第三章 核酸的结构与功能分子生物学

第3章核酸的结构与功能（Chapter3TheStructreandFunctionofNucleicAcids）

河南科技大学农学院施江第3章核酸的结构与功能3.1

细胞内的遗传物质3.2核酸的化学组成与共价结构3.3DNA的二级结构（双螺旋模型）3.4DNA分子的高级结构3.5真核生物的染色体及其组装3.6RNA的结构与功能3.7核酸的变性、复性与分子杂交3.1细胞内的遗传物质3.1.1DNA是主要的遗传物质

1869年，瑞士的内科医生FriedrichMiescher从外科医院包扎伤口的绷带上的脓细胞核中提取到一种富含磷元素的酸性化合物，将其称为核质(nuclein)；后来他又从鲭鱼精子中分离出类似的物质，并指出它是由一种碱性蛋白质与一种酸性物质组成的，此酸性物质即是现在所知的核酸(nucleicacid)。1885—1900年间，Kossel、Johnew、Levene证实核酸由不同的碱基组成。其最简单的单体结构是碱基-核糖-磷酸构成的核苷酸。1929年又确定了核酸有两种，一种是脱氧核糖核酸(DNA)，另一种是核糖核酸(RNA)。1928年英国科学家Griffith进行了著名的肺炎双球菌转化实验。但转化源（transformingprinciple）的化学本质仍是一个谜。分离出活的S型细菌16年之后首先用实验证明基因就是DNA分子的是美国著名的微生物学家Avery（1944）。9年之后1952年D.Hershery和M.Chase再次用T2噬菌体标记实验证实了DNA是遗传物质的本质。20世纪50年代Watson和Crick发现了DNA分子的双螺旋结构，最终确立DNA是遗传信息的载体。作为遗传物质的DNA具有以下特性:

①

储存并表达遗传信息；②

能把遗传信息传递给子代；③

物理和化学性质稳定；④

有遗传变异的能力。3.1.2RNA也是遗传物质1956年美国的两位科学家A.Gierer和G.Schraman发现烟草花叶病毒（tobaccomosaicvirus,TMV），其遗传物质是RNA。1957年美国的HeinzFraenkel-Conrat和B.Singre用重建实验证实了这一结论。

一些病毒采用RNA作为遗传物质。

类病毒只由RNA组成。类病毒，无壳病毒：一种病毒样感染颗粒，含单链、共价闭环RNA，无蛋白质外壳。类病毒结构上与一些内含子近似，可能代表逃逸的内含子。3.2核酸的化学组成与共价结构

3.2.1核酸的化学组成

核酸（nucleicacid，多核苷酸）

↓

核苷酸（nucleotide，单核苷酸）┌─────┴─────┐

↓

↓

磷酸（phosphate）

核苷（nucleoside）

┌─────┴─────┐

↓

↓

戊糖（amylsugar）含氮碱基（base）1.碱基(base)2.核苷（nucleosides）

戊糖与嘧啶或嘌呤碱以糖苷键连接就称为核苷。1’2’3’4’5’(OH)1’2’3’4’5’(OH)嘧啶的1位N原子、嘌呤的9位N原子与戊糖Ｃ－1所连的羟基形成糖苷键。3.核苷酸（nucleotideacid）脱氧核糖碱基磷酸AGCT3.2.2核酸的共价结构1.DNA的一级结构与功能

DNA的一级结构是指DNA分子中核苷酸的排列顺序，简称为DNA顺序（或序列）。由于核苷酸之间的差异仅仅是碱基的不同，故可称为碱基顺序。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2.RNA的一级结构与功能

RNA分子中核苷酸的排列顺序叫做RNA的一级结构。OHOHOH5´3´

RNA与DNA的差异DNARNA糖脱氧核糖核糖碱基AGCTAGCU不含稀有碱基含稀有碱基3.3DNA的二级结构(双螺旋模型)Watson&Crick建立双螺旋模型主要是受到4个方面的影响：1、DNA的X射线衍射分析结果；2、蛋白质的α螺旋模型；3、氢键理论；4、1950[英]Chargaff规则（当量定律）。3.3.1双螺旋模型（doublehelixmodel）特征

(1)

DNA分子由两条反向平行的多核苷酸链组成，形成右手双螺旋。(2)两条链反向平行，即两条链的方向相反。5´3´5´3´磷酸核糖碱基(3)糖一磷酸键是在双螺旋的外侧，碱基对与轴线垂直。(4)糖与附着在糖上的碱基近于垂直。(5)碱基配对时，必须一个是嘌呤，另一个是嘧啶。(6)DNA双螺旋有大沟（majororwidegroove）和小沟（minorornarrowgroove）的存在。T-A碱基对C-G碱基对

（1）碱基对之间的氢键

（2）碱基堆集力它包括：①疏水作用②范德华力

（3）磷酸基的负电荷斥力3.3.2维持DNA双螺旋的作用力3.3.3DNA二级结构的其他形式(双螺旋结构的多态性)

在双螺旋的总体特征之下，能产生各种二级结构的变化，这称为DNA二级结构的多样性或多态性(polymorphism)。DNA结构产生多态性的原因在于核苷酸链的骨架含许多可转动的单键，从而使糖环可采取不同的折叠形式和苷键采取不同构象。DNA的构象现已知有A，B，C，D，E，T，Z7种。（1）B-DNA的构象

Watson和Crick提出的DNA双螺旋结构模型。相对湿度92%的DNA钠盐。是大多数DNA在细胞中的构象。右手双螺旋。（2）A-DNA的结构右手螺旋。相对湿度为75%的DNA钠盐。螺旋体短粗，大沟变得窄而深，小沟变得宽而浅。结晶的A型-DNA纤维在吸收了水分后能够变长，并转变为B型-DNA。A-DNA比较常见在RNA分子的双股发夹螺旋区域、RNA-DNA杂交双链中。（3）Z-DNA的结构1972年Pohl

etal发现poly(dG-dC)在高盐下旋光性发生改变；1979年WangA.H-J(王惠君),A.Rich对d(CGCGCG)单晶作X衍射分析提出Z－DNA模型。嘌呤和嘧啶交替排列，高盐。左手螺旋。细长，只有一条窄而深的小沟，大沟消失。

天然DNA的局部可出现Z-DNA。CpG二核苷酸序列中胞嘧啶的甲基化形成5-甲基胞嘧啶，可导致B-DNA向Z-DNA转化。

Z-DNA构象有转录起始的调节活性。Z-DNA构象在转录区上游离转录区近时，抑制转录；若离转录区远时，可以增加转录区的负超螺旋程度而促进转录。3.4DNA分子的高级结构（其他DNA螺旋结构）3.4.1单链核酸形成的二级结构单链核酸也可由于部分序列之间的碱基配对而形成分子内或分子间的双螺旋区域。反向重复序列间间隔较短或无间隔反向重复序列间间隔较长3.4.2短片段的重复序列短片段的重复顺序可分为三种类型：（1）正向重复(directrepeats)又叫顺向重复；（2）反向重复(invertedrepeats)；（3）回文顺序

(Palindromicsequence)5′-GTGAGCTCAC-3′3′-CACTCGAGTG-5′

上海自来水来自海上农学人才多多才人学农画上荷花和尚画书临汉字翰林书顺反相同能在DNA或RNA中形成发夹结构。通常是作为一种特别信号。如：限制性内切酶的识别位点；一些调控蛋白的识别位点。限制性内切酶EcoRⅠ的识别位点3.4.3三股螺旋的DNA

1957年，Felsenfeld等发现一股为嘌呤，另一股为嘧啶的核苷酸双链能够形成三链。如：polyA/polyU；polydA/polydT；polyd(AG)/polyd(CT)。

1987年，Mirkin.S.M证明plasmidDNA在pH=4.3的溶液中,有T.SDNA的存在。DNA分子内的三链结构

多聚嘌呤多聚嘧啶DNA分子间的三链结构三股螺旋DNA的生物学意义：◆参与基因表达调控。◆RNA分子参与表观遗传调节。◆基因治疗或定向诱变。3.4.4DNA的四链结构2002年，一组英国科学家发现染色体端粒DNA可以形成四链结构，并测定了其晶体结构。GGGG5‘3‘TTTGGGGGGGGGGGGGGGGTTTTTT功能

（1）稳定真核生物染色体结构

（2）保证DNA末端准确复制

（3）与DNA分子的组装有关

（4）与染色体的meiosis&mitosis有关

3.4.5DNA的结构的动态性与精细结构1.DNA结构的动态性：不同DNA结构形式相互转变的现象。在活细胞中，下面几种因素能使DNA双螺旋构象发生相互转变：（1）核苷酸顺序（碱基组成）；（2）盐的种类和浓度；（3）相对湿度。

DNA双螺旋结构的呼吸作用:

DNA双链中氢键的迅速断裂和再生过程。在DNA双螺旋结构中，配对碱基之间的氢键处于连续不断的断裂和再生的动态平衡之中，局部开链的泡状结构对于DNA结合蛋白识别DNA内部所含信息以及与DNA结合都有重要作用。2.DNA分子的精细结构(局部构象)DNA双螺旋的许多结构参数不是完全均匀的，是随着碱基序列的不同而在一定范围内变化的，称为DNA双螺旋的局部构象。在DNA双螺旋中，依赖于序列的构象变化的主要形式有：（1）螺旋扭转角：两个相邻碱基对之间绕螺旋轴旋转的夹角在28°-42°变动。（2）螺旋桨效应。3.4.6DNA的超螺旋结构与拓扑学性质1.DNA的超螺旋结构（DNA的三级结构）

螺旋超螺旋超螺旋（superhelix）是双螺旋DNA进一步扭曲盘绕形成的三级结构。超螺旋是DNA三级结构的一种普遍形式，双螺旋DNA的松开导致负超螺旋(negativesuperhelix)，而拧紧则导致正超螺旋(positivesuperhelix)。天然的DNA都呈负超螺旋，但体外可得到正超螺旋。超螺旋可能有两方面的生物学意义：（1）超螺旋DNA比松弛型DNA更紧密，使DNA分子体积变得更小，得以包装在细胞内；（2）超螺旋能影响双螺旋的解链程度，因而影响DNA分子与其他分子，如酶、蛋白质分子的相互作用。2.DNA超螺旋结构的拓扑学性质

拓扑：是指物体或图像作弹性移位而又保持物体不变的性质。（1）连环数（linkingnumber,L）：连环数指双螺旋DNA中两条链互相缠绕交叉的总次数，L为整数。一个闭合环状DNA分子，只要其主链的共价键不断裂，连环数值就不会改变。（2）盘绕数（twistingnumber,T）：盘绕数是DNA分子中双螺旋的周数，表示DNA分子一条链绕另一条链的扭转数。对于松弛态的环状DNA，以每周10.5个碱基对计算，T=碱基对总数/10.5。即DNA分子中Watson-Crick螺旋数，是双螺旋自身的性质。（3）超螺旋周数（writhingnumber,W）：超螺旋周数指双螺旋结构在一定的盘绕数（T）下，DNA分子的超螺旋缠绕数，即整个DNA分子在双螺旋基础上，一条双螺旋链绕另一双螺旋链缠绕转动的周数，它表示DNA超螺旋的程度，负超螺旋的W为负值，正超螺旋的W为正值。White方程：L=T+W（T与W的值可以是小数，但L的值必须是整数）（4）连环数比差（λ）

λ=ΔL/L0=(L-L0)/L0超螺旋密度3.5真核生物的染色体及其组装3.5.1真核生物的染色体19世纪中叶，发现染色体。染色体只包含1个DNA分子，在细胞不同周期表现为不同形态，间期表现为染色质。其蛋白质与DNA的质量比约为2：1。常染色质染色质组成型异染色质异染色质兼性异染色质洛阳红

首案红3.5.2染色体中的组蛋白

组蛋白(histones)是一种碱性蛋白质，等电点一般在pH10.0以上，其特点是富含二种碱性氨基酸(赖氨酸和精氨酸)，根据这两种氨基酸在蛋白质分子中的相对比例，将组蛋白分为五种类型：H1、H2A、H2B、H3、H4。特点：◆富含赖氨酸和精氨酸；◆进化上的极端保守性；◆无组织特异性；◆氨基酸分布的不对称性。3.5.3核小体的形成KlugA（英，获得1982年诺贝尔奖）。核小体是由H2A、H2B、H3、H4各两个分子生成的八聚体和由大约200bpDNA组成的。八聚体在中间，DNA分子盘绕在外，而H1则在核小体的外面。每个核小体只有一个H1。

若以每碱基对沿螺旋中轴上升距离为0.34nm计，200bpDNA的伸展长度为68nm，形成核小体后仅为11nm，长度压缩了6～7倍。①染色体DNA的一级包装——核小体非组蛋白是染色体上与特异DNA序列结合的蛋白质，所以又称序列特异性DNA结合蛋白，非组蛋白的特性是：①

含有较多的天门冬氨酸、谷氨酸，带负电荷，属酸性蛋白质；②

整个细胞周期都进行合成，而组蛋白只在S期合成，并与DNA复制同步进行；③

有明显的组织特异性。非组蛋白的功能是：①

帮助DNA分子折叠；②

协助启动DNA复制；③

有调节基因表达的作用。3.5.4染色质的高级结构二级包装——染色质螺线管(chromatinsolenoid)

在H1组蛋白分子间的相互作用下，核小体链进一步盘绕形成一种中空螺线管，其外径为30nm，每圈含6个核小体。又压缩了6倍。3三级包装——染色质纤维环(loopsofchromatinfiber)螺线管纤维相隔一定间距的某些区段被“拉拢”固定在蛋白轴上，从而产生了许多从骨架上伸出的纤维环(loops)。DNA又压缩约100倍。真核生物染色体DNA组装不同层次的结构侧环模型3.6RNA的结构与功能RNA通常是单链线型分子（一级结构），在分子内可自身回折形成局部的双螺旋（二级结构），进而折叠（三级结构）。除tRNA外，几乎全部细胞中的RNA都与蛋白质形成核蛋白复合物。3.6.1RNA的结构特点及与DNA的区别（1）碱基组成不同。（2）RNA分子中有许多稀有碱基或微量碱基、修饰碱基。（3）核糖不同。

（4）对整个RNA分子而言，没有双螺旋结构。

（5）RNA分子中的碱基不遵守Chargaff法则。