核酸的组成和结构

核酸的组成和结构核酸的组成和结构第1页2第一节

DNA组成与结构一、DNA（deoxyribonucleicacid）组成

1.核酸是由许多个单核苷酸聚合而成多核苷酸链;核苷酸由碱基、戊糖(D-2-脱氧核糖)和磷酸三个别组成。

2.DNA含：A、T、C、G四种碱基嘌呤嘧啶核糖磷酸DNAA，GC，T脱氧核糖磷酸核酸的组成和结构第2页3二、DNA结构与功效一级结构（Primarystructure）：指DNA分子中核苷酸排列次序。二级结构（Secondarystructure）：双螺旋（doublehelix）三股螺旋（triplehelix）三（高）级结构（Tertiarystructure）：超螺旋（supercoil）核酸的组成和结构第3页4（一）DNA一级结构指DNA分子中4种核苷酸连接方式和排列次序。

1.Chargaff法则

Chargaff于1946-1950年依据纸层析、离子交换层析和紫外分光光度试验结果提出查伽夫定则：四种碱基数量不是等量；同一物种DNA碱基组成不变，而物种间则有很大不一样；嘌呤碱基总量与嘧啶碱基总量相等(A+G=T+C)，且腺嘌呤与胸腺嘧啶数相等“A”=“T”

、鸟嘌呤与胞嘧啶数相等“G”=“C”。

2.核苷酸序列及其测定查伽夫定则表明：核酸并不是四核苷酸结构简单重复，核酸碱基序列信息可能含有主要意义。以后研究表明：碱基序列正是核酸生物学功效基础，是遗传信息内在形式。核酸序列分析技术是最主要分子生物学研究技术，主要包含：Sanger双脱氧法和MaxamandGillbert化学法。基于化学法DNA序列自动分析仪已成为常规试验设备。核酸的组成和结构第4页55’末端磷酸基团3‘，5’-磷酸二酯键3‘末端羟基DNA长度单位：碱基对(bp)，千碱基对(Kb)，百万碱基对(Mb)核酸的组成和结构第5页63.DNA一级结构表示方法线条式表示法文字表示法核酸的组成和结构第6页7（二）DNA二级结构

指两条核苷酸链反向平行盘绕所生成双螺旋结构。1.DNA双螺旋结构模型

1953年美国青年生物学家Watsn和英国中年物理学家Crick依据碱基互补配对规律和DNAX射线衍射研究，提出了著名DNA双螺旋结构模型，并为以后拍摄电镜直观形象所证实，从而奠定了分子生物学基础。（1）关键点：DNA分子是由两条同轴反向相互缠绕多核甘酸链组成双螺旋结构；糖和磷酸排在外面组成骨架,两链对应核甘酸碱基相互配对由氢键连接排列在内侧；双螺旋直径为20A，螺距为34A,包含10对碱基。（2）意义：DNA双螺旋模型结构同时表明，DNA能够按碱基互补配对标准进行半保留复制，而在此之前对复制方式大家对一无所知；DNA核苷酸次序要求该基因编码蛋白质氨基酸次序；DNA中遗传信息就是碱基序列；并存在某种遗传密码(geneticcode)，将核苷酸序列译成蛋白质氨基酸次序。在其后几十年中，科学家们沿着这两条路径前进，探明了DNA复制、遗传信息表示与中心法则等内容。核酸的组成和结构第7页8沃森、克里克和威尔金斯因发觉生命双螺旋而荣获1962年诺贝尔医学生理学奖。（左一：威尔金斯，左三：克里克左五：沃森）

FranklinRE，1920－1958）和同事威尔金斯在1951年率先采取X射线衍射技术拍摄到DNA晶体照片，为推算出DNA分子呈螺旋结构结论，提供了决定性试验依据。但“科学玫瑰”没等到分享荣耀，在研究结果被认可之前就已凋谢。核酸的组成和结构第8页9超高分辨率扫描式电子显微镜拍到DNA照片DNA人工模型富兰克林拍摄DNAX射线衍射图X衍射技术是用X光透过物质结晶体，使其在照片底片上衍射出晶体图案技术，这个方法能够用来推测晶体分子排列；沃森和克里克从衍射图谱中受到启示。核酸的组成和结构第9页10DNA双螺旋结构模型核酸的组成和结构第10页11核酸的组成和结构第11页122.DNA分子构型多态性（1）右手螺旋：A-DNA、B-DNA、C-DNA、

D-DNA、E-DNA、T-DNA；（2）左手螺旋：Z-DNA。B-DNA：为DNA在生理状态下构型，右手双螺旋构型（沃森和克里克模型），每螺旋为10个核苷酸对。

A-DNA：为DNA脱水构型，右手螺旋，每螺旋为11个核苷酸对。

Z-DNA：为左手螺旋，每个螺旋含12个核苷酸对。核酸的组成和结构第12页13DNA分子构型多态性核酸的组成和结构第13页143.DNA其它螺旋结构（1）回文结构：DNA序列中以某一中心区域为对称轴，其两侧碱基对次序正读和反读都相同双螺旋结构。即对称轴一侧片段旋转180°后，与另一侧片段对称重复。回文结构能形成十字结构和发夹结构。核酸的组成和结构第14页15（2）镜像重复(mirrorrepeat)

：存在于同一股上一些DNA区段反向重复序列。此序列各单股中没有互补序列，不能形成十字型或发夹结构。

（3）反转重复（invertedrepeated)：由反方向互补两个DNA片段组成，两个反转重复序列又叫回文序列(palindromesequence)。（4）直接重复(directrepeat)：由同一方向完全相同两个序列组成。正向重复序列、顺向重复序列。5′GGAATCGATCTTTTCTAGCTAAGG3′3′CCTTAGCTAGAAAAGATCGATTCC5′核酸的组成和结构第15页16核酸的组成和结构第16页17（5）DNA三股螺旋（triplestrandsDNA，H-DNA，ts-DNA）：

1957年由Felesnfeld及Davis首先发觉。多聚嘧啶和多聚嘌呤组成DNA螺旋区段，其序列中有较长镜像重复时，形成局部三股配对，并相互盘绕三股螺旋，其中两股碱基按Watson-Crick方式配对，第三股多聚嘧啶（镜像重复）经过TAT和CGC配对，而处于双螺旋大沟中。三条链均为同型嘌呤（Hpu）或同型嘧啶（Hpy），有两种基础类型：

Pu-Pu-Py型：在碱性介质中稳定。

Py-Pu-Py型：在偏酸性介质中稳定。三链DNA既能够是B-DNA与另一条DNA链结合成链间三链DNA，又能够是B-DNA与其本身一条链结合形成链内三链DNA。分子内三链DNA于1987年由Mirkin在超螺旋中发觉，其形成要求双螺旋中存在连续嘌呤或嘧啶序列，而且必须是镜像重复序列。核酸的组成和结构第17页18核酸的组成和结构第18页19（三）DNA高级结构1.超螺旋（supercoilorsuperhelix

）结构（1）超螺旋发觉

1965年Vinograd等用电镜发觉SV40和多瘤病毒环形DNA超螺旋；超螺旋是双螺旋DNA深入扭曲盘绕形成高级结构。

a.绝大多数原核生物DNA都是共价封闭环（covalentlyclosedcircle，CCC）分子，双螺旋环状分子螺旋化成为超螺旋结构。

b.有些单链环形染色体（如φx174）或双链线形染色体（如噬菌体

），在其生活周期某一阶段，染色体也变为超螺旋结构。

c.真核生物染色体多为线形分子，但DNA均与蛋白质相结合，一样含有超螺旋形式。核酸的组成和结构第19页20核酸的组成和结构第20页21（2）超螺旋形成

DNA双螺旋结构中，普通每转一圈有10个核苷酸对，平时双螺旋总处于能量最低状态；若正常DNA双螺旋额外地多转或少转几圈，使每一圈核苷酸数目大于或小于10，就会出现双螺旋空间结构改变，在DNA分子中产生额外张力；若此时双螺旋末端是固定或是环状分子，双链不能自由转动，额外张力不能释放，造成DNA分子内部原子空位置重排，造成扭曲，出现超螺旋。（3）超螺旋方向性

a.正超螺旋：绳子两股以右旋方向缠绕，假如在一端使绳子向缠紧方向旋转，再将绳子两端连接起来，会产生一个左旋超螺旋，以解除外加旋转造成胁变，这么超螺旋叫正超螺旋。

b.负超螺旋：假如在绳子一端向松缠方向旋转，再将绳子两端连接起来，会产生一个右旋超螺旋，以解除外加旋转所造成胁变，这么超螺旋称负超螺旋。核酸的组成和结构第21页22核酸的组成和结构第22页23c.松旋效应紧旋效应：形成超负螺旋时，旋转方向与DNA双螺旋方向相反，旋转结果使DNA分子内部张力减小，称为松旋效应（在自然条件下共价封闭环状DNA呈负超螺旋结构）；与负超螺旋相反，形成正超螺旋时旋转方向与DNA双螺旋方向相同，结果加大了DNA分子内部张力，含有紧旋效应。（4）围绕数和超螺旋关系

White在1969年建立了White方程来对超螺旋进行定量描叙，说明围绕数和超螺旋关系。L=T+WL（linkingnumber）：链环数或称拓扑围绕数，指DNA中一条链绕另一条链总次数。L是整数，在不发生链断裂时其值为常数，右手螺旋对L取正值。T（twistingnumber）：缠绕数，即双螺旋圈数。T为变量，能够是非整数，右手螺旋时T为正值。W（writhingnumber）：扭曲数，即超数旋数。W为变量，能够是非整数，右手螺旋时，W取负值。核酸的组成和结构第23页24核酸的组成和结构第24页25核酸的组成和结构第25页26核酸的组成和结构第26页27（5）DNA超螺旋密度（λ）

λ=（L-L0）/L0

L0是指松驰环形DNAL值，天然DNA超螺旋密度普通为-0.03~-0.09，平均每100个螺旋出现3-9个负超螺旋。

a.天然DNA都呈负超螺旋，但体外可得到正超螺旋；因为双链DNA是动态改变，其负超螺旋链环数也会有所波动。

b.负超螺旋会个别地转变为单链泡状结构，这种单链泡状结构也是解除松缠作用造成胁变一个路径；当然蛋白质会与这些单链泡状结构结合参加复制活转录；这可能就是为何在生物内DNA总是采取负超螺旋形式主要原因。

c.溴化乙锭（ethidiumbromide）能与DNA紧密结合，使DNA密度降低；它插入DNA分子碱基对之间，引发DNA分子松旋，伴随EB量增加，负超螺旋DNA就转变为松弛态；EB深入增加，DNA就转变为正超螺旋。核酸的组成和结构第27页28核酸的组成和结构第28页29（6）不一样类型DNA高级结构及性质

a.超螺旋使环状DNA分子变得更致密，在超速离心和在凝胶电泳中迁移速度都增加;琼脂糖凝胶电泳可将超螺旋仅差一圈DNA分离开。

b.真核生物中，DNA与组蛋白八聚体形成核小体结构时，存在着负超螺旋。

c.DNA超螺旋是由DNA拓扑异构酶产生。

d.坍缩DNA：当闭合环超螺旋变成闭合环松弛形DNA时，经碱变性或热变性使其氢键断裂，但两条链无法分离，结果生成两条链紧密缠结分子；坍缩DNA含有很高沉降常数，相对沉降常数约3.0（单链环状DNA相对沉降常数大约为1.14；线性单链DNA相对沉降常数为1.30）。

e.环连DNA：在DNA复制过程中产物或由拓扑异构酶催化生成，由两个以上环形DNA分子环连而成。

f.闭合环超螺旋DNA对于温度和碱性有较强抵抗力，不轻易发生变性；这么，能够寻找一个临界条件，使闭合环松弛形和开环松弛形DNA发生变性；而闭合环超螺旋不变性或极少变性。很多分离或判定闭合环超螺旋形DNA方法都是依据其特征而设计。核酸的组成和结构第29页30核酸的组成和结构第30页31核酸的组成和结构第31页32（7）超螺旋意义

a.超螺旋形式是DNA分子复制和转录需要：生物体内DNA结构是处于动态之中，超螺旋引入就提升了DNA能量水平，而超螺旋程度改变介导了DNA结构改变，即超螺旋多出能量可能使DNA双股链分开，或局部熔解，这种结构上改变对DNA分子复制和转录等开启很主要。

b.超螺旋可使DNA分子形成高度致密状态从而得以容纳于有限空间。如E.coliDNA总长度是其细胞长度100倍，因为它DNA存在着超螺旋才能包装成类核（nucleoid）。

c.染色体形成过程：一级结构（核小体，直径10nm）、二级结构（螺线体，直径30nm）、三级结构（超螺线体，直径400nm）、四级结构（染色体，直径1000nm），DNA双螺旋深入扭曲盘旋所形成特定空间结构。

核酸的组成和结构第32页33核酸的组成和结构第33页34核酸的组成和结构第34页35第二节、RNA组成与结构一、RNA组成

RNA所含戊糖为D-核糖，碱基为A、C、G、U。二、RNA基础结构1．RNA一级结构：指RNA分子中4种核苷酸连接方式和排列次序。2.RNA分类及其二级结构（1）mRNA：帽子结构和尾巴，5’端，7’-甲基鸟苷；3’端，polyA尾巴。（2）rRNA：单链RNA自行盘绕形成局部双螺旋多“茎”多“环”结构，螺旋个别称为“茎”或“臂”非螺旋个别称为“环”，在螺旋区，A与U配对，G与C配对。5SrRNA和16SrRNA分别组成大亚基和小亚基。（3）tRNA二级结构：三叶草形状可分为：氨基酸接收区、反密码区、二氢尿嘧啶区、TΨC区和可变区。除氨基酸接收区外，其余每个区都含有一个突环和一个臂。核酸的组成和结构第35页363．tRNA三级结构：倒“L”形，全部tRNA折叠后形成大小相同及三维构象相同三级结构，这有利于携带氨基酸tRNA进入核糖体特定部位。在翻译过程中转运各种氨基酸至核糖体，按mRNA密码次序合成蛋白质作用。核酸的组成和结构第36页37三、mRNA详细结构与功效1.原核生物mRNA结构特点：(1)多顺反子（polycistron）:一分子mRNA带有几个蛋白质遗传信息，能够作为几个蛋白质模板，能翻译出几个蛋白质。(2)mRNA5′端无帽子结构，3′端普通无多聚A尾巴。(3)普通没有修饰碱基。核酸的组成和结构第37页382.真核生物mRNA结构特点（1）5′末端有帽子结构。真核生物mRNA在转录后,在5’端加上帽子(7－甲基鸟嘌呤核苷)，在蛋白质翻译时识别起始位置及预防被RNA酶降解。核酸的组成和结构第38页39（2）3′端多数带有多聚A尾巴(polyadenylatetail)，其长度为20~200个A.（3）分子中可能有修饰碱基，主要是甲基化。（4）分子中有编码区与非编码区。非编码区（untranslatedregionUTR）位于编码区两端；5′非编码区有翻译起始信号。核酸的组成和结构第39页40四、tRNA：转运氨基酸1．单链小分子，含73~93个核苷酸；2．含有很多稀有碱基或修饰碱基，多为甲基化；3．5′端总是磷酸化，且常是pG；4．3′端为CCAOH；5．二级结构为三叶草形；6．三级结构为倒L型。核酸的组成和结构第40页41五、rRNA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)5.8S(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%)１．核糖体组成核酸的组成和结构第41页42２．rRNA二级结构：

单链RNA自行盘绕形成局部双螺旋多“茎”多“环”结构，螺旋个别称为“茎”或“臂”非螺旋个别称为“环”，在螺旋区，A与U配对，G与C配对。

核酸的组成和结构第42页43３．原核生物rRNA特点（１）原核生物16SrRNA3′端有一保守序列ACCUCCU，是mRNA识别结合位点。（２）原核生物5SrRNA43~47位核苷酸为CGAAC序列，可与tRNA上GTΨCG互补。４．真核生物rRNA特点（１）真核生物5.8SrRNA上也有相同CGAAC序列,是tRNA与rRNA相互识别、相互作用部位。（２）rRNA上有许多rRNA之间识别结合部位及蛋白质相互作用部位。核酸的组成和结构第43页44原核生物70S核糖体真核生物80S核糖体核糖体结构核酸的组成和结构第44页45六、核酶：有催化活性RNA

１．核酶发觉

1982年，美国ThomasCech在研究四膜虫rRNA自我剪接时发觉，同时加拿大SidneyAltman发觉RNaseP分子中RNA组分有催化活性；1989年分享了Noble化学奖。

２．核酶发觉意义不但拓宽了生物催化剂领域，而且对RNA生物学功效开创了一个历史性新认识：RNA不但含有储存和传递遗传信息功效，而且还含有生物催化剂功效，在一定程度上能够说，RNA一身兼有DNA和蛋白质两大类生物大分子功效。核酸的组成和结构第45页46３．核酶二级结构核酶二级结构对于催化活性很主要。Symons提出“锤头”状二级结构，三个螺旋区，13（或11）个保守核苷酸序列。核酸的组成和结构第46页47

七、核内不均一RNA（hnRNA）真核细胞转录生成mRNA前体；加工过程包含：5′加帽；3′端加尾；内含子切除和外显子拼接；分子内部甲基化修饰作用；核苷酸序列编辑作用。

八、小分子核内RNA（snRNA）真核细胞核内一组小分子RNA，含70~300碱基,序列中尿嘧啶含量较高，所以又用U命名。既非任何RNA前体，也非某种RNA代谢中间产物，而是含有独特功效且独立存在实体，参加mRNA加工。常与各种特异蛋白质结合在一起，形成小分子核内核蛋白颗粒（smallnuclearribonucleoproteinparticle，snRNP）核酸的组成和结构第47页48九、反义RNA１．碱基序列恰好与有意义mRNA互补RNA，又称为调整RNA。２．可与mRNA配对结合形成双链，最终抑制mRNA作为模板进行翻译。３．还可作为DNA复制抑制因子，与引物RNA互补结合抑制DNA复制，及在转录水平上与mRNA5′端互补，阻止RNA合成转录。４．能够人工合成反义RNA来调整基因表示，用于疾病治疗。５．原核生物中也有一个mRNA干扰互补RNA（MrnainterferingcomplementaryRNA，micRNA），也可与特异mRNA结合并阻止翻译。