第三章核酸的组成与结构

第一节

DNA的组成与结构一、DNA（deoxyribonucleicacid）的组成

1.核酸是由许多个单核苷酸聚合而成的多核苷酸链；核苷酸由碱基、戊糖(D-2-脱氧核糖)和磷酸三部分构成。

2.DNA含：A、T、C、G四种碱基嘌呤嘧啶核糖磷酸DNAA，GC，T脱氧核糖磷酸1目前一页\总数四十七页\编于六点二、DNA的结构与功能一级结构（Primarystructure）：指DNA分子中核苷酸的排列顺序。二级结构（Secondarystructure）：双螺旋（doublehelix）三股螺旋（triplehelix）三（高）级结构（Tertiarystructure）：超螺旋（supercoil）2目前二页\总数四十七页\编于六点（一）DNA的一级结构指DNA分子中4种核苷酸的连接方式和排列顺序。1.Chargaff法则Chargaff于1946-1950年根据纸层析、离子交换层析和紫外分光光度试验结果提出查伽夫定则：四种碱基的数量不是等量的；同一物种DNA碱基组成不变，而物种间则有很大不同；嘌呤碱基总量与嘧啶碱基的总量相等(A+G=T+C)，且腺嘌呤与胸腺嘧啶数相等“A”=“T”、鸟嘌呤与胞嘧啶数相等“G”=“C”。2.核苷酸序列及其测定查伽夫定则表明：核酸并不是四核苷酸结构的简单重复，核酸的碱基序列信息可能具有重要意义。以后的研究表明：碱基序列正是核酸生物学功能的基础，是遗传信息的内在形式。核酸序列分析技术是最重要的分子生物学研究技术，主要包括：Sanger双脱氧法和MaxamandGillbert化学法。基于化学法的DNA序列自动分析仪已成为常规实验设备。3目前三页\总数四十七页\编于六点5’末端的磷酸基团3‘，5’-磷酸二酯键3‘末端羟基DNA的长度单位：碱基对(bp)，千碱基对(Kb)，百万碱基对(Mb)4目前四页\总数四十七页\编于六点3.DNA一级结构的表示方法线条式表示法文字表示法5目前五页\总数四十七页\编于六点（二）DNA的二级结构

指两条核苷酸链反向平行盘绕所生成的双螺旋结构。1.DNA双螺旋结构模型

1953年美国青年生物学家Watsn和英国中年物理学家Crick根据碱基互补配对规律和DNA的X射线衍射研究，提出了著名的DNA双螺旋结构模型，并为以后拍摄的电镜直观形象所证实，从而奠定了分子生物学的基础。（1）要点：DNA分子是由两条同轴反向互相缠绕的多核甘酸链组成的双螺旋结构；糖和磷酸排在外面构成骨架,两链相应的核甘酸的碱基互相配对由氢键连接排列在内侧；双螺旋直径为20Å

，螺距为34Å,包含10对碱基。（2）意义：DNA双螺旋结构模型还表明，DNA可以按碱基互补配对原则进行半保留复制，而此前人们对复制方式一无所知；DNA核苷酸顺序规定该基因编码蛋白质的氨基酸顺序；DNA中的遗传信息就是碱基序列；并存在某种遗传密码，将核苷酸序列译成蛋白质氨基酸顺序。在其后的几十年中，科学家们沿着这两条途径前进，探明了DNA复制、遗传信息表达与中心法则等内容。6目前六页\总数四十七页\编于六点沃森、克里克和威尔金斯因发现生命的双螺旋而荣获1962年诺贝尔医学生理学奖。（左一：威尔金斯，左三：克里克左五：沃森）

FranklinRE(1920－1958）和同事威尔金斯在1951年率先采用X射线衍射技术拍摄到DNA晶体照片，为推算出DNA分子呈螺旋结构的结论，提供了决定性的实验依据。但“科学玫瑰”没等到分享荣耀，在研究成果被承认之前就已凋谢。7目前七页\总数四十七页\编于六点超高分辨率扫描式电子显微镜拍到的DNA照片DNA的人工模型富兰克林拍摄的DNA的X射线衍射图X衍射技术是用X光透过物质的结晶体，使其在照片底片上衍射出晶体图案的技术，这个方法可以用来推测晶体的分子排列；沃森和克里克从衍射图谱中受到启示。8目前八页\总数四十七页\编于六点DNA双螺旋结构模型9目前九页\总数四十七页\编于六点10目前十页\总数四十七页\编于六点2.DNA分子构型的多态性（1）右手螺旋：A-DNA、B-DNA、C-DNA、D-DNA、E-DNA、T-DNA；（2）左手螺旋：Z-DNA。B-DNA：为DNA在生理状态下的构型，右手双螺旋构型（沃森和克里克模型），每螺旋为10个核苷酸对。A-DNA：为DNA的脱水构型，右手螺旋，每螺旋为11个核苷酸对。Z-DNA：为左手螺旋，每个螺旋含12个核苷酸对。11目前十一页\总数四十七页\编于六点DNA分子构型的多态性12目前十二页\总数四十七页\编于六点3.DNA的其它螺旋结构（1）回文结构：DNA序列中以某一中心区域为对称轴，其两侧的碱基对顺序正读和反读都相同的双螺旋结构。即对称轴一侧的片段旋转180°后，与另一侧片段对称重复，称为反转重复序列。回文结构能形成十字结构和发夹结构。13目前十三页\总数四十七页\编于六点

（2）反转重复（invertedrepeated)：由反方向互补的两个DNA片段组成，两个反转重复序列又叫回文序列(palindromesequence)。（3）镜像重复(mirrorrepeat)：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，不能形成十字型或发夹结构。（4）直接重复(directrepeat)：由同一方向完全相同的两个序列组成。又称为正向重复序列、顺向重复序列。14目前十四页\总数四十七页\编于六点（5）DNA三股螺旋（triplestrandsDNA，H-DNA，ts-DNA）：

1957年由Felesnfeld及Davis首先发现。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。三条链均为同型嘌呤（Hpu）或同型嘧啶（Hpy），有两种基本类型：Pu-Pu-Py型：在碱性介质中稳定。Py-Pu-Py型：在偏酸性介质中稳定。三链DNA既可以是B-DNA与另一条DNA链结合成的链间的三链DNA，又可以是B-DNA与其自身的一条链结合形成的链内的三链DNA。分子内三链DNA于1987年由Mirkin在超螺旋中发现，其形成要求双螺旋中存在连续的嘌呤或嘧啶序列，而且必须是镜像重复序列。15目前十五页\总数四十七页\编于六点16目前十六页\总数四十七页\编于六点（三）DNA的高级结构1.超螺旋（supercoilorsuperhelix

）结构（1）超螺旋的发现

1965年Vinograd等用电镜发现SV40和多瘤病毒的环形DNA的超螺旋；超螺旋是双螺旋DNA进一步扭曲盘绕形成的高级结构。a.绝大多数原核生物DNA都是共价封闭环（covalentlyclosedcircle，CCC）分子，双螺旋环状分子螺旋化成为超螺旋结构。b.有些单链环形染色体（如φx174）或双链线形染色体（如噬菌体），在其生活周期的某一阶段，染色体也变为超螺旋结构。c.真核生物的染色体多为线形分子，但DNA均与蛋白质相结合，同样具有超螺旋形式。17目前十七页\总数四十七页\编于六点18目前十八页\总数四十七页\编于六点（2）超螺旋的形成DNA双螺旋结构中，一般每转一圈有10个核苷酸对，平时双螺旋总处于能量最低状态；若正常DNA双螺旋额外地多转或少转几圈，使每一圈的核苷酸数目大于或小于10，就会出现双螺旋空间结构的改变，在DNA分子中产生额外张力；若此时双螺旋的末端是固定的或是环状分子，双链不能自由转动，额外的张力不能释放，导致DNA分子内部原子空位置的重排，造成扭曲，出现超螺旋。（3）超螺旋的方向性

a.正超螺旋：绳子的两股以右旋方向缠绕，如果在一端使绳子向缠紧的方向旋转，再将绳子两端连接起来，会产生一个左旋的超螺旋，以解除外加的旋转造成的胁变，这样的超螺旋叫正超螺旋。b.负超螺旋：如果在绳子一端向松缠方向旋转，再将绳子两端连接起来，会产生一个右旋的超螺旋，以解除外加的旋转所造成的胁变，这样的超螺旋称负超螺旋。19目前十九页\总数四十七页\编于六点20目前二十页\总数四十七页\编于六点c.松旋效应和紧旋效应：形成负超螺旋时，旋转方向与DNA双螺旋方向相反，旋转结果使DNA分子内部张力减小，称为松旋效应（在自然条件下共价封闭环状DNA呈负超螺旋结构）；与负超螺旋相反，形成正超螺旋时的旋转方向与DNA双螺旋方向相同，结果加大了DNA分子内部张力，具有紧旋效应。（4）环绕数和超螺旋的关系

White在1969年建立了White方程来对超螺旋进行定量描叙，说明环绕数和超螺旋的关系。L=T+WL（linkingnumber）：链环数或称拓扑环绕数，指DNA中一条链绕另一条链的总次数。L是整数，在不发生链断裂时其值为常数，右手螺旋对L取正值。T（twistingnumber）：缠绕数，即双螺旋的圈数。T为变量，可以是非整数，右手螺旋时T为正值。W（writhingnumber）：扭曲数，即超数旋数。W为变量，可以是非整数，右手螺旋时，W取负值。21目前二十一页\总数四十七页\编于六点22目前二十二页\总数四十七页\编于六点23目前二十三页\总数四十七页\编于六点24目前二十四页\总数四十七页\编于六点（5）DNA的超螺旋密度（λ）

λ=（L-L0）/L0

L0是指松驰环形DNA的L值，天然DNA的超螺旋密度一般为-0.03~-0.09，平均每100个螺旋出现3-9个负超螺旋。a.天然的DNA都呈负超螺旋，但体外可得到正超螺旋；由于双链DNA是动态变化的，其负超螺旋的链环数也会有所波动。b.负超螺旋会部分地转变为单链泡状结构，这种单链泡状结构也是解除松缠作用造成的胁变的一种途径；当然蛋白质会与这些单链泡状结构结合参与复制活转录；这也许就是为什么在生物内DNA总是采取负超螺旋形式的主要原因。c.溴化乙锭（ethidiumbromide）能与DNA紧密结合，使DNA的密度降低；它插入DNA分子碱基对之间，引起DNA分子松旋，随着EB量的增加，负超螺旋DNA就转变为松弛态；EB的进一步增加，DNA就转变为正超螺旋。25目前二十五页\总数四十七页\编于六点26目前二十六页\总数四十七页\编于六点（6）不同类型DNA的高级结构及性质a.超螺旋使环状DNA分子变得更致密，在超速离心和在凝胶电泳中的迁移速度都增加；琼脂糖凝胶电泳可将超螺旋仅差一圈的DNA分离开。b.真核生物中，DNA与组蛋白八聚体形成核小体结构时，存在着负超螺旋。c.DNA超螺旋是由DNA拓扑异构酶产生的。d.坍缩DNA：当闭合环超螺旋变成闭合环松弛形DNA时，经碱变性或热变性使其氢键断裂，但两条链无法分离，结果生成两条链紧密缠结的分子；坍缩DNA具有很高的沉降常数，相对沉降常数约3.0（单链环状DNA的相对沉降常数大约为1.14；线性单链DNA的相对沉降常数为1.30）。e.环连DNA：在DNA复制过程中的产物或由拓扑异构酶催化生成，由两个以上环形DNA分子环连而成。f.闭合环超螺旋DNA对于温度和碱性有较强的抵抗力，不容易发生变性；这样，可以寻找一个临界条件，使闭合环松弛形和开环松弛形DNA发生变性；而闭合环超螺旋不变性或很少变性。很多分离或鉴定闭合环超螺旋形DNA的方法都是依据其特性而设计的。27目前二十七页\总数四十七页\编于六点28目前二十八页\总数四十七页\编于六点29目前二十九页\总数四十七页\编于六点（7）超螺旋的意义

a.超螺旋的形成是DNA分子复制和转录的需要：生物体内DNA结构是处于动态之中，超螺旋的引入就提高了DNA的能量水平，而超螺旋程度的改变介导了DNA结构的变化，即超螺旋多余的能量可能使DNA双股链分开，或局部熔解，这种结构上的变化对DNA分子复制和转录等的启动很重要。b.超螺旋可使DNA分子形成高度致密的状态从而得以容纳于有限的空间。如E.coli的DNA的总长度是其细胞长度的100倍，由于它的DNA存在着超螺旋才能包装成类核（nucleoid）。c.染色体的形成过程：一级结构（核小体，直径10nm）、二级结构（螺线体，直径30nm）、三级结构（超螺线体，直径400nm）、四级结构（染色体，直径1000nm），DNA双螺旋进一步扭曲盘旋所形成的特定空间结构。

30目前三十页\总数四十七页\编于六点31目前三十一页\总数四十七页\编于六点32目前三十二页\总数四十七页\编于六点第二节、RNA的组成与结构一、RNA的组成RNA所含的戊糖为D-核糖，碱基为A、C、G、U。二、RNA的基本结构1．RNA的一级结构：指RNA分子中4种核苷酸的连接方式和排列顺序。2.RNA的分类及其二级结构（1）mRNA：帽子结构和尾巴，5’端，7’-甲基鸟苷；3’端，polyA尾巴。（2）rRNA：单链RNA自行盘绕形成局部双螺旋的多“茎”多“环”结构，螺旋部分称为“茎”或“臂”非螺旋部分称为“环”，在螺旋区，A与U配对，G与C配对。5SrRNA和16SrRNA分别构成大亚基和小亚基。（3）tRNA的二级结构：三叶草形状可分为：氨基酸接受区、反密码区、二氢尿嘧啶区、TΨC区和可变区。除氨基酸接受区外，其余每个区都含有一个突环和一个臂。33目前三十三页\总数四十七页\编于六点3．tRNA的三级结构：倒“L”形，所有的tRNA折叠后形成大小相似及三维构象相似的三级结构，这有利于携带的氨基酸的tRNA进入核糖体的特定部位。在翻译过程中转运各种氨基酸至核糖体，按mRNA的密码顺序合成蛋白质的作用。34目前三十四页\总数四十七页\编于六点三、mRNA的具体结构与功能1.原核生物mRNA结构特点：(1)多顺反子（polycistron）：一分子mRNA带有几种蛋白质的遗传信息，可以作为几种蛋白质的模板，能翻译出几种蛋白质。(2)mRNA5′端无帽子结构，3′端一般无多聚A的尾巴。(3)一般没有修饰碱基。35目前三十五页\总数四十七页\编于六点2.真核生物mRNA结构的特点（1）5′末端有帽子结构。真核生物mRNA在转录后,在5’端加上帽子(7－甲基鸟嘌呤核苷)，在蛋白质翻译时识别起始位置及防止被RNA酶降解。36目前三十六页\总数四十七页\编于六点（2）3′端多数带有多聚A的尾巴(polyadenylatetail)，其长度为20~200个A.（3）分子中可能有修饰碱基，主要是甲基化。（4）分子中有编码区与非编码区。非编码区（untranslatedregionUTR）位于编码区的两端；5′非编码区有翻译起始信号。37目前三十七页\总数四十七页\编于六点四、tRNA：转运氨基酸1．单链小分子，含73~93个核苷酸；2．含有很多稀有碱基或修饰碱基，多为甲基化；3．5′端总是磷酸化，且常是pG；4．3′端为CCAOH；5．二级结构为三叶草形；6．三级结构为倒L型。38目前三十八页\总数四十七页\编于六点五、rRNA原核生物真核生物核糖体70S80S小亚基30S40SrRNA16S(1542个核苷酸)18S（1874个核苷酸）蛋白质21种(占总重量的40%)33种（占总重量50%）大亚基50S60SrRNA23S(2940个核苷酸)28S（4718个核苷酸）5S(120个核苷酸)5.8S(160个核苷酸)5S(120个核苷酸)蛋白质31种(占总重量的30%)49种(占总重量的35%)１．核糖体的组成39目前三十九页\总数四十七页\编于六点２．rRNA二级结构：

单链RNA自行盘绕形成局部双螺旋的多“茎”多“环”结构，螺旋部分称为“茎”或“臂”非螺旋部分称为“环”，在螺旋区，A与U配对，G与C配对。

40目前四十页\总数四十七页\编于六点３．原核生物rRNA的特点（１）原核生物16SrRNA的3′端有一保守序列ACCUCCU，是mRNA的识别结合位点。（２）原核生物5SrRNA的第43~47位核苷酸为CGAAC序列，可与tRNA上GTΨCG互补。４．真核生物rRNA的特点（１）真核生物5.8SrRNA上也有相同的CGAAC序列,是tRNA与rRNA相互识别、相互作用的部位。（２）rRNA上有许多rRNA之间识别结合部位及蛋白质的相互作用部位。41目前四十一页\总数四十七页\编于六点原核生物70S核糖体真核生物80S核糖体核糖体的结构42目前四十二页\总数四十七页\编于六点六、核酶：有催化活性的RNA

１．核酶的发现1982年，美国ThomasCech在研究四膜虫rRNA自我剪接时发现的；与此同时，加拿大的SidneyAltman发现RNaseP分子中的RNA组分有催化活性；1989年分享了Noble化学奖。

２．核酶的发现意义不仅拓宽了生物催化剂的领域，而且对RNA的生物学功能开创了一种历史性的新认识：RNA不仅具有储存和传递遗传信息的功能，而且还具有生物催化剂的功能，在一定程度上可以说，RNA一身兼有DNA和蛋白质两大类生物大分子的功能。43目前四十三页\总数四十七页\编于六点３．核酶的二级结构核酶的二级结构对于催化活性很重要。Symons提出“锤头”状二级结构，三个