核酸的结构性质和功能

关于核酸的结构性质和功能第1页，共51页，2022年，5月20日，1点47分，星期五第一节DNA的结构与功能一级结构：DNA分子中脱氧单核苷酸的排列顺序，又称碱基序列*一个1kb的基因，其可能的核苷酸排列顺序有41000=10602种，而直径10亿光年的宇宙，基体积不过1084cm3或10108A。(见M.Eigen,Steps-TowardsLife,oxfordUniversitypress,1992)第2页，共51页，2022年，5月20日，1点47分，星期五第3页，共51页，2022年，5月20日，1点47分，星期五核苷酸是怎么连接的？核酸是由核苷酸聚合而成的多聚核苷酸（polynucleotide）。相邻二个核苷酸之间的连接键即：3’，5’－磷酸二酯键。这种连接可理解为核苷酸糖基上的3‘位羟基与相邻5’核苷酸的磷酸残基之间形成的两个酯键。多个核苷酸残基以这种方式连接而成的链式分子就是核酸。无论是DNA还是RNA，其基本结构都是如此，故又称DNA链或RNA链。第4页，共51页，2022年，5月20日，1点47分，星期五AUGCphosphodiesterbonds第5页，共51页，2022年，5月20日，1点47分，星期五（一）DNA的一级结构与功能

1.DNA一级结构中贮存的生物遗传信息

DNA是双螺旋的生物大分子。生物信息绝大部分都贮存在DNA分子中。这些信息以核苷酸不同的排列顺序编码在DNA分子上，核苷酸排列顺序变了，它的生物学含义也就不同了。

DNA的一级结构就是指核苷酸在DNA分子中的排列顺序。因此测定DNA的碱基排列顺序是分子生物学的基本课题之一。功能----遗传信息的载体第6页，共51页，2022年，5月20日，1点47分，星期五基因-----表现生物学功能调控基因---基因选择性表达的信息DNA携带两类遗传信息第7页，共51页，2022年，5月20日，1点47分，星期五二级结构---双螺旋模型背景Avery证明DNA为遗传物质DNA为什么能作为遗传信息的载体，它是什么样的结构？第8页，共51页，2022年，5月20日，1点47分，星期五（一）DNA的双螺旋结构及其意义1、双螺旋结构模型建立前人所作的贡献Chargaff研究小组确定碱基组成规律。Franklin和Wilkins等人，发现了DNA晶体的X线衍射图谱Watson和Crick两位科学家于1953年提出DNA双螺旋结构模型第9页，共51页，2022年，5月20日，1点47分，星期五JamesWastonFrancisCrickRosalindFranklinMauriceWilkins1962:NobelPrizeinPhysiologyandMedicine第10页，共51页，2022年，5月20日，1点47分，星期五Chargaff

研究小组的贡献1950～1953，Chargaff研究小组对DNA的化学组成进行了分析研究，发现：①DNA碱基组成有物种差异，且物种亲缘关系越远，差异越大；②相同物种，不同组织器官中DNA碱基组成相同，而且不因年龄、环境及营养而改变；第11页，共51页，2022年，5月20日，1点47分，星期五③DNA分子中四种碱基的摩尔百分比具有一定的规律性，即A=T、G=C、A+G=T+C。这一规律被称为Chargaff规则。

根据该规律、已知DNA分子中某一种碱基的百分数、可以推导其他三种碱基的百分数。第12页，共51页，2022年，5月20日，1点47分，星期五第13页，共51页，2022年，5月20日，1点47分，星期五1953年由Franklin和Wilkins等人完成的研究工作，发现了DNA晶体的X线衍射图谱中存在两种周期性反射，并证明DNA是一种螺旋构象。DNA结晶体X衍射图象，成为“解决生命奥秘的钥匙”、这张照片表明DNA是一种可用简单方法来测定的有规则的结构，因为它能结晶。

第14页，共51页，2022年，5月20日，1点47分，星期五X-raysourceCrystallizedDNAMauriceWilkinsDNA晶体的X线衍射图谱中存在两种周期性反射，并证明DNA是一种螺旋构象。第15页，共51页，2022年，5月20日，1点47分，星期五第16页，共51页，2022年，5月20日，1点47分，星期五Watson和Crick两位科学家在前人工作基础上、于1953年提出来DNA双螺旋结构模型。这个模型至少要下列解决问题：第一、模型要反映出具有携带和传递遗传信息的功能；第二，模型能说明DNA自我复制机制；第三，模型能说明引起生物突变的原因；第四，模型必须符合化学规律（碱基规律）第17页，共51页，2022年，5月20日，1点47分，星期五1953J.D.Watson和F.H.C.Cric在《Nature》发表DNA的双螺旋结构模型。twopolynucleotidechainsaretwistingaroundeachotherintheformofadoublehelix.1963Watson、Crick和Wilkins同获诺贝尔生理奖/医学奖

第18页，共51页，2022年，5月20日，1点47分，星期五B型双螺旋模型结构要点1、双链、平行、反向2、双链以氢键相连----碱基互补配对原则3、右手螺旋

4、维持力---氢键碱基堆积力其他第19页，共51页，2022年，5月20日，1点47分，星期五思考DNA双链越长越稳定，还是越短越稳定？DNA在盐溶液中稳定，还是在水溶液中稳定？第20页，共51页，2022年，5月20日，1点47分，星期五B-DNA螺旋：标准的

Watson,Crick双螺旋，92%相对湿度的钠盐中的构型A-DNA螺旋：DNA在75%相对湿度的钠盐中的构型。C-DNA螺旋：DNA在66%相对湿度的锂盐中的构型。Z-DNA螺旋：左手的DNA螺旋，这种螺旋模型可能可能在基因调控中起作用。3、DNA的类型（DNA二级结构多样性）第21页，共51页，2022年，5月20日，1点47分，星期五不同DNA纤维的空间结构

类型结晶状态ANa盐，相对湿度75%时结晶BNa盐，相对湿度92%时结晶C锂盐，相对湿度66%时结晶第22页，共51页，2022年，5月20日，1点47分，星期五1979年，美国麻省理工学院A.Rich等从d(GCGCGC)d的脱氧6个核苷酸X线衍射结果发现，该片段以左手螺旋存在于结晶中，并提出了左手螺旋的Z-DNA模型。目前已知DNA双螺旋结构可分为A、B、C、D及Z型等数种，除Z型为左手双螺旋外，其余均为右手双螺旋。左手螺旋DNA第23页，共51页，2022年，5月20日，1点47分，星期五第24页，共51页，2022年，5月20日，1点47分，星期五天然细胞中DNA多为B型构象，且B型构象的DNA活性最高。但是在细胞中也存在其他构象的DNA，且二级结构和高级结构之间存在相互转化，始终处在一个动力学平衡之中。第25页，共51页，2022年，5月20日，1点47分，星期五⑴三链结构

单链DNA与双链DNA分子中碱基发生相互作用、通过双链DNA的大沟的非碱基配对自发形成三链结构、含有同聚嘌呤-同聚嘧啶的镜象序列可形成三螺旋结构(Hoogsteen螺旋)、称为H-螺旋。该螺旋常处在许多真核细胞基因的表达调节区。可能与基因表达的调节有关.4、其他类型DNA第26页，共51页，2022年，5月20日，1点47分，星期五第27页，共51页，2022年，5月20日，1点47分，星期五⑵四链DNA双链DNA之间相互作用形成四链结构、鸟嘌呤可形成碱基四聚体。意义：可能存在于真核细胞染色体的端粒中第28页，共51页，2022年，5月20日，1点47分，星期五DNA分子中存在翻转重复序列、相互配对形成十字架或发夹结构⑶十字架结构第29页，共51页，2022年，5月20日，1点47分，星期五双链回文序列可形成十字架结构第30页，共51页，2022年，5月20日，1点47分，星期五（三）DNA的三级结构

DNA的三级结构指双螺旋链的扭曲。趋螺旋是DNA三级结构的一种形式，DNA在核小体中的扭曲方式也是一种趋螺旋结构。超螺旋的生物学意义可能是：1.使DNA分子体积变小，对其在细胞的包装过程有利。（2.2×1011公里,2.2×109公里,100倍）2.影响双螺旋的解链过程,从而影响DNA分子与其它分子(如酶、蛋白质、核酸)之间的相互作用。第31页，共51页，2022年，5月20日，1点47分，星期五DNA超螺旋结构DNA三级结构为超螺旋结构超螺旋按其方向分为正超螺旋和负超螺旋两种。真核生物中，DNA与组蛋白八聚体形成核小体结构时，存在着负超螺旋。研究发现，所有的DNA超螺旋都是由DNA拓扑异构酶产生的。第32页，共51页，2022年，5月20日，1点47分，星期五第33页，共51页，2022年，5月20日，1点47分，星期五（四）DNA作为遗传物质的主要优点

1.信息量大，可以缩微；

2.表面互补，电荷互补，双螺旋结构说明了精确复制机理；

3.核糖的2’脱氧，在水溶液中稳定性好；

4.可以突变，以求进化（突变对个体是不幸的，进化对群体是有利的）；

5.有T无U，基因组得以增大，而无C脱氨基成U带来的潜在危险。（尿嘧啶DNA糖苷酶可以灵敏识别DNA中的U而随时将其剔除）。

然而，如果DNA是最初的遗传物质，那么由于DNA复制需要酶，而酶是蛋白质，蛋白质又是由DNA的核苷酸序列编码的，这就成了一个鸡生蛋、蛋生鸡的问题。80年代发现RNA拟酶，这个问题才得到解决。第34页，共51页，2022年，5月20日，1点47分，星期五RNA作为遗传物质

RNA拟酶集信息传递作用和酶学催化作用于一身，很可能是最初的遗传物质。在这个基础上，一个RNA世界到RNA蛋白质世界，由RNA蛋白质世界到DNA世界的进化图景，已被科学界广泛接受。但RNA作为最初遗传物质的设想，仍然有许多疑难。其中最大的疑难是RNA本身的起源问题。

蛋白质因其缺乏遗传表面，而且遗传嗅觉不灵敏，不能作为遗传物质，早已成为定论。

·第35页，共51页，2022年，5月20日，1点47分，星期五第二节RNA的结构与功能一级结构通常为单链，局部可形成双链结构核酸是生物体的主要高分子互化合物，它储存着生物体全部遗传信息，是基因表达不可缺少的基础物质。除DNA外，在生物体中还存在着另一类核酸——RNA。RNA有许多种，它们具有不同的生物学功能。第36页，共51页，2022年，5月20日，1点47分，星期五（一）mRNAmRNA占细胞RNA总量的1%～5%，分子量范围几百～2万个核苷酸，变化大（RT/PCR）。原核和真核生物mRNA的结构不同。原核生物mRNA真核生物mRNA1.mRNA编码区多顺反子（几个功能相关蛋白质）单顺反子*（1种蛋白质）2.5‘端帽子结构无帽子结构，（有SD序列，RBS位于AUG上游8～13核苷酸处，与翻译起始有关）。有帽子结构（0.1.2三种类型）*使mRNA免遭外切核酸酶降解，与翻译起始有关（CBP）.3.3‘端poly(A)尾无有，20～200核苷酸4.5’.3’端mRNA非偏码区有有

由间隔区转录得到非编码区广泛存在于原核生物mRNA中（如RBS）。真核生物mRNA转录后加工,戴帽安尾。第37页，共51页，2022年，5月20日，1点47分，星期五

*顺反子（cistron）一段可供偏码的结构基因,是能够编码合成多肽的DNA的最小单位，遗传的功能单位，由互补互析决定。由结构基因转录生成的RNA序列亦称为顺反子。单顺反子（monocistron）真核的结构基因（及mRNA）是单顺反子，一个蛋白基因为一个转录单位。多顺反子（polycistron）原核的结构基因（mRNA）是多顺反子，多个蛋白基因串在一起为一个转录单位。*帽子结构中的核苷酸大多数为7甲基鸟苷（m7G）.在其后面第2和第3个核苷酸的核糖第2位羟基上有时也甲基化。因此通常帽子的结构可见3种类型： 帽子0型m7G（5’）PPP（5’）NP.

帽子1型m7G（5’）PPP（5’）NmpNP.

帽子2型m7G（5’）PPP（5’）NmPNmPNP.第38页，共51页，2022年，5月20日，1点47分，星期五（二）tRNAtRNA的结构相当保守，各种物种的tRNA均含有73～93个核苷酸，tRNA均有三叶草型的二级结构和L状的三级结构。一端是CCA结合氨基酸部位，另一端为反密码子环。tRNA通晓mRNA的核苷酸语言和蛋白质的氨基酸语言（AARS），是蛋白质翻译的译员。第39页，共51页，2022年，5月20日，1点47分，星期五（三）rRNArRNA与核糖体蛋白共同构成核糖体，后者是蛋白质合成的场所。核糖体的组成原核生物（70S，小30s大50S）真核生物（80S,小40s大60s）小亚基rRNA蛋白质16S(有mRNA识别结合位点)18S(有mRNA识别结合位点)21种33种大亚基rRNA23S、5S（识别、结合tRNA）28S、5S、5.8S(识别、结合tRNA)蛋白质34种49种

一切生物的遗传密码都要在核糖体上翻译。病毒本身没有核糖体，其mRNA要靠宿主细胞的核糖体来翻译。

核糖体蛋白如何识别rRNA上的结合位点，如何和rRNA结合，不同核糖体蛋白彼此如何识别，怎样互相联结，组装成为功能性的核糖体，尚在研究之中。目前只知道彼此所处的相对位置，联结的细节不明。第40页，共51页，2022年，5月20日，1点47分，星期五（四）具有催化活性的RNA（核酶，ribozyme）1.1981年，Cech等人研究四膜虫（能自我拼接rRNA）时发现核酶。2.分类（1）异体催化的剪切型（如RNaseP一种核酸内切酶）。（2）自体催化的剪切型（如植物类病毒）。（3）内含子的自我剪切型（如四膜虫大核26SrRNA前体）。3.生理功用绝大部分核酶参入RNA的加工和成熟。4.反应机理RNA为什么能成为催化中心？催化中心无非是提供一个表面，让参加反应的基团靠近并形成固定不变的空间关系，蛋白质以其侧链基团的多样性构成现代生物细胞中绝大部分的酶。然而，RNA分子能够以其分子的空间构型产生键的断裂和生成所必须的环境。催化RNA（R）和底物RNA（S）之间的碱基配对可能是产生这种环境的主要因素。第41页，共51页，2022年，5月20日，1点47分，星期五5.现实意义（1）对研究生命起源和进化有意义先有DNA还是还先有RNA抑或是蛋白质？鸡生蛋，蛋生鸡？上个世纪80年代已“定论”，很可能在原始生命中，RNA催化的断裂——连接反应是最早出现的催化的过程。科学家推测在生命早期存在一个RNAworld。进化中RNA的催化功能交给了蛋白质，而遗传性息载体的功能交给了DNA。（2）对传统酶学提出挑战蛋白酶取代核酶，绝大部分酶的化学本质是蛋白质（侧链基团多样性，核酸无侧链）。（3）抗病毒核酸，抗肿瘤核酸，基因治疗中的应用前景。第42页，共51页，2022年，5月20日，1点47分，星期五第六节病毒核酸

按照细胞的特征(自我装配、自我调节、自我复制)

病毒既不是真核细胞，也不是原核细胞，它只是具有部分生命特征的感染物。是一类亚显微专属性的细胞内寄生物。一、病毒的基本概念：第43页，共51页，2022年，5月20日，1点47分，星期五

病毒必须依赖宿主细胞进行繁殖，它在细胞中复制和装配是靠细胞的代谢活动来完成的。在细胞内组装成熟后释放到细胞外，感染其它细胞。

病毒概念的限定：①病毒粒子由蛋白质外壳与内部核酸构成；②病毒粒子是由预先形成的组分装配而成的；③病毒自身不具备能量代谢的遗传信息；④病毒自身不具备物质代谢的遗传信息。病毒外壳蛋白质的作用：一是保护核酸，防止被核酸酶破坏；二是识别宿主细胞，帮助病毒感染细胞。第44页，共51页，2022年，5月20日，1点47分，星期五⑵根据病毒所含核酸的性质和状态不同分六类：①双链±DNA→＋mRNA→蛋白质②单链＋DNA→±DNA→＋mRNA→蛋白质③双链±RNA→＋mRNA→蛋白质④单链＋RNA→－RNA→＋mRNA→蛋白质⑤单链－RNA→＋mRNA→蛋白质⑥单链＋RNA→－DNA→±DNA→＋mRNA→蛋白质

病毒的分类：⑴根据寄生的宿主不同分三类：

动物病毒、植物病毒、细菌病毒（噬菌体）。第45页，共51页，2022年，5月20日，1点47分，星期五

无外壳蛋白，仅有传染性的环状RNA分子称为类病毒(viroid)。类病毒主要在植物中引起一些疾病。

无基因组，而仅由蛋白质组成的传染因子称为朊病毒(prions)。也称侵染性蛋白质或蛋白质感染因子。如疯牛病、脑软化病、人纹状