生化-第二章核酸

第二章

核酸的结构和功能StructureandFunctionofNucleicAcid核酸(nucleicacid)

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。1868年FridrichMiescher

从脓细胞中提取核素。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。1968年Nirenberg发现遗传密码。1975年Temin和Baltimore发现逆转录酶。1981年Gilbert和Sanger建立DNA测序方法。1985年Mullis发明PCR技术。1990年美国启动人类基因组计划(HGP)。1994年中国人类基因组计划启动。2001年美英等国完成人类基因组计划。核酸研究的发展简史核酸的分类及分布

存在于细胞核和线粒体

分布于细胞核、细胞质、线粒体(deoxyribonucleicacid,DNA)(ribonucleicacid,RNA)脱氧核糖核酸

核糖核酸携带遗传信息，并通过复制传递给下一代。是DNA转录的产物，参与遗传信息的复制与表达。某些病毒RNA也可作为遗传信息的载体第一节核酸的化学组成以及一级结构TheChemicalComponentandPrimaryStructureofNucleicAcid核酸(DNA和RNA)核苷酸核苷和脱氧核苷磷酸戊糖碱基嘌呤嘧啶核糖脱氧核糖核酸组成DNA的组成单位是脱氧核糖核苷酸（deoxyribonucleotide）RNA的组成单位是核糖核苷酸（ribonucleotide）。C、H、O、N、P（9~10%）分子组成碱基(base)：嘌呤碱，嘧啶碱戊糖(ribose)：核糖，脱氧核糖磷酸(phosphate)一、核苷酸是构成核酸的基本组成单位碱基(base)是含氮的杂环化合物。碱基嘌呤嘧啶腺嘌呤A鸟嘌呤G尿嘧啶U胸腺嘧啶T胞嘧啶C存在于DNA和RNA中仅存在于RNA中仅存在于DNA中碱基嘌呤(purine，Pu)腺嘌呤(adenine,A)鸟嘌呤(guanine,G)嘧啶(pyrimidine，Py)胞嘧啶(cytosine,C)尿嘧啶(uracil,U)胸腺嘧啶(thymine,T)碱基的互变异构体：受pH的影响

为碱基之间形成氢键提供结构基础碱基在260nm有紫外吸收峰。另有少数稀有碱基戊糖（构成RNA）1´2´3´4´5´β-D-核糖(ribose)（构成DNA）β-D-2′脱氧核糖(deoxyribose)核苷(ribonucleoside)碱基种类及名称：核苷嘌呤9位N/嘧啶1位N与糖1'C形成糖苷键1ONNNH21´OHOCH2OHOH核糖核苷：AR,GR,UR,CR脱氧核苷：dAR,dGR,dTR,dCR脱氧核苷嘌呤N-9

与脱氧核糖C-1通过β-N-糖苷键相连形成脱氧核苷(deoxyribonucleoside)。

嘧啶N-1与核糖C-1通过β-N-糖苷键相连形成核苷(ribonucleoside)。核苷NNNN9NH2OOHOHHHHCH2OHH1'2'糖苷键核苷酸(ribonucleotide)NNNN9NH2OOHOHHHHCH2H1'2'OPO-HOO糖苷键酯键核苷/脱氧核苷磷酸酯键核苷酸的结构：磷酸NNNN9NH2OOHOHHHHCH2H1'2'OPO-HOO糖苷键酯键核苷酸：AMP,GMP,UMP,CMP脱氧核苷酸：dAMP,dGMP,dTMP,dCMP

核苷酸(ribonucleotide)分类及功能常见碱基部分可为5种碱基的一种核糖部分可为核糖或脱氧核糖酸的部分可为一磷酸、二磷酸、三磷酸或环磷酸中的一种根据三个组成部分AMPADPATP环化核苷酸：cAMP、cGMP，是细胞信号转导中的第二信使。cAMP核苷酸衍生物生物氧化体系的重要成分，在传递质子或电子的过程中具有重要的作用。烟酰胺腺嘌呤二核苷酸，nicotinamideadeninedinucleotide,NAD+），核苷酸的主要功能：核苷三磷酸——是合成核酸原料，又能提供能量。核苷二磷酸——活化中间代谢物,如UDP-葡萄糖等。核苷一磷酸——是核酸的组分,还是一些辅酶的成分。核苷环磷酸——在细胞信号转导中起重要作用。二、DNA是脱氧核苷酸通过3,5-磷酸二酯键连接形成的大分子一个脱氧核苷酸3的羟基与另一个核苷酸5的α-磷酸基团缩合形成磷酸二酯键(phosphodiesterbond)。

多个脱氧核苷酸通过磷酸二酯键构成了具有方向性的线性分子，称为多聚脱氧核苷酸(polydeoxynucleotide)，即DNA链。5´-末端3´-末端CGA磷酸二酯键磷酸二酯键交替的磷酸基团和戊糖构成了DNA的骨架(backbone)。DNA链的方向是5

→

3三、RNA也是具有3,5-磷酸二酯键的线性大分子RNA也是多个核苷酸分子通过3,5-磷酸二酯键连接形成的线性大分子，也具有5→3方向性;RNA的戊糖是核糖；

RNA的嘧啶是胞嘧啶和尿嘧啶。构成RNA的四种基本核苷酸是AMP、GMP、CMP和UMP。定义核酸中核苷酸的排列顺序。由于核苷酸间的差异主要是碱基不同，所以也称为碱基序列。5端3端CGA四、核酸的一级结构是核苷酸的排列顺序AGP5PTPGPCPTPOH3核酸的一级结构5pApCpTpGpCpT-OH

35

ACTGCT

3ACTGCTDNA和RNA的区别核糖G、C、A、URNA脱氧核糖G、C、A、TDNA碱基核糖核酸核酸分子大小表示法：碱基数目表示

base、kilobase、用于单链DNA或RNA碱基对数目

basepair(bp),kilobasepair(kbp)用于双链DNA或RNA小的核酸片断（小于50bp）称寡核苷酸第二节DNA的空间结构与功能DimensionalStructureandFunctionofDNADNA的空间结构又分为二级结构(secondarystructure)和高级结构。DNA的空间结构(spatialstructure)构成DNA的所有原子在三维空间的相对位置关系。一、DNA的二级结构是双螺旋结构Chargaff规则（一）DNA双螺旋结构的实验基础获得了高质量的DNA分子的X射线衍射照片。提出了DNA分子双螺旋结构(doublehelix)模型。

碱基的理化数据分析A-T、G-C以氢键配对较合理两条多聚核苷酸链在空间的走向呈反向平行(anti-parallel)。两条链中一条链的5→3方向是自上而下，而另一条链的5→3方向是自下而上。两条链围绕着同一个螺旋轴形成右手螺旋(right-handed)的结构。双螺旋结构的直径为2.37nm，螺距为3.54nm。（二）DNA双螺旋结构模型要点1.DNA由两条多聚脱氧核苷酸链组成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外侧，疏水的碱基位于内侧。双螺旋结构的表面形成了一个大沟(majorgroove)和一个小沟(minorgroove)。2.核糖与磷酸位于外侧DNA双螺旋结构的示意图DNA双螺旋结构的俯视图3.DNA双链之间形成了互补碱基对碱基配对关系称为互补碱基对(complementarybasepair)。DNA的两条链则互为互补链(complementarystrand)。碱基对平面与螺旋轴垂直。碱基互补配对:鸟嘌呤/胞嘧啶碱基互补配对:腺嘌呤/胸腺嘧啶亲水性的骨架位于双链的外侧。疏水性的碱基位于双链的内侧。骨架与碱基大沟与小沟相邻两个碱基对会有重叠，产生了疏水性的碱基堆积力(basestackinginteraction)。碱基堆积力和互补碱基对的氢键共同维系着DNA结构的稳定。4.疏水作用力和氢键共同维系着DNA双螺旋结构的稳定。（三）DNA双螺旋结构的多样性旋向螺距(nm)碱基数（每圈）螺旋直径（nm）骨架走行存在条件A型右手2.3112.5平滑体外脱水B型右手3.4102.3平滑DNA生理条件Z型左手4.5121.8锯齿型CG序列三种DNA构型的比较（四）DNA的多链结构在酸性的溶液中，胞嘧啶的N-3原子被质子化，可与鸟嘌呤的N-7原子形成氢键；同时，胞嘧啶的N-4的氢原子也可与鸟嘌呤的O-6形成氢键，这种氢键被称为Hoogsteen氢键。Hoogsteen氢键Hoogsteen氢键，不破坏Watson-Crick氢键，由此形成了C＋GC的三链结构(triplex)。三链结构鸟嘌呤之间通过8个Hoogsteen氢键形成特殊的四链结构(tetraplex)。四链结构真核生物DNA3-末端是富含GT的多次重复序列，因而自身形成了折叠的四链结构。二、DNA的高级结构是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。

（一）原核生物DNA的环状超螺旋结构原核生物DNA多为环状的双螺旋分子

，以负超螺旋的形式存在，平均每200碱基就有一个超螺旋形成。DNA超螺旋结构的电镜图象（二）真核生物DNA以核小体为单位形成高度有序致密结构真核生物DNA以非常有序的形式存在于细胞核内。在细胞周期的大部分时间里，DNA以松散的染色质(chromatin)形式存在，在细胞分裂期，则形成高度致密的染色体(chromosome)。DNA染色质呈现出的串珠样结构。染色质的基本单位是核小体(nucleosome)。DNA染色质的电镜图像核小体的构成核心颗粒连接区核心组蛋白：组蛋白八聚体H2A、H2B、H3、H4各2分子DNA双螺旋分子(140bp)在核心组蛋白缠绕1.75圈DNA（60bp）组蛋白H1

连接核心颗粒核小体结构图核小体串珠样的结构核小体的折叠及染色体组装—2nm11nm30nm300nm1400nm700nm逐级盘曲折叠双链DNA的折叠和组装DNA经过多次折叠，被压缩了8000～10000倍，组装在直径只有数微米的细胞核内。真核生物的染色体两个功能区：端粒(telomeres):染色体末端膨大的粒状结构，由染色体末端DNA（端粒DNA）与DNA结合蛋白构成。与染色体结构的稳定性、完整性以及衰老和肿瘤的发生发展相关。着丝粒（centromere）:两个染色单体的连接位点，富含A、T序列。细胞分裂时，着丝粒可分开使染色体均等有序地进入子代细胞。DNA是生物遗传信息的载体，并为基因复制和转录提供了模板。它是生命遗传的物质基础，也是个体生命活动的信息基础。基因是携带遗传信息的DNA片段，它们的序列信息意义及其在DNA整个分子上的排布特点将在第十三章详述。DNA具有高度稳定性的特点，用来保持生物体系遗传的相对稳定性。同时，DNA又表现出高度复杂性的特点，它可以发生各种重组和突变，适应环境的变迁，为自然选择提供机会。

三、DNA是遗传信息的物质基础第三节

RNA的结构与功能StructureandFunctionofRNARNA与蛋白质共同负责基因的表达和表达过程的调控。RNA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。RNA比DNA小的多。RNA的种类、大小和结构远比DNA表现出多样性。动物细胞内主要的RNA种类及功能RNA种类缩写细胞内位置功能核糖体RNArRNA细胞质核糖体组成成分信使RNAmRNA细胞质蛋白质合成模板转运RNAtRNA细胞质转运氨基酸微RNAmicroRNA细胞质翻译调控胞质小RNAscRNA/7SL-RNA细胞质信号肽识别体的组成成分不均一核RNAhnRNA细胞核成熟mRNA的前体核小RNAsnRNA细胞核参与hnRNA的剪接、转运核仁小RNAsnoRNA核仁rRNA的加工和修饰线粒体核糖体RNAmtrRNA线粒体核糖体组成成分线粒体信使RNAmtmRNA线粒体蛋白质合成模板线粒体转运RNAmttRNA线粒体转运氨基酸信使RNA(messengerRNA,mRNA)是细胞内合成蛋白质的模板。生物体内mRNA的丰度最小、种类最多、大小也各不相同、寿命最短。mRNA的初级产物为不均一核RNA(hnRNA)，含有内含子(intron)和外显子(exon)。hnRNA经过剪切后成为成熟的mRNA。一、mRNA是蛋白质合成中的模板hnRNA内含子(intron)mRNAmRNA成熟过程

外显子(exon)成熟的mRNA由氨基酸编码区和非编码区构成。5-末端的帽子(cap)结构和3-末端的多聚A尾(poly-Atail)结构。成熟的真核生物mRNA帽子结构:m7GpppNm1.真核生物mRNA的5-端有特殊帽结构

mRNA的帽结构可以与帽结合蛋白(capbindingprotein，CBP)结合。真核生物的mRNA的3-末端转录后加上一段长短不一的聚腺苷酸。2.真核生物mRNA的3末端有多聚腺苷酸尾mRNA的多聚A尾在细胞内与poly(A)结合蛋白（poly(A)-bindingprotein，PABP）结合存在。mRNA核内向胞质的转位mRNA的稳定性维系翻译起始的调控帽子结构和多聚A尾的功能3.mRNA碱基序列决定蛋白质的氨基酸序列从mRNA分子5末端起的第一个AUG开始，每3个核苷酸为一组称为密码子(codon)

。位于起始密码子和终止密码子之间的核苷酸序列称为开放阅读框(openreadingframe,ORF)，决定了多肽链的氨基酸序列。在mRNA的开放读框的两侧，为非翻译序列（untranslatedregion，UTR），即5-UTR和3-UTR。把DNA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，每三个核苷酸一组，决定一个aa，称为三联体密码（密码子），为蛋白合成提供模版。DNAmRNA蛋白转录翻译原核细胞细胞质细胞核DNA内含子外显子转录转录后剪接转运mRNAhnRNA翻译蛋白真核细胞转运RNA(transferRNA,tRNA)在蛋白质合成过程中作为各种氨基酸的载体,将氨基酸转呈给mRNA。由74～95核苷酸组成；占细胞总RNA的15%；具有很好的稳定性。二、tRNA是蛋白质合成中的氨基酸载体1.tRNA中含有多种稀有碱基稀有碱基（rarebase）是指除A、G、C、U外的一些碱基。N,N二甲基鸟嘌呤N6-异戊烯腺嘌呤双氢尿嘧啶4-巯尿嘧啶

稀有碱基tRNA具有局部的茎环(stem-loop)结构或发卡(hairpin)结构。2.tRNA含有茎环结构tRNA的二级结构——三叶草形氨基酸臂，DHU环，反密码环，TψC环，附加叉tRNA的倒L三级结构tRNA的3-末端为CCA结尾。3-末端的A与氨基酸以酯键相连生成氨基酰-tRNA

。不同的tRNA结合不同的氨基酸。3.tRNA的3-末端连接氨基酸tRNA的反密码子环上有反密码子(anticodon)。tRNA上的反密码子通过碱基互补识别mRNA上的密码子。4.tRNA的反密码子识别mRNA的密码子核糖体RNA(ribosomalRNA，rRNA)是细胞内含量最多的RNA(>80％)。rRNA与核糖体蛋白结合组成核糖体(ribosome)，为蛋白质的合成提供场所。三、以rRNA为组分的核糖体是蛋白质合成的场所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28S5.85S5S4718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%大肠杆菌的核蛋白体18S

rRNA的二级结构四、其他非编码RNA参与基因表达的调控长链非编码RNA（longnon-codingRNA,lncRNA）非编码RNA（

Non-codingRNA,ncRNA）不编码蛋白质但具有重要生物学功能的RNA分子。短链（小）非编码RNA（smallnon-codingRNA,sncRNA）ncRNA功能参与转录调控、RNA的剪切和修饰、mRNA的稳定和翻译调控、蛋白质的稳定和转运、染色体的形成和结构稳定等细胞重要功能lncRNA功能lncRNA在结构上类似于mRNA，但序列中不存在开放读框。许多已知的lncRNAs由RNA聚合酶Ⅱ转录并经可变剪切形成，通常被多聚腺苷酸化。lncRNA具有复杂的生物学功能，并与一些疾病的发病机制密切相关。有的lncRNA能使基因沉默，有的则激活基因的表达。核内小RNA核仁小RNA胞质小RNA催化性小RNA小干涉RNA

微

RNA短链非编码RNA亦称为非编码小RNA（smallnon-messengerRNA）

核内小RNA（smallnuclearRNA,snRNA）位于细胞核内。snRNA有5种，分别称为U1、U2、U4、U5、U6，它们与多种蛋白形成复合体，参与真核细胞hnRNA的内含子加工剪接（第十六章）。核仁小RNA（smallnucleolarRNA,snoRNA）：定位于核仁，主要参与rRNA的加工和修饰，如rRNA中核糖C-2的甲基化修饰。胞质小RNA（smallcytoplasmicRNA,scRNA）：存在于细胞质中，参与形成信号识别颗粒，引导含有信号肽的蛋白质进入内质网定位合成（第十七章）。催化性小RNA亦被称为核酶（ribozyme）。是细胞内具有催化功能的一类小分子RNA，具有催化特定RNA降解的活性，在RNA的剪接修饰中具有重要作用。小干扰RNA（smallinterferingRNA，siRNA）是生物宿主对于外源侵入基因表达的双链RNA进行切割所产生的具有特定长度（21～23bp）和特定序列的小片段RNA。这些siRNA可以单链形式与外源基因表达的mRNA相结合，并诱导相应mRNA降解。微RNA（microRNAs,miRNAs

）是一类长度为22nt左右的内源性sncRNA。miRNAs主要是通过结合mRNA而选择性调控基因的表达。原核生物基因表达的特异性五、核酸在真核细胞和原核细胞中表现出不同的时空特性真核生物基因表达的特异性核酸的理化性质ThePhysicalandChemicalCharactersofNucleicAcid第四节一般理化性质：1、多元酸，较强的酸性。2、DNA为线形高分子，粘度大。RNA分子稍小，粘度小。3、两性解离及等电点。pI=2-3。4、紫外吸收性质目录核酸在波长260nm

处有强烈的吸收，是由碱基的共轭双键所决定的。这一特性常用作核酸的定性和定量分析。一、核酸分子具有强烈的紫外吸收碱基的紫外吸收光谱DNA或RNA的定量A260=1.0相当于50μg/ml双链DNA(dsDNA)40μg/ml单链DNA(ssDNAorRNA)20μg/ml寡核苷酸确定样品中核酸的纯度

纯

DNA:A260/A280=1.8

纯

RNA:A260/A280=2.0紫外吸收的应用定义：在某些理化因素作用下，DNA双链解开成两条单链的过程。影响因素：过量酸，碱，加热，变性试剂如尿素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：OD260增高 粘度下降比旋度下降 浮力密度升高酸碱滴定曲线改变 生物活性丧失二、DNA变性是双链解离为单链的过程部分解链双链DNADNA的变性DNA的变性DNA变性的本质是双链间氢键的断裂部分变性DNA的电镜图像增色效应(hyperchromiceffect)：DNA变性时其溶液OD260增高的现象。DNA解链时的紫外吸收变化热变性解链曲线：如果在连续加热DNA的过程中以温度对A260（absorbance，A，A260代表溶液在260nm处的吸光率）值作图，所得的曲线称为解链曲线。DNA的解链曲线DNA的解链曲线解链过程中，紫外吸光度的变化达到最大变化值的一半时所对应的温度。解链温度(meltingtemperature，Tm)其大小与G+C含量成正比。G+C