第二章核酸的分子结构与功能

目录第一节核酸的化学组成及一级结构第二节DNA的空间结构与功能第三节RNA的结构与功能第四节核酸的理化性质第五节核酸酶目前一页\总数一百二十七页\编于七点核酸(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。第一节核酸的化学组成及一级结构目前二页\总数一百二十七页\编于七点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目前三页\总数一百二十七页\编于七点1953年，Watson和Crick提出DNA的反向平行双螺旋模型目前四页\总数一百二十七页\编于七点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目前五页\总数一百二十七页\编于七点第一节核酸的化学组成及其一级结构目前六页\总数一百二十七页\编于七点核酸(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目前七页\总数一百二十七页\编于七点分子组成碱基(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目前八页\总数一百二十七页\编于七点碱基(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中碱基目前九页\总数一百二十七页\编于七点嘌呤(purine，Pu)腺嘌呤(adenine,A)鸟嘌呤(guanine,G)目前十页\总数一百二十七页\编于七点嘧啶(pyrimidine，Py)胞嘧啶(cytosine,C)尿嘧啶(uracil,U)胸腺嘧啶(thymine,T)目前十一页\总数一百二十七页\编于七点（4）碱基的性质

互变异构现象

uracil酮式

uracil烯醇式目前十二页\总数一百二十七页\编于七点1’2’3’4’5’戊糖（构成RNA）核糖(ribose)（构成DNA）脱氧核糖(deoxyribose)H目前十三页\总数一百二十七页\编于七点醛型-呋喃型目前十四页\总数一百二十七页\编于七点脱氧核苷嘌呤N-9或嘧啶N-1与脱氧核糖C-1通过β-N-糖苷键相连形成脱氧核苷(deoxyribonucleoside)。目前十五页\总数一百二十七页\编于七点DNA中的脱氧核糖核苷酸目前十六页\总数一百二十七页\编于七点

嘌呤N-9或嘧啶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1/911/目前十七页\总数一百二十七页\编于七点RNA中的核糖核苷酸目前十八页\总数一百二十七页\编于七点核苷或脱氧核苷与磷酸通过酯键结合构成核苷酸(ribonucleotide)或脱氧核苷酸(deoxyribonucleotide)。核苷酸(ribonucleotide)NNNN9NH2OOHOHHHHCH2H1'2'OPO-HOO糖苷键酯键目前十九页\总数一百二十七页\编于七点碱基、核苷、核苷酸的概念和关系

NitrogenousbasePentosesugarHOCH2HOHDoxyribose(inDNA)HOCH2HOOHRibose(inRNA)PhosphatePyrimidinesCytosineThymineUracilCUTPurihesAdenineGuanineAG核苷酸磷酸核苷戊糖碱基目前二十页\总数一百二十七页\编于七点多磷酸核苷酸目前二十一页\总数一百二十七页\编于七点环化核苷酸：cAMP、cGMP，是细胞信号转导中的第二信使。核苷酸衍生物目前二十二页\总数一百二十七页\编于七点二、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。目前二十三页\总数一百二十七页\编于七点5533核酸分子中核苷酸之间的共价键3-5磷酸二酯键目前二十四页\总数一百二十七页\编于七点5´-末端3´-末端CGA磷酸二酯键磷酸二酯键目前二十五页\总数一百二十七页\编于七点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目前二十六页\总数一百二十七页\编于七点三、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酯化反应形成的线性大分子，并且具有方向性；RNA的戊糖是核糖；RNA的嘧啶是胞嘧啶和尿嘧啶。目前二十七页\总数一百二十七页\编于七点DNA和RNA的区别核糖G、C、A、URNA脱氧核糖G、C、A、TDNA碱基核糖核酸目前二十八页\总数一百二十七页\编于七点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目前二十九页\总数一百二十七页\编于七点核酸分子的大小常用碱基(base或kilobase)数目或碱基对(basepair或kilobasepair)数目来表示。小的核酸片段(<50bp)常被称为寡核苷酸(oligonucleotide)。自然界中的DNA和RNA的长度可以高达几十万个碱基。

目前三十页\总数一百二十七页\编于七点DNA一级结构的表示法5´3´结构式5´3´

p

p

p

pOH3´ACTG1´线条式5´ACTGCATAGCTCGA3´字母式目前三十一页\总数一百二十七页\编于七点核酸骨架（主链）

侧链3/-5/-磷酸二

酯键

具方向性5/-端，3/-端多样性水溶性DNA的一级结构目前三十二页\总数一百二十七页\编于七点第二节DNA的空间结构与功能DimensionalStructureandFunctionofDNA目前三十三页\总数一百二十七页\编于七点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具有确定的相对位置关系。目前三十四页\总数一百二十七页\编于七点一、DNA的二级结构是双螺旋结构目前三十五页\总数一百二十七页\编于七点不同生物种属的DNA的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。[A]=[T]，[G]=[C]Chargaff规则（一）DNA双螺旋结构的研究背景获得了高质量的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。目前三十六页\总数一百二十七页\编于七点AGCTA/TG/CG+C嘌呤/嘧啶大肠杆菌26.024.925.223.91.090.9950.11.04结核杆菌15.134.935.414.61.030.9970.31.00酵母31.718.317.432.60.971.0535.71.00牛29.021.221.228.71.011.0042.41.01猪29.820.720.729.11.021.0041.41.01人30.419.919.930.11.011.0039.81.01不同生物来源DNA碱基组分和相对比例目前三十七页\总数一百二十七页\编于七点两条多聚核苷酸链在空间的走向呈反向平行(anti-parallel)。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。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)。（二）DNA双螺旋结构模型要点1.DNA是反向平行、右手螺旋的双链结构目前三十八页\总数一百二十七页\编于七点目前三十九页\总数一百二十七页\编于七点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。骨架与碱基目前四十页\总数一百二十七页\编于七点目前四十一页\总数一百二十七页\编于七点2.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。目前四十二页\总数一百二十七页\编于七点碱基互补配对:鸟嘌呤/胞嘧啶目前四十三页\总数一百二十七页\编于七点碱基互补配对:腺嘌呤/胸腺嘧啶目前四十四页\总数一百二十七页\编于七点大沟与小沟目前四十五页\总数一百二十七页\编于七点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。3.疏水作用力和氢键共同维系着DNA双螺旋结构的稳定。目前四十六页\总数一百二十七页\编于七点碱基堆积作用力目前四十七页\总数一百二十七页\编于七点（三）DNA双螺旋结构的多样性目前四十八页\总数一百二十七页\编于七点旋向螺距(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构型的比较目前四十九页\总数一百二十七页\编于七点（四）DNA的多链螺旋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)。目前五十页\总数一百二十七页\编于七点三链结构目前五十一页\总数一百二十七页\编于七点鸟嘌呤之间通过Hoogsteen氢键形成特殊的四链结构(tetraplex)。四链结构目前五十二页\总数一百二十七页\编于七点真核生物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。目前五十三页\总数一百二十七页\编于七点二、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。

目前五十四页\总数一百二十七页\编于七点螺旋和超螺旋电话线螺旋超螺旋目前五十五页\总数一百二十七页\编于七点DNA超螺旋结构形成的意义

使DNA形成高度致密状态从而得以装入核中；推动DNA结构的转化以满足功能上的需要。如负超螺旋分子所受张力会引起互补链分开导致局部变性，利于复制和转录。目前五十六页\总数一百二十七页\编于七点（一）原核生物DNA的环状超螺旋结构原核生物DNA多为环状，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。目前五十七页\总数一百二十七页\编于七点DNA超螺旋结构的电镜图象目前五十八页\总数一百二十七页\编于七点（二）真核生物DNA的高度有序和高度致密的结构真核生物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)。

目前五十九页\总数一百二十七页\编于七点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染色质的电镜图像目前六十页\总数一百二十七页\编于七点DNA：约150bp

组蛋白：H1H2A，H2BH3H4核小体的组成目前六十一页\总数一百二十七页\编于七点核小体串珠样的结构目前六十二页\总数一百二十七页\编于七点双链DNA的折叠和组装目前六十三页\总数一百二十七页\编于七点DNA经过多次折叠，被压缩了8000～10000倍，组装在直径只有为数微米的细胞核内。目前六十四页\总数一百二十七页\编于七点真核生物的染色体目前六十五页\总数一百二十七页\编于七点染色体包装的结构模型多级螺旋模型压缩倍数76405（8400）

DNA→核小体→螺线管→超螺线管→染色单体2nm10nm30(10)nm400nm2~10μm

一级包装二级包装三级包装四级包装目前六十六页\总数一百二十七页\编于七点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。基因从结构上定义，是指DNA分子中的特定区段，其中的核苷酸排列顺序决定了基因的功能。三、DNA是遗传信息的物质基础目前六十七页\总数一百二十七页\编于七点重要的实验证明DNA是主要的遗传物质：肺炎球菌转化实验T2噬菌体的感染实验目前六十八页\总数一百二十七页\编于七点TheAvery-MacLeod-McCartyexperiment(1944)目前六十九页\总数一百二十七页\编于七点目前七十页\总数一百二十七页\编于七点

结论在S型细胞的各种组分中，只有DNA能引起R型细胞的转化，DNA是S型细胞多糖荚膜和病原特征的决定因子，只要给R型细胞提供S型细菌的DNA，就等于是提供了S基因。意义：第一次证明基因是由DNA组成的，DNA是遗传物质。转化已成为基因工程的重要手段。目前七十一页\总数一百二十七页\编于七点TheHershey-Chaseexperiment(1952)目前七十二页\总数一百二十七页\编于七点第三节

RNA的结构与功能StructureandFunctionofRNA目前七十三页\总数一百二十七页\编于七点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。目前七十四页\总数一百二十七页\编于七点RNA的种类、分布、功能目前七十五页\总数一百二十七页\编于七点信使RNA(messengerRNA,mRNA)是合成蛋白质的模板。不均一核RNA(hnRNA)含有内含子(intron)和外显子(exon)。外显子是氨基酸的编码序列，而内含子是非编码序列。hnRNA经过剪接后成为成熟的mRNA。一、mRNA是蛋白质合成中的模板目前七十六页\总数一百二十七页\编于七点hnRNA

内含子(intron)mRNA

mRNA成熟过程

外显子(exon)目前七十七页\总数一百二十七页\编于七点从AUG开始，每三个核苷酸为一组编码了一个氨基酸，称为三联体密码(codon)。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目前七十八页\总数一百二十七页\编于七点帽子结构:m7GpppNm（一）大部分真核细胞mRNA的5'末端都以7-甲基鸟嘌呤-三磷酸核苷为起始结构

mRNA的帽结构可以与帽结合蛋白(capbindingprotein，CBP)结合。

目前七十九页\总数一百二十七页\编于七点帽子0结构鸟嘌呤7N甲基化5’5’3’目前八十页\总数一百二十七页\编于七点5´帽子分Cap0、Cap1、Cap2。目前八十一页\总数一百二十七页\编于七点加帽过程目前八十二页\总数一百二十七页\编于七点真核生物的mRNA的3-末端转录后加上一段长短不一的多聚腺苷酸。（二）在真核生物mRNA的3'末端有多聚腺苷酸结构

polyA的出现不依赖DNA模板,poly（A）合成酶催化.目前八十三页\总数一百二十七页\编于七点加尾过程目前八十四页\总数一百二十七页\编于七点帽子结构和polyAtail的功能：mRNA从细胞核到细胞质的转位；mRNA稳定性的维系；翻译起始的调控；与mRNA的半寿期有关。新合成的mRNA，polyA链较长；衰老的mRNA，polyA链缩短。目前八十五页\总数一百二十七页\编于七点（三）mRNA依照自身的碱基顺序指导蛋白质氨基酸顺序的合成从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)或三联体密码(tripletcode)。

AUG被称为起始密码子；决定肽链终止的密码子则称为终止密码子。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。目前八十六页\总数一百二十七页\编于七点（四）mRNA的成熟过程是hnRNA的剪接过程卵清蛋白mRNA的成熟目前八十七页\总数一百二十七页\编于七点转运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目前八十八页\总数一百二十七页\编于七点（一）tRNA中含有多种稀有碱基目前八十九页\总数一百二十七页\编于七点tRNA具有局部的茎环(stem-loop)结构或发卡(hairpin)结构。（二）tRNA具有茎环结构tRNA的二级结构——三叶草形氨基酸臂DHU环反密码环TψC环附加叉目前九十页\总数一百二十七页\编于七点tRNA的倒L三级结构目前九十一页\总数一百二十七页\编于七点tRNA的3-末端都是以CCA结尾。3-末端的A与氨基酸共价连结，tRNA成为了氨基酸的载体。不同的tRNA可以结合不同的氨基酸。

（三）tRNA的3-末端连接氨基酸目前九十二页\总数一百二十七页\编于七点tRNA的反密码子环上有一个由三个核苷酸构成的反密码子(anticodon)。tRNA上的反密码子依照碱基互补的原则识别mRNA上的密码子。（四）tRNA的反密码子识别mRNA的密码子目前九十三页\总数一百二十七页\编于七点核蛋白体RNA(ribosomalRNA，rRNA)是细胞内含量最多的RNA(>80％)。rRNA与核蛋白体蛋白结合组成核蛋白体(ribosome)，为蛋白质的合成提供场所。三、以rRNA为组分的核蛋白体是蛋白质合成的场所目前九十四页\总数一百二十七页\编于七点核蛋白体的组成

31目前九十五页\总数一百二十七页\编于七点18S

rRNA的二级结构目前九十六页\总数一百二十七页\编于七点蛋白质合成时形成的复合体目前九十七页\总数一百二十七页\编于七点TuTsGTPGDPAUG5'3'TuTsGTP目前九十八页\总数一百二十七页\编于七点fMetAUG5'3'fMetTuGTP目前九十九页\总数一百二十七页\编于七点进位转位成肽目前一百页\总数一百二十七页\编于七点RNA组学是研究细胞内snmRNA的种类、结构和功能。同一生物体内不同种类的细胞、同一细胞在不同时空状态下snmRNAs表达谱的变化，以及与功能之间的关系。

四、snmRNA参与了基因表达的调控细胞的不同部位存在的许多其他种类的小分子RNA，统称为非mRNA小RNA(smallnon-messengerRNAs,snmRNAs)。

snmRNAs目前一百零一页\总数一百二十七页\编于七点核内小RNA(smallnuclearRNA,

snRNA)核仁小RNA(smallnucleolarRNA,snoRNA)胞质小RNA(smallcytoplasmicRNA,scRNA)催化性小RNA(smallcatalyticRNA)小片段干扰RNA(smallinterferingRNA,

siRNA)

snmRNAs的种类目前一百零二页\总数一百二十七页\编于七点snRNA参与真核生物hnRNA的剪接snoRNA参与rRNA的转录后修饰

核酶（催化性RNA）基于siRNA的RNA干扰技术(RNAinterference,RNAi)目前一百零三页\总数一百二十七页\编于七点核酶某些小RNA分子具有催化特定RNA降解的活性，这种具有催化作用的小RNA亦被称为核酶(ribozyme)或催化性RNA(catalyticRNA)。目前一百零四页\总数一百二十七页\编于七点siRNA是生物宿主对外源侵入的基因表达的双链RNA进行切割所产生的特定长度和特定核酸序列的小片段RNA。siRNA可以与外源基因表达的mRNA相结合，并诱发这些mRNA的降解。基于此机理，人们发明了RNA干扰(RNAinterference，RNAi)技术。小片段干扰RNA目前一百零五页\总数一百二十七页\编于七点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了不同的时空特性目前一百零六页\总数一百二十七页\编于七点真核生物基因表达的特异性目前一百零七页\总数一百二十七页\编于七点多聚核糖体（a为原核生物，b为真核生物）ab目前一百零八页\总数一百二十七页\编于七点核酸的理化性质ThePhysicalandChemicalCharactersofNucleicAcid第四节目前一百零九页\总数一百二十七页\编于七点为两性电解质，通常表现为酸性。DNA为线性高分子，溶液粘度极高，RNA溶液要小得多。RNA能在室温条件下被稀碱水解，DNA对碱稳定。目前一百一十页\总数一百二十七页\编于七点核酸在波长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目前一百一十一页\总数一百二十七页\编于七点碱基的紫外吸收光谱目前一百一十二页\总数一百二十七页\编于七点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紫外吸收的应用目前一百一十三页\总数一百二十七页\编于七点二、DNA变性是双链解离为单链的过程在某些理化因素作用下，DNA双链解开成两条单链的过程。定义DNA变性的本质是双链间