细胞与分子细胞生物学：第四章 生物大分子核酸的化学特性、结构与功能

第四章

生物大分子核酸的化学特性、结构与功能核酸的定义

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。一、掌握1.核酸的结构与功能1）DNA的二级结构B型双螺旋模型的结构特点2）核小体的结构一般特点3）端粒的结构特点和功能4）RNA的分子结构的特点5）tRNA的结构：一级和二级结构特点6）真核生物mRNA的内含子、外显子、hnRNA、5’端“帽子”结构、3’端多聚腺苷酸“尾”等的结构和功能2.核酸的理化性质1）核酸的变性、复性和杂交的概念；熔化曲线、Tm值（熔解温度）的概念；2）核酸的紫外吸收特性，增色效应的概念。3.基因和基因组的概念第一节DNA的空间结构DNA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的二级结构不同生物种属的DNA碱基组成不同同一个体的不同器官或组织的DNA碱基组成相同

对于一特定组织的DNA，其碱基组分不随年龄、营养状态和环境而变化[A]=[T]，[G]=[C]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。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.碱基对的疏水作用力和氢键共同维持着DNA双螺旋结构的稳定（三）DNA双螺旋结构的多样性（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)。三链结构二、DNA的三级结构－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。

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。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)。三、DNA的四级结构－DNA与蛋白质形成复合物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DNA：约200bp

组蛋白：H1H2A，H2BH3H4核小体的组成核小体串珠样的结构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。端粒的环状结构基因和基因组第二节Mendel在捷克莫勒温镇一个修道院里沉醉于豌豆杂交实验，也许根本就没有想到，他提出的遗传因子在半个世纪后被Morgan定义为基因。孟德尔（1822-1884）除了某些以RNA为基因组的RNA病毒外，基因通常是指染色体或基因组的一段DNA序列。基因包括编码序列（外显子）、调控序列和间隔序列（内含子）。基因（gene）：是指能编码有功能的蛋白质多肽链或合成RNA所必需的一段核酸序列，是核酸分子的功能单位。一、基因基因组（genome）基因组：是指一个细胞或病毒所有基因及间隔序列，储存了一个物种所有的遗传信息。。人类基因组：22条常染色体和X、Y染色体的DNA组成。功能：储存和表达遗传信息。二、基因组基因组大小

种类Mb大肠杆菌4.64啤酒酵母12.1线虫100果蝇140蝗虫5000小鼠3300豌豆4800玉米5000小麦17000人3000

病毒基因组大小差别很大；一种病毒只含有一种核酸，DNA或RNA；最大的特点是出现重叠基因，即同一段核酸序列由于密码阅读框架的不同，可以翻译出不同的蛋白质。多为环状双链分子；连续编码；编码序列不重叠；很少重复序列，多为结构基因；最大特点是具有操纵子结构。原核生物基因组单顺反子；结构基因所占区域远小于非编码区域；结构特点为断裂基因；存在单拷贝序列、低度重复序列、中度重复序列和高度重复序列。真核生物基因组第三节

各类RNA的结构RNA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小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。一、tRNA的结构1.tRNA的一级结构稀有碱基（rarebase）是指除A、G、C、U外的一些碱基。tRNA具有局部的茎环(stem-loop)结构或发卡(hairpin)结构。2.tRNA的二级结构tRNA的二级结构——三叶草形氨基酸臂，DHU环，反密码环，TψC环，（三）tRNA的三级结构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。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。tRNA的反密码子识别mRNA的密码子信使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。二、mRNA的结构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:m7GpppNm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。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。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、rRNA的结构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18SrRNA的二级结构四、其他RNA分子长链非编码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微小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。微小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。核酸的理化性质第四节核酸在波长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紫外吸收的应用二、DNA变性是双链解离为单链的过程某些理化因素导致DNA双链互补碱基对之间的氢键发生断裂，DNA双链解离为单链的过程。

定义DNA变性的本质是双链间氢键的断裂。DNA的变性部分变性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DNA的解链曲线连续加热DNA的过程中以温度相对于A260值作图，所得的曲线称为解链曲线。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)G+C含量越高，解链温度就越高。解链曲线的变化三、变性的核酸可以复性或形成杂交双链当变性条件缓慢地除去后，两条解离的互补链可重新配对，恢复原来的双螺旋结构，这一现象称为DNA复性(renaturation)

。减色效应：DNA复性时，其溶液OD260降低。热变性的DNA经缓慢冷却后即可复性，这一过程称为退火(annealing)

。不同种类的DNA单链分子或RNA分子放在同一溶液中，只要两种单链分子之间存在着一定程度的碱基配对关系，在适宜的条件可以在不同的分子间形成杂化双链(heteroduplex)。这种杂化双链可以在不同的DNA与DNA之间形成，也可以在DNA和RNA分子间或者RNA与RNA分子间形成。这种现象称为核酸分子杂交。核酸分子杂交(hybridization)核酸分子复性和杂交研究DNA分子中某一种基因的位置。鉴定两种核酸分子间的序列相似