生化课件第06章核苷酸与核酸

第六章

核苷酸与核酸

NucleotidesandNucleicAcids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。核酸的发现和研究工作进展1869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基本框架第一节核酸概述TheGeneralityofNucleicAcids一、核酸的基本结构单位是核苷酸核酸在核酸酶的作用下水解成核苷酸。

二、核苷酸由碱基、戊糖、磷酸组成核苷酸由碱基(base)、戊糖(pentose)和磷酸3种成分以共价键依次连接而成。核酸的化学组成元素组成C、H、O、N、P（9%~10%）分子组成——碱基(base)：嘌呤碱，嘧啶碱——戊糖(pentose)：核糖，脱氧核糖——磷酸(phosphate)核酸核苷酸磷酸核苷或脱氧核苷核酸酶水解核苷酶核糖脱氧核糖碱基戊糖嘌呤嘧啶（一）核酸中的碱基分为嘧啶碱和嘌呤碱两类1．核酸中常见的5种碱基嘌呤(purine)腺嘌呤(adenine,A)鸟嘌呤(guanine,G)碱基:嘧啶(pyrimidine)胞嘧啶(cytosine,C)尿嘧啶(uracil,U)胸腺嘧啶(thymine,T)2．核酸中存在稀有碱基

核酸中还有一些含量甚少的碱基，称为稀有碱基(rarebase)。稀有碱基种类很多，大多数都是甲基化碱基。tRNA中含有较多的稀有碱基，可高达10%。DNARNA嘌呤m7G7-甲基鸟嘌呤N6，N6-2m6AN6，N6-二甲基腺嘌呤N6-m6AN6-甲基腺嘌呤N6-m6AN6-甲基腺嘌呤m7G7-甲基鸟嘌呤嘧啶m5C5-甲基胞嘧啶DHU二氢尿嘧啶hm5C5-羟甲基胞嘧啶T胸腺嘧啶核酸中部分稀有碱基（二）核苷酸中的戊糖有核糖和脱氧核糖两类核糖核苷酸：β-D-核糖脱氧核糖核苷酸：β-D-2-脱氧核糖

戊糖（构成RNA）1´2´3´4´5´核糖(ribose)（构成DNA）脱氧核糖(deoxyribose)H（三）碱基和和戊糖缩合成核苷酸1.碱基和戊糖缩合成核苷

β-N-糖苷键

2.糖苷键是可以旋转碱基位置存在顺式和反式结构

顺式鸟嘌呤核苷反式鸟嘌呤核苷反式胞嘧啶核苷反式胞嘧啶脱氧核苷核苷酸：AMP,GMP,UMP,CMP脱氧核苷酸：dAMP,dGMP,dTMP,dCMP

核苷（脱氧核苷）和磷酸以磷酸酯键连接形成核苷酸（脱氧核苷酸）。

（四）核苷与磷酸以酯键连接成核苷酸

腺嘌呤核苷三磷酸ATP腺嘌呤脱氧核苷一磷酸dAMP环式腺苷一磷酸cAMP环式鸟苷一磷酸cGMP鸟苷四磷酸ppGpp体内重要的游离核苷酸及其衍生物含核苷酸的生物活性物质：NAD+、NADP+、CoA-SH、FAD

等都含有AMP多磷酸核苷酸：NMP，NDP，NTP环化核苷酸:cAMP，cGMPcAMPNADP+NAD+

三、核苷酸通过3,5-磷酸二酯键连接成多聚核苷酸（一）3,5-磷酸二酯键是核酸的基本结构键

3,5-磷酸二酯键5端3端CGA（二）多聚核苷酸链有方向性

AGP5PTPGPCPTPOH3书写方法5pApCpTpGpCpT-OH

35

ACTGCT

3目录四、核酸分为核糖核酸和脱氧核糖核酸两类（一）RNA是单链多聚核糖核苷酸（二）DNA是单链或双链多聚脱氧核糖核酸（三）组成DNA和RNA成分不同（四）多聚核苷酸中核苷酸的排列顺序是核苷酸的基本结构五、核苷酸还有其他功能脱氧核苷酸主要的作用是DNA的组成成分，为数不多的参与代谢的调节。核糖核苷酸除了是RNA的组成成分外，还以多种方式参与细胞内的生理和生化过程。第二节DNA的三维结构TheThreeDimensionalStructureofDNA

DNA的二级结构是双螺旋结构DNA双螺旋结构的研究背景和历史意义DNA双螺旋结构模型要点DNA的超螺旋结构及其在染色质中的组装DNA的超螺旋结构原核生物DNA的高级结构DNA在真核生物细胞核内的组装DNA的功能基本内容一、DNA的二级结构是双螺旋结构（一）Waston和Crick提出DNA双螺旋结构模型碱基组成分析Chargaff规则：[A]=[T][G][C]碱基的理化数据分析A-T、G-C以氢键配对较合理DNA纤维的X-线衍射图谱分析目录不同生物来源的DNA碱基组成(摩尔，mole)与碱基比（mole比）来源AGC★TA/TG/CG+C嘌呤/嘧啶▲人30.419.919.930.11.011.039.81.01牛胸腺28.221.522.527.81.010.9644.00.99牛脾27.922.722.127.31.011.0144.71.04牛精子28.722.222.027.21.061.0144.21.04猪29.820.720.729.11.021.0041.41.01酵母31.718.317.432.60.971.0535.71.00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★包括5-甲基胞嘧啶▲比值偏离1：1是实验误差所致DNA分子由两条相互平行但走向相反的脱氧多核苷酸链组成，两链以-脱氧核糖-磷酸-为骨架，以右手螺旋方式绕同一公共轴盘。螺旋直径为2nm，形成大沟(majorgroove)及小沟(minorgroove)相间。（二）DNA双螺旋结构具有特征性（Watson,Crick,1953）碱基垂直螺旋轴居双螺旋内側，与对側碱基形成氢键配对（互补配对形式：A=T;GC）。相邻碱基平面距离0.34nm，螺旋一圈螺距3.4nm，一圈10对碱基。

DNA双链模型

碱基互补配对TAGC氢键维持双链横向稳定性，碱基堆积力维持双链纵向稳定性。

Watson-Grick和HoogsteenDNA螺旋中碱基对间氢键的位置（三）DNA双螺旋结构具有多样性目录不同类型的DNA双螺旋结构

A型B型Z型外型粗短中细长螺旋方式右手右手左手直径26A20A18A每螺旋的碱基对数1110.512每碱基对的升距2.6A3.4A3.7A螺距2.533.544.56糖苷键构型反式反式嘧啶反式，嘌呤顺式大沟窄深宽深平坦小沟宽浅窄深较窄、很深轴心与碱基对的关系不穿过碱基对穿过碱基对不穿过碱基对A、B和Z型DNA分子的比较（四）某些DNA具有更复杂的螺旋结构1.Hoogsteen碱基配对形成三股螺旋DNAH-DNA的结构2．4条多聚鸟嘌呤核苷酸链形成四螺旋DNA

碱基序列依赖性的局部DNA可形成发夹形或十字形结构3.在特异碱基序列基础上DNA局部可形成特殊结构

二、DNA的三级结构是超螺旋结构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。（一）原核生物DNA的是环状超螺旋结构（二）真核生物的线粒体、叶绿体DNA也是环状超螺旋结构

真核细胞中含有核外遗传物质的细胞器。线粒体DNA(mtDNA)是一个封闭的双链环状分子。人mtDNA全长16,569个碱基对，共计37个基因,分别编码13个蛋白质、2个rRNA、22个tRNA。（三）拓扑异构酶改变超螺旋的数量和类型环状DNA的三种拓扑异构体示意图1．核酸分子具有拓扑同分异构体比超螺旋（specificsuperhelix），也称为超螺旋密度（superhelicaldensity）。以符号σ表示：σ＝（Lk－Tw）/Tw，或σ＝ΔLk/Lk0可用于比较DNA拓扑同分异构体的超螺旋的方向和多少2．拓扑连环数可定量和定性地描述DNA拓扑同分异构体Lk＝Tw+WrLk为拓扑连环数(linkingnumber)，即闭合环状DNA双链的互绕数(interwindingnumber)；Tw为DNA某种构象双螺旋应有的双螺旋周数或扭曲数(twistingnumber)，此值只与DNA的碱基对数及构象有关，B型DNA的Tw值等于碱基对数除以10；Wr为超螺旋数或缠绕数(writhingnumber)。对B型DNA来说，Tw和Wr的正负表示螺旋的方向，右手螺旋为正，左手螺旋为负。3．拓扑异构酶（Topoisomerase）催化DNA连环数的改变概念：能够引起拓扑异构反应的酶。作用：对DNA分子的作用是既能切开又能连接磷酸二酯键，使DNA不至于打结，适当时候又把切口封闭，使DNA的拓扑异构体发生改变。

类型：大肠杆菌至少有2型4种拓扑异构酶。Ⅰ型拓扑异构酶包括拓扑异构酶Ⅰ和拓扑异构酶Ⅲ，其功能是去除负超螺旋而松弛DNA；Ⅱ型拓扑异构酶包括拓扑异构酶Ⅱ和拓扑异构酶Ⅳ，其功能是引入负超螺旋。真核生物细胞同样有I型拓扑异构酶和II型拓扑异构酶。I型拓扑异构酶，包括拓扑异构酶I和III；II型拓扑异构酶，包括拓扑异构酶IIα和IIβ。与原核生物的拓扑异构酶不同，真核生物的拓扑异构酶I能消除负超螺旋也能消除正超螺旋，拓扑异构酶III只消除负螺旋，但活性较低。三、真核生物DNA与组蛋白组成高度有序的染色体（一）核小体(nucleosome)是染色质的基本组成单位，由DNA和蛋白质构成。1．双链DNA缠绕在组蛋白核心上构成核小体DNA：约200bp组蛋白：H1、H2A、H2B、H3、H4

核小体的结构示意图a组蛋白八聚体核心b核小体c直径30nm纤维的剖面图显示H1的位置d核小体组成串珠样的染色质acbd2．组蛋白是小分子量的碱性蛋白质组蛋白分子质量在11kD到21kD之间，组蛋白中富含精氨酸和赖氨酸。各种真核细胞都有5种组蛋白，但分子质量和氨基酸的顺序有些差异。在所有真核生物中H3，H4组蛋白氨基酸序列高度保守，提示功能是相同的。但是各种生物的H1、H2A、H2B的相似性很少。（二）核小体进一步组装成染色质/染色体1．核小体组成30nm纤维

2．螺线管进一步折叠、包装为染色质和染色体

端粒着丝粒端粒端粒和着丝粒的结构示意图基因，分散的重复序列和多重复制起点（三）真核生物染色体有端粒和着丝粒两个功能区端粒酶

端粒酶RNA

模板DNA结合蛋白TRF1和TRF2端粒结构a端粒末端DNA序列和端粒酶及端粒酶中的RNA序列b端粒末端结构示意图1．端粒是染色体末端的结构图a图b2．着丝粒是连接两个染色单体的中心部位着丝粒（centromere）在有丝分裂时，使染色体均等有序地进入子代细胞。着丝粒是一段DNA序列，富含A＝T碱基对。酵母着丝粒长130bp，序列简单，而高等真核生物细胞的着丝粒很长，含有上千个串联的短序列拷贝，短序列的方向是相同的。着丝粒中的重复DNA序列在不同的物种间变化很大，说明这些序列的进化速率很快。着丝粒中这种比较简单的DNA的确切功能依然不清楚。四、DNA是遗传的物质基础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。（一）肺炎球菌转化证明DNA传递遗传信息

（二）细胞中全部遗传信息称为基因组基因组（genome）就是一个细胞或病毒的全部遗传信息。绝大多数生物个体的基因组是DNA，但有些病毒的基因组是RNA。（三）常染色质与异染色质的DNA活性不同常染色质（euchromatin），相对比较伸展，是基因表达活跃区域。对DNase敏感。异染色质（heterochromatin），折叠压缩程度较高，是转录不活跃的区段，占染色质的10%，如着丝粒、端粒等。第三节

RNA的结构与功能

RNA

StructureandFunction一、动物细胞内有4大类RNA动物细胞内主要的RNA种类及功能细胞核和胞液线粒体功能核蛋白体RNArRNAmtRNA核蛋白体组成成分(不均一核RNA)hnRNA成熟mRNA的前体信使RNAmRNAmtRNA蛋白质合成模板转运RNAtRNAmtRNA转运氨基酸细胞内小RNA核内小RNAsnRNA参与hnRNA的剪接、转运核仁小RNAsnoRNArRNA的加工和修饰胞质小RNAscRNA蛋白质内质网定位合成信号等二、信使RNA具有共同的基本结构框架和编码功能hnRNA内含子(intron)mRNA*mRNA成熟过程

外显子(exon)目录（一）5-端具有共同的帽结构大多数真核mRNA的5末端均在转录后加上一个7-甲基鸟苷，同时第一个核苷酸的C2也是甲基化，形成帽子结构：m7GpppNm-。mRNA的帽结构可以与一类称为帽结合蛋白（capbindingproteins,CBPs）的分子结合。这种mRNA和CBPs复合物对于mRNA从细胞核向细胞质的转运、与核蛋白体的结合、与翻译起始因子的结合以及mRNA稳定性的维持等均有重要作用。帽子结构真核mRNA的5-末端7-甲基鸟嘌呤核苷帽状结构及核糖甲基化

真核mRNA的5-末端7-甲基鸟嘌呤核苷帽状结构及核糖甲基化（二）3-末端具有多聚A尾结构

大多数真核mRNA的3末端有一个多聚腺苷酸[poly(A)]结构，称为多聚A尾。Poly(A)在细胞内与Poly(A)结合蛋白[Poly(A)bindingprotein,PABP)相结合而存在，每10～20个碱基结合一个PABP单体。所以，真核细胞的mRNA的3-端实际上是一个Poly(A)和蛋白质多聚体形成的复合物。

mRNA核内向胞质的转移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（三）信使RNA中间序列编码多肽链mRNA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。mRNA分子从5-末端的AUG开始，每3个核苷酸为一组，决定肽链上一个氨基酸，称为三联体密码(tripletcode)或密码子(codon)。由AUG及其后的连续三联体密码(无终止信号)组成的核苷酸序列称为开放阅读框(openreadingframe，ORF)，是多肽链的编码序列。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（一）

tRNA分子含有较多稀有碱基含10%~20%稀有碱基，如DHU3末端为—CCA-OH5末端大多数为G具有TC三、转运RNA具有特征性的分子结构N,N二甲基鸟嘌呤N6-异戊烯腺嘌呤双氢尿嘧啶4-巯尿嘧啶稀有碱基tRNA中常见的稀有碱基1.DHU环2.反密码环3.额外环4.TΨC环5.氨基酸臂氨基酸臂额外环（二）tRNA的二级结构形似三叶草

氨基酸臂TψＣ环额外环三联密码子Ｕ环

酵母丙氨酸tRNA二级结构（三）tRNA的三级结构是倒L型*tRNA的功能活化、搬运氨基酸到核糖体，参与蛋白质的翻译。

ＴψＣ环氨基酸臂DHU环反密码环反密码子tRNA三级结构及氢键的位置*rRNA的结构四、核糖体RNA的结构更复杂*rRNA的种类（根据沉降系数）真核生物5SrRNA28SrRNA5.8SrRNA18SrRNA原核生物5SrRNA23SrRNA16SrRNA（一）原核生物的有3种rRNA，真核生物有4种rRNA（二）原核生物和真核生物的核糖体均由容易解聚的大、小两个亚基组成。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%rRNA与核糖体蛋白质共同构成核糖体，是蛋白质生物合成的场所：为肽链合成所需要的mRNA、tRNA、多种蛋白因子提供了相互结合的位点和相互作用的空间环境。（三）核糖体是蛋白质合成的场所五、细胞内尚有大量其他小分子RNA除了上述三种RNA外，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)。

snmRNAssnmRNAs的种类核内小RNA核仁小RNA胞质小RNA催化性小RNA小片段干涉RNA

（一）细胞核内小RNA参与mRNA前体的剪接过程snRNA长度（nt）剪接hnRNA的靶位点U1U2U4U5

U6U7165189

5-端内含子腺苷酸分支点5端，补充分支点转酯化反应，3剪接点，使外显子连接转酯化反应组蛋白H3前体的mRNA3末端裂解（二）催化性RNA也参与特殊RNA剪接

一些小RNA分子具有催化特定RNA降解的活性，在RNA合成后的剪接中具有重要作用。这种具有催化作用的小RNA亦被称为核酶(ribozyme)或催化性RNA(catalyticRNA)。（三）核仁小RNA参与rRNA中核苷酸残基的修饰（四）小干扰RNA参与转录后调控RNA组学研究细胞中snmRNAs的种类、结构和功能。同一生物体内不同种类的细胞、同一细胞在不同时间、不同状态下snmRNAs的表达具有时间和空间特异性。RNA组学第四节核酸的理化性质Physical-chemicalCharactersofNucleicAcids目录核酸的酸碱及溶解度性质核酸为多元酸，具有较强的酸性。可与金属离子成盐，不溶于乙醇或异丙醇一、核酸可被酸、碱水解目录核酸中的糖苷键和磷酸酯键都能被酸、碱和酶水解。

二、核酸是两性化合物（一）碱基可发生互变异构

（二）碱基在体液环境中以碱性解离为主

（三）核酸分子是酸性化合物三、核酸溶液有高分子性质粘度：DNA〉RNAdsDNA〉ssDNA沉降系数：溶液中的核酸在离心力场中可下沉。DNA分子经反复盘曲形成超螺旋后，其沉降系数增加，超螺旋松解后其沉降系数减小。四、核酸有紫外线吸收的特性核酸的紫外吸收（OD260）

单核苷酸〉ssDNA（或RNA）〉dsDNA1.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=2.0OD260的应用五、核酸具有变性、复性和杂交行为定义：在某些理化因素作用下，DNA双链解开成两条单链的过程。方法：过量酸，碱，加热，变性试剂如尿素、酰胺以及某些有机溶剂如乙醇、丙酮等。变性后其它理化性质变化：OD260增高 粘度下降比旋度下降 浮力密度升高酸碱滴定曲线改变 生物活性丧失（一）核酸变性时空间构象破坏DNA变性的本质是双链间氢键的断裂例：变性引起紫外吸收值的改变DNA的紫外吸收光谱增色效应：DNA变性时其溶液OD260增高的现象。热变性解链曲线：如果在连续加热DNA的过程中以温度对A260(absorbance,A,A260代表溶液在260nm处的吸光率)值作图，所得的曲线称为解链曲线。Tm：变性是在一个相当窄的温度范围内完成，在这一范围内，紫外光吸收值达到最大值的50%时的温度称为DNA的解链温度，又称融解温度(meltingtemperature,Tm)。影响因素：1．DNA均一性决定熔解温度范围大小；2．G-C碱基对含量决定熔解温度高低；3．介质中的离子强度影响变性。（二）Tm值是DNA变性的重要参数（三）变性的核酸可以复性与分子杂交

DNA复性(renaturation)的定义在适当条件下，变性DNA的两条互补链可恢复天然的双螺旋构象，这一现象称为复性。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)

。1．变性的核酸可复性

2.具有同源序列的核酸分子可相互杂交在DNA变性后的复性过程中，如果将不同种类的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（温度及离子强度）下，就可以在不同的分子间形成杂化双链（heteroduplex）。这