第四章核酸的结构与功能

1、张鸭关张鸭关 曲靖师范学院化学化工学院曲靖师范学院化学化工学院本章主要内容：本章主要内容： 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核酸的理化性质核酸的理化性质 DNA的空间结构与功能的空间结构与功能 RNA的空间结构与功能的空间结构与功能核核 酸酸(nucleic acid) 是以是以核苷酸核苷酸为基本组成单位的生物大为基本组成单位的生物大分子，分子，携带携带和和传递传递遗传信息。遗传信息。核酸的分类及分布及功能核酸的分类及分布及功能 90% 90%以上分布于细胞核内，其余分布以上分布于细胞核内，其余分布于核外如线粒体，叶绿体，质粒等。于核外如线粒体，叶绿体，质粒等。分布于细胞质

2、中。分布于细胞质中。(deoxyribonucleic acid, DNA)(ribonucleic acid, RNA)脱氧核糖核酸脱氧核糖核酸 核糖核酸核糖核酸携带遗传信息，兼具存储和传递携带遗传信息，兼具存储和传递遗传信息的双重功能。遗传信息的双重功能。 将将DNA的遗传信息翻译和表达成的遗传信息翻译和表达成具有各种功能的蛋白质。某些病具有各种功能的蛋白质。某些病毒毒RNA也可作为遗传信息的载体。也可作为遗传信息的载体。（1）复制：复制：将亲代将亲代DNA进行复制，得到遗传信息完全进行复制，得到遗传信息完全保留到子代保留到子代DNA的过程。的过程。（2）转录转录：转录：转录DNA所携带的

3、遗传信息，并将它从细所携带的遗传信息，并将它从细胞核转运到蛋白质的合成场所。胞核转运到蛋白质的合成场所。（3）翻译和表达翻译和表达：遗传信息被翻译成氨基酸序列信息，：遗传信息被翻译成氨基酸序列信息，并用于合成蛋白质的过程。并用于合成蛋白质的过程。核酸与生命遗传核酸与生命遗传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 Acid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

4、：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)嘌呤嘌呤(purine) NNNHN123456789NNNHNNH2腺嘌呤腺嘌呤(adenine, A)NNHNHNNH2O鸟嘌呤鸟嘌呤(guanine, G)碱碱 基基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戊戊 糖糖（构成（构成RNA）1 2 3 4 5 OHOCH2OHOHOH核糖核糖(ribose)（构成（构成DNA

5、）OHOCH2OHOH脱氧核糖脱氧核糖(deoxyribose)核苷：核苷：AR, GR, UR, CR脱氧核苷：脱氧核苷：dAR, dGR, dTR, dCR一、核苷酸的结构一、核苷酸的结构1. 核苷核苷(ribonucleoside)的形成的形成碱基和核糖（脱氧核糖）通过碱基和核糖（脱氧核糖）通过糖糖苷键苷键连接形成的化合物。连接形成的化合物。OHOCH2OHOHNNNH2O1 1POOOHOHOCH2OHOHNNNH2OOHOCH2OHOHNNNH2O核苷酸：核苷酸：AMP, GMP, UMP, CMP脱氧核苷酸：脱氧核苷酸：dAMP, dGMP, dTMP, dCMP 2. 核苷酸核苷

6、酸(ribonucleotide)的结构与命名的结构与命名核苷（脱氧核苷）和磷酸以核苷（脱氧核苷）和磷酸以磷酸酯键磷酸酯键连接形成核苷酸（脱氧核苷酸）。连接形成核苷酸（脱氧核苷酸）。 5 端端3 端端3. 3. 核苷酸的连接核苷酸的连接 核苷酸之间以核苷酸之间以磷酸二酯键磷酸二酯键连接形连接形成多核苷酸链，即成多核苷酸链，即核酸。核酸。CGA寡聚核苷酸：核苷酸寡聚核苷酸：核苷酸50多聚核苷酸：核苷酸多聚核苷酸：核苷酸50方向：方向：5端端 3端端l核酸中也存在一些不常见的稀有碱基。核酸中也存在一些不常见的稀有碱基。稀有碱基的种类很多，大部分是上述碱稀有碱基的种类很多，大部分是上述碱基的甲基化产

7、物。基的甲基化产物。l含核苷酸的生物活性物质：含核苷酸的生物活性物质： NAD+、NADP+、CoA-SH、FAD 等都含有等都含有 AMPl 多磷酸核苷酸：多磷酸核苷酸：NMP，NDP，NTPl 环化核苷酸环化核苷酸: : cAMP，cGMPNOCH2OOHOHNNNNH2POOHOHNOCH2OOHOHNNNNH2POOHOPOOHOHNOCH2OOHOHNNNNH2POOHOPOOHOPOOHOHNOCH2OOHONNNNH2POOHNADP+NAD+二、核酸的一级结构二、核酸的一级结构定义定义核酸中核苷酸的排核酸中核苷酸的排列顺序。列顺序。由于核苷酸间的差由于核苷酸间的差异主要是碱基不

8、同，所异主要是碱基不同，所以也称为以也称为碱基序列碱基序列。55端端3端端CGA一级结构（一级结构（primary structure）一级结构是指核酸分子中核苷酸的排列顺序及一级结构是指核酸分子中核苷酸的排列顺序及连接方式。核苷酸的排列顺序代表了遗传信息。连接方式。核苷酸的排列顺序代表了遗传信息。1、核苷酸的连接方式：、核苷酸的连接方式： 3 , 5 磷酸二酯键磷酸二酯键2、核酸的基本结构形式：多核苷酸链、核酸的基本结构形式：多核苷酸链n信息量：信息量：4nn末端：末端： 5 端、端、 3 端端n多核苷酸链的方向：多核苷酸链的方向： 5端端3端端(由左至右由左至右)3、表示方法：结构式、线条

9、式、文字缩写、表示方法：结构式、线条式、文字缩写A G P5 P T PG PC PT P OH 3 书写方法书写方法5 pApCpTpGpCpT-OH 3 5 A C T G C T 3 目目 录录第二节第二节DNA的空间结构与功能的空间结构与功能Dimensional Structure and Function of DNA一、一、 DNA的二级结构的二级结构双螺旋结构双螺旋结构 DNADNA分子由两条分子由两条DNADNA单单链组成。链组成。 DNADNA的双螺旋结构是分的双螺旋结构是分子中两条子中两条DNADNA单链之间单链之间基团相互识别和作用基团相互识别和作用的结果。的结果。 双

10、螺旋结构是双螺旋结构是DNADNA二级二级结构的最基本形式。结构的最基本形式。DNADNA双螺旋结构的特点双螺旋结构的特点double helix modelDNADNA双螺旋结构的要点双螺旋结构的要点（1 1）DNADNA分子由两条多聚脱氧核糖核苷酸链分子由两条多聚脱氧核糖核苷酸链( (简简称称DNADNA单链单链) )组成。两条链沿着同一根轴平行盘组成。两条链沿着同一根轴平行盘绕，形成右手双螺旋结构。螺旋中的两条链方绕，形成右手双螺旋结构。螺旋中的两条链方向相反，即其中一条链的方向为向相反，即其中一条链的方向为5 5 端端33 端，端，而另一条链的方向为而另一条链的方向为3 3 端端55

11、端。端。55端端3端端CGA（2 2）嘌呤和嘧）嘌呤和嘧啶 碱 基 位 于啶 碱 基 位 于螺旋的内侧，螺旋的内侧，磷 酸 和 脱 氧磷 酸 和 脱 氧核 糖 基 位 于核 糖 基 位 于螺 旋 外 侧 。螺 旋 外 侧 。碱 基 环 平 面碱 基 环 平 面与 螺 旋 轴 垂与 螺 旋 轴 垂直 ， 糖 基 环直 ， 糖 基 环平 面 与 碱 基平 面 与 碱 基环 平 面 成环 平 面 成9090角。角。（3 3）螺旋横截面的）螺旋横截面的直径约为直径约为2nm2nm，每，每条链相邻两个碱条链相邻两个碱基平面之间的距基平面之间的距离为离为0.34 nm0.34 nm，每，每1010个核苷酸

12、形成个核苷酸形成一个螺旋，其螺一个螺旋，其螺矩（即螺旋旋转矩（即螺旋旋转一圈的高度）为一圈的高度）为3.4 nm3.4 nm。（4 4）维持两条）维持两条DNADNA链相链相互结合的力是链间碱基互结合的力是链间碱基对形成的氢键。碱基结对形成的氢键。碱基结合具有严格的配对规合具有严格的配对规律律:A:A与与T T结合，结合，G G与与C C结结合，这种配对关系，称合，这种配对关系，称为碱基互补。为碱基互补。A A和和T T之间之间形成两个氢键，形成两个氢键，G G与与C C之之间形成三个氢键。间形成三个氢键。 在在DNADNA分子中，嘌呤碱分子中，嘌呤碱基的总数与嘧啶碱基的基的总数与嘧啶碱基的总

13、数相等。总数相等。（5 5）螺旋表面形成大）螺旋表面形成大沟沟(major groove)(major groove)及小沟及小沟(minor (minor groove)groove)，彼此相间，彼此相间排列。小沟较浅；排列。小沟较浅；大沟较深，是蛋白大沟较深，是蛋白质识别质识别DNADNA碱基序列碱基序列的基础。的基础。（6 6）氢键）氢键维持双链维持双链横横向稳定性向稳定性，碱基堆碱基堆积力积力维持双链维持双链纵向纵向稳定性稳定性。（二）二级结构：（二）二级结构： 双螺旋结构模型双螺旋结构模型(double helix model)1、Watson-Crick双螺旋结构模型双螺旋结构模型

14、(B-DNA) （1）反平行双链：脱氧核糖）反平行双链：脱氧核糖-磷酸骨架位于外侧，磷酸骨架位于外侧，碱基对位于内侧碱基对位于内侧 （2）碱基互补配对：）碱基互补配对：AT配对（两个氢键），配对（两个氢键），GC配对（三个氢键）；碱基对平面垂直纵轴配对（三个氢键）；碱基对平面垂直纵轴（3）右手双螺旋：螺距为）右手双螺旋：螺距为3.4 nm，直径为，直径为2.0 nm，10bp/圈圈（4）表面功能区：小沟较浅；大沟较深，是蛋）表面功能区：小沟较浅；大沟较深，是蛋白质识别白质识别DNA碱基序列的基础碱基序列的基础 （5）维持结构稳定的力量：氢键维持双链横向）维持结构稳定的力量：氢键维持双链横向稳定

15、，碱基堆积力维持螺旋纵向稳定稳定，碱基堆积力维持螺旋纵向稳定3、其他螺旋形式、其他螺旋形式n Z-DNA（左手双螺旋）（左手双螺旋）n A-DNA（三）（三）DNA双螺旋结构的多样性双螺旋结构的多样性目目 录录DNADNA双螺旋的稳定性双螺旋的稳定性 DNADNA双螺旋结构在生理条件下很稳定。双螺旋结构在生理条件下很稳定。 维持这种稳定性的因素包括：两条维持这种稳定性的因素包括：两条DNADNA链之间形链之间形成的成的氢键，碱基堆积力氢键，碱基堆积力。 双螺旋结构双螺旋结构内部形成的疏水区内部形成的疏水区，消除了介质中，消除了介质中水分子对碱基之间氢键的影响；水分子对碱基之间氢键的影响； 介质

16、中的介质中的阳离子阳离子（如（如NaNa+ +、K K+ +和和MgMg2+2+）中和了磷酸）中和了磷酸基团的负电荷，降低了基团的负电荷，降低了DNADNA链之间的排斥力等。链之间的排斥力等。 改变介质条件和环境温度，将影响双螺旋的稳改变介质条件和环境温度，将影响双螺旋的稳定性。定性。（二）（二）DNADNA的三级结构的三级结构双螺旋进一步扭曲双螺旋进一步扭曲, ,形成一种比双螺旋更高形成一种比双螺旋更高层次的空间构象。包括：线状层次的空间构象。包括：线状DNADNA形成的纽形成的纽结、超螺旋和多重螺旋、环状结、超螺旋和多重螺旋、环状DNADNA形成的结、形成的结、超螺旋和连环等超螺旋和连环等

17、大多数原核生物大多数原核生物 ：1 1）共价封闭的环状）共价封闭的环状双螺旋分子双螺旋分子2 2）超螺旋结构：双）超螺旋结构：双螺旋基础上的螺旋化螺旋基础上的螺旋化正超螺旋正超螺旋(positive (positive supercoil):supercoil):盘绕方向盘绕方向与双螺旋方同相同与双螺旋方同相同负超螺旋负超螺旋(negative (negative supercoil):supercoil):盘绕方向盘绕方向与双螺旋方向相反与双螺旋方向相反 第三节第三节 RNA的结构与功能的结构与功能Structure and Function of RNARNA的种类、分布、功能的种类、分布

18、、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-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

19、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* * mRNA结构特点结构特点1. 大多数真核大多数真核mRNA的的5 末端均在转录

20、后加上末端均在转录后加上一个一个7-甲基鸟苷，同时第一个核苷酸的甲基鸟苷，同时第一个核苷酸的C 2也也是甲基化，形成帽子结构：是甲基化，形成帽子结构：m7GpppNm-。2. 大多数真核大多数真核mRNA的的3 末端有一个多聚腺苷酸末端有一个多聚腺苷酸(polyA)结构，称为多聚结构，称为多聚A尾。尾。帽子结构帽子结构mRNA核内向胞质的转位核内向胞质的转位mRNA的稳定性维系的稳定性维系翻译起始的调控翻译起始的调控 帽子结构和多聚帽子结构和多聚A尾的功能尾的功能* mRNA的功能的功能 把把DNA所携带的遗传信息，按碱基互所携带的遗传信息，按碱基互补配对原则，抄录并传送至核糖体，用以补配对原

21、则，抄录并传送至核糖体，用以决定其合成蛋白质的氨基酸排列顺序。决定其合成蛋白质的氨基酸排列顺序。DNAmRNA蛋白蛋白转录转录翻译翻译原核细胞原核细胞 细胞质细胞质细胞核细胞核DNA内含子内含子外显子外显子转录转录转录后剪接转录后剪接转运转运mRNAhnRNA翻译翻译蛋白蛋白真核细胞真核细胞 * tRNA的一级结构特点的一级结构特点 含含 1020% 稀有碱基，如稀有碱基，如 DHU 3 末端为末端为 CCA-OH 5 末端大多数为末端大多数为G二、转运二、转运RNA的结构与功能的结构与功能NNHNHNNOCH3CH3NNNHNNHCH2CHCCH3CH3NHNHOOHHHHNHNHSON,N

22、二甲基鸟嘌呤二甲基鸟嘌呤N6-异戊烯腺嘌呤异戊烯腺嘌呤双氢尿嘧啶双氢尿嘧啶4-巯尿嘧啶巯尿嘧啶 稀有碱基稀有碱基 * tRNA的二级结构的二级结构三叶草形三叶草形 氨基酸臂氨基酸臂 DHU环环 反密码环反密码环 额外环额外环 TC环环氨基酸氨基酸臂臂额外环额外环* tRNA的三级结构的三级结构 倒倒L形形* tRNA的功能的功能活化、搬运氨基活化、搬运氨基酸到核糖体，参与蛋酸到核糖体，参与蛋白质的翻译。白质的翻译。* rRNA的结构的结构三、核蛋白体三、核蛋白体RNA的结构与功能的结构与功能* rRNA的功能的功能参与组成核蛋白参与组成核蛋白体，作为蛋白质生物体，作为蛋白质生物合成的场所。合成

23、的场所。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 节节目目 录录1. DNA或或RNA的定量的定量OD260=1.0相当于相当于50 g/ml双链双链DNA40g/ml单链单链DNA（或（或RNA）20g/ml寡核苷酸寡核苷酸2.判断核酸样品的纯度判断核酸样品的纯度DNA纯品纯品: OD260/OD280 = 1.8RNA纯品纯品: OD260/OD280 = 2.0OD260的应用的应用目目 录录二、二、DNA的变性的变性(denaturation)定义：定义：在某些理化因素作用

24、下，在某些理化因素作用下，DNA双链解开双链解开成两条单链的过程。成两条单链的过程。方法：方法：过量酸，碱，加热，变性试剂如尿素、过量酸，碱，加热，变性试剂如尿素、 酰胺以及某些有机溶剂如乙醇、丙酮等。酰胺以及某些有机溶剂如乙醇、丙酮等。变性后其它理化性质变化：变性后其它理化性质变化：OD260增高增高粘度下降粘度下降比旋度下降比旋度下降浮力密度升高浮力密度升高酸碱滴定曲线改变酸碱滴定曲线改变生物活性丧失生物活性丧失目目 录录DNADNA变性的本质是双链间氢键的断裂变性的本质是双链间氢键的断裂DNADNA变性变性例：变性引起紫外吸收值的改变例：变性引起紫外吸收值的改变DNA的紫外吸收光谱的紫外

25、吸收光谱增色效应：增色效应：DNA变性时其溶液变性时其溶液OD260增高的现象。增高的现象。目目 录录解链曲线：解链曲线：如果在连续加热如果在连续加热DNADNA的过程中以的过程中以温度对温度对A260A260（absorbanceabsorbance，A A，A260A260代表溶液在代表溶液在260nm260nm处的吸光率）值作图，所得的曲线称为解处的吸光率）值作图，所得的曲线称为解链曲线链曲线。目目 录录 当当DNADNA的稀盐溶液加热到的稀盐溶液加热到80-10080-100时，双螺旋结构时，双螺旋结构即发生解体，两条链彼此分开，形成无规线团。即发生解体，两条链彼此分开，形成无规线团。

26、 80 90 100 100%50%OD260（254） Tm 变性温度范围变性温度范围融解温度（融解温度（melting melting temperature,Tmtemperature,Tm）：）：DNADNA热变性热变性过程中，紫外吸收达到最大值的一半时溶液的温度过程中，紫外吸收达到最大值的一半时溶液的温度称为融解温度（称为融解温度（TmTm）或解链温度、变性温度。）或解链温度、变性温度。 影响影响TmTm值的因素值的因素(1)(1)溶液的性质溶液的性质(2)DNA(2)DNA的性质和组成的性质和组成大肠杆菌大肠杆菌DNADNA在不同浓度在不同浓度KClKCl溶液下的熔融温度曲线溶液下

27、的熔融温度曲线三、三、DNA的复性与分子杂交的复性与分子杂交 DNA复性复性(renaturation)的定义的定义在适当条件下，变性在适当条件下，变性DNADNA的两条互补链可的两条互补链可恢复天然的双螺旋构象，这一现象称为恢复天然的双螺旋构象，这一现象称为复性复性。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。热变性的热变性的DNA经缓慢冷却后即可复性，经缓慢冷却后即可复性，这一过程称为这一过程称为退火退火(annealing) 。目目 录录DNADNA复性复性在在DNA变性后的复性过程中，如果将不变性后的复性过程中，如果将不同种类的同种类的DNA单链分子或单链分子或RNA分子放在同一分子放在同一溶液中，只要两种单链分子之间存在着一定溶液中，只要两种单链分子之间存在着一定程度的碱基配对关系，在适宜的条件（温度程度的碱基配对关系，在适宜的条件（温度及离子强度）下，就可以在不同的分子间形及离子强度）下，就可以在不同的分子间形成成杂化双链杂化双链(heteroduplex)。这种杂化双链可以在不同的这种杂化双链可以在不同的DNA与与DN