生化课件第二章

第二章

核酸的结构与功能StructureandFunctionofNucleicAcidThebiochemistryandmolecularbiologydepartmentofJMUThebiochemistryandmolecularbiologydepartmentofLMU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。FriedrichMiescher(1844-1895)FriedrichMiescherworkedatthePhysiologicalLaboratoryoftheUniversityofBaselandinTübingenandismostwellknownforhisdiscoveryofthenucleicacids.(DNAPioneersandTheirLegacybyUlfLagerkvist,1998,YaleUniversityPress,ISBN0-300-07184-1).Toreadexcerptsfromthisbook,clickDNAPioneers

.米歇尔FriedrichMiescher（1844－1895）米歇尔，瑞士生物学家，生前工作于巴塞尔大学的生理学研究室。以发现核酸而闻名世界。米歇尔小时候有严重的听力障碍，因此在童年时代，尽管他非常聪明，但总是害羞并很内向。他酷爱音乐，与其父亲一样是一个天才歌手，在学校的学习成绩很好。1865年米歇尔成为一名医学生，1868年获医学博士学位。但听力问题是他成为临床医生的障碍。

1868年，米歇尔感兴趣研究白细胞。为了得到足够的白细胞，他从医院的外科绷带中洗脱脓液的白细胞，分离细胞核，得到一些粘稠的物质，并经实验证明含有含磷和氮，称为核素。随后的研究证明这一物质具有酸性，故称为核酸。这是米歇尔首次发现了重要的生命物质之一——核酸。Reichard,P.J.Biol.Chem.2002;277:13355-13362OswaldT.

Avery(1877-1955).埃弗里，O.T.OswaldTheodoreAvery

(1877～1955)

美国细菌学家。1877年10月21日生于加拿大新斯科舍哈利法克斯。1904年毕业于哥伦比亚大学医学院，后到布鲁克林的霍格兰实验室研究并讲授细菌学和免疫学。1913年转到纽约的洛克菲勒研究所附属医院工作，直到1948年退休。他和C.麦克劳德、M.麦卡锡于1944年共同发现不同型的肺炎双球菌的转化因子是DNA。这项实验第一次证明了遗传物质是DNA而不是蛋白质。虽然这一发现，曾引起争论和怀疑，但的确推动了DNA的研究，直至1953年DNA双螺旋结构的发现。他还通过对肺炎双球菌的免疫性研究，提出肺炎双球菌可根据其免疫的专一性来进行分类，而这种免疫专一性是由于不同菌型的荚膜中所含的多糖引起的。由此他建立起对不同型肺炎双球菌的灵敏检验法。1955年2月20日卒于美国田纳西州纳什维尔。一、核酸的发现和研究工作进展1868年Fridrich

Miescher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核酸的分类及分布存在于细胞核和线粒体

分布于细胞核、细胞质、线粒体(deoxyribonucleicacid,DNA)(ribonucleicacid,RNA)脱氧核糖核酸核糖核酸携带遗传信息，并通过复制传递给下一代。是DNA转录的产物，参与遗传信息的复制与表达。某些病毒RNA也可作为遗传信息的载体第一节核酸的化学组成及其一级结构TheChemicalComponentandPrimaryStructureofNucleicAcid核酸(DNA和RNA)核苷酸核苷或脱氧核苷磷酸戊糖碱基嘌呤嘧啶核糖脱氧核糖核酸组成分子组成碱基(base)：嘌呤碱，嘧啶碱戊糖(ribose)：核糖，脱氧核糖磷酸(phosphate)一、核苷酸是构成核酸的基本组成单位碱基(base)是含氮的杂环化合物。碱基嘌呤嘧啶腺嘌呤鸟嘌呤尿嘧啶胸腺嘧啶胞嘧啶存在于DNA和RNA中仅存在于RNA中仅存在于DNA中碱基嘌呤(purine，Pu)腺嘌呤(adenine,A)鸟嘌呤(guanine,G)嘧啶(pyrimidine，Py)胞嘧啶(cytosine,C)尿嘧啶(uracil,U)胸腺嘧啶(thymine,T)碱基的互变异构体

五种碱基都能形成酮式-烯醇式或氨基-亚氨基的互变异构。这两种异构体的平衡关系受介质酸碱环境的影响。戊糖（构成RNA）1´2´3´4´5´核糖(ribose)（构成DNA）脱氧核糖(deoxyribose)脱氧核苷嘌呤N-9

或嘧啶N-1与脱氧核糖C-1

通过β-N-糖苷键相连形成脱氧核苷(deoxyribonucleoside)。

嘌呤N-9或嘧啶N-1与核糖C-1

通过β-N-糖苷键相连形成核苷(ribonucleoside)。核苷NNNN9NH2OOHOHHHHCH2OHH1'2'糖苷键--CH3胸腺嘧啶脱氧核苷核苷或脱氧核苷与磷酸通过酯键结合构成核苷酸(ribonucleotide)或脱氧核苷酸(deoxyribonucleotide)。核苷酸(ribonucleotide)NNNN9NH2OOHOHHHHCH2H1'2'OPO-HOO糖苷键酯键多磷酸核苷酸RNA和DNA的基本结构单位RNA的基本结构单位DNA的基本结构单位腺嘌呤核苷酸(adenosinemonophosphate,AMP)腺嘌呤脱氧核苷酸(deoxyadenosine

monophosphate,dAMP)鸟嘌呤核苷酸(guanosine

monophosphate,GMP)鸟嘌呤脱氧核苷酸(deoxyguanosine

monophosphate,dGMP)胞嘧啶核苷酸(cytidine

monophosphate,CMP)胞嘧啶脱氧核苷酸(deoxycytidine

monophosphate,dCMP)尿嘧啶核苷酸(uridine

monophosphate,UMP)胸腺嘧啶脱氧核苷酸(deoxythymidine

monophosphate,dTMP)NucleicAcidsNucleotidephosphateRibonucleoside(deoxyribonucleoside)basePentosePurine(A、G)Pyrimidine(C、T、U)deoxyriboseribose环化核苷酸：cAMP、cGMP，是细胞信号转导中的第二信使。cAMP核苷酸衍生物NADP+NAD+

含核苷酸的生物活性物质：NAD+、NADP+、CoA-SH、FAD等都含有AMP二、DNA是脱氧核苷酸通过3’,5’-磷酸二酯键连接形成的大分子一个脱氧核苷酸3

的羟基与另一个核苷酸5

的α-磷酸基团缩合形成磷酸二酯键(phosphodiesterbond)。

多个脱氧核苷酸通过磷酸二酯键构成了具有方向性的线性分子，称为多聚脱氧核苷酸(polydeoxynucleotide)，即DNA链。5´-末端3´-末端CGA磷酸二酯键磷酸二酯键交替的磷酸基团和戊糖构成了DNA的骨架(backbone)。DNA链的方向是5

→

3

三、RNA也是具有3’,5’-磷酸二酯键的线性大分子RNA也是多个核苷酸分子通过酯化反应形成的线性大分子，并且具有方向性；RNA的戊糖是核糖；RNA的嘧啶是胞嘧啶和尿嘧啶。定义核酸中核苷酸的排列顺序。由于核苷酸间的差异主要是碱基不同，所以也称为碱基序列。5′端3′端CGA四、核酸的一级结构是核苷酸的排列顺序A

G

P5

PT

PG

PC

PT

POH3

书写方法：5

pApCpTpGpCpT-OH

3

5

ACTGCT

3

线条式文字式核酸分子的大小常用碱基(base或kilobase)数目来表示。小的核酸片段(<50bp)常被称为寡核苷酸(oligonucleotide)。自然界中的DNA和RNA的长度可以高达几十万个碱基。DNA和RNA的基本化学组成DNARNA嘌呤碱A，GA，G嘧啶碱C，TC，U戊糖β-D-2-脱氧核糖β-D-核糖酸磷酸磷酸第二节DNA的空间结构与功能DimensionalStructureandFunctionofDNADNA的空间结构又分为二级结构(secondarystructure)和高级结构。DNA的空间结构(spatialstructure)构成DNA的所有原子在三维空间具有确定的相对位置关系。一、DNA的二级结构是双螺旋结构Chargaff规则（一）DNA双螺旋结构的研究背景获得了高质量的DNA分子的X射线衍射照片。提出了DNA分子双螺旋结构(doublehelix)模型。不同生物种属的DNA的碱基组成不同同一个体的不同器官或组织的DNA碱基组成相同。[A]=[T]，[G]≡[C]罗莎林德﹒弗兰克林RosalindFranklin（1920-1958）罗莎林德﹒弗兰克林RosalindFranklin（1920-1958）英国物理化学家。1920年生于伦敦，15岁就立志要当科学家。她早年毕业于剑桥大学，专业是物理化学。1945年，获得博士学位之后，她前往法国学习X射线衍射技术。1951年，她回到英国，在伦敦大学国王学院取得了一个职位。此后，弗兰克林加入到了研究DNA结构的行列并加盟到威尔金斯小组。她凭着独特的思维，设计了更能从多方面了解物质不同现象的实验方法，获取了在不同温度下的DNA的X射线衍射图。她把这些各种局部的结构形状汇总，使得DNA的衍射图片越来越全面。1952年5月她终于获得了一张清晰的DNA的X光衍射照片。因此，弗兰克林与威尔金斯提出了DNA的结构可能是双螺旋结构的假设。为Crick和Watson进一步论证DNA的双螺旋结构奠定了基础。AGCTA/TG/CG+C嘌呤/嘧啶大肠杆菌26.024.925.223.91.090.9950.11.04结核杆菌15.134.935.414.61.030.9970.31.00酵母31.718.317.432.60.971.0535.71.00牛29.021.221.228.71.011.0042.41.01猪29.820.720.729.11.021.0041.41.01人30.419.919.930.11.011.0039.81.01不同生物来源DNA碱基组分和相对比例（二）DNA双螺旋结构模型要点2.37nm3.54nm两条多聚核苷酸链在空间的走向呈反向平行(anti-parallel)。两条链围绕着同一个螺旋轴形成右手螺旋(right-handed)的结构。双螺旋结构的直径为2.37nm，螺距为3.54nm。脱氧核糖和磷酸基团组成的亲水性骨架位于双螺旋结构的外侧，疏水的碱基位于内侧。双螺旋结构的表面形成了一个大沟(majorgroove)和一个小沟(minorgroove)。（二）DNA双螺旋结构模型要点1.DNA是反向平行、右手螺旋的双链结构亲水性的骨架位于双链的外侧。疏水性的碱基位于双链的内侧。骨架与碱基2.DNA双链之间形成了互补碱基对碱基配对关系称为互补碱基对(complementarybasepair)。DNA的两条链则互为互补链(complementarystrand)。碱基对平面与螺旋轴垂直。碱基互补配对:鸟嘌呤/胞嘧啶G≡C碱基互补配对:腺嘌呤/胸腺嘧啶A=T大沟与小沟相邻两个碱基对会有重叠，产生了疏水性的碱基堆积力(basestackinginteraction)。碱基堆积力和互补碱基对的氢键共同维系着DNA结构的稳定。3.疏水作用力和氢键共同维系着DNA双螺旋结构的稳定。碱基堆积作用力DNA二级结构DNA右双螺旋结构模型要点总结（Watson,Crick,1953）1、右双螺旋，反向平行2、碱基在内，主链在外3、碱基互补，A＝T，G≡C4、螺旋一圈，十对碱基5、结构稳定，副键维系6、大沟小沟，调节关键（三）DNA双螺旋结构的多样性A-DNAisfavoredwhenDNAisdehydrated.Majorandminorgroovesaresimilarinwidth.B-DNAistheconformationnormallyfoundinsidecells.Z-DNAisfavoredincertainG/C-richsequences.Nogrooveslefthandedhelix旋向螺距(nm)碱基数（每圈）螺旋直径（nm）骨架走行存在条件A型右手2.3112.5平滑体外脱水B型右手3.4102.3平滑DNA生理条件Z型左手4.5121.8锯齿型CG序列三种DNA构型的比较（四）DNA的多链螺旋结构在酸性的溶液中，胞嘧啶的N-3原子被质子化，可与鸟嘌呤的N-7原子形成氢键；同时，胞嘧啶的N-4的氢原子也可与鸟嘌呤的O-6形成氢键，这种氢键被称为Hoogsteen氢键。Hoogsteen氢键Hoogsteen氢键，不破坏Watson-Crick氢键，由此形成了C＋GC的三链结构(triplex)。三链结构鸟嘌呤之间通过Hoogsteen氢键形成特殊的四链结构(tetraplex)。四链结构真核生物DNA3

-末端是富含GT的多次重复序列，因而自身形成了折叠的四链结构。DNA分子间的三链结构DNA三链间的碱基配对DNA分子内的三链结构二、DNA的高级结构是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的环状超螺旋结构原核生物DNA多为环状，以负超螺旋的形式存在，平均每200碱基就有一个超螺旋形成。DNA超螺旋结构的电镜图象（二）真核生物DNA的高度有序和高度致密的结构真核生物DNA以非常有序的形式存在于细胞核内。在细胞周期的大部分时间里，DNA以松散的染色质(chromatin)形式存在，在细胞分裂期，则形成高度致密的染色体(chromosome)。DNA染色质呈现出的串珠样结构。染色质的基本单位是核小体(nucleosome)。DNA染色质的电镜图像DNA：约200bp

组蛋白：H1H2A，H2BH3H4核小体的组成核小体串珠样的结构双链DNA的折叠和组装DNA经过多次折叠，被压缩了8000～10000倍，组装在直径只有为数微米的细胞核内。真核生物的染色体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。三、DNA是遗传信息的物质基础第三节

RNA的结构与功能StructureandFunctionofRNARNA与蛋白质共同负责基因的表达和表达过程的调控。RNA通常以单链的形式存在，但有复杂的局部二级结构或三级结构。RNA比DNA小的多。RNA的种类、大小和结构远比DNA表现出多样性。RNA的种类、分布、功能信使RNA(messengerRNA,mRNA)是合成蛋白质的模板。不均一核RNA(hnRNA)含有内含子(intron)和外显子(exon)。

外显子是氨基酸的编码序列，而内含子是非编码序列。hnRNA经过剪切后成为成熟的mRNA。一、mRNA是蛋白质合成中的模板hnRNA

内含子(intron)mRNAmRNA成熟过程

外显子(exon)从AUG开始，每三个核苷酸为一组编码了一个氨基酸，称为三联体密码(codon)。成熟的mRNA由氨基酸编码区和非编码区构成。5

-末端的帽子(cap)结构和3

-末端的多聚A尾(poly-Atail)结构。成熟的真核生物mRNA帽子结构:m7GpppNm（一）大部分真核细胞mRNA的5'末端都以7-甲基鸟嘌呤-三磷酸核苷为起始结构mRNA的帽结构可以与帽结合蛋白(capbindingprotein，CBP)结合。帽子结构加帽过程真核生物的mRNA的3-末端转录后加上一段长短不一的聚腺苷酸。（二）在真核生物mRNA的3

末端有多聚腺苷酸结构加尾过程mRNA核内向胞质的转位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）mRNA依照自身的碱基顺序指导蛋白质氨基酸顺序的合成从mRNA分子5'末端起的第一个AUG开始，每3个核苷酸为一组称为密码子(codon)或三联体密码(tripletcode)。AUG被称为起始密码子；决定肽链终止的密码子则称为终止密码子。位于起始密码子和终止密码子之间的核苷酸序列称为开放阅读框(openreadingframe,ORF)，决定了多肽链的氨基酸序列。（四）mRNA的成熟过程是hnRNA的剪接过程卵清蛋白mRNA的成熟原核生物mRNA结构特点一般都为多顺反子结构。即一个单链mRNA分子可作为多种多肽和蛋白肽链合成的模板。mRNA的转录和翻译是耦合的，即mRNA分子一边进行转录，同时一边进行翻译。mRNA分子包含有先导区、翻译区和非翻译区，即在两个顺反子之间有不参加翻译的插入序列。原核生物的多顺反子非编码序列核蛋白体结合位点起始密码子终止密码子编码序列PPP5

3

蛋白质目录真核生物mRNA结构特点mRNA的3’-末端有一段多聚腺苷酸（polyA),

5’-末端有帽子结构。mRNA一般为单顺反子，即一个mRNA分子只为一种多肽编码。mRNA的转录和翻译是分开进行的，先在核内转录产生hnRNA,转运到胞质内后，再在核外加工为成熟的mRNA，然后起翻译作用。真核生物的单顺反子PPPmG-5

3

蛋白质非编码序列核蛋白体结合位点起始密码子终止密码子编码序列*mRNA的功能把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。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翻译蛋白真核细胞转运RNA(transferRNA,tRNA)在蛋白质合成过程中作为各种氨基酸的载体,将氨基酸转呈给mRNA。由74～95核苷酸组成；占细胞总RNA的15%；具有很好的稳定性。二、tRNA是蛋白质合成中的氨基酸载体（一）tRNA中含有多种稀有碱基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具有局部的茎环(stem-loop)结构或发卡(hairpin)结构。（二）tRNA具有茎环结构tRNA的二级结构——三叶草形(cloverleaf)氨基酸臂DHU环反密码环TψC环附加叉tRNA的倒L三级结构tRNA的3-末端都是以CCA结尾。3-末端的A与氨基酸共价连结，tRNA成为了氨基酸的载体。不同的tRNA可以结合不同的氨基酸。（三）tRNA的3-末端连接氨基酸tRNA的反密码子环上有一个由三个核苷酸构成的反密码子(anticodon)。tRNA上的反密码子依照碱基互补的原则识别mRNA上的密码子。（四）tRNA的反密码子识别mRNA的密码子*tRNA的功能活化、搬运氨基酸到核糖体，参与蛋白质的翻译。核蛋白体RNA(ribosomalRNA，rRNA)是细胞内含量最多的RNA(>80％)。rRNA与核蛋白体蛋白结合组成核蛋白体(ribosome)，为蛋白质的合成提供场所。三、以rRNA为组分的核蛋白体是蛋白质合成的场所核蛋白体的组成原核生物（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28S5.8S5S4718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%大肠杆菌的核蛋白体18S

rRNA的二级结构蛋白质合成时形成的复合体*rRNA的功能参与组成核蛋白体，作为蛋白质生物合成的场所。RNA组学是研究细胞内snmRNA的种类、结构和功能。同一生物体内不同种类的细胞、同一细胞在不同时空状态下snmRNAs表达谱的变化，以及与功能之间的关系。四、snmRNA参与了基因表达的调控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)。snmRNAs核内小RNA核仁小RNA胞质小RNA催化性小RNA小片段干涉RNA

参与hnRNA的加工剪接snmRNAs的种类snmRNAs的功能核酶某些小RNA分子具有催化特定RNA降解的活性，这种具有催化作用的小RNA亦被称为核酶(ribozyme)或催化性RNA(catalyticRNA)。siRNA是生物宿主对外源侵入的基因表达的双链RNA进行切割所产生的特定长度和特定核酸序列的小片段RNA。siRNA可以与外源基因表达的mRNA相结合，并诱发这些mRNA的降解。基于此机理，人们发明了RNA干扰(RNAinterference，RNAi)技术。小片段干扰RNA原核生物基因表达的特异性五、核酸在真核细胞和原核细胞中表现了不同的时空特性真核生物基因表达的特异性核酸的理化性质ThePhysicalandChemicalCharactersofNucleicAcid第四节核酸的酸碱及溶解度性质核酸为多元酸，具有较强的酸性。核酸的高分子性质粘度：DNA>RNAdsDNA>ssDNA沉降行为:不同构象的核酸分子的沉降的速率有很大差异，这是超速离心法提取和纯化核酸的理论基础。核酸在波长260nm

处有强烈的吸收，是由碱基的共轭双键所决定的。这一特性常用作核酸的定性和定量分析。一、核酸分子具有强烈的紫外吸收碱基的紫外吸收光谱DNA或RNA的定量A260=1.0相当于

50μg/ml双链DNA(dsDNA)40μg/ml单链DNA(ssDNAorRNA)20μg/ml寡核苷酸确定样品中核酸的纯度

纯

DNA:A260/A280=1.8

纯

RNA:A260/A280=2.0紫外吸收的应用二、DNA变性是双链解离为单链的过程在某些理化因素作用下，DNA双链解开成两条单链的过程。定义DNA变性的本质是双链间氢键的断裂。协同性的DNA解链高温或极端的pHDNA的变性DNA变性的本质是双链间氢键的断裂部分变性DNA的电镜图像增色效应(hyperchromiceffect)：DNA变性时其溶液OD260增高的现象。DNA