第三章_核酸的结构与功能

1、1核酸的结构和功能核酸的结构和功能第二章第二章Structure and Function of Nucleic Acid什么是核酸什么是核酸(nucleic acid) 天然存在的天然存在的核酸可分为核酸可分为核糖核核糖核酸酸(RNA)和和脱氧核脱氧核糖核酸糖核酸(DNA)两大两大类。类。核酸核酸是以核苷酸为基本组成单位的生物大分是以核苷酸为基本组成单位的生物大分子，携带和传递遗传信息。子，携带和传递遗传信息。核酸的分类及分布核酸的分类及分布 90%以以上分布于细胞核，其余上分布于细胞核，其余分布于核外分布于核外，如线粒体、叶绿，如线粒体、叶绿体、质粒等。体、质粒等。携带遗传信息，决定细胞和

2、个携带遗传信息，决定细胞和个体的基因型。体的基因型。分布于胞核、胞液。分布于胞核、胞液。参与细胞内参与细胞内DNA遗传信息的遗传信息的表达。某些病毒表达。某些病毒RNA也可作也可作为遗传信息的载体。为遗传信息的载体。(DNA)(RNA)脱氧核糖核酸脱氧核糖核酸 核糖核酸核糖核酸4第一节第一节核酸的化学组成及其一级结构核酸的化学组成及其一级结构The Chemical Component and Primary Structure of Nucleic Acid5一、核酸的化学组成一、核酸的化学组成 1.1. 元素组成元素组成C、H、O、N、P（910%，定磷法测核酸含定磷法测核酸含量。量。）2

3、.2. 分子组成分子组成组成单位组成单位核苷酸核苷酸 戊糖：核糖，脱氧核糖戊糖：核糖，脱氧核糖 碱基：嘌呤碱，嘧啶碱碱基：嘌呤碱，嘧啶碱 磷酸磷酸6嘌呤嘌呤(purine) NNNHN123456789NNNHNNH2腺嘌呤腺嘌呤(adenine, A)NNHNHNNH2O鸟嘌呤鸟嘌呤(guanine, G)（一）碱基（一）碱基NNH132456 嘧啶嘧啶(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)NHNHOOCH3稀有碱基！，次黄嘌呤等稀有碱基！，次黄嘌呤等8（二）戊糖（五碳

4、糖）（二）戊糖（五碳糖）（构成（构成RNA）1 2 3 4 5 OHOCH2OHOHOH核糖核糖(ribose)（构成（构成DNA）OHOCH2OHOH脱氧核糖脱氧核糖(deoxyribose)9核苷：核苷：AR, GR UR, CR脱氧核苷：脱氧核苷： dAR, dGR，dTR, dCR（三）核苷（三）核苷核苷核苷(ribonucleoside)的形成的形成碱基和核糖（脱碱基和核糖（脱氧核糖）通过氧核糖）通过糖糖苷键苷键连接形成核连接形成核苷（脱氧核苷）苷（脱氧核苷）10POOOHOHOCH2OHOHNNNH2O核苷酸：核苷酸：AMP, GMP, AMP, GMP, UMP,CMPUMP,C

5、MP脱氧核苷酸：脱氧核苷酸：dAMP, dAMP, dGMP, dTMP, dCMPdGMP, dTMP, dCMP 核苷核苷（脱氧核苷）和磷酸以脱氧核苷）和磷酸以磷酸磷酸酯键酯键连接形成核苷连接形成核苷 酸（脱氧核苷酸）。酸（脱氧核苷酸）。 （四）核苷酸（四）核苷酸( (ribonucleotide) )PiPi糖苷键糖苷键OOHOCH2HOHNNNH2O磷酸酯键磷酸酯键OPOOOHOHOCH2HOHNNNH2O重要的核苷酸衍生物12l 多磷酸核苷酸：多磷酸核苷酸：NMPNMP，NDPNDP，NTPNTPNOCH2OOHOHNNNNH2POOHOPOOHOHNOCH2OOHOHNNNNH2P

6、OOHOPOOHOPOOHOH5 端端3 端端( (五五) )核苷酸的连接核苷酸的连接 1.核苷酸之核苷酸之间以间以磷酸二酯键磷酸二酯键连接形成多核苷连接形成多核苷酸链，即核酸。酸链，即核酸。CANH2NNOPOHHOOOH3COOHPHOOOH3COOHNH2NNNN磷酸二酯键磷酸二酯键A G P5 P T PG PC PT P OH 3 书写方法书写方法5 pApGpTpGpCpT-OH 3 5 A G T G C T 3 第二节第二节 DNADNA的结构与功能的结构与功能 (Structure and Function of DNA)(Structure and Function of

7、DNA)一、一、DNA的一级结构的一级结构 (一一)定义定义 核酸（核酸（DNA或或RNA）中核苷酸从）中核苷酸从5末端末端到到3末端的排列顺序。末端的排列顺序。 由于脱氧核苷酸间的差异主要是碱基不由于脱氧核苷酸间的差异主要是碱基不同，所以也称为碱基序列。同，所以也称为碱基序列。DNA: A、T、G、CRNA: A、U、G、C16二、二、DNADNA的二级结构的二级结构双螺旋结构双螺旋结构 1. 定义定义 即平行反向的右手双螺旋结即平行反向的右手双螺旋结构。构。Watson, Crick于于1953提出。提出。2. 研究背景研究背景(1) 碱基组成分析碱基组成分析Chargaff 规则：规则：

8、A = TG C(2)碱基的理化数据分析碱基的理化数据分析A-T、G-C以以氢键氢键配对较合理配对较合理(3)X-线线衍射图谱分析衍射图谱分析 18（二）（二） DNADNA双螺旋结构模型要点双螺旋结构模型要点uDNA分子由两条分子由两条相互平行但走相互平行但走向相反向相反的脱氧多核苷酸链组成的脱氧多核苷酸链组成u两链以两链以-脱氧核糖脱氧核糖-磷酸磷酸-为骨架，为骨架，以以右手螺旋右手螺旋方式绕同一中心轴。方式绕同一中心轴。螺旋直径为螺旋直径为2.4nm.u螺 旋 表 面 形 成螺 旋 表 面 形 成 大 沟大 沟 ( m a j o r groove)及及小沟小沟(minor groove

9、)相间。相间。u沟状与沟状与DNA、蛋白质之间的相、蛋白质之间的相互作用有关。互作用有关。19u碱基垂直螺旋轴居双螺碱基垂直螺旋轴居双螺旋内側，与对側碱基形旋内側，与对側碱基形成成氢键配对氢键配对（互补配对（互补配对形式：形式：A=T; GA=T; G C C） 。u相邻碱基平面距离相邻碱基平面距离0.34nm0.34nm，螺旋一圈螺距螺旋一圈螺距3.3.5 54nm4nm，一圈，一圈1010.5.5对碱对碱基。基。（二）（二） DNADNA双螺旋结构模型要点双螺旋结构模型要点20u氢键氢键维持双链横向稳定性，维持双链横向稳定性，碱基堆积力碱基堆积力维持双链纵向维持双链纵向稳定性。稳定性。（二

10、）（二） DNADNA双螺旋结构模型要点双螺旋结构模型要点HNNNNNHOHNNCH3ONNNNOHHNHNNNOHH（三）（三）.DNA双螺旋结构的多样性双螺旋结构的多样性不同类型不同类型DNA的结构参数的结构参数A型型DNAB型型DNAZ型型DNA螺旋旋向螺旋旋向右手螺旋右手螺旋右手螺旋右手螺旋左手螺旋左手螺旋螺旋直径螺旋直径2.55nm2.37nm1.84nm每一螺旋的碱基对数目每一螺旋的碱基对数目1110.412螺距螺距2.53nm3.54nm4.56nm相邻碱基对之间的垂直间距相邻碱基对之间的垂直间距0.23nm0.34nm0.38nm Watson和和Crick当年提出的是理想当年

11、提出的是理想化的化的DNA双螺旋模双螺旋模型，后来发现其各型，后来发现其各项参数均与实际的项参数均与实际的DNA双螺旋结构有双螺旋结构有一定差异。一定差异。 (四四) DNA的的高级结构高级结构1.原核生物原核生物DNA的超螺旋结构的超螺旋结构(1) 定义定义 即在即在DNA二级结构的基础上进一步折二级结构的基础上进一步折叠成环状或麻花状的叠成环状或麻花状的超螺旋结构超螺旋结构(superhelix 或或supercoil)。 环状环状 麻花状麻花状 (3) 意义意义 DNA超螺旋结构整体或局部超螺旋结构整体或局部的拓扑学变化及其调控对于的拓扑学变化及其调控对于DNA复制复制和和RNA转录过程

12、具有关键作用。转录过程具有关键作用。 正超螺旋正超螺旋(positive supercoil)盘绕方向与盘绕方向与DNA双螺旋方同相同。双螺旋方同相同。 负超螺旋负超螺旋(negative supercoil)盘绕方向与盘绕方向与DNA双螺旋方向相反。双螺旋方向相反。 (2) 种类种类242.DNA在真核生物细胞核内的组装在真核生物细胞核内的组装真核生物染色真核生物染色体由体由DNADNA和蛋白质和蛋白质构成，其基本单构成，其基本单位是位是 核小体核小体(nucleosome)(nucleosome)。 核心颗粒核心颗粒 核小体核小体 连接区连接区核心颗粒：由长约核心颗粒：由长约150bp15

13、0bp的双螺旋的双螺旋DNADNA以超螺旋方以超螺旋方式缠绕组蛋白八聚体式缠绕组蛋白八聚体1.751.75圈组成。圈组成。连接区：由连接区连接区：由连接区 DNA DNA 和组蛋白和组蛋白H H1 1组成组成连接区连接区DNADNA：连接相邻两个核心颗粒：连接相邻两个核心颗粒25核小体的构成核小体的构成 连接区连接区DNA（约（约60bp） 组蛋白组蛋白H1DNA（约（约150bp） 组蛋白八聚体组蛋白八聚体组 蛋 白（histone)组蛋白种类：组蛋白种类： H H1 1、H H2 2A A、H H2 2B B、H H3 3、H H4 4组蛋白八聚体（核组蛋白八聚体（核心组蛋白）：由各心组蛋

14、白）：由各二分子二分子H H2 2A A、H H2 2B B、H H3 3、H H4 4 组成八聚体组成八聚体H H1 1 ：位于连接区：位于连接区26H H1 1 27Structure and Function of RNA第三节第三节 RNA的结构与功能的结构与功能28RNARNA的种类、分布、功能的种类、分布、功能核蛋白体核蛋白体RNA信使信使RNA转运转运RNA核内不均一核内不均一RNA核内小核内小RNA胞浆小胞浆小RNA 细胞核和胞液细胞核和胞液线粒体线粒体功功能能rRNAmRNA mt rRNAtRNAmt mRNAmt tRNAHnRNASnRNASnoRNAscRNA/7SL

15、-RNA 核蛋白体组分核蛋白体组分蛋白质合成模板蛋白质合成模板转运氨基酸转运氨基酸成熟成熟mRNA的前体的前体参与参与hnRNA的剪接、转运的剪接、转运rRNA的加工、修饰的加工、修饰蛋白质内质网定位合成蛋白质内质网定位合成的信号识别体的组分的信号识别体的组分核仁小核仁小RNA核蛋白体核蛋白体RNA信使信使RNA转运转运RNA核内不均一核内不均一RNA核内小核内小RNA胞浆小胞浆小RNA 细胞核和胞液细胞核和胞液线粒体线粒体功功能能rRNAmRNA mt rRNAtRNAmt mRNAmt tRNAHnRNASnRNASnoRNAscRNA/7SL-RNA 核蛋白体组分核蛋白体组分蛋白质合成模

16、板蛋白质合成模板转运氨基酸转运氨基酸成熟成熟mRNA的前体的前体参与参与hnRNA的剪接、转运的剪接、转运rRNA的加工、修饰的加工、修饰蛋白质内质网定位合成蛋白质内质网定位合成的信号识别体的组分的信号识别体的组分核仁小核仁小RNA29* * mRNAmRNA结构特点结构特点1. 1. 大多数真核大多数真核mRNAmRNA的的5 5 末端均在转录后加上一末端均在转录后加上一个个7-7-甲基鸟苷三磷酸，形成帽子结构：甲基鸟苷三磷酸，形成帽子结构：m m7 7GpppNGpppN。2. 2. 大多数真核大多数真核mRNAmRNA的的3 3 末端有一个多聚腺苷酸末端有一个多聚腺苷酸(polyA)(p

17、olyA)结构，称为多聚结构，称为多聚A A尾。尾。一一 、信使、信使RNARNA的结构与功能的结构与功能真核生物真核生物mRNA的帽子结构的帽子结构 5 5 3.帽子结构和多聚帽子结构和多聚A尾的功能尾的功能 mRNA核内向胞质的核内向胞质的转位；转位；mRNA的稳定性维系；翻译起始的调控的稳定性维系；翻译起始的调控 。31 转录核内转录核内DNADNA遗传信息的碱基排列顺序，并携带遗传信息的碱基排列顺序，并携带至细胞质，指导蛋白质合成中的氨基酸排列顺序。至细胞质，指导蛋白质合成中的氨基酸排列顺序。 DNAmRNA蛋白蛋白转录转录翻译翻译原核细胞原核细胞 mRNAmRNA的功能的功能遗传密码

18、：遗传密码：每三个相邻的核苷酸组成碱基三联体，每三个相邻的核苷酸组成碱基三联体，决定蛋白质中氨基酸的排列顺序。决定蛋白质中氨基酸的排列顺序。 1. tRNA1. tRNA分子含有较多的分子含有较多的稀有碱基稀有碱基 含含 1010- -20% 20% 稀有碱基，如稀有碱基，如 DHUDHU 3 3末端为末端为 CCA-OH CCA-OH32二、转运二、转运RNARNA的结构与功能的结构与功能 稀有碱基 tRNA的二级结构的二级结构 tRNA的二级结构为平面卷曲的三叶草构的二级结构为平面卷曲的三叶草构型。型。(2)由单链卷曲形成局部环状双链。由单链卷曲形成局部环状双链。(3)反密码环，带有反密码

19、子可破译遗传密码。反密码环，带有反密码子可破译遗传密码。 (4)氨基酸臂，直接结合被活化的氨基酸。氨基酸臂，直接结合被活化的氨基酸。2. tRNA2. tRNA的二级结构的二级结构352. tRNA2. tRNA的二级结构的二级结构 三叶草形三叶草形茎环结构（发夹结构）茎环结构（发夹结构） 氨基酸臂氨基酸臂 DHUDHU环环 反密码环反密码环 附加叉（额外环）附加叉（额外环） TCTC环环额外环额外环氨基酸臂氨基酸臂DHU环环反密码环反密码环环环TC环环反密码子反密码子5 363. tRNA3. tRNA的三级结构的三级结构 倒倒L L形形* * t tRNARNA的功能的功能搬运氨基酸到搬运

20、氨基酸到核糖体核糖体和识别密码和识别密码子子，参与蛋白质的，参与蛋白质的翻译。翻译。4、氨基酸通过酯键连接在氨基酸通过酯键连接在3末端的末端的2-OH或或3-OH上。有的上。有的AA有一种有一种tRNA载体，有的载体，有的AA则则有多个有多个tRNA载体。载体。5、 tRNA的功能的功能破译遗传密码；活化、搬运氨基酸到核糖破译遗传密码；活化、搬运氨基酸到核糖体，参与蛋白质的翻译。体，参与蛋白质的翻译。38* * rRNA rRNA的结构的结构* rRNArRNA的功能的功能参 与 组 成 核参 与 组 成 核蛋白体，作为蛋蛋白体，作为蛋白质生物合成的白质生物合成的场所。场所。(二二) rRNA

21、由单链卷由单链卷曲构成的多茎环结曲构成的多茎环结构。构。(三三)rRNA参与组成参与组成核核糖糖体体的大、小亚的大、小亚基基，作为蛋白质生，作为蛋白质生物合成的场所。物合成的场所。(一一) rRNA占总占总RNA的的80以上。以上。三、核糖体三、核糖体RNARNA的结构与功能的结构与功能40(四四) rRNArRNA的种类（根据沉降系数）的种类（根据沉降系数）真核生物真核生物5S rRNA5S rRNA28S rRNA28S rRNA5.8S rRNA5.8S rRNA18S rRNA18S rRNA原核生物原核生物5S rRNA5S rRNA23S rRNA23S rRNA16S rRNA1

22、6S rRNA41核糖体的组成核糖体的组成原核生物（以大肠杆菌为例）真核生物（以小鼠肝为例）小亚基小亚基30S30S40S40SrRNA16S1542个核苷酸18S1874个核苷酸蛋白质21种占总重量的40%33种占总重量的50%大亚基大亚基50S50S60S60SrRNA23S5S2940个核苷酸120个核苷酸28S5.8S5S4718个核苷酸160个核苷酸120个核苷酸蛋白质31种占总重量的30%49种占总重量的35%四、小分子核内四、小分子核内RNARNA与与RNARNA组学组学(一一) snmRNAs 除了上述三种除了上述三种RNARNA外，细胞的不同部位存在外，细胞的不同部位存在的许

23、多其他种类的小分子的许多其他种类的小分子RNARNA，统称为，统称为小非信使小非信使RNARNA(small non-messenger RNAs, snmRNAs)(small non-messenger RNAs, snmRNAs)。包括。包括核内小核内小RNARNA、核仁小、核仁小RNARNA、胞质小、胞质小RNARNA、催化性、催化性小小RNARNA、小片段干涉、小片段干涉 RNARNA。参与。参与hnRNAhnRNA和和rRNArRNA的加工和转运。的加工和转运。(二二) RNA组学组学 RNA组学是组学是研究细胞中研究细胞中snmRNAs的种类、结的种类、结构和功能。生物的不同细胞

24、、不同时间、不同状构和功能。生物的不同细胞、不同时间、不同状态下态下snmRNAs的表达具有时间和空间特异性。的表达具有时间和空间特异性。 43核核 酸酸 的的 理理 化化 性性 质质The Physical and Chemical Characters of Nucleic Acid第第 四四 节节 核酸是含磷酸和碱基的核酸是含磷酸和碱基的两性电解质两性电解质，通常表现为，通常表现为较强的酸性。可用电泳和离子交换分离纯化核酸。较强的酸性。可用电泳和离子交换分离纯化核酸。 在碱性条件下，在碱性条件下，RNA不稳定，可在室温下水解。不稳定，可在室温下水解。利用这个性质可以测定利用这个性质可以测

25、定RNA的碱基组成，也可清除的碱基组成，也可清除DNA溶液中混杂的溶液中混杂的RNA。 核酸是线性的大分子，其在溶液中的粘度很高。核酸是线性的大分子，其在溶液中的粘度很高。RNA分子比分子比DNA短，在溶液中的粘度低于短，在溶液中的粘度低于DNA。一、核酸的一般理化性质一、核酸的一般理化性质 45一、核酸的一般理化性质一、核酸的一般理化性质 中性条件下，核酸最大紫外吸收峰在中性条件下，核酸最大紫外吸收峰在260nm260nm附件。附件。461. DNA1. DNA或或RNARNA的定量的定量ODOD260260=1.0=1.0相当于相当于5050g/mlg/ml双链双链DNADNA4040g/

26、mlg/ml单链单链DNADNA（或（或RNARNA）2020g/mlg/ml寡核苷酸寡核苷酸2.2.判断核酸样品的纯度判断核酸样品的纯度DNADNA纯品纯品: : ODOD260260/OD/OD280 280 = 1.8= 1.8RNARNA纯品纯品: : ODOD260260/OD/OD280 280 = 2.0= 2.0ODOD260260的应用的应用二、二、DNADNA的变性与复性的变性与复性(一一)变性变性 (denaturation)1.定义定义 在某些理化因素作用下，在某些理化因素作用下，DNA双链解开成两双链解开成两条单链的过程。条单链的过程。本质是双链间氢键的断裂。本质是双

27、链间氢键的断裂。3.变性后其他理化性质变化变性后其他理化性质变化 OD260增高增高 浮力密度升高浮力密度升高 粘度下降粘度下降 酸碱滴定曲线改变酸碱滴定曲线改变 比旋度下降比旋度下降 生物活性丧失生物活性丧失(1)理化性质变化理化性质变化2.因素因素 强酸，强碱，高温，高压，变性试剂如尿素强酸，强碱，高温，高压，变性试剂如尿素以及某些有机溶剂如乙醇等。以及某些有机溶剂如乙醇等。DNADNA变性的变性的本质本质是双链间是双链间氢键氢键的的断裂断裂(2)增色效应：增色效应： DNA变性时，更多的共轭双键暴露，其溶液变性时，更多的共轭双键暴露，其溶液OD260增高的现象。增高的现象。DNA的紫外吸

28、收光谱的紫外吸收光谱200 250 260 3001.51.00.5变性状态变性状态天然状态天然状态(3)Tm：紫外光吸收值达到最大值的紫外光吸收值达到最大值的50%时的温度时的温度称为称为DNA的解链温度，又称融解温度的解链温度，又称融解温度(melting temperature, Tm)。其大小与。其大小与G+C含量成正比。含量成正比。 解链曲线：解链曲线：在在连续加热连续加热DNA的过的过程中，以温度为横程中，以温度为横坐标，以吸光度坐标，以吸光度A260为纵坐标作图，所为纵坐标作图，所得的曲线称为解链得的曲线称为解链曲线。曲线。76 80 84 88 92 96 100 OD2600

29、.700.650.600.550.50Tm(二二)复性复性 1.DNA复性复性(renaturation)的定义的定义(3)减色效应：减色效应：DNA复性时，其溶液复性时，其溶液OD260降低。降低。(1)当变性因素去除后，变性当变性因素去除后，变性DNA的两条互补链的两条互补链可恢复天然的双螺旋构象，这一现象称为复性。可恢复天然的双螺旋构象，这一现象称为复性。(2)热变性的热变性的DNA经缓慢冷却后即可复性，这经缓慢冷却后即可复性，这一过程称为退火一过程称为退火(annealing) 。但是，。但是，4 以下以下复性不能进行。复性不能进行。1.在在DNA复性过程中，将不同种类的复性过程中，将不同种类的DNA单链单链分子或分子或RNA分子置同一溶液中，就可以形成杂化双分子置同一溶液中，就可以形成杂化双链。链。2.杂化双链可以在不同的杂化双链可以在不同的DNA与与DNA之间形成，之间形成，也可在也可在DNA和和RNA分子间或者分子间或者RNA与与RNA分子间分子间形成。这种现象称为形成。这种现象称为核酸分子杂交。核酸分子杂交。(三三)核酸分子杂交核酸分子杂交(hybridization) 3.核