第03章核酸的结构与功能

1、目录目录第第3 3章章核酸的结构与功能核酸的结构与功能Structure and Function of Nucleic Acidn核核 酸酸(nucleic acid) 是以核苷酸为基本组成单位的生物大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。分子，携带和传递遗传信息。目录目录l1868年年 Fridrich Miescher 从脓细胞中提取核素。从脓细胞中提取核素。 l1944年年 Avery等人证实等人证实DNA是遗传物质。是遗传物质。l1953年年 Watson和和Crick发现发现DNA的双螺旋结构。的双螺旋结构。l1968年年 Nirenberg发现遗传密码。发现遗

2、传密码。l1975年年 Temin和和Baltimore发发现逆转录酶。现逆转录酶。l1981年年 Gilbert和和Sanger建建立立DNA测序方法。测序方法。l1985年年 Mullis发明发明PCR技术。技术。l1990年年 美国启动人类基因组计划美国启动人类基因组计划(HGP)。l1994年年 中国人类基因组计划启动。中国人类基因组计划启动。l2001年年 美英等国完成人类基因组计划。美英等国完成人类基因组计划。n核酸研究的发展简史核酸研究的发展简史n核酸的分类及分布核酸的分类及分布存在存在于细胞核和于细胞核和线粒体线粒体 分布于细胞分布于细胞液中液中(DNA)(ribonuclei

3、c 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，携带遗传信息，并通过复制传递并通过复制传递给下一代。给下一代。DNADNA的遗传信息通过的遗传信息通过RNARNA传递到传递到蛋白质蛋白质, ,表达出各种生命现象表达出各种生命现象第一节第一节核酸的分子组成核酸的分子组成目录目录核酸的元素组成核酸的元素组成 核酸由核酸由C、H、O、N和和P元素组成，核酸元素组成，核酸分子中分子中P含量比较恒定，约占含量比较恒定，约占9%-10%，故测定样品中故测定样品中P的含量即可算出其核酸的的含量即可算出其核酸的含量。含量。目录目录核酸核酸 ( (DNA和和RNA) )核苷酸核苷

4、酸核苷和脱氧核苷核苷和脱氧核苷磷酸磷酸戊糖戊糖碱基碱基嘌呤嘌呤嘧啶嘧啶核糖核糖脱氧核糖脱氧核糖核酸基本组成核酸基本组成 目录目录碱基碱基是含氮的杂环化合物。是含氮的杂环化合物。碱基碱基嘌呤嘌呤嘧啶嘧啶腺嘌呤腺嘌呤(A)(A)鸟嘌呤鸟嘌呤(G)(G)尿嘧啶尿嘧啶(U)(U)胸腺嘧啶胸腺嘧啶(T)(T)胞嘧啶胞嘧啶(C)(C)存在于存在于DNA和和RNA中中 仅存在于仅存在于RNA中中 仅存在于仅存在于DNA中中n碱基碱基嘌呤嘌呤(purine，Pu) NNNHN123456789NNNHNNH2腺嘌呤腺嘌呤(adenine, A)NNHNHNNH2O鸟嘌呤鸟嘌呤(guanine, G)NNH13

5、2456嘧啶嘧啶(pyrimidine，Py)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)NHNHOOCH3n戊糖戊糖（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)目录目录磷酸磷酸 O HO P OH OH目录目录核酸的基本组成单位核酸的基本组成单位核苷酸核苷酸 戊糖与碱基通过糖苷键连接而成的化合戊糖与碱基通过糖苷键连接而成的化合物称为核苷。物称为核苷。 核苷与磷酸通过磷酸酯键连

6、接，即为核核苷与磷酸通过磷酸酯键连接，即为核苷酸。戊糖上的游离羟基均可与磷酸生苷酸。戊糖上的游离羟基均可与磷酸生成酯键结合，当生物体内的核苷酸主要成酯键结合，当生物体内的核苷酸主要是核苷是核苷C-5 羟基与磷酸形成酯键的化合羟基与磷酸形成酯键的化合物，称为物，称为5 -核苷酸。核苷酸。目录目录n脱氧核苷脱氧核苷糖苷键通常是由戊糖糖苷键通常是由戊糖C-1 的羟基与嘌呤碱的羟基与嘌呤碱N-9或嘧啶碱或嘧啶碱N-1上的氢脱水结合生成。核苷中的戊糖若为脱氧核糖，称上的氢脱水结合生成。核苷中的戊糖若为脱氧核糖，称为脱氧核苷。为脱氧核苷。目录目录 嘌呤嘌呤N-9 -9或或嘧啶嘧啶N-1 -1与核糖与核糖C

7、-1C-1 通过通过糖苷键糖苷键相相连形成连形成核苷核苷。n核苷核苷NNNN9NH2OOHOHHHHCH2OHH12糖苷键糖苷键目录目录核苷或脱氧核苷与磷酸通过核苷或脱氧核苷与磷酸通过酯键酯键结合构成结合构成核苷酸核苷酸(ribonucleotide)或或脱氧核苷酸脱氧核苷酸(deoxyribonucleotide)。n核苷酸核苷酸NNNN9NH2OO HO HHHHCH2H1 2OPO- -HOO糖苷键糖苷键酯键酯键目录目录核酸的种类与命名 DNADNA脱氧腺苷酸脱氧腺苷酸( (一磷酸脱氧腺苷一磷酸脱氧腺苷,dAMP) ,dAMP) 脱氧鸟苷酸脱氧鸟苷酸( (一磷酸脱氧鸟苷一磷酸脱氧鸟苷,d

8、GMP) ,dGMP) 脱氧胞苷酸脱氧胞苷酸( (一磷酸脱氧胞苷一磷酸脱氧胞苷,dCMP) ,dCMP) 脱氧胸苷酸脱氧胸苷酸( (一磷酸脱氧胸苷一磷酸脱氧胸苷,dTMP),dTMP) RNARNA腺苷酸腺苷酸( (一磷酸腺苷一磷酸腺苷,AMP),AMP)鸟苷酸鸟苷酸( (一磷酸鸟苷一磷酸鸟苷,GMP),GMP)胞苷酸胞苷酸( (一磷酸胞苷一磷酸胞苷,CMP),CMP)尿苷酸尿苷酸( (一磷酸胸苷一磷酸胸苷,UMP),UMP)目录目录n体内几种重要的核苷酸：多磷酸核苷酸体内几种重要的核苷酸：多磷酸核苷酸5 -核苷酸的磷酸基可进一步磷酸化，生成二磷酸核苷（核苷酸的磷酸基可进一步磷酸化，生成二磷酸

9、核苷（NDP）和）和三磷酸核苷（三磷酸核苷（NTP），如），如5 -腺苷磷酸化后可生成二磷酸腺苷腺苷磷酸化后可生成二磷酸腺苷（ADP）和（）和（ATP）。上述为）。上述为ATP结构式。结构式。环化核苷酸：环化核苷酸：cAMP、cGMP，是细胞信是细胞信号转导中的第二信使。号转导中的第二信使。NOCH2OOHONNNNH2POOHcAMPn体内几种重要的核苷酸：环化核苷酸体内几种重要的核苷酸：环化核苷酸第二节第二节核酸的分子结构核酸的分子结构一、核酸的一级结构一、核酸的一级结构一个脱氧核苷酸一个脱氧核苷酸3 3 -OH-OH与另一个核苷酸与另一个核苷酸5 5 - -磷酸磷酸基团缩合形成基团缩合形

10、成磷酸二酯键。磷酸二酯键。两个核苷酸两个核苷酸借磷酸二酯键连接成二核苷酸；上百个以上借磷酸二酯键连接成二核苷酸；上百个以上核苷酸连接起来就成多核苷酸，即核酸。长核苷酸连接起来就成多核苷酸，即核酸。长链的一端，磷酸只与戊糖链的一端，磷酸只与戊糖C- C- 5相连称相连称5 5 - -末端末端；另一端在戊糖上另一端在戊糖上C- C- 3 3 上具有只有羟基，称上具有只有羟基，称3 3 - -末端末端。（一）核苷酸之间的连接方式（一）核苷酸之间的连接方式目录目录5-末端末端3-末端末端CGA磷酸二酯键磷酸二酯键磷酸二酯键磷酸二酯键A G P5 P T PG PC PT P OH 3 n多核苷酸的书写

11、方法：多核苷酸的书写方法：5 pApCpTpGpCpT-OH 3 5 A C T G C T 3 n定义定义在多核苷酸中核苷酸的排列在多核苷酸中核苷酸的排列顺序为核酸的一级结构。顺序为核酸的一级结构。由于核苷酸间的差异主要是由于核苷酸间的差异主要是碱基不同，所以也称为碱基不同，所以也称为碱基序列碱基序列也就是说碱基的排列顺序也是核也就是说碱基的排列顺序也是核酸的一级结构。所以酸的一级结构。所以A A、G G、C C、U U、T T等既可代表碱基，也可代表等既可代表碱基，也可代表核算中的核苷酸核算中的核苷酸55端端3端端CGA（二）核酸的一级结构（二）核酸的一级结构目录目录二、核酸的空间结构与功

12、能 多个（脱氧）核苷酸通过磷酸二酯键构多个（脱氧）核苷酸通过磷酸二酯键构成了具有成了具有方向性方向性的线性分子，称为的线性分子，称为多聚多聚（脱氧）核苷酸（脱氧）核苷酸，即，即（DNA）RNA链链。目录目录DNADNA的空间结构又分为二级结构的空间结构又分为二级结构(secondary structure)和高级结构。和高级结构。nDNA的空间结构的空间结构(spatial structure)构成构成DNA的所有原子在三维空间的所有原子在三维空间具有确定的相对位置关系。具有确定的相对位置关系。目录目录交替的磷酸基团和戊交替的磷酸基团和戊糖构成了糖构成了DNA的骨架的骨架 (backbone)

13、。DNA链的方向是链的方向是5 5 3 3 一、一、DNA的二级结构是双螺旋结构的二级结构是双螺旋结构目录目录l不同生物种属的不同生物种属的DNA的碱基组成不同的碱基组成不同l同一个体的不同器官或组织的同一个体的不同器官或组织的DNA碱基组碱基组成相同。成相同。lA = T，G = C Chargaff 规则规则（一）（一）DNA双螺旋结构的研究背景双螺旋结构的研究背景 获得了高质量的获得了高质量的DNA分子的分子的X射线衍射照片。射线衍射照片。 提出了提出了DNA分子双螺旋结构分子双螺旋结构(double helix)模型。模型。两条多聚核苷酸链在空间的走向呈两条多聚核苷酸链在空间的走向呈反

14、向平行反向平行(anti-parallel)。两条链围绕着同一个螺旋轴形成两条链围绕着同一个螺旋轴形成右手螺旋右手螺旋(right-handed)的的结构。结构。脱氧核糖和磷酸基团组成的亲水性骨架位于双螺旋脱氧核糖和磷酸基团组成的亲水性骨架位于双螺旋结构的结构的外侧外侧，疏水的碱基位于，疏水的碱基位于内侧内侧。碱基对平面与螺旋轴碱基对平面与螺旋轴垂直垂直双螺旋结构的表面形成了一个双螺旋结构的表面形成了一个大沟大沟(major groove)和一个和一个小小沟沟(minor groove)。 （二）（二） DNA双螺旋结构模型要点双螺旋结构模型要点1.1.DNA是反向平行、右手螺旋的双链结构是反

15、向平行、右手螺旋的双链结构亲水性的骨架位于亲水性的骨架位于双链的外侧。双链的外侧。 疏水性的碱基位于疏水性的碱基位于双链的内侧。双链的内侧。n骨架与碱基骨架与碱基目录目录2.DNA双链之间形成了互补碱基对双链之间形成了互补碱基对 链条链同一个平面上的碱基通过氢键形成碱链条链同一个平面上的碱基通过氢键形成碱基对，总是基对，总是A与与T，G与与C配对，这就是配对，这就是碱基碱基互补规律互补规律。 碱基配对关系称为碱基配对关系称为互补碱基对互补碱基对;通过碱基互补通过碱基互补而结合的两条链则互为而结合的两条链则互为互补链互补链 A与与T之间有两个氢键，之间有两个氢键，G与与C之间有三个氢之间有三个氢

16、键。碱基对之间距离为键。碱基对之间距离为0.34nm,每一个螺旋有每一个螺旋有10对碱基对碱基,所以所以螺距为螺距为3. 4nm。双螺旋结构的。双螺旋结构的直径为直径为2nm。目录目录 相邻两个碱基对会有重叠，产生了疏水性的相邻两个碱基对会有重叠，产生了疏水性的碱基堆积力，碱基堆积力和互补碱基对的氢碱基堆积力，碱基堆积力和互补碱基对的氢键共同维系着键共同维系着DNA结构的稳定。结构的稳定。3.疏水作用力和氢键共同维系着疏水作用力和氢键共同维系着DNA双螺旋双螺旋结构的稳定。结构的稳定。nDNA二级结构二级结构二、二、DNA的高级结构是超螺旋结构的高级结构是超螺旋结构超螺旋结构超螺旋结构(sup

17、erhelix 或或supercoil)DNA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)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。 DNADNA的基本功能是的基本功能是以基因的形式荷载遗传信息以基因的形式荷载遗传信息，并作，并作为基因为基因复制和转录的模板复制和转录的模板。它是生命遗传的物质基。它是生命遗传的物质基础，也是个体生命活动的信息基础。础，也是个体生命活动的信息基础。 基因从

18、结构上定义，是指基因从结构上定义，是指DNADNA分子中的特定区段，其分子中的特定区段，其中的核苷酸排列顺序决定了基因的功能。中的核苷酸排列顺序决定了基因的功能。 用基因的遗传信息在细胞中合成了有功能意义的各用基因的遗传信息在细胞中合成了有功能意义的各种蛋白质，因此种蛋白质，因此核酸是遗传的物质基础，蛋白质是核酸是遗传的物质基础，蛋白质是生命的物质基础生命的物质基础三、三、DNA是遗传信息的物质基础是遗传信息的物质基础目录目录RNA的空间结构和功能的空间结构和功能 RNA也是多个核苷酸分子通过酯化反应形也是多个核苷酸分子通过酯化反应形成的线性大分子，并且具有方向性成的线性大分子，并且具有方向性

19、； RNA的戊糖是核糖；的戊糖是核糖； RNA的嘧啶是胞嘧啶和尿嘧啶。的嘧啶是胞嘧啶和尿嘧啶。目录目录信使信使RNA(mRNA)，是合成蛋白质的模板。是合成蛋白质的模板。转运转运RNA(tRNA)，在蛋白质合成过程中在蛋白质合成过程中作为各种氨基酸的载体作为各种氨基酸的载体, 将氨基酸转呈给将氨基酸转呈给mRNA核糖体核糖体RNA(rRNA)，核糖体的组成部分，核糖体的组成部分，核糖体是蛋白质合成的场所核糖体是蛋白质合成的场所RNA的种类及功能的种类及功能目录目录RNA的空间结构的空间结构 RNA通常以单链形式存在，但是单链可以在某些节段回折形成局部的双螺旋结构。 局部碱基配对时，不能配对的碱

20、基膨出成环状，这样局部的双链与环形成一种鼓槌形的结构，也称发夹结构。此即RNA的二级结构。 所有的rRNA都有三个发夹结构，呈三叶草形。目录目录tRNA具有局部发卡具有局部发卡结构。结构。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TC环环附加叉附加叉目录目录 tRNA的倒的倒L三级结构三级结构RNA在二级结构的基础上,进一步折叠即成为三级结构。目录目录nDNA和和RNA的区别的区别核糖核糖 G、C、A、URNA脱氧核糖脱氧核糖 G、C、A、TDNA碱基碱基核糖核糖核酸核酸目录目录 RNA与蛋白质共同负责基因的表达和表达过与蛋白质共同负责基因的表达和表

21、达过程的调控。程的调控。 RNA通常以单链的形式存在，但有复杂的局通常以单链的形式存在，但有复杂的局部二级结构或三级结构。部二级结构或三级结构。 RNA比比DNA小的多。小的多。 RNA的种类、大小和结构远比的种类、大小和结构远比DNA表现出多表现出多样性。样性。核酸的理化性质核酸的理化性质第三节第三节目录目录 有三种方式表示核酸分子大小：道尔顿（有三种方式表示核酸分子大小：道尔顿（Dalton)表示表示其相对分子量大小其相对分子量大小;碱基对数目碱基对数目(base pair,bp或或kb,1kb=1000bp);沉降系数沉降系数(S),是表示是表示rRNA分子大小的分子大小的常用方法。常用

22、方法。 小 的 核 酸 片 段小 的 核 酸 片 段 ( 5 0 b p ) 常 被 称 为 寡 核 苷 酸常 被 称 为 寡 核 苷 酸(oligonucleotide)。自然界中的。自然界中的DNA和和RNA的长度可以的长度可以高达几十万个碱基。高达几十万个碱基。 一、核酸的一般理化性质一、核酸的一般理化性质核酸在波长核酸在波长 260nm 处有强烈的吸收，是处有强烈的吸收，是由由碱基的共轭双键碱基的共轭双键所决定的。这一特性常用作所决定的。这一特性常用作核酸的定性和定量分析。核酸的定性和定量分析。核酸分子具有强烈的紫外吸收核酸分子具有强烈的紫外吸收n碱基的紫外吸收光谱碱基的紫外吸收光谱二

23、、二、DNADNA变性变性在加热、酸、碱、尿素等理化因素作用下，在加热、酸、碱、尿素等理化因素作用下，使使DNA分子碱基对之间的氢键断裂，天然有序分子碱基对之间的氢键断裂，天然有序的双螺旋结构变成任意缠绕的单链分子的双螺旋结构变成任意缠绕的单链分子n定义定义DNA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。变性不涉及共价键的断裂，不破坏其一级结构，相对变性不涉及共价键的断裂，不破坏其一级结构，相对分子量也不发生变化分子量也不发生变化协同性的协同性的DNA解链解链高温或极端的高温或极端的pHnDNA的变性的变性三、三、DNA的复性和分子杂交的复性和分子杂交变性变性DNA在一定条件

24、下，分开的两条互补链重新缔合在一定条件下，分开的两条互补链重新缔合成双螺旋结构，并恢复其原有的理化性质和生物学活成双螺旋结构，并恢复其原有的理化性质和生物学活性，这个过程为性，这个过程为DNA的复性或退火。的复性或退火。热变性的热变性的DNA经缓慢冷却后即可复性，这一过程称经缓慢冷却后即可复性，这一过程称为为退火退火(annealing) 。复性受很多因素影响，复性受很多因素影响，DNA分子越长，核苷酸组成分子越长，核苷酸组成越复杂，越复杂，DNA复性也就越困难。复性也就越困难。变性及复性的原理是变性及复性的原理是PCR技术的基础技术的基础，现已在医学，现已在医学中得到广泛应用。中得到广泛应用。 两条来源不同的多核苷酸链，只要大部分碱基两条来源不同的多核苷酸链，只要大部分碱基互相配对，在复性过程中可形成双螺旋结构，互相配对，在复性过程中可形成双螺旋结构，称称杂交作用杂交作用。 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DNA之间形之间形成，也可以在成，也可以在DNA和和RNA分子间或者分子间或者RNA与与RNA分子间形成。这种现象称为核酸分子杂交。分子间形成。这种现象称为核酸分子杂交。n核酸分子杂交核酸分子杂交(hybridization) n核酸分子杂交核酸分子杂交 研究研究D