2核酸的结构与功能

第二章

核酸的结构与功能structuresandfunctionsofnucleicacids1内容2.1

核酸的种类与分布2.2

核苷酸2.3

dna的分子结构2.6

核酸的理化性质2.5rna的分子结构2.4

核酸与蛋白质的复合体22.1核酸（nucleicacid）的种类与分布3核酸：一种生物大分子；是活细胞中最关键的组分，它携带着遗传信息，是遗传的物质基础；决定蛋白质和酶的结构，决定每一种生物体的代谢类型和形态。核酸的发现：1868年f.

miescher从脓细胞中提取“核素”,鲑精头部分离出“dna”;20年后r.altmann分离到不含蛋白质的核酸，提出“核酸”这一名词

;1910年a.kossel及其同事：鉴定核酸中的碱基（诺贝尔奖）;1912年levene:鉴定核酸中的糖及阐明核苷酸的化学键，但其“四核苷酸”假说阻碍核酸研究达30年之久;1944年

avery等人证实dna是遗传物质;1953年

watson和crick发现dna的双螺旋结构;1966年nirenberg等发现遗传密码。2.1.1

概述42.1.2

核酸的种类脱氧核糖核酸（deoxyribonucleicacid,dna）核酸核糖核酸(rna,ribonucleicacid)转运核糖核酸（trna）10-15%信使核糖核酸（mrna）3~5%核糖体核糖核酸（rrna）75~85%dna:106~109

bp(人3.2×109

bp

)rna:几十~几千bp

52.1.3

核酸的分布几乎所有的生物体（包括细菌、病毒）内都含有核酸。大多数生物既含有dna又含有rna，在病毒分子中，只含有一种核酸（dna或rna）。真核生物原核生物dna细胞核98%细胞质少量线粒体少量叶绿体少量类核区质粒病毒dnarna细胞质90%核仁少量细胞质病毒rna62.2

核苷酸(nucleotide)核酸的化学组成thechemicalcomponentsofnucleicacid72.2.1核酸的基本组成基本元素：c、h、o、n、p(9～10%)基本单位：核苷酸核酸的酸解过程：核酸核苷酸核苷磷酸戊糖碱基82.2.2碱基嘌呤嘧啶碱基腺嘌呤（a）鸟嘌呤（g）胞嘧啶（c）胸腺嘧啶（t）尿嘧啶（u）dna、rna均有dna有（某些rna中有少量存在）rna有9嘌呤腺嘌呤(6-氨基嘌呤)鸟嘌呤（2-氨基-6-氧嘌呤）10嘧啶胸腺嘧啶（5-甲基-2，4-二氧嘧啶）胞嘧啶2-氧-4-氨基嘧啶尿嘧啶2，4-二氧嘧啶11稀有碱基大多甲基化碱基，trna含量丰富(高达10％)122.2.3戊糖β-d-核糖

β-d-脱氧核糖132.2.4核苷碱基和核糖（或脱氧核糖）通过c-n

糖苷键连接形成核苷（或脱氧核苷）。91′11′核糖核苷：ar,gr,cr,ur脱氧核苷：dar,dgr,dcr,dtr142.2.5核苷酸核苷（脱氧核苷）和磷酸以酯键连接形成核苷酸（脱氧核苷酸）。1.核苷一磷酸核苷酸：amp,gmp,ump,cmp

脱氧核苷酸：damp,dgmp,dtmp,dcmp

15

2.核苷多磷酸5′-核苷酸的磷酸基团可与另一磷酸分子缩合形成核苷二磷酸(ndp)，核苷二磷酸还可进一步与磷酸缩合形成核苷三磷酸(ntp)。n=a/u/g/c腺嘌呤腺苷同样，dndp、dntp，n=a/t/g/c16核苷多磷酸的生物学功能:§ntp和dntp分别是rna和dna的直接前体。§atp分子的最显著特点是含有两个高能磷酸键。水解时,atp可以释放出大量自由能，推动生物体内各种需能的生化反应。§udp、adp、gdp在多糖合成中，可作为携带葡萄糖基的载体；cdp在磷脂合成中可作为携带胆碱的载体。§gtp、ctp、utp在某些生化反应中也具有传递能量的作用。173.环核苷酸（camp&cgmp）环核苷酸是由核苷酸分子中的磷酸与核糖的3’,5’-二羟基形成磷酸二酯键环化而成。18环核苷酸的生物学功能:§

camp和cgmp是重要的第二信使，许多激素（第一信使）是通过camp而发挥其功能的。camp属于放大激素作用信号，cgmp属于缩小激素作用信号。§camp还参与大肠杆菌中dna转录的调控。192.3dna的分子结构themolecularstructureofdna20一级结构是指核酸分子中核苷酸的排列顺序及连接方式。排列顺序：不同的dna分子具有不同的核苷酸排列顺序，因此携带不同的遗传信息。连接方式：以3,5-磷酸二酯键连接形成多核苷酸链，即核酸。书写方法：结构式、线条式、文字式。5ˊ端→3ˊ端(由左至右)2.3.1dna的一级结构21线条式文字式结构式22经典方法

maxam-gilbertdna化学降解法(maxam

和gilbert,1977)

sanger双脱氧链终止法(sanger和coulson,1977)dna的一级结构测序23

一个末端标记的dna片段在4组互相独立的化学反应分别得到部分降解，其中每一组反应特异地针对某一种或某一类碱基。因此生成4组放射性标记的分子，从共同起点（放射性标记末端）延续到发生化学降解的位点。每组混合物中均含有长短不一的dna分子，其长度取决于该组反应所针对的碱基在原dna全片段上的位置。此后，通过聚丙烯酰胺凝胶电泳和放射自显影得到测序图谱。dna化学降解法24sanger双脱氧链终止法在pcr时分别加入dda,ddt,ddc,ddg（相应于4种碱基）ddx的两个作用：可以当作正常碱基参与复制一旦链入dna中，其后就不能再继续连接电泳谁终止，碱基就是谁此方法获1980年nobel化学奖现有的自动化测序仪基本按此原理设计25少一个－oh脱氧核甘酸双脱氧核甘酸26制备单链模板

将单链模板与一小段引物退火

加入dna聚合酶（klenow）+4种dntp+引物(分别加入少量4种ddntp)

将4种反应产物分别在4条泳道电泳

根据4个碱基在4条泳道的终止位置读出基因序列

技术路线与要求27双脱氧链末端终止法测序基本原理2829双螺旋模型的主要依据双螺旋模型的要点双螺旋模型的稳定因素双螺旋结构的多样性三链dna2.3.2dna的二级结构30双螺旋(doublehelix)结构

jameswatsonfranciscrick31dna的二级结构（secondarystructure）是指构成dna的多聚脱氧核苷酸链之间通过链间氢键卷曲而成的构象。1953年，watson-crick提出双螺旋结构模型。32

dna的结构，发表于《自然》171卷(1953)737-738页上的插图

33dna双螺旋结构发现的故事jameswatson(生物)francis

crick(物理)mauricewilkins(物理)rosalindfranklin

(化学)linus

pauling(生物化学)：美国加州理工大学

剑桥cawendishlab伦敦皇家学院34dna的双螺旋结构

右手螺旋35右手性的定义示意图。大姆指指向轴向，其他四指由掌根向指尖方向表示螺旋转动方向。36（一）dna双螺旋结构的实验依据chargaff规则：不同物种的dna碱基组成不同，而同一生物的dna组成是一样的，即有种属特异性，无组织特异性；dna碱基组成不随年龄、营养状况和环境因素而改变；在同一生物体中[a]=

[t]，[g]=

[c]，即a+g=t+c.2.norweger、furbug研究证实，戊糖糖环与dna分子纵轴平行，而碱基平面与纵轴垂直。3.dna的x-线衍射图谱分析（franklin）。37已知的核酸化学数据：糖-磷酸基在外侧，碱基在内侧。38（二）dna双螺旋结构模型要点

1.两条链反向平行，围绕同一中心轴构成右手双螺旋(doublehelix)，表面有大沟和小沟。2.磷酸-脱氧核糖形成dna的骨架，位于双螺旋外侧与中轴平行，碱基垂直于螺旋轴而伸入内侧。39碱基平面与纵轴垂直，糖环平面与纵轴平行403.双螺旋直径2nm，顺轴方向每隔0.34nm有一个核苷酸，每圈螺旋含10个核苷酸，相邻两个核苷酸间的夹角为36°,螺距为3.4nm。4.两条链通过碱基间的氢键相连，a对t有两个氢键，c对g有三个氢键，这种a-t、c-g配对的规律，称为碱基互补规则。41碱基互补配对

tagc碱基对（basepair,bp

）：是一对相互匹配的碱基（即a：t，g：c，a：u相互作用）被氢键连接起来。它常被用来衡量dna和rna的长度（尽管rna是单链）。

42配对碱基的氢键43（三）双螺旋结构的稳定因素1.碱基堆积力2.配对碱基形成的氢键3.离子键碱基堆积力是最主要的稳定因素。44碱基堆积力（basestackingforces）:

嘌呤与嘧啶形状扁平，成疏水性，分布于双螺旋结构的内侧。大量碱基层层堆积，两相邻碱基的平面十分贴近，于是使dna双螺旋结构内部形成一个强大的疏水区，与介质中的水分隔开，在dna分子内部形成疏水核心，核心内几乎没有游离的水分子，免遭水溶性活性小分子的攻击，保证碱基在化学上的稳定性。

碱基堆积力是维持dna双螺旋结构稳定的主要作用力。45互补碱基之间的氢键：g-c间有3个氢键，a-t之间仅有2个氢键,故前者较稳定。离子键：带负电荷磷酸之间的静电斥力——会造成不稳定，但带负电荷磷酸可与阳离子结合有助于结构的稳定。na+、k+、mg2+、mn2+

是真核细胞内的组蛋白之间形成的离子键，中和了负电荷，降低了dna链本身不同部位之间的斥力。46dna双螺旋结构提出的生物学意义该模型揭示了dna作为遗传物质的稳定性特征，最有价值的是确认了碱基配对原则，这是dna复制、转录和反转录的分子基础，亦是遗传信息传递和表达的分子基础。该模型的提出是20世纪生命科学的重大突破之一，它奠定了生物化学和分子生物学乃至整个生命科学飞速发展的基石。47

如果人体有1014个细胞，每个体细胞的dna量为6.4×109对核苷酸。试计算人体dna的总长度是多少？这个长度与太阳-地球之间的距离（1.5×108km）相比如何？①每个体细胞内dna的总长度：6.4×109×0.34=2.176×109nm②人体dna的总长度：2.176×109×1014=2.176×1023nm=2.176×1011km③这个长度与太阳—地球之间的距离之比为2.176×1011/1.5×108≈1451(倍)48（四）dna双螺旋结构的多样性49类型螺旋方向存在条件螺距碱基数/螺旋碱基倾角a-dna右手相对湿度75%2.53nm1119°b-dna右手相对湿度92%3.54nm10.41°z-dna左手嘌呤－嘧啶二核苷酸为重复单位如d(cgcgcg)4.56nm12－9°双螺旋dna的类型及相关参数50dna的三股螺旋51

多聚嘧啶和多聚嘌呤组成的dna螺旋区段，其序列中有较长的镜像重复时，形成局部三股配对，并互相盘绕的三股螺旋，其中两股的碱基按watson-crick方式配对，第三股多聚嘧啶（镜像重复）通过tat和cgc配对，而处于双螺旋的大沟中。dna三股螺旋52dna三螺旋的碱基配对53回文结构—双链dna中含有的两个结构相同、方向相反的序列称为反向重复序列，也称为回文结构，每条单链以任一方向阅读时都是一样的。

短的回文结构可能是一种特别的信号，如限制性内切酶的识别位点。较长的回文结构能形成发夹结构。5’3’3’5’dna的其它螺旋结构54aattcaagggagaagtatagaagagggaaggatcttaagttccctcttcatatcttctcccttcctag镜像重复—存在于同一股上的某些dna区段的反向重复序列。此序列各单股中没有互补序列，不能形成发夹结构。552.3.3dna的三级结构dna的超螺旋结构超螺旋结构(superhelix

或supercoil)dna双螺旋链再盘绕即形成超螺旋结构

正超螺旋(positivesupercoil)盘绕方向与dna双螺旋方同相同

负超螺旋(negativesupercoil)盘绕方向与dna双螺旋方向相反

56意义:dna超螺旋结构整体或局部的拓扑学变化及其调控对于dna复制和rna转录过程具有关键作用。

572.4核酸与蛋白质的复合体染色体(chromosome)病毒(virus)58染色体泛指病毒、细菌、真核细胞遗传信息库中的核酸分子。真核生物染色体由dna和蛋白质构成，其基本单位是核小体(nucleosome)。2.4.1染色体核小体的组成dna：

约200bp

组蛋白：h1h2a，h2bh3h4组蛋白核心八聚体×2=59真核核小体的结构60串珠状核小体结构616263真核生物染色体dna组装不同层次的结构dna

（2nm）核小体链（11nm，每个核小体200bp）纤丝（30nm，每圈6个核小体）突环（150nm，每个突环大约75000bp）玫瑰花结（300nm，6个突环）螺旋圈（700nm，每圈30个玫瑰花结）染色体（1400nm，每个染色体含10个螺旋圈）64dna的生物学功能dna的基本功能是以基因的形式荷载遗传信息，并作为基因复制和转录的模板。它是生命遗传的物质基础，也是个体生命活动的信息基础。65s：感病r：抗病66dna分子中不同排列顺序的dna区段构成特定的功能单位，即基因(gene)。细胞内遗传信息的携带者---染色体所包含的dna总体称为基因组(genome)。人类基因组含3.2×109bpdna，理论上可编码200万以上的基因，但是资料表明编码蛋白质的这部分序列只占基因组的3％到5％，也就是说，人类基因组中多达95％到97％是非编码区。

67病毒是由核酸和蛋白质组成的非细胞生物，是裸露的染色体。从结构上看，核酸在内，蛋白质在外，包裹着核酸，这层蛋白叫做衣壳（capsid）。病毒通常只含有一种核酸，只含dna的叫dna病毒；只含rna的叫rna病毒;目前尚未发现既含有dna又含有rna的病毒。2.4.2病毒68病毒颗粒结构示意图69噬菌体t2结构头部颈圈尾部基板尾丝尖钉dna70hivvirus截面图712.5

rna的分子结构rna的特点rna的结构

rna的主要类型与功能722.5.1rna的特点rna是单链分子，因此在rna分子中，嘌呤的总数不一定等于嘧啶的总数。rna分子中，部分区域也能形成双螺旋结构，不能形成双螺旋的部分，则形成单链突环。这种结构称为“发夹型”结构。不同类型的rna,其二级结构有明显的差异。trna中除了常见的碱基外，还存在一些稀有碱基，这类碱基大部分位于突环部分。73

rna的一级结构：是由数量极其庞大的四种核糖核酸（amp、gmp、cmp、ump）按一定顺序，通过3´，5´-磷酸二酯键连成的线形分子，其表示方法与dna相同。

rna的二级结构：是不完全螺旋的多核苷酸链。

rna的三级结构：是在二级结构的基础上进一步扭曲折叠而成的复杂结构。2.5.2

rna的结构74rna的一级结构75rna的二级结构76rna的三级结构772.5.3rna的主要类型与功能781.trna的一级结构特点

含稀有碱基较多

3´末端为—cca-oh5´末端大多数为g，也有的为c

由70~90个核苷酸组成(一)转运rna的结构与功能792.trna的二级结构

——三叶草形氨基酸臂额外环

在结构上具有某些共同之处，一般可将其分为四臂四环：包括氨基酸接受臂、反密码（环）臂、二氢尿嘧啶（环）臂、tc（环）臂和可变环。80(1)氨基酸接受区

包含有trna的3’-末端和5’-末端，3’-末端的最后3个核苷酸残基都是cca，a为腺苷酸。氨基酸可与其成酯，该区在蛋白质合成中起携带氨基酸的作用。

81

(2)

反密码区

与氨基酸接受区相对，一般环中含有7个核苷酸残基，臂中含有5对碱基。其中环中正中的3个核苷酸残基称为反密码子。82(3)

二氢尿嘧啶区

该区含有二氢尿嘧啶,环由8-12个核苷酸组成，臂由3-4对碱基组成。

83

(4)tc区

因含tc顺序而得名，环由7个核苷酸组成，通过5对碱基组成的双螺旋区(tc臂)与trna的其余部分相连。除个别例外，几乎所有trna在此环中都含有tc。84

(5)可变区

位于反密码区与tc区之间，不同的trna该区变化较大，一般有3-18个核苷酸组成。853.trna的三级结构——

倒l形*

trna的功能:活化、搬运氨基酸到核糖体，参与蛋白质的翻译。tc环dhu环*trna的生物学功能与其三级结构密切相关。86(二)核糖体rna的结构与功能*

rrna的功能:占细胞总rna的75～85%，参与组成核蛋白体，作为蛋白质生物合成的场所。87rrna的二级结构—大肠杆菌5srrna的结构

类似于三叶草型88rrna与蛋白质组成核糖体原核生物（以大肠杆菌为例）真核生物（以小鼠肝为例）小亚基30s40srrna16s1542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50s60srrna23s5s2940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36种占总重量的30%49种占总重量的35%89(三)信使rna的结构与功能原核生物mrna的结构特点：sd序列：原核生物mrna的5’端总有一段富含嘌呤碱基的序列，典型的是5’-aggaggu-3’，称为shine-dalgarno序列(sd序列)。该序列与mrna对核糖体的识别有关，有助于蛋白质合成时的正确起始。mrna功能：作为蛋白质合成的模板。90真核生物mrna的结构特点：1.大多数真核mrna的5´末端均在转录后加上一个7-甲基鸟苷，同时第一个核苷酸的c2也常被甲基化，形成“帽子结构”：m7gpppnm-。2.大多数真核mrna的3´末端有一个多聚腺苷酸(polya)结构，长约20-250个腺苷酸，称为多聚a尾巴。91

polya作用：

保护作用，抵抗核酸外切酶的降解；与mrna从细胞核向细胞质的移动有关；与mrna寿命有关。“帽子结构”作用：

保护作用，抵御5’-核酸外切酶的降解作用；是核糖体首先识别的位置，与蛋白质合成的起始有关。922.6核酸的理化性质核酸的一般性质核酸的紫外吸收特性dna的变性复性与分子杂交核酸的颜色反应93

dna为白色纤维状固体，rna为白色粉末状固体，都微溶于水，其钠盐在水中的溶解度较大,但不溶于乙醇、乙醚和氯仿等一般有机溶剂。（用乙醇从溶液中沉淀核酸）

dna和rna在细胞中常以核蛋白形式存在，两种核蛋白在盐溶液中的溶解度不同。

dna核蛋白rna核蛋白

0.14mol/lnacl

不溶溶

1-2mol/lnacl

溶不溶2.6.1

核酸的一般性质94

dna溶液的黏度很大，而rna溶液的黏度小得多。核酸发生变性或降解后其黏度降低。

核酸受到强大离心力的作用时，可从溶液中沉降下来，其沉降速度与核酸的大小和密度有关。

核酸是两性电解质（含碱性基团、磷酸基团），因磷酸的酸性强，常表现酸性。由于核酸分子在一定酸度的缓冲液中带有电荷，因此可利用电泳进行分离和研究其特性,最常用的是凝胶电泳。952.6.2

核酸的紫外吸收特性核酸在260nm波长有最大吸收峰，是由碱基的共轭双键决定的,常用作核酸的定性、定量分析。1.dna或rna的定量od260=1.0相当于50μg/ml双链dna37μg/ml单链dna40μg/mlrna2.判断核酸样品的纯度dna纯品:od260/od280=1.8rna纯品:od260/od280=2.096dna的紫外吸收光谱1.天然dna2.变性dna3.核苷酸总吸收值2202402602800.10.20.30.4波长（nm）光吸收123核酸的紫外光吸收值常比其各核苷酸成分的光吸收值之和少20－60%，这是在有规律的双螺旋结构中碱基紧密地堆积在一起造成的。972.6.3dna的变性复性与分子杂交

（一）dna的变性(denaturation)定义：核酸双螺旋的氢键断裂（不涉及共价键的断裂）、变成单链，生物活性丧失的过程。变性因素：热力、强酸、强碱、有机溶剂、变性剂、射线、机械力等。部分双螺旋解开无规则线团链内碱基配对dna的变性过程98dna变性的本质是双链间氢键的断裂99

变性后理化性质变化：

dna溶液的粘度降低浮力密度增加旋光偏振光改变紫外吸收增加（增色效应）生物活性丧失但dna的一级结构不发生改变100增色效应：dna变性时其溶液od260增高的现象。101当dna的稀盐溶液加热到80~100℃时，双螺旋结构即发生解体，两条链彼此分开，形成无规线团。熔解温度（meltingtemperature,tm）：dna热变性过程中，紫外吸收达到最大值的一半时溶液的温度称为熔解温度（tm）或解链温度、变性温度。实验室常用的方法——热变性

8090100100%50%od260

tm

变性温度范围①②③℃102影响tm值的因素(2)dna的性质和组成(1)溶液的离子强度大肠杆菌dna在不同浓度kcl溶液下的熔融温度曲线离子强度越高，tm值越高g≡c，3个氢键，打开所需能量较a=t大，gc%越高，tm越高103核酸的均一性愈高的样品，变性过程的温度范围愈小。(3)dna的均一程度104（二）dna的复性

定义在适当条件下，变性dna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。减色效应dna复性时，其溶液od260降