碱基互补配对 l6.DNA6.DNA双螺旋的维系：双螺旋的维系： 横向稳定横向稳定- - 由互补碱基间氢键维系由互补碱基间氢键维系 纵向稳定纵向稳定- - 碱基平面间的疏水的碱基堆积力碱基平面间的疏

34、水的碱基堆积力维系（通过相邻碱基维系（通过相邻碱基 - - 电子形成的疏水电子形成的疏水作用）。作用）。注：注：从总能量上说，碱基堆积力占的能量比例更从总能量上说，碱基堆积力占的能量比例更大些。大些。 DNA DNA的的Watson-CrickWatson-Crick结构模型是最常见的，结构模型是最常见的，也是最稳定的，称为也是最稳定的，称为B-DNAB-DNA。另外，还少量。另外，还少量A-DNAA-DNA及左旋的及左旋的Z-DNAZ-DNA等。等。 在体内，不同构象的在体内，不同构象的DNADNA在功能上有所差异，在功能上有所差异，可能参与基因表达的调节和控制。可能参与基因表达的调节和控制

35、。 lB-DNAB-DNA：在相对湿度为：在相对湿度为92%92%时所得到的时所得到的DNADNA钠盐纤维，这钠盐纤维，这种种DNADNA称为称为-。lA-DNAA-DNA：在相对湿度为在相对湿度为75%75%时所得到的时所得到的DNADNA钠盐纤维，这钠盐纤维，这种种DNADNA称为称为-。l主要区别：主要区别：B-DNAB-DNA的碱基由脱氧核糖的碱基由脱氧核糖- -磷酸骨架伸向螺旋的中心磷酸骨架伸向螺旋的中心轴，碱基平面和轴垂直。轴，碱基平面和轴垂直。A-DNAA-DNA的碱基平面相对于中心轴约有的碱基平面相对于中心轴约有2525的倾斜。的倾斜。l19791979年年RichRich和和

36、WangWang对带有简单交替顺序的对带有简单交替顺序的DNADNA片段作了片段作了研究，发现该晶体中的两分子可通过研究，发现该晶体中的两分子可通过Watson-CrickWatson-Crick碱碱基配对，形成一种明显而独特的左旋双螺旋规则结构，基配对，形成一种明显而独特的左旋双螺旋规则结构，而且通过相邻片段顶端的相互衔接，可形成无限长度而且通过相邻片段顶端的相互衔接，可形成无限长度的反向平行双股左手螺旋，因为其核糖的反向平行双股左手螺旋，因为其核糖- -磷酸骨架中磷磷酸骨架中磷酸基走向呈酸基走向呈“Z”Z”字形锯齿状结构，故定名为字形锯齿状结构，故定名为Z-DNAZ-DNA。lB-DNAB

37、-DNA是一个整齐的螺旋结构，是一个整齐的螺旋结构，Z-DNAZ-DNA却近似圆柱形却近似圆柱形。l在在B-DNAB-DNA中，碱基对沿螺旋轴的平均距离为中，碱基对沿螺旋轴的平均距离为3.4A3.4A，每隔，每隔1010个碱基对螺旋上升一圈，螺距为个碱基对螺旋上升一圈，螺距为34A34A，而，而Z-DNAZ-DNA中，中，碱基对虽仍以碱基对虽仍以3.4A3.4A的间距进行堆砌，但由于它们相对的间距进行堆砌，但由于它们相对于螺旋轴有于螺旋轴有7 7的倾斜，致使碱基对沿轴的间距变成的倾斜，致使碱基对沿轴的间距变成3.7A3.7A，而螺旋圈里包含着，而螺旋圈里包含着1212个碱基对，所以其螺距为个碱

38、基对，所以其螺距为44.6A44.6A。lB-DNAB-DNA的直径为的直径为20A20A，而，而Z-DNAZ-DNA得只有得只有18A18A。 Z-DNA Z-DNA具有更为细长的结构。具有更为细长的结构。l从螺旋顶上往下看，从螺旋顶上往下看，Z-DNAZ-DNA的鸟嘌呤碱基呈六角对称，的鸟嘌呤碱基呈六角对称，鸟嘌呤残基的咪唑部位和磷酸根构成圆柱形分子的外鸟嘌呤残基的咪唑部位和磷酸根构成圆柱形分子的外壁；壁；l与与B-DNAB-DNA不同的是：其磷酸根虽然位于螺旋外壁，但鸟不同的是：其磷酸根虽然位于螺旋外壁，但鸟嘌呤的位置靠近分子的中心，呈嘌呤的位置靠近分子的中心，呈五角五角对称。对称。 与

39、与B-DNAB-DNA相比，相比，Z-DNAZ-DNA的特征为：的特征为：Z-DNAZ-DNA为左旋；为左旋； 磷酸根的磷酸根的Z Z字形走向；字形走向；Z-DNAZ-DNA的大沟消失，小沟加深。的大沟消失，小沟加深。lB-DNAB-DNA螺旋结构的周围是由糖基和磷酸基组成的双螺旋螺旋结构的周围是由糖基和磷酸基组成的双螺旋骨架，大沟、小沟交替出现，大、小沟均有着光滑而骨架，大沟、小沟交替出现，大、小沟均有着光滑而连续的磷酸基组成的边缘，沟的底部是碱基组成的凹连续的磷酸基组成的边缘，沟的底部是碱基组成的凹面。面。lZ-DNAZ-DNA不仅没有大沟，而且由于鸟嘌呤的咪唑基和磷酸不仅没有大沟，而且由

40、于鸟嘌呤的咪唑基和磷酸基构成一个圆形的凸面，致使这一部分还多少有些外基构成一个圆形的凸面，致使这一部分还多少有些外翻，大沟相应消失；而在对应于翻，大沟相应消失；而在对应于B-DNAB-DNA小沟的地方则形小沟的地方则形成一条深沟，顺着分子轴延伸下去，这条沟有锯齿形成一条深沟，顺着分子轴延伸下去，这条沟有锯齿形的磷酸根边缘，沟两边磷酸根之间的间的磷酸根边缘，沟两边磷酸根之间的间 距距8.5A8.5A，深约，深约9A9A，直达中心轴，小沟加，直达中心轴，小沟加 深。深。l19811981年，年，RichRich等人用等人用溴溴取代鸟嘌呤的取代鸟嘌呤的第第8 8位氢原子位氢原子，使，使溴代的多聚溴代

41、的多聚CGCG稳定地处于左旋状态，并以其作为诱导稳定地处于左旋状态，并以其作为诱导物，从兔和鼠身上取得了左旋物，从兔和鼠身上取得了左旋DNADNA抗体，抗体，l将这种抗体用荧光化合物进行标记，发现它与果蝇唾将这种抗体用荧光化合物进行标记，发现它与果蝇唾腺染色体的许多部位结合，腺染色体的许多部位结合，l在显微镜下可看到染色体上有许多明亮的条带，这说在显微镜下可看到染色体上有许多明亮的条带，这说明在天然明在天然DNADNA中确有中确有DNADNA处于左旋，处于左旋，l后来发现在某些植物的细胞核及人类胎儿球蛋白基因后来发现在某些植物的细胞核及人类胎儿球蛋白基因等数十种基因中，也发现等数十种基因中，也

42、发现Z-DNAZ-DNA的存在，但含量很少，的存在，但含量很少，约占约占DNADNA总量的总量的5%5%。l研究表明，研究表明，Z-DNAZ-DNA构象出现在构象出现在基因基因55端的调控区端的调控区。l如人类如人类C-MYCC-MYC（肌动蛋白基因）表达时，就会在（肌动蛋白基因）表达时，就会在C-MYCC-MYC基因的启动子附近出现三个基因的启动子附近出现三个Z-DNAZ-DNA区域区域。l因此，推出因此，推出Z-DNAZ-DNA与与基因的表达调控基因的表达调控相关，但如果相关，但如果C-C-MYCMYC转录停止，这些区域将快速回复到转录停止，这些区域将快速回复到B-DNAB-DNA。l此外

43、，发现组成此外，发现组成Z-DNAZ-DNA的序列在的序列在原核生物原核生物中较为少见。中较为少见。l除除Z-DNAZ-DNA外，研究表明，因环境因素的改变、蛋白质的外，研究表明，因环境因素的改变、蛋白质的结合以及超螺旋张力的作用，某些特定的结合以及超螺旋张力的作用，某些特定的DNADNA片段还可片段还可能想出其他的可变能想出其他的可变DNADNA构型。如：构型。如：十字形结构（十字形结构（cruciforms)cruciforms)三链三链DNA(intramolecular triplexes)DNA(intramolecular triplexes)四链四链DNA(quadruplexe

44、s)DNA(quadruplexes)脱链脱链DNA(slipped-strand DNA)DNA(slipped-strand DNA)平行链平行链DNA(parallelstranded DNA)DNA(parallelstranded DNA)非配对非配对DNADNA结构结构(unpaired DNA structures)(unpaired DNA structures)l反向重复（反向重复（5-35-3方向）部位两条链之间的氢方向）部位两条链之间的氢键断开，链内互补的碱基之间重新形成氢键，形键断开，链内互补的碱基之间重新形成氢键，形成两个类似发夹的臂，臂的顶端有成两个类似发夹的臂，臂

45、的顶端有3-43-4个非配对个非配对碱基。碱基。l十字形结构包含两条特别长的十字形结构包含两条特别长的DNADNA臂和臂和 两个相对较短的发夹形臂，两个相对较短的发夹形臂， 这样构成这样构成“十字花十字花”。l这种形状只有在这种形状只有在低盐条件低盐条件下才能维持，因为低下才能维持，因为低盐条件下，磷酸根之间的静电排斥将四条臂都分盐条件下，磷酸根之间的静电排斥将四条臂都分开了。开了。l在在生理盐溶液生理盐溶液下，磷酸根被部分屏蔽，排斥力下，磷酸根被部分屏蔽，排斥力有所下降，所以十字形结构变成了有所下降，所以十字形结构变成了X型结构，臂型结构，臂与臂之间的角度也各有不同。与臂之间的角度也各有不同

46、。十字形结构的形成条件十字形结构的形成条件l形成部位形成部位：DNADNA的一个区域内有几个核苷酸片段多次重的一个区域内有几个核苷酸片段多次重复，就有机会用复，就有机会用“滑脱滑脱”的方式形成碱基配对。的方式形成碱基配对。l形成过程：形成过程：当序列重复部位解旋时，一个直接重复序当序列重复部位解旋时，一个直接重复序列同另一个重复序列形成列同另一个重复序列形成Watson-CrickWatson-Crick碱基配对，这碱基配对，这样在对应链上就形成了两个突出的环，碱基配对更有样在对应链上就形成了两个突出的环，碱基配对更有可能可能“滑脱滑脱”。l影响因素：影响因素：当直接重复区域被阻断时，将明显减

47、少。当直接重复区域被阻断时，将明显减少。(CAG)n(CAG)n5533脱链结构脱链结构（一）（一）DNA的超螺旋结构的超螺旋结构超螺旋结构超螺旋结构(superhelix(superhelix 或或supercoil):supercoil):DNADNA双螺旋链再盘绕即形成超螺旋结构。双螺旋链再盘绕即形成超螺旋结构。 正超螺旋正超螺旋(positive supercoil(positive supercoil) )盘绕方向与盘绕方向与DNADNA双螺旋方同相同双螺旋方同相同 负超螺旋负超螺旋(negative supercoil(negative supercoil) )盘绕方向与盘绕方向与

48、DNADNA双螺旋方向相反双螺旋方向相反 意义意义:DNA超螺旋结构整体或局部的拓扑学超螺旋结构整体或局部的拓扑学变化及其调控对于变化及其调控对于DNA复制和复制和RNA转录过转录过程具有关键作用。程具有关键作用。 l绝大多数原核生物绝大多数原核生物DNADNA为双链闭合环，并在此为双链闭合环，并在此基础上再次螺旋形成超螺旋。基础上再次螺旋形成超螺旋。l超螺旋结构：在双螺旋的基础上再盘绕成为麻超螺旋结构：在双螺旋的基础上再盘绕成为麻花状的超螺旋结构。花状的超螺旋结构。 l真核生物染色体由真核生物染色体由DNADNA和蛋白质构成，其基本和蛋白质构成，其基本单位是单位是 核小体核小体(nucleo

49、some)(nucleosome)。l在真核生物中，双螺旋的在真核生物中，双螺旋的DNADNA分子围绕蛋白质分子围绕蛋白质八聚体进行盘绕，从而形成特殊的串珠状结构，八聚体进行盘绕，从而形成特殊的串珠状结构，称为称为核小体核小体。核小体结构属于。核小体结构属于DNADNA的三级结构。的三级结构。组蛋白：组蛋白：H H2 2A A、H H2 2B B、H H3 3 、H H4 4 各两分子各两分子 八聚体，八聚体，直径约直径约10nm10nmDNADNA链：链：DNADNA链盘绕于八聚体表面链盘绕于八聚体表面1.751.75圈，约圈，约146bp146bpl基本功能：基本功能：作为生物遗传信息复制

50、的模板和基因转录的作为生物遗传信息复制的模板和基因转录的模板，它是生命遗传繁殖的物质基础模板，它是生命遗传繁殖的物质基础, ,也是个体生命活也是个体生命活动的基础。动的基础。l基因：基因：DNADNA分子中的某一区段，经复制可传给子代，经分子中的某一区段，经复制可传给子代，经转录和翻译往往可合成蛋白质。转录和翻译往往可合成蛋白质。l基因组（基因组（genomegenome）：）：一个生物体的全部基因序列。人的一个生物体的全部基因序列。人的基因组约有基因组约有3030亿亿bpbp。Structure of RNAl1. RNA1. RNA碱基组成特点是含有碱基组成特点是含有尿嘧啶尿嘧啶(U)(U

51、)而不含而不含胸腺嘧啶胸腺嘧啶(T) (T) ；l2. 2. 连接键及链的方向与连接键及链的方向与DNADNA类似。类似。l3. 3. 一般以一般以单股链单股链存在，但可以有局部二级结存在，但可以有局部二级结构及三级结构。在配对时，也遵守反向、互补构及三级结构。在配对时，也遵守反向、互补等规则。等规则。 碱基配对发生于碱基配对发生于C C和和G G与与U U和和A A之间。之间。l4. RNARNA碱基组成之间无一定的比例关系，碱基组成之间无一定的比例关系，且稀有碱基较多。且稀有碱基较多。如假尿嘧啶核苷及甲如假尿嘧啶核苷及甲基化碱基等。基化碱基等。l5.RNA5.RNA种类多，含量高，但分子量

52、相对较种类多，含量高，但分子量相对较小，仅有几十指几千个核苷酸。小，仅有几十指几千个核苷酸。螺旋的环螺旋的环状突起状突起 lmRNAmRNA约占细胞总约占细胞总RNARNA的的3%-5%3%-5%，代谢活跃，寿命，代谢活跃，寿命较短。较短。l作为蛋白质合成的作为蛋白质合成的( (模板模板) )，mRNAmRNA一般由结构基一般由结构基因转录而来。因转录而来。l原核与真核的原核与真核的mRNAmRNA结构和生成有较大差异。结构和生成有较大差异。l原核生物的原核生物的mRNAmRNA是是多顺反子多顺反子。顺反子是通过顺反测验鉴定的遗传功能单位，相当于顺反子是通过顺反测验鉴定的遗传功能单位，相当于一

53、个编码蛋白质的一个编码蛋白质的DNADNA序列加上翻译的起始和终止信号，序列加上翻译的起始和终止信号，也就是一个蛋白质的基因。也就是一个蛋白质的基因。通常将一种蛋白质的基因称为通常将一种蛋白质的基因称为结构基因结构基因。原核生物的。原核生物的结构基因无内含子，因此结构基因无内含子，因此是连续的是连续的。l真核生物的结构基因一般含有内含子，为真核生物的结构基因一般含有内含子，为不连续基因不连续基因。目前研究过的真核生物的目前研究过的真核生物的mRNAmRNA都是都是单顺反子单顺反子，只编码一，只编码一种蛋白质，其种蛋白质，其55端和端和33端各有一段非编码区端各有一段非编码区. .p原核生物的原

54、核生物的mRNA 是是很不稳定的很不稳定的。如大肠杆菌的。如大肠杆菌的mRNA的半衰期一般只有几分钟。因此原核生物的的半衰期一般只有几分钟。因此原核生物的mRNA在其在其3端尚未完全合成之前，便开始从端尚未完全合成之前，便开始从5端降解，或是在转端降解，或是在转译完毕之后，便立即降解。译完毕之后，便立即降解。p由于没有形成细胞膜，由于没有形成细胞膜，mRNA的的转录和转译是转录和转译是相互紧密相互紧密配合，配合，偶联在一起的偶联在一起的，当，当mRNA尚未转录完毕之前，就尚未转录完毕之前，就已经开始转译，而且当有足够的信息可供利用时，核蛋已经开始转译，而且当有足够的信息可供利用时，核蛋白体还要

55、沿着增长的多核苷酸链移动，以合成蛋白质。白体还要沿着增长的多核苷酸链移动，以合成蛋白质。p一般认为，原核的一般认为，原核的mRNA转录之后，转录之后，无需经过特殊的加无需经过特殊的加工处理工处理，而天然的，而天然的mRNA即具有充分的生物学功能即具有充分的生物学功能.l绝大多数真核细胞绝大多数真核细胞mRNA3mRNA3端都有一段长约端都有一段长约200200个个核苷酸的核苷酸的poly(A)poly(A)。poly(A)(polyadenylic acid)poly(A)(polyadenylic acid)是在转录后经是在转录后经poly(A)poly(A)聚合酶的作用添加上去的。聚合酶的

56、作用添加上去的。poly(A)poly(A)聚合酶对聚合酶对mRNAmRNA专一专一, ,不作用于不作用于tRNAtRNA和和rRNA.rRNA.poly(A)poly(A)的功能：的功能：l与与mRNAmRNA从细胞核到细胞质的转移有关；从细胞核到细胞质的转移有关；l与与mRNAmRNA的半衰期有关的半衰期有关, ,新合成的新合成的mRNAmRNA的的ploy(A)ploy(A)链较长链较长, ,而衰老的而衰老的mRNAmRNA则则poly(A)poly(A)链链较短较短. . l真核细胞真核细胞mRNA5mRNA5端还有一个特殊的端还有一个特殊的5-m5-m7 7G-5ppp5-G-5pp

57、p5-Nm-3-PNm-3-P结构，称为结构，称为55端帽子结构端帽子结构(cap)(cap)，此中，此中55端的端的鸟嘌呤鸟嘌呤N N7 7被甲基化，鸟嘌呤核苷酸经焦磷酸与相邻的一被甲基化，鸟嘌呤核苷酸经焦磷酸与相邻的一个核苷酸相连，形成个核苷酸相连，形成5,5-5,5-磷酸二酯键。磷酸二酯键。帽子结构的功能：帽子结构的功能：l它为与核糖体的结合提供了一个识别位点。它为与核糖体的结合提供了一个识别位点。l可以保护可以保护mRNAmRNA，防止它遭受来自，防止它遭受来自55端外切核酸酶端外切核酸酶的水解。的水解。l帽子结构可能是蛋白质合成的起始识别信号的一部帽子结构可能是蛋白质合成的起始识别信

58、号的一部分，与蛋白质合成的正确起始有关。分，与蛋白质合成的正确起始有关。l在真核细胞中，初合成的在真核细胞中，初合成的mRNAmRNA和成熟的和成熟的mRNAmRNA是是不一样的。不一样的。l前者是一种分子量很不均一的前者是一种分子量很不均一的mRNAmRNA前体称为不前体称为不均一核均一核RNARNA（hnRNAhnRNA），在），在C C内需经裂解、拼接内需经裂解、拼接和修饰才能成为成熟的和修饰才能成为成熟的mRNAmRNA进到细胞质中，发进到细胞质中，发挥模板作用，指导蛋白质的生物合成。挥模板作用，指导蛋白质的生物合成。l在真核生物中，最初转录生成的在真核生物中，最初转录生成的RNARN

59、A称为称为不均一核不均一核RNA(hnRNARNA(hnRNA) )，l然而在细胞质中起作用，作为蛋白质的氨基酸序列合成然而在细胞质中起作用，作为蛋白质的氨基酸序列合成模板的是模板的是mRNAmRNA。lhnRNAhnRNA是是mRNAmRNA的未成熟前体。的未成熟前体。l也就是说，也就是说，hnRNAhnRNA在转变为在转变为mRNAmRNA的过程中经过剪接，被去的过程中经过剪接，被去掉了一些片段，余下的片段被重新连接在一起。掉了一些片段，余下的片段被重新连接在一起。hnRNA 内含子内含子( (intron) )mRNA * mRNA成熟过程成熟过程 外显子外显子( (exon) )目目

60、录录lmRNAmRNA分子中每三个核苷酸为一组，决定一种氨基酸，称分子中每三个核苷酸为一组，决定一种氨基酸，称为遗传密码为遗传密码(genetic code)(genetic code)或三联体密码。或三联体密码。l不同的不同的mRNAmRNA碱基组成和排列顺序都不同，但都只有碱基组成和排列顺序都不同，但都只有A A，G G，C C，U 4U 4种碱基。种碱基。l如果一个碱基就可以决定一个氨基酸，则只有四种变化如果一个碱基就可以决定一个氨基酸，则只有四种变化方式，方式，l如果两个碱基决定一个氨基酸，则只有如果两个碱基决定一个氨基酸，则只有1616种变化方式，种变化方式，都不能满足都不能满足20