生物化学之核酸的结构与功能专家讲座

第四章核酸结构与功效

第一节核酸化学组成

第二节核苷酸结构第三节核酸一级结构

第四节DNA结构与功效

第五节RNA空间结构与功效

第六节核酸理化性质及应用

第七节核酸酶生物化学之核酸的结构与功能专家讲座第1页核酸研究历史：

1868年，瑞士外科医生FridrichMiescher从脓细胞核中分离到核酸样物质。

1944年，OswaldAvery经过肺炎双球菌转化试验证实了DNA是遗传物质基础。

核酸分为DNA和RNA。DNA存在于细胞核和线粒体内，RNA存在于细胞质和细胞核内。生物化学之核酸的结构与功能专家讲座第2页生物化学之核酸的结构与功能专家讲座第3页第一节核酸化学组成核酸是一个线形多聚核苷酸。核酸在核酸酶作用下水解为核苷酸，所以核酸基本单位是：核苷酸。核苷酸由碱基、戊糖和磷酸组成。核苷酸磷酸核苷碱基戊糖核酸核糖脱氧核糖嘌呤嘧啶生物化学之核酸的结构与功能专家讲座第4页碱基+戊糖 核苷+磷酸核苷酸 poly

聚合核酸(核苷酸之间经过3

,5-磷酸二脂键连接)生物化学之核酸的结构与功能专家讲座第5页按戊糖不一样，可分：1、脱氧核糖核酸（DNA）：分布于细胞核中，为染色体主要成份。D-2-脱氧核糖；磷酸；碱基（腺嘌呤，鸟嘌呤，胞嘧啶，胸腺嘧啶）2、核糖核酸：（RNA）：分布于细胞质和核仁中。D-核糖；磷酸；碱基（腺嘌呤，鸟嘌呤，胞嘧啶，尿嘧啶）生物化学之核酸的结构与功能专家讲座第6页戊糖核糖脱氧核糖生物化学之核酸的结构与功能专家讲座第7页核酸主要性1、DNA是遗传物质，是遗传信息载体：DNA→RNA→多肽中氨基酸组成和次序（中心法则）2、DNA以本身半保留复制方式把遗传信息一代一代传递下去；3、核酸研究在医学、农学等生命科学中发挥主要作用；4、基因工程进行DNA重组，将创造出自然界原来没有新品种。生物化学之核酸的结构与功能专家讲座第8页第二节核苷酸结构一、碱基1、嘧啶碱：在嘧啶2位碳原子上由酮基取代H，4位碳原子上有氨基或酮基取代H嘧啶(pyrimidine)胞嘧啶（2-氧，4-氨基嘧啶）Cytosine(C)尿嘧啶(2，4-二氧嘧啶)Uracil(U)胸腺嘧啶（5-甲基尿嘧啶）Thymine(T)生物化学之核酸的结构与功能专家讲座第9页另外还有：5-甲基胞嘧啶，5-羟甲基胞嘧啶，5,6-双氢尿嘧啶，假尿嘧啶。Ψ假尿嘧啶核苷DHU:双氢尿嘧啶生物化学之核酸的结构与功能专家讲座第10页2、嘌呤碱：在嘌呤2位或6位碳原子上H被氨基或酮基取代

另外还有：N6-甲基腺嘌呤，7-甲基鸟嘌呤等（p.479，表13-2）。嘌呤(purine)腺嘌呤(6-氨基嘌呤)Adenine(A)鸟嘌呤(2-氨基6-氧嘌呤)Guanine(G)生物化学之核酸的结构与功能专家讲座第11页7-甲基鸟嘌呤mG：甲基鸟嘌呤核苷生物化学之核酸的结构与功能专家讲座第12页

在DNA和RNA中都有腺嘌呤（A）、鸟嘌呤（G）和胞嘧啶（C）。胸腺嘧啶（T）只出现在DNA分子中，尿嘧啶（U）则只出现于RNA分子中。

嘌呤嘧啶核糖磷酸DNAA，GC，T脱氧核糖磷酸RNAA，GC，U核糖磷酸两类核酸分子组成比较

嘌呤、嘧啶环上因为有共轭双键，在260nm波长附近对紫外光有较强吸收。生物化学之核酸的结构与功能专家讲座第13页二、核苷由核糖和碱基之间以糖苷键（C-N糖苷键）缩合而成。连接方式是嘌呤环上N-9或嘧啶环上N-1与糖C-1’以糖苷键相连。

β-构型（1位羟基在环上面）。

核糖核苷：腺嘌呤核苷、鸟嘌呤核苷、胞嘧啶核苷、尿嘧啶核苷（p.480，表13-3）脱氧核糖核苷：腺嘌呤脱氧核苷、鸟嘌呤脱氧核苷、胞嘧啶脱氧核苷、胸腺嘧啶脱氧核苷（假尿嘧啶核苷：核糖与尿嘧啶第5位碳原子形成C-C糖苷键）腺嘌呤核苷（腺苷）核苷=核糖+碱基生物化学之核酸的结构与功能专家讲座第14页胞嘧啶脱氧核苷（脱氧胞苷）生物化学之核酸的结构与功能专家讲座第15页三、核苷酸

核苷中戊糖羟基（主要是5位上）被磷酸酯化，形成核苷酸（p.481，表3-4）。核糖核苷酸：腺嘌呤核苷酸（AMP）、鸟嘌呤核苷酸（GMP）、胞嘧啶核苷酸（CMP）、尿嘧啶核苷酸（UMP）脱氧核糖核苷酸：腺嘌呤脱氧核苷酸（dAMP）、鸟嘌呤脱氧核苷酸（dGMP）、胞嘧啶脱氧核苷酸（dCMP）、胸腺嘧啶脱氧核苷酸（dTMP）核糖核苷酸在2、3、5位上都有一个自由羟基，能各自被磷酸酯化；脱氧核糖核苷酸在2位上没有羟基，故只有3、5能被磷酸酯化。生物化学之核酸的结构与功能专家讲座第16页四、多磷酸核苷酸核苷与一个磷酸产生磷酸酯化核苷酸，称为核苷单磷酸（NMP）；核苷单磷酸深入磷酸化，形成核苷二磷酸（NDP）和核苷三磷酸（NTP）。

磷酸之间焦磷酸键含有很高能量，称为高能键（~），是生物体内能量利用和贮存主要物质（1卡/每克分子高能键）。核苷二磷酸：ADP、GDP、CDP、UDP

核苷三磷酸：ATP、GTP、CTP、UTP

脱氧核苷二磷酸：dADP、dGDP、dCDP、dTDP

脱氧核苷三磷酸：dATP、dGTP、dCTP、dTTP生物化学之核酸的结构与功能专家讲座第17页核苷酸=核苷+磷酸

磷酸基团位于核糖第五位碳原子C-5’上。

NMP（nucleosidemonophosphate)

NDP(nucleosidediphosphate)

NTP(nucleosidetriphosphate)生物化学之核酸的结构与功能专家讲座第18页生物化学之核酸的结构与功能专家讲座第19页五、环化核苷酸类（3,5’-环状腺苷酸，cAMP）由腺苷酸上磷酸与核糖3’，5’碳原子形成双脂环化而成，其中3’位磷酸酯键为高能键：

由腺苷酸环化酶催化ATP脱去一分子焦磷酸而环化成cAMP；它又可被专一性磷酸二酯酶水解成5’-AMP。生物化学之核酸的结构与功能专家讲座第20页六、核苷酸性质

1、紫外吸收：嘌呤碱和嘧啶碱含有共轭双键，所以使得碱基、核苷和核苷酸在240~290nm紫外波段有强烈吸收峰，最大吸收值在260nm附近。

2、互变异构作用：凡含有酮基嘧啶或嘌呤碱，在溶液中可发生酮式和烯醇式互变异构现象：

在生物细胞内普通是以酮式存在（这对核酸中氢键结构形成十分主要）。酮式烯醇式胞嘧啶（2-氧，4-氨基嘧啶）Cytosine(C)生物化学之核酸的结构与功能专家讲座第21页生物化学之核酸的结构与功能专家讲座第22页第三节核酸一级结构

一级结构指其核苷酸排列次序。因为核苷酸间差异主要是碱基不一样，也称碱基序列。

DNA：四种脱氧核苷酸按一定次序以磷酸二酯键相连形成聚脱氧核苷酸链（polydeoxynucleotides）。

DNA书写次序是5‘——3’。生物化学之核酸的结构与功能专家讲座第23页DNA一级结构生物化学之核酸的结构与功能专家讲座第24页5’末端磷酸基团3‘，5’-磷酸二酯键3‘末端羟基生物化学之核酸的结构与功能专家讲座第25页生物化学之核酸的结构与功能专家讲座第26页生物化学之核酸的结构与功能专家讲座第27页第四节DNA结构与功效一、DNA二级结构研究史

二十世纪二十年代，Levene研究了核酸化学结构并提出了四核苷酸假说。他认为DNA分子是由A、G、C、T4种核苷酸不停重复延伸而成。

二十世纪五十年代初，Chargaff采取层析和紫外吸收分析等技术研究了DNA分子碱基组成，发觉不一样物种DNA碱基组成不一样，并总有[A]=[T]；[C]=[G]。

1953年，Watson和Crick以Chargaff发觉为基础，进行DNA晶体X-射线衍射图谱研究，提出了DNA双螺旋结构。1962年，Watson（美）和Crick（英）与Wilkins共享Nobel生理医学奖，Wilkins经过对DNA分子X-射线衍射研究证实了Watson和CrickDNA模型。生物化学之核酸的结构与功能专家讲座第28页生物化学之核酸的结构与功能专家讲座第29页DNA二级结构(双螺旋)

1953年，Watson和Crick提出DNA双螺旋结构生物化学之核酸的结构与功能专家讲座第30页二、DNA双螺旋结构关键点1、Watson-Crick模型模型特征：双螺旋：两条反向平行多核苷酸链围绕同一中心轴相互缠绕，而且均为右手螺旋；双螺旋结构上有二条螺形凹沟：一条较深，称大沟；一条较浅，称小沟。基团位置：碱基位于双螺旋内侧，且其平面与纵轴垂直；磷酸与核糖位于双螺旋外侧，彼此经过3’,5’-磷酸二酯键相连，形成DNA分子骨架，且糖环平面与纵轴平行。基团走向：多核苷酸链方向取决于磷酸二酯键走向，习惯上以C’3→C’5为正向。尺度：双螺旋平均直径为2nm。两个相邻碱基之间相距高度（碱基堆积距离）为0.34nm，两个核苷酸之间夹角为36o。所以，沿中心轴每旋转一周有10个核苷酸，每一转高度（螺距）为3.4nm。碱基在一条链上排列次序不受任何限制，但依据碱基配对标准，当一条链序列确定后，可决定另一条互补链序列。生物化学之核酸的结构与功能专家讲座第31页生物化学之核酸的结构与功能专家讲座第32页生物化学之核酸的结构与功能专家讲座第33页

氢键：两条核苷酸链依靠彼此碱基之间氢键相连而结合在一起：

A与T相配对，形成两个氢键：A（N6）--T（O4）

A（N1）--T（N3）

G与C相配对，形成三个氢键：G（N2）--C（O2）

G（N1）--C（N3）

G（O6）--C（N4）上述碱基之间配对标准，称之为碱基互补。T==AC≡≡G生物化学之核酸的结构与功能专家讲座第34页生物化学之核酸的结构与功能专家讲座第35页2、Dickerson十二聚体（人工合成）补充：（1）两个核苷酸之间夹角并非都是36，可由28至42不等，实际平均每一螺周含10.4个碱基对；（2）组成碱基正确两个核苷酸分布并非在同一平面上，而是碱基对沿长轴旋转一定角度，从而使碱基正确形状像螺旋桨叶片样子，故称为螺旋桨状扭曲。这可提升碱基堆积力，使DNA结构更稳定；（3）维持DNA二级结构作用力：氢键、碱基堆积力。后者为维持二级结构主要作用力。生物化学之核酸的结构与功能专家讲座第36页三、DNA结构多样性DNA右手螺旋并不是自然界DNA唯一存在方式。右手螺旋结构是在生理盐水溶液中提取DNA结构，当前将这种结构称为B-DNA。1979年，AlexanderRich发觉了左手螺旋，称为Z-DNA，另外也有A-DNA存在。生物化学之核酸的结构与功能专家讲座第37页1、C-3’内式和C-2’内式是指呋喃核糖信封式构象中C3还是C2指向C5，见p14图1-13；2、糖苷键构象：嘌呤六元环或嘧啶O2指向。远离糖为反式，指向糖为顺式。生物化学之核酸的结构与功能专家讲座第38页嘌呤六元环顺式嘧啶O2环顺式生物化学之核酸的结构与功能专家讲座第39页四、DNA三级结构DNA三级结构指DNA双螺旋经过扭曲和折叠所形成特定构象，包含不一样二级结构单元间相互作用、单链与二级结构单元间相互作用以及DNA拓扑特征。超螺旋是DNA三级机构一个形式。环形DNA：大部分原核生物DNA是共价封闭环状双螺旋。包含：一些病毒、噬菌体、细菌质粒、真核生物线粒体和叶绿体、细菌染色体DNA。线形DNA两端有粘末端，也可借助DNA连接酶将互补粘末端连接成环形DNA。生物化学之核酸的结构与功能专家讲座第40页超螺旋结构1、超螺旋形成原因：当DNA双螺旋分子以一定构象自由存在时，是处于能量最低状态，为松弛型；假如额外多转或少转几圈，就会使双螺旋中存在张力。当双螺旋分子末端是开放，这种张力能够经过链转动而释放出来，DNA将恢复正常双螺旋状态；但假如DNA分子两端是固定，或者是环状分子，这种额外张力就不能释放掉，DNA分子本身就会发生扭曲，用以抵消张力。这种扭曲称为超螺旋（双螺旋螺旋）。生物化学之核酸的结构与功能专家讲座第41页2、拓扑学特征：（1）连环数：在双螺旋中，一条链以右手螺旋绕另一条链缠绕次数，以L表示；（2）扭曲数：DNA分子中Watson-Crick螺旋数目（螺周数），以T表示；（3）超螺旋数：双螺旋链再扭曲成螺旋周数，以W表示。三者关系：L=T+WL值必须是整数。生物化学之核酸的结构与功能专家讲座第42页3、负超螺旋：设一段260bp，螺周数为25DNA。1）当将此线形DNA连接成环形时，此环形DNA称为松弛型DNA：

L=25T=25W=02）当将此线形DNA螺旋先拧松两周（其它周内螺旋不解链），再连接成环形时，可形成两种环形DNA：（1）解链环形DNA：L=23T=23W=0（含有一个解链后形成突环）（2）超螺旋DNA：L=23T=25W=-2（为负超螺旋）生物化学之核酸的结构与功能专家讲座第43页真核生物：DNA和蛋白质组装成染色体，染色体基本单位是核小体。核小体由DNA和组蛋白组成。组蛋白有H1，H2A，H2B，H3和H4。

H2A，H2B，H3和H4各两分子组成核小体关键，称为组蛋白八聚体。DNA双螺旋分子缠绕在八聚体上组成核小体关键颗粒。核小体关键颗粒之间再由DNA和组蛋白H1组成连接区连接起来形成串珠状结构。核小体深入旋转折叠形成棒状染色体，快要1m长DNA分子容纳于直径只有数微米细胞核中。核小体结构模式图生物化学之核酸的结构与功能专家讲座第44页真核染色不一样层次结构模型生物化学之核酸的结构与功能专家讲座第45页DNA功效

DNA基本功效：用为生物遗传信息复制模板和基因转录模板，它是遗传繁殖物质基础。

基因组（genome）：一个生物体全部基因序列。最简单生物如SV40病毒基因组仅含有5100碱基对（basepairbp），大肠杆菌基因组大小为5700千碱基对（kbp），人基因组则由大约3.0×109个bp组成。生物化学之核酸的结构与功能专家讲座第46页第五节RNA空间结构与功效一、结构特点

1、碱基组成：AMP、GMP、CMP、UMP，还有一些稀有碱基；

2、戊糖是核糖；

3、天然RNA是单链线形分子，只有局部区域为链内双螺旋（单链分子本身回折使得互补碱基配对而形成，不配正确区域形成突环）。生物化学之核酸的结构与功能专家讲座第47页核糖核酸(RNA)分为信使RNA(mRNA) 转运RNA(tRNA) 核糖体RNA(rRNA)生物化学之核酸的结构与功能专家讲座第48页二、类型1、信使RNA结构与功效信使RNA（messengerRNA，mRNA）不均一核RNA（heterogeneounuclearRNA，hnRNA）：在细胞核内合成mRNA初级产物，经过剪接成为成熟mRNA并移到细胞质。真核生物成熟mRNA结构特点：（1）5‘端帽子结构（capsequence)：m’GpppNm.

帽子结构能促进核糖体与mRNA结合，加速翻译起始速度,同时能够增强mRNA稳定性。（2）3’末端多聚A尾巴。可能与mRNA从核内向胞质转位及mRNA稳定相关。

mRNA功效是把核内DNA碱基次序按照碱基互补标准，抄录并转送至胞质，指导蛋白质合成。生物化学之核酸的结构与功能专家讲座第49页生物化学之核酸的结构与功能专家讲座第50页2、转运RNA结构与功效

转运RNA（transferRNA，tRNA）是细胞内分子量最小一类核酸，其功效是在细胞蛋白质合成过程中作为各种氨基酸载体。tRNA特点：1、tRNA分子中含有10~20%稀有碱基，包含双氢尿嘧啶（DHU）、假尿嘧啶（Ψ）和甲基化嘌呤（mG，mA）。mG：甲基鸟嘌呤核苷I：次黄嘌呤核苷生物化学之核酸的结构与功能专家讲座第51页Ψ假尿嘧啶核苷DHU:双氢尿嘧啶生物化学之核酸的结构与功能专家讲座第52页2、tRNA中存在一些能局部互补配正确区域，能形成局部双链，进而形成一个茎-环状或发夹结构，因为茎环结构存在，使tRNA形成了三叶草形二级结构。3、tRNA共同三级结构：倒L型。生物化学之核酸的结构与功能专家讲座第53页生物化学之核酸的结构与功能专家讲座第54页

结构：（1）氨基酸臂：由7对碱基组成，3’末端为-CCA，接收活化氨基酸；（2）二氢尿嘧啶环：由8-12个碱基组成，含有两个二氢尿嘧啶；（3）反密码子环：由7个碱基组成，环中部有3个碱基组成反密码子，将由此与mRNA上密码子配对；（4）额外环：由3-18个碱基组成，大小不一样，为tRNA分类依据之一；（5）TψC环：由7个碱基组成，含有假尿嘧啶。（ψ，psai）生物化学之核酸的结构与功能专家讲座第55页3、核糖体RNA结构与功效核糖体RNA（ribosomalRNA，rRNA），是细胞内含量最多RNA，约占RNA总量80%以上。rRNA与核糖体蛋白共同组成核糖体（ribosome）。传统认为rRNA是组成核糖体骨架，催化蛋白质肽键形成是核糖体蛋白质（大亚基）上肽基转移酶催化。现在认为核糖体催化肽键形成是rRNA，蛋白质只是维持rRNA构象，起辅助作用。大肠杆菌核糖体中有：5SrRNA，16SrRNA，23SrRNA

动物细胞核糖体中有：5SrRNA，5.8SrRNA，18SrRNA，

28SrRNA。小亚基大亚基生物化学之核酸的结构与功能专家讲座第56页生物化学之核酸的结构与功能专家讲座第57页核糖体组成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)5.85S(160个核苷酸)5S(120个核苷酸)蛋白质31种(占总重量30%)49种(占总重量35%)生物化学之核酸的结构与功能专家讲座第58页4、其它小分子RNA功效核糖体RNArRNA核糖体组成成份信使RNAmRNA蛋白质合成模板转运RNAtRNA转运氨基酸不均一核RNAHnRNA成熟mRNA前体小核RNASnRNA参加HnRNA剪接转运小核仁RNASnoRNArRNA加工和修饰小胞质RNAScRNA蛋白质内质网定位合成信号识别体组成成份生物化学之核酸的结构与功能专家讲座第59页五、核酶

一些RNA分子本身含有自我催化能力，能够完成rRNA剪接。这种有催化作用RNA被称为核酶（Ribozyme）。1989年，美国科学家Altman和Cech因为发觉核酶而获Nobel化学奖。

是对传统观念一个挑战。

在医学上有特殊用途。生物化学之核酸的结构与功能专家讲座第60页第六节核酸理化性质及应用一、核酸普通理化性质多元酸，较强酸性。现有磷酸基，又有碱性基，故为两性电解质，在一定pH条件下，可解离而带电荷，所以都有一定等电点（p.504-506）。DNA为线性高分子极性化合物，粘度极大，而RNA分子远小于DNA，粘度也小得多。溶于水，不溶于有机溶剂。生物化学之核酸的结构与功能专家讲座第61页

因为碱基成份紫外吸收特征，DNA和RNA溶液均含有260nm紫外吸收峰。可经过测定紫外吸收值来分析核酸含量。可经过测定核酸溶液中磷含量W和紫外吸收值，再求出摩尔磷吸光系数ε(P)来表示溶液中核酸变性是否：

ε(P)=30.98A/WL

（A=光密度，L=比色杯直径，W=每升中磷重量（克）单链多核苷酸ε(P)>双螺旋多核苷酸ε(P)：增色效应：当核酸变性时，(P)值升高现象减色效应：当核酸复性后，(P)值又降低现象双螺旋结构使碱基正确电子云发生重合而降低对紫外光吸收。二、核酸紫外吸收特征生物化学之核酸的结构与功能专家讲座第62页三、DNA变性

DNA变性：在一些理化原因作用下，DNA分子互补碱基对之间氢键断裂，使DNA双螺旋结构涣散，变成单链。监测指标为A260改变。

惯用变性方法为加热。

增色效应（hyperchromiceffect）：DNA解链过程中，其A260增加，并与解链程度有一定关系。

解链曲线：在连续加热过程中以温度对A260关系作图。

解链温度：DNA变性从开始到完全解链是在一个相当窄范围内完成。在这一范围内A260到达最大值50%时温度称为解链温度，又称为融解温度（meltingtemperature，Tm）。

Tm大小与其所含碱基中G+C百分比相关，G+C百分比越高，Tm值越高。生物化学之核酸的结构与功能专家讲座第63页生物化学之核酸的结构与功能专家讲座第64页四、DNA复性与分子杂交

复性；变性DNA在适当条件下，两条互补链可重新恢复天然双螺旋构象，称为复性。热变性DNA经迟缓冷却后即可复性，也称为退火（annealing）。

DNA复性速度受温度影响。复性时温度迟缓下降才可使其重新配对复性。如加热后将其快速冷却至4℃以下，则不可能发生复性。比Tm低25℃为DNA复性最正确条件。生物化学之核酸的结构与功能专家讲座第65页

核酸分子杂交(hybridization):加热双链DNA单链DNA杂交杂化双链在DNA复性过程中，双链分子再形成既能够发生在序列完全互补核酸分子之间,也能够发生在碱基序列部分互补不一样DNA之间或DNA与RNA之间，这种现象称为分子杂交。生物化学之核酸的结构与功能专家讲座第66页四、沉降特征在超离心机强大引力场中，不一样构象核酸沉降速度差异很大：

RNA>闭环形质粒DNA>开环形及线形DNA>蛋白质离心后，用注射针头从离心