第02章 核酸的结构与功能

第二章核酸的结构与功能StructureandFunctionofNucleicAcidL72h版DNA

主要在细胞核、线粒体，储存遗传信息，决定

细胞和个体的基因型。RNA

主要在细胞质参与遗传信息的表达。第一节核酸的分子组成TheMolecularComponentofNucleicAcid

核苷酸由碱基、戊糖和磷酸组成。核酸的基本组成单位是核苷酸。

【核酸（nucleicacid）是由许多核苷酸首尾相连组成的多聚化合物，是核蛋白的组分，呈酸性。由于最初从细胞核中发现，所以称核酸。】一、核酸的基本组成单位——核苷酸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)1.碱基

DNA中的碱基：A,G,C,T

RNA中的碱基：A,G,C,U1.嘌呤﹦嘧啶＋咪唑；2.原子序数：先反时针后顺时针；3.取代基团位于2、6位。1.嘧啶的原子序数：顺时针；2.取代基团位于2、4、5位，且第2位均为酮基。嘌呤与嘧啶的共同点：若将嘧啶环与苯环比较，当苯环的1、3位—CH＝基被—N＝基取代后即成为嘧啶。而—N＝基是三级胺基，所以嘧啶和嘌呤均呈弱碱性、疏水性并且具有相同的化学性质。（构成RNA）1´2´3´4´5´核糖(ribose)（构成DNA）脱氧核糖(deoxyribose)2.戊糖

核酸分子的戊糖有两种。RNA所含戊糖为β-D-核糖；DNA所含戊糖为β-D-2-脱氧核糖。22αβ

DNA和RNA基本成分比较RNADNA磷酸磷酸磷酸戊糖D-核糖D-2-脱氧核糖嘌呤碱腺(A)鸟(G)腺(A)鸟(G)嘧啶碱胞(C)尿(U)胞胸腺(T)(C)

连接方式：嘌呤N-9或嘧啶N-1与戊糖C-1通过

β-N-糖苷键相连。NNNN9NH2OOHOHHHHCH2OHH1'2'糖苷键β

糖环中的碳原子应写成C-1、C-2、C-3等；C-1为不对称碳原子。3.核苷腺嘌呤核糖核苷连接方式：嘌呤N-9或者嘧啶N-1与核糖C-1通过β-N-糖苷键相连。脱氧腺嘌呤核糖核苷【核苷中戊糖的5羟基与磷酸通过酯键连接成5-核苷酸。】NNNN9NH2OOHOHHHHCH2H1'2'OPO-HOO糖苷键酯键4.核苷酸腺苷一磷酸（AMP）【核苷中戊糖的5羟基与磷酸通过酯键连接成5-脱氧核苷酸。】NNNN9NH2OHOHHHHCH2H1'2'OPO-HOO糖苷键酯键脱氧腺苷一磷酸（dAMP）嘌呤核苷酸GMP鸟苷酸AMP腺苷酸

嘧啶核苷酸尿苷酸胞苷酸脱氧胸苷酸核苷酸的命名含一个磷酸基团称：核苷一磷酸（NMP）含两个磷酸基团称：核苷二磷酸（NDP）含三个磷酸基团称：核苷三磷酸（NTP）N：代表各种碱基的名称；M表示一；D表示二，T表示三。环化核苷酸写成：cNMP5.体内重要的游离核苷酸酸酐键（1）腺苷酸：5-磷酸酯键（2）环化核苷酸：主要有cAMP、cGMP。它们是细胞信号转导中的第二信使。cAMP第二信使：可将细胞外激素的信息传入细胞内的化学物质。第二节核酸的分子结构MolecularStructureofNucleicAcid

核酸(DNA和RNA)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。

一级结构是核酸分子的基本结构。5′端3′端CGA（一）定义一、核酸的一级结构5´-末端3´-末端CGA

3´,5´磷酸二酯键

3´,5´磷酸二酯键交替的磷酸基团和戊糖构成了DNA链的骨架(backbone)。DNA链的方向是5

→3。（二）3，5-磷酸二酯键和多核苷酸链许多个核苷酸通过

3，5-磷酸二酯键连接成多核苷酸链，即核酸。

3，5-磷酸二酯键是由前一个核苷酸的

3羟基与下一个核苷酸的5位磷酸基脱水而形成。核酸具有方向性,也就是从5端开始，到3端结束。

或者说，5端为多核苷酸链的“头”，3端为多核苷酸链的“尾”。－H2O3，

5-磷酸二酯键的形成（1h止）A

G

P5PT

PG

PC

PT

POH3核酸的书写方法：5pApGpTpGpCpT-OH35

AGTGCT

33线条式：文字式：二、DNA的空间结构与功能1.提出双螺旋结构模型的依据

一是DNA碱基组成的Chargaff规则：A=T，G=C，嘌呤总量=嘧啶总量；碱基组成具有种的特异性，但无组织差异；DNA的碱基组成不会改变等。二是对DNA纤维或晶体的X线衍射分析。DNA的所有原子在三维空间的相对位置，称为DNA的空间结构。空间结构又分为二级结构和三级结构。（一）DNA的二级结构2.DNA双螺旋结构模型的要点⑴DNA分子是反向平行、右手螺旋的双链结构。2.nm小沟大沟⑵双螺旋的直径2nm，螺距

3.4nm，每个螺旋含10个

碱基对。【螺旋中的两条链反向平行，即其中一条链的方向为5′→3′，而另一条链的方向为3′→5′，两条链共同围绕一个假想的中心轴呈右手双螺旋结构。】

⑶

磷酸和脱氧核糖基组成亲水骨架位于

螺旋外侧；疏水的

碱基位于螺旋内侧。

⑷两链之间的A与T

通过2个氢键、G与C

通过3个氢键配对连接。碱基对平面与

中心轴垂直。【A与T配对和G与C配对，这样形成的氢键数目是最多的，从立体效应讲，使DNA能形成最稳固的构型。】

⑸双螺旋结构的稳定横向靠

互补碱基的氢键，纵向靠

碱基平面间的堆积力维持，

尤以碱基堆积力最重要。

【嘌呤和嘧啶形状扁平，彼此贴近，层层堆积，可形成强大的疏水作用，特称为碱基堆积力。】⑴B型-DNA(右手双螺旋)：在相对湿度为92%条件下DNA纤维的结构，是生理条件下大部分DNA的构象。最稳定的结构，最主要的形式。⑵A型-DNA：相对湿度为75%条件下形成的结构，呈

右手双螺旋。⑶Z型-DNA：存在于人工合成的CGCGCGCG晶体结

构中，呈左手螺旋，核酸链骨架呈Z字型走向。

3.DNA双螺旋结构具有多样性不同类型的DNA双螺旋结构

DNA双螺旋分子在空间上可进一步折叠或盘绕成更加复杂的结构，即三级结构。

1.超螺旋结构（二）DNA的三级结构——超螺旋结构原核生物DNA多为闭合环状，再进一步卷曲盘绕成为超螺旋结构。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。

⑴真核生物DNA主要以染色体形式存在，而染色体是

由DNA和组蛋白构成的复合体。⑵组蛋白有五种，即H1、H2A、H2B、H3和H4。其中，H2A、H2B、H3、H4各2分子组成八聚体，在它的外

部有DNA缠绕形成“核小体”。核小体之间连有H1。⑶许许多多核小体形成串珠样线性结构并进一步盘曲

成直径为30nm的螺线管结构，即染色质纤维。⑷染色质再经过多次卷曲形成染色体。

2.真核生物染色体DNA

三、RNA的空间结构和功能

碱基组成：A、G、C、U；

多为单链结构，在局部也可形成双链区（配对碱基：A-U间2氢键,G-C间3氢键

）；

各核苷酸间连接键：

3′，

5′-磷酸二酯键。（一）信使RNA(mRNA)1.mRNA的一般特点：种类很多，分子大小不均一，含量占总RNA的1%~5%。2.真核生物mRNA的结构特征：⑴5′末端有帽子结构:m7GpppN（m即methyl,甲基）⑵3′末端多带有多聚腺苷酸(polyA)尾巴。

⑶分子由5′非编码区、3′非编码区和两者之间的编

码区组成；有时含修饰碱基（如甲基化）。真核生物成熟mRNA的分子结构

3′末端有多聚腺苷酸尾(polyA)。

5′末端具有帽子结构(m7GpppN)；

AA….AAPolyA3′-端5′-端帽子结构非编码区非编码区编码区AUGCACGAUCCGAAC

5′-末端帽子结构---

m7GpppN

【真核生物mRNA

的5′-末端都以7-甲基鸟嘌呤核苷-5′-三磷酸腺苷（m7GpppA)为起始结构。】7

甲基化的鸟嘌呤①促使mRNA从核内向胞液的转位；②维持mRNA的稳定性；③调控翻译起始。

[一旦去除5′-帽子结构和3-多聚A尾，细胞内mRNA的降解加速。]

3.mRNA的功能：

蛋白质合成的直接模板。（4）帽子结构和多聚A尾的功能：（2h止）（二）转运RNA（tRNA)1.tRNA的一般特点：

分子量最小（70～90核苷酸），含量占总RNA的

10%～15%，含较多稀有碱基，如ψ、T、DHU、

甲基化碱基等。2.tRNA的结构特征（见图）：⑴tRNA的二级结构都呈“三叶草”形,即由一臂四

环组成。其中，氨基酸臂的3-末端有固有序列：

-—CpCpA-OH，是结合氨基酸的部位；反密码环中

有反密码子,能与mRNA中相应密码子配对结合。

⑵tRNA的三级结构都呈“倒L”形。3.tRNA的功能：

蛋白质合成过程中转运氨基酸；识别密码子。

tRNA中的稀有碱基

tRNA中除A、G、C、U

以外的碱基，称稀有碱基。如：DHU

、、mG和mA等，这些稀有碱基均是在转录后经修饰而成的。二氢尿嘧啶核苷7-甲基鸟嘌呤核苷假尿嘧啶核苷

tRNA的反密码子和三级结构（三）核糖体RNA(rRNA）一般特点：

含量最多，占总RNA的80%；3

～4种的rRNA和

几十种蛋白质组成核糖体的大、小两个亚基。2.rRNA的结构特征：

二级结构呈众多茎环结构，为和核糖体蛋白结合

及核糖体的组装提供结构基础。rRNA的功能：

参与组成核糖体，作为蛋白质合成的场所。物种类别核糖体(s)大亚基rRNA(s)蛋白质小亚基rRNA(s)蛋白质原核生物70S5S,23S31种16S21种真核生物80S5S,5.8S,28S49种18S33种原核生物与真核生物的核糖体组成[S是沉降系数单位，即Svedberg单位，为1×10－13秒。分子越大，沉降系数越高，故可根据沉降系数来分离和检定各种生物大分子。]原核、真核生物核糖体的亚基组成【核糖体由大、小两个亚基构成，两亚基呈不规则形状，聚合时中间有裂缝，可让mRNA通过。】真核生物rRNA的二级结构

[呈花状和众多的茎环结构，为和核糖体蛋白的结合及核糖体组装提供结构基础。]5SrRNA的二级结构18SrRNA的二级结构（四）细胞内其他RNA具有催化活性的RNA从四膜虫中发现，一种26SrRNA前体能进行自我剪接为成熟的rRNA。特将这种具有催化活性的RNA称为核酶(ribozyme)。2.其他非编码RNA(ncRNA)

它们不编码蛋白质但有重要生物学功能。

有多种：长链非编码RNA(lncRNA，调控基因的表达和细胞分化等等)、短链非编码RNA(sncRNA)、（转下）

核小RNA(snRNA，和其他蛋白质因子一起参与mRNA的剪接、加工)、质内小RNA(scRNA，存在于细胞质中，参与形成信号识别颗粒)、核仁小RNA(snoRNA，与rRNA前体的甲基化有关)、微小

RNA(miRNA,抑制mRNA分子的翻译)和小片段干

扰RNA(siRNA，降解mRNA)。

ThePhysicalandChemicalCharactersofNucleicAcid

第三节核酸的理化性质

核酸是多元酸，有较强的酸性，在酸性条件下较稳定，在碱性条件下易降解。2.核酸的黏度：其黏度与分子量、浓度成正比，还与构象有关。若分子量、浓度不变时，则：V线形＞

V无规线团＞

V球形。核酸分子的螺旋结构破坏，转变成无观线团，黏度也随之降低。黏度可作为DNA变性的一个指标。[V表示黏度，Viscosity]一、核酸的一般理化性质

1.

原理：

碱基含有共轭双键，对紫外光有强烈吸收，故碱基、核苷、核苷酸、核酸均有紫外吸收特性。最大吸收波长：260nm。可作为核酸及其组份定性、定量测定的依据。

二、核酸的紫外吸收核酸的紫外吸收光谱2.应用：（1）判断核酸样品纯度纯的DNA:A260/A280=1.8,纯的RNA:A260/A280=2.0;（2）测定核酸浓度A260=1.0时，相当于50μg/mL的双链DNA,40μg/mL的RNA，33μg/mL的单链DNA。

DNA双链间的氢键断裂，解离成单链的过程。

变性的本质：空间结构破坏，一级结构不变。

三、DNA的变性复性和杂交变性的特征：①紫外吸收值增加即增色效应；②生物活性（部分）丧失；③黏度下降；④沉降系数增加。（一）DNA的变性1.DNA变性的定义协同性的DNA解链高温或极端的pHDNA的变性2.增色效应DNA解链时的紫外吸收变化

DNA变性后，原来处于内侧的碱基全部暴露，使260nm处的紫外吸收值增大，称为增色效应。3.解链温度DNA解链曲线（S形）

[在各种变性因素中，