第二章核酸的结构与功能

第二章：核酸的结构与功能核酸是以核苷酸为基本组成单位的一类重要的生物大分子，担负着生命信息的储存与传递。核酸是现代生物化学、分子生物学的重要研究领域，是基因工程操作的核心分子。核酸概述第一节核酸的化学组成一、核酸的研究发现史1869年，F.Miescher从脓细胞核中分离得到一种酸性物质，即现在被称为核酸的物质。核酸的发现为人类提出了解开生命之谜的钥匙。1944年，OswaldAvery经实验证实了DNA是遗传的物质基础。1953年，Watson和Crick提出了DNA的双螺旋结构模型。

98％核中（染色体中）真核线粒体（mDNA）核外叶绿体（ctDNA）DNA拟核原核核外：质粒（plasmid）病毒：DNA病毒二、核酸的分类与分布

核酸分为两大类：脱氧核糖核酸DeoxyribonucleicAcid（DNA）核糖核酸RibonucleicAcid（RNA）RNA主要存在于细胞质中

tRNA

rRNAmRNA

其它

RNA病毒：SARS三、核酸的基本化学组成核酸核苷酸核苷磷酸碱基（嘌呤碱和嘧啶碱）戊糖（核糖或脱氧核糖）元素组成：CHONP（9-10%）

核酸经核酸酶水解产生核苷酸，核苷酸是核酸的基本组成单位，经完全水解可产生嘌呤和嘧啶等碱性物质、戊糖（核糖或脱氧核糖）和磷酸的混合物。组成核酸的戊糖有两种。DNA所含的糖为β-D-2-脱氧核糖；RNA所含的糖则为β-D-核糖。（一）戊糖RiboseDeoxyribose（二）碱基1.嘌呤（Purine）123456978腺嘌呤AdenineA鸟嘌呤guanineG2.嘧啶（Pyrimidine）123456尿嘧啶uracilU胞嘧啶cytosineC胸腺嘧啶thymineT核酸中也存在一些不常见的稀有碱基。稀有碱基的种类很多，大部分是上述碱基的甲基化产物。假尿嘧啶（ψ）次黄嘌呤I黄嘌呤X二氢尿嘧啶DHU甲基化嘌呤mG、mA7-甲基鸟苷m7G（三）核苷（nucleoside）核苷戊糖+碱基

糖与碱基之间的C-N键，称为C-N糖苷键1’2’3’4’5’(OH)1’2’3’4’5’(OH)AdenosineGuanosineCytidineUridine（四）核苷酸（nucleotide）

（脱氧）核苷酸（脱氧）核苷+磷酸

戊糖+碱基+磷酸

HHHHHHHHHC-5（五）核苷酸衍生物1.继续磷酸化AMPADPATP在体内能量代谢中的作用：ATP——能量“货币”UTP——参加糖的互相转化与合成CTP——参加磷脂的合成GTP——参加蛋白质和嘌呤的合成2.环化磷酸化

cAMP

cGMP（六）多聚核苷酸（核酸）多聚核苷酸是通过一个核苷酸的C3’-OH与另一分子核苷酸的5’-磷酸基形成3’,5’-磷酸二酯键相连而成的链状聚合物。5’5’3’3’5′-磷酸端（常用5’-P表示）；3′-羟基端（常用3’-OH表示）多聚核苷酸链具有方向性，当表示一个多聚核苷酸链时，必须注明它的方向是5′→3′或是3′→5′。多聚核苷酸的表示方式DNARNA5′PdAPdCPdGPdTOH3′5′PAPCPGPUOH′或5′ACGTGCGT3′5′ACGUAUGU3′

ACGTGCGTACGUAUGUT5’3’OHU5’3’OHOHOHOHOHDNA与RNA组成成分的区别第二节DNA的结构与功能一、DNA的一级结构指核酸分子中各种核苷酸排列的顺序。可以用碱基排列顺序表示；连接键：3’，5’-磷酸二酯键；磷酸与戊糖顺序相连形成主链骨架碱基形成侧链核酸的方向性：从5’-末端至3’-末端；大小的表示：b/bp（basepair)DNA一级结构的多样性：4n。

二、DNA的二级结构DNA的双螺旋模型1953年，J.Watson和F.Crick在前人研究工作的基础上，根据DNA结晶的X-衍射图谱和分子模型，提出了著名的DNA双螺旋结构模型，并对模型的生物学意义作出了科学的解释和预测。DNA双螺旋模型要点B型结构1.两条链反向平行，右手螺旋；2.碱基在内（A＝T，G≡C）碱基平面垂直于螺旋轴；A+C=G+T3.戊糖在外，双螺旋每转一周包含10碱基对（bp），螺距3.54nm，直径2.37nmA型结构碱基平面倾斜20º，螺旋变粗变短，螺距2～3nm。Z型结构左手螺旋，只有小沟2.0nm小沟大沟DNA双螺旋的结构参数类型旋转方向螺旋直径（nm）螺距（nm）每转碱基对数目碱基对间垂直距离（nm）碱基对与水平面倾角A－DNAB－DNAZ－DNA右右左2.552.371.842.533.544.561110.4120.230.340.2720º0º7º维持双螺旋稳定的力

氢键：太弱（维持横向稳定）；

碱基堆积力：是由芳香族碱基π电子间的相互作用引起的，能形成疏水核心，是稳定DNA最重要的因素（维持纵向稳定）；

离子键：（减少双链间的静电斥力）；DNA变性剂（热、pH、脲/酰胺、有机溶剂）DNA的存在形式三、DNA的高级结构DNA双螺旋的进一步扭曲构成高级结构（超螺旋结构）正超螺旋/负超螺旋原核双链环状DNA（dcDNA）病毒单链环状DNA（scDNA）单链线性DNA（ssDNA）

真核双链线性DNA（dsDNA）染色体包装的结构模型多级螺旋模型压缩倍数76405（8400）

DNA→核小体→螺线管→超螺线管→染色单体2nm10nm30(10)nm400nm2~10μm

一级包装二级包装三级包装四级包装

第三节RNA的结构与功能一、结构特点碱基组成A、G、C、U（A＝U/G≡C）稀有碱基较多，稳定性较差，易水解多为单链结构，少数局部形成螺旋分子较小分类mRNA（hnRNA

核不均一RNA）tRNA

rRNA（snRNA/asRNA）少数RNA病毒二、tRNA是蛋白质合成的氨基酸载体占RNA总量的15％一种氨基酸对应最少一种RNA大约由70－90个核苷酸组成。结构特征：1.四臂四环；2.氨基酸臂3′端有CCA-OH的共有结构；3.D环上有二氢尿嘧啶（DHU）；4.反密码环上的反密码子与mRNA相互作用；5.可变环上的核苷酸数目可以变动；6.TψC环含有T和ψ；7.含有稀有碱基。tRNA的三级结构核蛋白体的组成核蛋白体亚单位rRNA蛋白质原核生物(70S)小亚基(30S)大亚基(50S)16SrRNA5SrRNA23SrRNA21种rpS36种rpL真核生物(80S)小亚基(40S)大亚基(60S)18SrRNA5.8SrRNA5SrRNA28SrRNA33种49种三、以rRNA为组分的核糖体是蛋白质合成的场所占RNA总量的80％核蛋白体的组成原核生物翻译过程中核蛋白体结构模式A位（受位）：氨基酰位(aminoacylsite)P位（给位）：肽酰位(peptidylsite)E位：排出位(exitsite)真核生物核糖体只有两个位点四、mRNA和hnRNA占细胞总RNA的3％～5％（最少），寿命最短但种类最多。结构特点：真核细胞mRNA的3‘-末端有一段长达200个核苷酸左右的多聚腺苷酸(polyA)，称为“尾结构”；5’-末端有一个甲基化的鸟苷酸，称为“帽结构”；由编码区和非编码区构成；携带遗传密码子，是蛋白质合成的模板。5’加帽(m7GpppGp—)ppi5’pppGC…磷酸酶pi5’ppGC…pppG5’GpppGC甲基化酶＋CH3m7GpppGCOHOH帽1帽0帽2NNNNOH2NCH3+OHHCH2HOPOPOPOPPPN1N2N3OOHOOHOOHOCH3OCH32'OH79H7-甲基鸟苷5’，5’-三磷酸5’-5’磷酸键TTATTTCACACAC-----AAUAAAGUGUGUGAAUAAAGUGUGUG酶切加尾信号GT丰富序列TTATTTCACACAC-----AAUAAAGUGUGUG酶切(继续转录，但5’端没有“帽子”，产物被降解）加尾3’加尾

mRNA上存在遗传密码mRNA分子上从5

至3

方向，由AUG开始，每3个相邻核苷酸为一组，决定肽链上某一个氨基酸或蛋白质合成的起始、终止信号，称为三联体密码(tripletcoden)。起始密码(initiationcoden):AUG终止密码(terminationcoden):UAA，UAG，UGA61组密码编码20种氨基酸（有意义密码）数量：64（43）从mRNA5

端起始密码子AUG到3

端终止密码子之间的核苷酸序列，称为开放阅读框架(openreadingframe,ORF)。通常的ORF包含500个以上的密码子。外显子内含子DNAmRNA转录形成套索RNA，外显子靠近剪接体去除套索RNA，外显子连接成熟mRNAmRNA的剪接五、snmRNA分类：snRNA

（smallnucleicRNA核内小RNA）snoRNA(smallnucleolarRNA核仁小RNA）scRNA

（smallcytoplasmicRNA）asRNA

（antisenseRNA）可通过互补序列与特定的mRNA结合，抑制mRNA的翻译，还可抑制DNA的复制和转录。催化性小RNA（核酶）小片段干扰RNA功能：参与转录后加工修饰及基因表达调控。1981年，Cech发现RNA的催化活性，提出核酶（ribozyme）。大部分核酶参加RNA的降解、加工和成熟，也能催化C-N键的合成。RNA在DNA复制、转录、翻译中均有一定的调控作用，与某些物质的运输与定位有关。核酶的功能六、核酸在真核生物和原核生物表现出不同的时空特性时间特异性：空间特异性：第四节核酸的性质一、一般的理化性质两性解离/一般呈酸性（在中性溶液中带负电荷），微溶于水，不溶于有机溶剂DNA为白色纤维状固体，RNA为白色粉末。DNA溶液的粘度极高，而RNA溶液要小得多。可用电泳或离子交换（色谱）进行分离室温条件下，DNA在碱中变性，但不水解，RNA水解加热条件下，D－核糖＋浓盐酸＋苔黑酚绿色

D－2－脱氧核糖＋酸