第一章核酸的高级结构

第一节概述当前第1页\共有149页\编于星期三\8点一、核酸的发现和研究历程当前第2页\共有149页\编于星期三\8点1868年，瑞士的一位年轻的科学家

FridrichMiescher（1844-1895）从外科绷带上脓细胞的细胞核中分离出一种有机物质，它的含磷量超过了当时发现的任何有机化合物，并有很强的酸性，由于该物质是从细胞核中分离出来的，因此当时就称它为“核素”（nuclein），Miescher所分离到的核素就是我们今天所指的脱氧核糖核蛋白。1889年，Altmann首先制备了不含蛋白质的核酸制品，因为是从细胞核中分离出来的酸性物质，所有叫核酸（nucleicacid）。

当前第3页\共有149页\编于星期三\8点后来，研究发现细胞质、线粒体、叶绿体、无核结构的细菌和没有细胞结构的病毒都含有核酸，从此“核酸”这一名称保留并一直沿用至今。核酸作为生物体的一种化学物质，早期的研究仅限于它的化学组成。虽然早在20世纪40年代，人们已经知道DNA是由四种核苷酸组成的多聚体长链，但也只是将它看作细胞中的一般化学成分，且由于这四种核苷酸比较相像，化学结构看来也十分简单，因此也没有人注意到它的生物学功能。当时普遍认为，决定遗传特性的物质是蛋白质。当前第4页\共有149页\编于星期三\8点1944年，Avery等人著名的肺炎双球菌转化实验证实核酸是主要遗传物质。见图1952年，Hershey等人用同位素标记法研究T2噬菌体的感染作用，他们用32P标记噬菌体的DNA，用35S标记蛋白质，然后感染大肠杆菌。结果发现只有32P-DNA进入细菌细胞，35S蛋白质留在细胞外，进一步肯定了DNA的遗传作用。1953年，Watson和Crick确定了DNA的双螺旋结构，发现碱基互补配对原理，同时提出了DNA半保留复制假说。当前第5页\共有149页\编于星期三\8点基础知识野生型肺炎双球菌(Strep-tococcuspneumoniae)菌落为光滑型，一种突变型为粗糙型，两者根本差异在于荚膜形成；荚膜的主要成分是多糖，具特殊的抗原性；不同抗原型是遗传的、稳定的，一般情况下不发生互变。荚膜菌落毒性类型光滑型S发达光滑有I,II,III粗糙型R无粗糙无I,II当前第6页\共有149页\编于星期三\8点1944年，Avery的转换转化实验orand可分离当前第7页\共有149页\编于星期三\8点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。同年，Cech发现四膜虫rRNA前体能够通过自我拼接切除内含子，表明RNA也具有催化功能，称为核酶(ribozyme),这是对“酶一定是蛋白质”传统观点的一次大的冲击。1983年，Simons和Mizuno等分别发现了反义RNA(antisenseRNA)，表明RNA还具有调节功能。当前第8页\共有149页\编于星期三\8点1985年，Mullis发明PCR(PolymeraseChainReaction)技术,即聚合酶链式反应。此项技术是模仿DNA在生物体内的自然复制过程,来扩增DNA片段。1986年，Gilbert提出“RNA世界”的假说。这一假说认为，在40亿年前的太古代，地球上就已经诞生了RNA自我复制系统——“RNA世界”。之后，RNA不但能进行有机物合成，而且还能与原始地球上出现的蛋白质相互作用，迎来了它们的共生时代——“RNA-蛋白质世界”，最终逐渐形成原始生命。当前第9页\共有149页\编于星期三\8点后来，RNA将大多数催化功能交给更高活性的蛋白质，将遗传信息传递功能交给了在化学性质上更稳定的DNA，久而久之，才演变成现在的生物世界，也就是“DNA世界”。1990年，美国政府出资30亿美元，用15年的时间完成人类基因组计划(humangenomeproject,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基本框架。2003年4月14日，人类基因组计划胜利完成。当前第10页\共有149页\编于星期三\8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。二、核酸的概念当前第11页\共有149页\编于星期三\8点三、核酸的种类与分布根据核酸的化学组成可分为：1.脱氧核糖核酸（Deoxyribonucleicacid，DNA）部位：细胞核（98%）、线粒体、叶绿体功能：是遗传的物质基础。能携带遗传信息，决定C和个体的基因型。2.核糖核酸（ribonucleicacid，RNA）部位：主要细胞质功能：参与C内DNA遗传信息的表达。在少数物种如某些病毒中也可作为遗传信息的载体。当前第12页\共有149页\编于星期三\8点RNA又可根据分子大小和生物学功能不同，分为:信使核糖核酸（messengerRNA，mRNA）转运核糖核酸（TransferRNA，tRNA）核糖体核糖核酸（RibosomalRNA，rRNA）当前第13页\共有149页\编于星期三\8点rRNAtRNAmRNA比例80～82％15～16％3～5％沉降系数原核：5S、16S、23S；真核：5S、18S、28S、5.8S4S6～25S代谢稳定性稳定稳定不稳定存在形式与多种蛋白质形成核糖核蛋白体，位于粗面内质网上或以单体形式存在与氨基酸结合或以游离状态存在与核糖体结合或单独存在存在部位细胞质细胞质细胞质生理功能蛋白质合成的场所在蛋白质合成过程中运输活化的氨基酸蛋白质合成的模板当前第14页\共有149页\编于星期三\8点第二节

核酸的化学组成TheChemicalComponentofNucleicAcid当前第15页\共有149页\编于星期三\8点戊糖含N碱基一、核酸的水解核酸核苷酸水解磷酸嘧啶碱嘌呤碱核苷核糖（戊糖）脱氧核糖(脱氧戊糖)1、核酸的彻底水解：当前第16页\共有149页\编于星期三\8点核酸的基本构成核酸Nucleicacid核苷酸Nucleotide核苷Nucleoside碱基Base核糖Ribose脱氧核糖Deoxyribose嘧啶碱Purinebases胸腺嘧啶thymine胞嘧啶cytosine尿嘧啶uracil嘌呤碱Pyrimidinebases腺嘌呤adenine鸟嘌呤guanine磷酸phosphoricacid戊糖pentose当前第17页\共有149页\编于星期三\8点2、核酸的化学组成1）元素组成C、H、O、N、P（9~10%）2）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)当前第18页\共有149页\编于星期三\8点二.戊糖和碱基的结构当前第19页\共有149页\编于星期三\8点(一)戊糖DNA：戊糖为β-D-2脱氧核糖RNA：戊糖为β-D-核糖。当前第20页\共有149页\编于星期三\8点（构成RNA）1´2´3´4´5´核糖(ribose)（构成DNA）脱氧核糖(deoxyribose)当前第21页\共有149页\编于星期三\8点(二)碱基（base）当前第22页\共有149页\编于星期三\8点1.嘌呤(purine)腺嘌呤(adenine,A)鸟嘌呤(guanine,G)当前第23页\共有149页\编于星期三\8点2.嘧啶(pyrimidine)胞嘧啶(cytosine,C)尿嘧啶(uracil,U)胸腺嘧啶(thymine,T)当前第24页\共有149页\编于星期三\8点含氧的碱基有烯醇式和酮式两种互变异构体，在生理pH条件下主要以酮式存在。体内核酸大分子中的碱基也以酮式存在。尿嘧啶的互变异构作用如下：酮式烯醇式OHOH当前第25页\共有149页\编于星期三\8点当前第26页\共有149页\编于星期三\8点注意：嘌呤和嘧啶中均含有共轭双键，因此对260nm波长的紫外线有特异吸收峰。当前第27页\共有149页\编于星期三\8点三、核苷的形成核苷是由戊糖与含氮碱基经脱水缩合而生成的化合物（糖苷）。由碱基和核糖或脱氧核糖通过糖苷键连接而成。连接部位：糖的C-1，嘌呤-N9，嘧啶-N1。当前第28页\共有149页\编于星期三\8点核苷：用单字符号（A,G,U,C）表示脱氧核苷：在单字符号前加一小写得d（dA,dG,dT,dC）在大多数情况下，核苷是由核糖或脱氧核糖的C1’β-羟基与嘧啶碱N1或嘌呤碱N9进行缩合，故生成的化学键称为β，N糖苷键由碱基和核糖（脱氧核糖）通过糖苷键连接形成核苷（脱氧核苷）。1´1核苷的表示方法当前第29页\共有149页\编于星期三\8点★嘧啶碱：C1—N1，嘌呤碱：C1—N9。★核酸中的核苷与脱氧核苷均为β-型★碱基平面与核糖平面互相垂直当前第30页\共有149页\编于星期三\8点腺苷(A)脱氧胞苷(dC)β1,N9-糖苷键β1’,N1-糖苷键β1’β1’N-9N-1当前第31页\共有149页\编于星期三\8点当前第32页\共有149页\编于星期三\8点四、核苷酸的结构与命名当前第33页\共有149页\编于星期三\8点1.核苷酸:核苷（脱氧核苷）和磷酸脱水缩合后生成的磷酸酯类化合物，以磷酸酯键连接形成。即核苷的磷酸酯。包括核苷酸和脱氧核苷酸。

H磷酸＋脱氧胞苷(dC)＋H2O磷酸酯键当前第34页\共有149页\编于星期三\8点核苷酸的分子结构当前第35页\共有149页\编于星期三\8点

2.生物体内多为5，--核苷酸，即P基团位于糖的C-5，上。当前第36页\共有149页\编于星期三\8点3.5’-核苷酸又可按其在5’位缩合的磷酸基的多少，分为一磷酸核苷（核苷酸）、二磷酸核苷和三磷酸核苷。

当前第37页\共有149页\编于星期三\8点当前第38页\共有149页\编于星期三\8点4.有些核酸中还含有稀有碱基，这些碱基大多是在上述嘌呤或嘧啶碱的不同部位甲基化或进行其它的化学修饰而形成的衍生物。，当前第39页\共有149页\编于星期三\8点核苷酸与脱氧核苷酸当前第40页\共有149页\编于星期三\8点5.核苷酸还有环化的形式。它们主要是3′，5′－环化腺苷酸(cAMP,adenosine3′,5′－cyclicmonophosphate)3′，5′－环化鸟苷酸(cGMP,guanosine3′，5′－cyclicmonophosphate)环化核苷酸在细胞内代谢的调节和跨细胞膜信号中起着十分重要的作用。当前第41页\共有149页\编于星期三\8点5´端3´端6、核苷酸的连接核酸是由许多单核苷酸聚合形成的多核苷酸链，没有分支。核苷酸之间以3’，5’－磷酸二酯键连接形成多核苷酸链。核苷酸链的方向是5’－3’。CGA当前第42页\共有149页\编于星期三\8点3′，5′-磷酸二酯键3′，5′-磷酸二酯键是由一个核苷酸的5′位磷酸与另一个核苷酸的3′-OH形成的。5′端3′端CGA当前第43页\共有149页\编于星期三\8点由相间排列的戊糖和磷酸构成核酸大分子的主链。代表其特性的碱基则可以看成是有次序的链接在其主链上的侧链基团。主链上的磷酸基是酸性的，在细胞的pH条件下带负电荷；而嘌呤和嘧啶碱基相对不溶于水而具有疏水性质。5′端3′端CGA当前第44页\共有149页\编于星期三\8点注意：1.由于生物体中主要为游离的5-磷酸核糖(即用于合成核酸的单核苷酸为5′核苷酸)，因此，核苷酸链的合成方向是由5′3′。2.DNA、RNA均构成不分支的线性大分子，其中磷酸基和(脱氧)戊糖基构成DNA、RNA链的骨架，可变部分是碱基排列顺序。5′端3′端CGA5′端3′端CGA当前第45页\共有149页\编于星期三\8点当前第46页\共有149页\编于星期三\8点第三节DNA的结构StructureofDNA当前第47页\共有149页\编于星期三\8点DNA的一级结构:基本结构DNA的二级结构空间结构DNA的三级结构当前第48页\共有149页\编于星期三\8点一、DNA的一级结构概念：核酸中4种核苷酸的连接及排列顺序。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。当前第49页\共有149页\编于星期三\8点(一)基因和基因组基因：DNA分子中的某一区段，经复制可传给子代，经转录和翻译往往可合成蛋白质。基因组（genome）：一个生物体的全部基因序列。人的基因组约有30亿bp。当前第50页\共有149页\编于星期三\8点(二)原核生物和真核生物DNA一级结构的比较当前第51页\共有149页\编于星期三\8点1.原核生物DNA一级结构的特点(1)原核生物的基因组小；(2)结构相对简单；(3)基因为连续的DNA片段。当前第52页\共有149页\编于星期三\8点2.真核生物DNA一级结构的特点当前第53页\共有149页\编于星期三\8点(1)大量重复序列：根据重复次数的多少分为：高度重复序列：可重复几百万次，多数为小于10bp的短序列。一般位于异染色质上，多数不编码蛋白质或RNA，可能与染色体结构的形成及基因表达的调控有关。中度重复序列：在DNA分子中可重复几十次到几千次，主要rRNA、tRNA基因和某些蛋白质基因属于此类。单考贝序列：在整个DNA分子中质出现一次或少数几次，主要是编码蛋白质的结构基因，主要转录mRNA。在人体细胞中约占DNA总数的一半。当前第54页\共有149页\编于星期三\8点(2)基因的不连续性真核结构基因的两侧，存在一些不被转录的非编码序列，它们多为调控区。而基因内部也有很多非编码序列，称内含子。相应的，编码序列称外显子。当前第55页\共有149页\编于星期三\8点断裂基因----真核生物结构基因，由若干个编码区和非编码区互相间隔开但又连续镶嵌而成，去除非编码区再连接后，可翻译出由连续氨基酸组成的完整蛋白质，这些基因称为断裂基因(splitegene)

。CABD编码区A、B、C、D(外显子)非编码区(内含子)当前第56页\共有149页\编于星期三\8点外显子(exon)和内含子(intron)外显子在断裂基因及其初级转录产物上出现，并表达为成熟RNA的核酸序列。内含子隔断基因的线性表达而在剪接过程中被除去的核酸序列。当前第57页\共有149页\编于星期三\8点

二、DNA的二级结构

DNA的二级结构是指两条多核苷酸链反向平行盘绕所生成的双螺旋结构。当前第58页\共有149页\编于星期三\8点研究背景:

DNA双螺旋结构模型的提出，揭示了生物界遗传性状得以世代相传的分子奥秘，标志着当代分子生物学的诞生，是科学史上最伟大的事件之一。（一）Watson和Crick提出的双螺旋结构当前第59页\共有149页\编于星期三\8点Watson和Crick将当时人们对于DNA分子特性的认识和获得的各种数据在理论上综合分析计算，经过刻苦努力，并充分发挥出超凡想象力，终于推论出这一模型。所以，他们在1962年获诺贝尔奖时引用了牛顿的名言“我（们）之所以看得远些，只因为站在巨人的肩膀上…”。因此，这一模型也称为“Watson-Crick结构模型”。他们主要的依据是什么呢？是下列三点：当前第60页\共有149页\编于星期三\8点当前第61页\共有149页\编于星期三\8点1.Chargaff规则：应用层析法对多种生物DNA的碱基组成进行了分析，发现：（1）在DNA中A=TG=C。这是Chargaff规则的主要内容。（2）不同生物种属的DNA碱基组成不同。（3）同一个体不同器官、不同组织的DNA具有相同的碱基组成。2.碱基间可以形成氢键A、T之间可以生成两个氢键，G、C之间可以生成三个氢键。研究氢键，可以帮助判断DNA的构象，如当时已经了解的α-螺旋。当前第62页\共有149页\编于星期三\8点当前第63页\共有149页\编于星期三\8点DNA双螺旋结构模型主要内容：1.DNA分子是由两条多核苷酸链围绕一个共同的轴而形成的螺旋体；2.两条链都是右手螺旋，它们的骨架均由脱氧核糖和磷酸组成；3.碱基对在螺旋内侧，通过大沟和小沟可接近它们，脱氧核糖基和P基骨架在骨架外侧；当前第64页\共有149页\编于星期三\8点4.整个螺旋体的直径为2nm，螺距3.4nm，碱基平面距离0.34nm，即每个螺圈含10个螺旋。单股DNA链的方向取决于核苷酸单体间磷酸二酯键的走向，习惯上走向常是5’3’，与之相对应的链必为由3’5’，因此DNA分子中的两条链反向平行。当前第65页\共有149页\编于星期三\8点5.两条链以碱基间氢键而连结。A-T配对、形成二个氢键。G-C配对、形成三个氢键。------这称为“碱基互补规律”。当前第66页\共有149页\编于星期三\8点碱基互补配对TAGC当前第67页\共有149页\编于星期三\8点6.DNA双螺旋的维系：横向稳定--由互补碱基间氢键维系纵向稳定--碱基平面间的疏水的碱基堆积力维系（通过相邻碱基π-π电子形成的疏水作用）。注：从总能量上说，碱基堆积力占的能量比例更大些。

当前第68页\共有149页\编于星期三\8点当前第69页\共有149页\编于星期三\8点当前第70页\共有149页\编于星期三\8点当前第71页\共有149页\编于星期三\8点（二）其它类型的DNA双螺旋结构DNA的Watson-Crick结构模型是最常见的，也是最稳定的，称为B-DNA。另外，还少量A-DNA及左旋的Z-DNA等。在体内，不同构象的DNA在功能上有所差异，可能参与基因表达的调节和控制。

当前第72页\共有149页\编于星期三\8点当前第73页\共有149页\编于星期三\8点B-DNA：在相对湿度为92%时所得到的DNA钠盐纤维，这种DNA称为--。A-DNA：在相对湿度为75%时所得到的DNA钠盐纤维，这种DNA称为--。主要区别：B-DNA的碱基由脱氧核糖-磷酸骨架伸向螺旋的中心轴，碱基平面和轴垂直。A-DNA的碱基平面相对于中心轴约有25°的倾斜。当前第74页\共有149页\编于星期三\8点Z---DNA的发现1979年Rich和Wang对带有简单交替顺序的DNA片段作了研究，发现该晶体中的两分子可通过Watson-Crick碱基配对，形成一种明显而独特的左旋双螺旋规则结构，而且通过相邻片段顶端的相互衔接，可形成无限长度的反向平行双股左手螺旋，因为其核糖-磷酸骨架中磷酸基走向呈“Z”字形锯齿状结构，故定名为Z-DNA。当前第75页\共有149页\编于星期三\8点Z---DNA的结构特征B-DNA是一个整齐的螺旋结构，Z-DNA却近似圆柱形。在B-DNA中，碱基对沿螺旋轴的平均距离为3.4A，每隔10个碱基对螺旋上升一圈，螺距为34A，而Z-DNA中，碱基对虽仍以3.4A的间距进行堆砌，但由于它们相对于螺旋轴有7°的倾斜，致使碱基对沿轴的间距变成3.7A，而螺旋圈里包含着12个碱基对，所以其螺距为44.6A。B-DNA的直径为20A，而Z-DNA得只有18A。∴Z-DNA具有更为细长的结构。当前第76页\共有149页\编于星期三\8点Z---DNA的结构特征从螺旋顶上往下看，Z-DNA的鸟嘌呤碱基呈六角对称，鸟嘌呤残基的咪唑部位和磷酸根构成圆柱形分子的外壁；与B-DNA不同的是：其磷酸根虽然位于螺旋外壁，但鸟嘌呤的位置靠近分子的中心，呈五角对称。∴与B-DNA相比，Z-DNA的特征为：Z-DNA为左旋；磷酸根的Z字形走向；Z-DNA的大沟消失，小沟加深。当前第77页\共有149页\编于星期三\8点B-DNA螺旋结构的周围是由糖基和磷酸基组成的双螺旋骨架，大沟、小沟交替出现，大、小沟均有着光滑而连续的磷酸基组成的边缘，沟的底部是碱基组成的凹面。Z-DNA不仅没有大沟，而且由于鸟嘌呤的咪唑基和磷酸基构成一个圆形的凸面，致使这一部分还多少有些外翻，大沟相应消失；而在对应于B-DNA小沟的地方则形成一条深沟，顺着分子轴延伸下去，这条沟有锯齿形的磷酸根边缘，沟两边磷酸根之间的间距8.5A，深约9A，直达中心轴，小沟加深。当前第78页\共有149页\编于星期三\8点Z-DNA的研究概况1981年，Rich等人用溴取代鸟嘌呤的第8位氢原子，使溴代的多聚CG稳定地处于左旋状态，并以其作为诱导物，从兔和鼠身上取得了左旋DNA抗体，将这种抗体用荧光化合物进行标记，发现它与果蝇唾腺染色体的许多部位结合，在显微镜下可看到染色体上有许多明亮的条带，这说明在天然DNA中确有DNA处于左旋，后来发现在某些植物的细胞核及人类胎儿球蛋白基因等数十种基因中，也发现Z-DNA的存在，但含量很少，约占DNA总量的5%。当前第79页\共有149页\编于星期三\8点研究表明，Z-DNA构象出现在基因5’端的调控区。如人类C-MYC（肌动蛋白基因）表达时，就会在C-MYC基因的启动子附近出现三个Z-DNA区域。因此，推出Z-DNA与基因的表达调控相关，但如果C-MYC转录停止，这些区域将快速回复到B-DNA。此外，发现组成Z-DNA的序列在原核生物中较为少见。Z-DNA的研究概况当前第80页\共有149页\编于星期三\8点（三）DNA的可变构象除Z-DNA外，研究表明，因环境因素的改变、蛋白质的结合以及超螺旋张力的作用，某些特定的DNA片段还可能想出其他的可变DNA构型。如：十字形结构（cruciforms)三链DNA(intramoleculartriplexes)四链DNA(quadruplexes)脱链DNA(slipped-strandDNA)平行链DNA(parallelstrandedDNA)非配对DNA结构(unpairedDNAstructures)当前第81页\共有149页\编于星期三\8点十字形结构反向重复（5’-3’方向）部位两条链之间的氢键断开，链内互补的碱基之间重新形成氢键，形成两个类似发夹的臂，臂的顶端有3-4个非配对碱基。十字形结构包含两条特别长的DNA臂和两个相对较短的发夹形臂，这样构成“十字花”。当前第82页\共有149页\编于星期三\8点这种形状只有在低盐条件下才能维持，因为低盐条件下，磷酸根之间的静电排斥将四条臂都分开了。在生理盐溶液下，磷酸根被部分屏蔽，排斥力有所下降，所以十字形结构变成了X型结构，臂与臂之间的角度也各有不同。十字形结构的形成条件当前第83页\共有149页\编于星期三\8点脱链DNA（简称S-DNA）形成部位：DNA的一个区域内有几个核苷酸片段多次重复，就有机会用“滑脱”的方式形成碱基配对。形成过程：当序列重复部位解旋时，一个直接重复序列同另一个重复序列形成Watson-Crick碱基配对，这样在对应链上就形成了两个突出的环，碱基配对更有可能“滑脱”。影响因素：当直接重复区域被阻断时，将明显减少。当前第84页\共有149页\编于星期三\8点(CAG)n(CAG)n5’5’3’3’脱链结构当前第85页\共有149页\编于星期三\8点三、DNA的三级结构当前第86页\共有149页\编于星期三\8点（一）DNA的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双螺旋方向相反当前第87页\共有149页\编于星期三\8点意义:DNA超螺旋结构整体或局部的拓扑学变化及其调控对于DNA复制和RNA转录过程具有关键作用。当前第88页\共有149页\编于星期三\8点(二)原核生物的超螺旋结构

绝大多数原核生物DNA为双链闭合环，并在此基础上再次螺旋形成超螺旋。超螺旋结构：在双螺旋的基础上再盘绕成为麻花状的超螺旋结构。当前第89页\共有149页\编于星期三\8点当前第90页\共有149页\编于星期三\8点（二）在真核生物染色质DNA的高级结构真核生物染色体由DNA和蛋白质构成，其基本单位是核小体(nucleosome)。在真核生物中，双螺旋的DNA分子围绕蛋白质八聚体进行盘绕，从而形成特殊的串珠状结构，称为核小体。核小体结构属于DNA的三级结构。当前第91页\共有149页\编于星期三\8点组蛋白：H2A、H2B、H3

、H4

各两分子八聚体，直径约10nmDNA链：DNA链盘绕于八聚体表面1.75圈，约146bp当前第92页\共有149页\编于星期三\8点当前第93页\共有149页\编于星期三\8点当前第94页\共有149页\编于星期三\8点当前第95页\共有149页\编于星期三\8点四、DNA的功能基本功能：作为生物遗传信息复制的模板和基因转录的模板，它是生命遗传繁殖的物质基础,也是个体生命活动的基础。基因：DNA分子中的某一区段，经复制可传给子代，经转录和翻译往往可合成蛋白质。基因组（genome）：一个生物体的全部基因序列。人的基因组约有30亿bp。当前第96页\共有149页\编于星期三\8点第四节RNA的结构StructureofRNA当前第97页\共有149页\编于星期三\8点一、RNA与DNA结构的比较1.RNA碱基组成特点是含有尿嘧啶(U)而不含胸腺嘧啶(T)；2.连接键及链的方向与DNA类似。3.一般以单股链存在，但可以有局部二级结构及三级结构。在配对时，也遵守反向、互补等规则。碱基配对发生于C和G与U和A之间。当前第98页\共有149页\编于星期三\8点4.RNA碱基组成之间无一定的比例关系，且稀有碱基较多。如假尿嘧啶核苷及甲基化碱基等。5.RNA种类多，含量高，但分子量相对较小，仅有几十指几千个核苷酸。当前第99页\共有149页\编于星期三\8点螺旋的环状突起当前第100页\共有149页\编于星期三\8点当前第101页\共有149页\编于星期三\8点二、各类RNA的结构特点当前第102页\共有149页\编于星期三\8点

(一)

mRNA（信使RNA）mRNA约占细胞总RNA的3%-5%，代谢活跃，寿命较短。作为蛋白质合成的(模板)，mRNA一般由结构基因转录而来。原核与真核的mRNA结构和生成有较大差异。当前第103页\共有149页\编于星期三\8点原核生物的mRNA是多顺反子。顺反子是通过顺反测验鉴定的遗传功能单位，相当于一个编码蛋白质的DNA序列加上翻译的起始和终止信号，也就是一个蛋白质的基因。通常将一种蛋白质的基因称为结构基因。原核生物的结构基因无内含子，因此是连续的。真核生物的结构基因一般含有内含子，为不连续基因。目前研究过的真核生物的mRNA都是单顺反子，只编码一种蛋白质，其5’端和3’端各有一段非编码区.当前第104页\共有149页\编于星期三\8点原核生物的mRNA是很不稳定的。如大肠杆菌的mRNA的半衰期一般只有几分钟。因此原核生物的mRNA在其3’端尚未完全合成之前，便开始从5’端降解，或是在转译完毕之后，便立即降解。由于没有形成细胞膜，mRNA的转录和转译是相互紧密配合，偶联在一起的，当mRNA尚未转录完毕之前，就已经开始转译，而且当有足够的信息可供利用时，核蛋白体还要沿着增长的多核苷酸链移动，以合成蛋白质。一般认为，原核的mRNA转录之后，无需经过特殊的加工处理，而天然的mRNA即具有充分的生物学功能.当前第105页\共有149页\编于星期三\8点绝大多数真核细胞mRNA3’端都有一段长约200个核苷酸的poly(A)。poly(A)(polyadenylicacid)是在转录后经poly(A)聚合酶的作用添加上去的。poly(A)聚合酶对mRNA专一,不作用于tRNA和rRNA.poly(A)的功能：与mRNA从细胞核到细胞质的转移有关；与mRNA的半衰期有关,新合成的mRNA的ploy(A)链较长,而衰老的mRNA则poly(A)链较短.当前第106页\共有149页\编于星期三\8点当前第107页\共有149页\编于星期三\8点真核细胞mRNA5’端还有一个特殊的5’-m7G-5’ppp5’-Nm-3’-P结构，称为5’端帽子结构(cap)，此中5’端的鸟嘌呤N7被甲基化，鸟嘌呤核苷酸经焦磷酸与相邻的一个核苷酸相连，形成5’,5’-磷酸二酯键。帽子结构的功能：它为与核糖体的结合提供了一个识别位点。可以保护mRNA，防止它遭受来自5’端外切核酸酶的水解。帽子结构可能是蛋白质合成的起始识别信号的一部分，与蛋白质合成的正确起始有关。当前第108页\共有149页\编于星期三\8点在真核细胞中，初合成的mRNA和成熟的mRNA是不一样的。前者是一种分子量很不均一的mRNA前体称为不均一核RNA（hnRNA），在C内需经裂解、拼接和修饰才能成为成熟的mRNA进到细胞质中，发挥模板作用，指导蛋白质的生物合成。当前第109页\共有149页\编于星期三\8点mRNA与hnRNA在真核生物中，最初转录生成的RNA称为不均一核RNA(hnRNA)，然而在细胞质中起作用，作为蛋白质的氨基酸序列合成模板的是mRNA。hnRNA是mRNA的未成熟前体。也就是说，hnRNA在转变为mRNA的过程中经过剪接，被去掉了一些片段，余下的片段被重新连接在一起。当前第110页\共有149页\编于星期三\8点hnRNA内含子(intron)mRNA*mRNA成熟过程

外显子(exon)目录当前第111页\共有149页\编于星期三\8点三联体密码mRNA分子中每三个核苷酸为一组，决定一种氨基酸，称为遗传密码(geneticcode)或三联体密码。不同的mRNA碱基组成和排列顺序都不同，但都只有A，G，C，U4种碱基。如果一个碱基就可以决定一个氨基酸，则只有四种变化方式，如果两个碱基决定一个氨基酸，则只有16种变化方式，都不能满足20种氨基酸的需要。1961年Crick和Brenner的实验得出了三个核苷酸编码一个氨基酸的结论，并将这种三位一体的核苷酸编码称做遗传密码或三联体密码。当前第112页\共有149页\编于星期三\8点*mRNA的功能把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，用以决定其合成蛋白质的氨基酸排列顺序。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翻译蛋白真核细胞当前第113页\共有149页\编于星期三\8点(二)tRNA（转运RNA）:约占细胞RNA总量的15%功能：在蛋白质合成中，作为将细胞中游离氨基酸转移到蛋白质装配链的一种载体。结构特点：1.含稀有碱基较多。2.二级结构为“三叶草”型。3.三级结构为“倒L”型。当前第114页\共有149页\编于星期三\8点1、tRNA的一级结构tRNA的一级结构：是指tRNA分子中核苷酸的排列顺序。当前第115页\共有149页\编于星期三\8点tRNA的一级结构的特征：分子量在25Da左右，有74-93个核苷酸组成，大多数76个核苷酸组成的单链，沉降系数4S左右；碱基组成中有较多稀有碱基，每个tRNA分子中至少有2个，多则19个；3’端都为-pCpCpAOH,用来接受活化的氨基酸，称为接受臂。5’端大多为pG-，也有pC-。有十几个位置上的核苷酸在几乎所有的tRNA中都是不变的，为恒定核苷酸，在进化中极具保守性。如第8位的U，第18、19位的G等。这些恒定核苷酸对于维系三级结构和实现其生物功能起着重要的作用。当前第116页\共有149页\编于星期三\8点*特征：分子中由A-U、G-C碱基对构成的双螺旋区称臂，不能配对的部分为环，tRNA一般有四环四臂组成。5’端1-7为与近3’端的67-72为形成7bp的反平行双链称氨基酸臂，3’端共同的-CCA-OH结构，其羟基可与该tRNA所携带的氨基酸形成共价键。第10-25位形成3-4bp的臂和8-14b的环，由于环上有二氢尿嘧啶（D），故称D环，相应的臂为D臂。2、tRNA的二级结构——三叶草形当前第117页\共有149页\编于星期三\8点第27-43为有5bp的反密码子臂和7b的反密码子环,其中34-36为是与mRNA相互作用的反密码子.第44-48位为可变环，80%的tRNA由4-5b组成，20%的有13-21b组成。第49-65位为5bp的TψC臂，和7b的TψC环，因环中有TψC序列而得名。tRNA分子中含有多少不等的修饰碱基，某些位置上的核苷酸在不同的tRNA分子中很少变化，称不变核苷酸。当前第118页\共有149页\编于星期三\8点变化最大是额外臂，根据它的特性可将tRNA分为两类：一类是含有一条仅为3-5个核苷酸的额外臂，占tRNA的75%；第二类是含有较大的额外臂。其生物学功能尚不清楚。氨基酸受体臂：主要由链两端序列碱基配对形成的杆状结构和3’端未配对的3-4个碱基组成，其3’端的最后三个碱基序列永远是CCA最后一个碱基的3’自由羟基可以被氨酰化。反密码子臂：是根据位于套索中央的三联反密码子命名的。TψC臂：是根据3个核苷酸命名的，其中ψ表示假尿嘧啶，是tRNA分子所拥有的不常见核苷酸.是根据它含有二氢尿嘧啶命名的。变化最大是额外臂，根据它的特性可将tRNA分为两类：一类是含有一条仅为3-5个核苷酸的额外臂，占tRNA的75%；第二类是含有较大的额外臂。其生物学功能尚不清楚。当前第119页\共有149页\编于星期三\8点当前第120页\共有149页\编于星期三\8点*3、tRNA的三级结构——倒L形*tRNA的功能活化、搬运氨基酸到核糖体，参与蛋白质的翻译。当前第121页\共有149页\编于星期三\8点受体臂和反密码子环位于L构型的两端，T环和D环以复杂的方式缠绕在一起，排布在倒L构型的拐角上，占据一些特殊位置。组成L构型的两根相互垂直的堆砌柱均存在螺旋区与非螺旋区，由氢键维系的臂相对应的是螺旋区，环是非螺旋区。其中的两个螺旋区各由10个左右的碱基对组成，相当于双螺旋的一周，其碱基互补类型与DNA双螺旋中的相同。当前第122页\共有149页\编于星期三\8点

(三)rRNA

rRNA是细胞内含量最多的RNA，约占RNA总量的80%以上，是蛋白质合成机器--核蛋白体(核糖体)的组成成分。与其它RNA不同，rRNA(60%)必须与蛋白质(40%)结合成核蛋白体（核糖体）才能发挥作用。核糖体蛋白有数十种，大多是分子量不大的多肽类物质。当前第123页\共有149页\编于星期三\8点核蛋白体的大、小亚基核蛋白体由易于解聚的大、小亚基组成。注意：蛋白质、核酸等的质量单位—SS是大分子物质在超速离心沉降中的一个物理学单位，可反映分子量的大小。当前第124页\共有149页\编于星期三\8点原核生物核蛋白体以大肠杆菌为例：共有三种rRNA5SrRNA23SrRNA16SrRNA小亚基由16SrRNA和21种蛋白质构成；大亚基由5S、23srRNA和31种蛋白质构成。当前第125页\共有149页\编于星期三\8点真核生物核蛋白体以小鼠肝细胞为例：共有四种rRNA5SrRNA28SrRNA5.8SrRNA18SrRNA小亚基含18SrRNA和30多种蛋白质；大亚基含28S、5.8S、5S三种rRNA，近50种蛋白质。当前第126页\共有149页\编于星期三\8点第五节核酸的理化性质ThePhysicalandChemicalCharactersofNucleicAcid当前第127页\共有149页\编于星期三\8点一、核酸的一般理化性质当前第128页\共有149页\编于星期三\8点1、大分子性质：核酸的分子量很大，一般为106～1010。核酸溶液粘度大(抗剪切力差)。粘度：DNA>RNA2、溶解性：

DAN为白色纤维状固体，RNA为白色粉末；都微溶于水，不溶于一般有机溶剂。常用乙醇从溶液中沉淀核酸。3、核酸的酸碱性质:

核酸中的磷酸和碱基均能发生两性解离。核酸是两性电解质。因磷酸的酸性强，通常表现为酸性。DNA等电点4—4.5；RNA等电点2—2.5。当前第129页\共有149页\编于星期三\8点4、紫外吸收在核酸分子中，由于嘌呤碱和嘧啶碱具有共轭双键体系，因而具有独特的紫外线吸收光谱，一般在260nm左右有最大吸收峰，可以作为核酸及其组份定性和定量测定的依据。当前第130页\共有149页\编于星期三\8点当前第131页\共有149页\编于星期三\8点1.DNA或RNA的定量OD260=1.0相当于50μg/ml双链DNA40μg/ml单链DNA（或RNA）20μg/ml寡核苷酸2.判断核酸样品的纯度DNA纯品:OD260/OD280=1.8RNA纯品:OD260/OD280=2.0若溶液中含有杂蛋白或苯酚，则A260/A280比值明显降低。3、判断DNA是否变性在DNA的变性过程中，摩尔吸光系数增大（增色效应）在DNA的复性过程中，