大学生物《核酸》课件

核酸DNA、RNA的结构和功能DNA的合成（复制）RNA的合成（转录）蛋白质的合成（翻译）内容核酸(nucleicacid)

一、DNA、RNA的结构和功能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。调控调控中心法则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核酸(DNA和RNA)核苷酸脱氧核苷和核苷磷酸戊糖碱基嘌呤嘧啶核糖脱氧核糖核酸组成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(A)鸟嘌呤(G)尿嘧啶(U)胸腺嘧啶(T)胞嘧啶(C)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)戊糖（构成RNA）1´2´3´4´5´核糖(ribose)（构成DNA）脱氧核糖(deoxyribose)H3PO4HO-P-OHOHO磷酸脱氧核苷嘌呤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)。碱基+脱氧核糖

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'糖苷键碱基+核糖核苷或脱氧核苷与磷酸通过酯键结合构成核苷酸或脱氧核苷酸。核苷酸(ribonucleotide)NNNN9NH2OOHOHHHHCH2H1'2'OPO-HOO糖苷键酯键碱基+戊糖+磷酸多磷酸核苷酸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

5’3’3’,5’-磷酸二酯键5’-磷酸基团3’-羟基TACGRNA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核酸的一级结构AGP5

PTPGPCPTPOH3

书写方法：5

pApCpTpGpCpT-OH

3

5

ACTGCT

3

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的区别核糖G、C、A、URNA脱氧核糖G、C、A、TDNA碱基核糖核酸分为二级结构和高级结构。DNA的空间结构构成DNA的所有原子在三维空间具有确定的相对位置关系。DNA的二级结构是双螺旋结构富兰克林拍到了高质量的DNA分子X射线衍射照片。DNA双螺旋结构的研究背景：(RosalindFranklin,1920-1958)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]Chargaff法则DNA双螺旋结构的研究背景：(ErwinChargaff)碱基互补配对:鸟嘌呤/胞嘧啶碱基互补配对:腺嘌呤/胸腺嘧啶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。疏水作用力和氢键共同维系着DNA双螺旋结构的稳定。两条链反向平行右手螺旋直径2nm，螺距3.4nm外侧是脱氧核糖--磷酸骨架（亲水性），内侧是疏水的碱基互补碱基对表面有大沟和小沟DNA双螺旋结构模型要点它能够说明遗传物质的自我复制。这个“半保留复制”的设想后来被马修·麦赛尔逊（MatthewMeselson）和富兰克林·斯塔勒（FranklinW.Stahl）用同位素追踪实验证实。它能够说明遗传物质是如何携带遗传信息的。它能够说明基因是如何突变的。基因突变是由于碱基序列发生了变化，这样的变化可以通过复制而得到保留。DNA双螺旋模型的意义：大沟与小沟超螺旋结构(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。

DNA的高级结构是超螺旋结构原核生物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染色质的电镜图像染色质经微球菌核酸酶的逐步消化降解H1及核心八聚体组蛋白在核小体结构中的位置图解核心八聚体连接区DNA146165200165bp双链DNA

Nucleosome(核小体)由200个碱基对的DNA链结合有9个组蛋白分子组成的重复亚单位.

Nucleosome(核小体)核小体染色小体核小体核心颗粒30nm染色质纤维结构的模式图解(a)螺旋管的正面观，螺旋管的每一圈由6~8个核小体围成，H1具有稳定30nm纤维的作用；(b)螺旋管侧面观装配核酸酶降解30nm染色质纤维10nm核小体细丝DNA染色质的电镜图像(a)染色质粗纤维(φ30nm)和(b)细纤维(φ10nm)的电镜照片30nm粗纤维为染色质的自然状态，10nm细纤维为消化处理后产生的细线状结构粗纤维细纤维分裂中期高度凝缩染色体的形态中期染色体10nm染色质丝经过4级压缩，形成了高度浓缩的中期染色体一级结构二级结构三级结构四级结构粗纤维超粗纤维中期染色体染色质经逐级凝缩形成染色体的模式图解双链DNA的折叠和组装染色体The30nmfiber核小体The10nmfiber组蛋白染色质真核生物的染色体SinglestrandednucleicacidRNA的结构和功能RNA的结构和功能RNA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hnRNARNA的种类、分布、功能三种RNA示意图信使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。1、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)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

mRNA的功能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。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。2、tRNA是蛋白质合成中的氨基酸载体二级结构“三叶草”

tRNA的二级结构和三级结构反密码环氨基酸臂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。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。tRNA的反密码子识别mRNA的密码子三级结构倒置“L”型

tRNA的二级结构和三级结构核蛋白体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。3、以rRNA为组分的核蛋白体是蛋白质合成的场所蛋白质合成时形成的复合体二、DNA的合成（复制）复制(replication)是指遗传物质的传代，以母链DNA为模板合成子链DNA的过程。复制亲代DNA子代DNA子链继承母链遗传信息的几种可能方式:

全保留式半保留式混合式密度梯度实验:——实验结果支持半保留复制的设想。含重氮-DNA的细菌培养于普通培养液

第一代继续培养于普通培养液

第二代梯度离心结果按半保留复制方式，子代DNA与亲代DNA的碱基序列一致，即子代保留了亲代的全部遗传信息，体现了遗传的保守性。半保留复制的意义:遗传的保守性，是物种稳定性的分子基础，但不是绝对的。原核生物复制时，DNA从起始点(origin)向两个方向解链，形成两个延伸方向相反的复制叉，称为双向复制。DNA复制从起始点向两个方向延伸形成双向复制复制中的放射自显影图像A.环状双链DNA及复制起始点B.复制中的两个复制叉C.复制接近终止点(termination,ter)oriterABC真核生物每个染色体有多个起始点，是多复制子的复制。习惯上把两个相邻起始点之间的距离定为一个复制子(replicon)。复制子是独立完成复制的功能单位。5’3’oriorioriori5’3’5’3’oriorioriori5’3’5’5’3’3’5’5’3’复制3’DNA一股子链复制的方向与解链方向相反导致半不连续复制3

5

3

5

解链方向3´5´3´3´5´领头链(leadingstrand)随从链(laggingstrand)顺着解链方向生成的子链，复制是连续进行的，这股链称为领头链(leadingstrand)

。另一股链因为复制的方向与解链方向相反，不能顺着解链方向连续延长，这股不连续复制的链称为随从链(laggingstrand)

。复制中的不连续片段称为岡崎片段(okazakifragment)。领头链连续复制而随从链不连续复制，就是复制的半不连续性。参与DNA复制的物质:引物(primer):提供3

-OH末端使dNTP可以依次聚合；底物(substrate):

dATP,dGTP,dCTP,dTTP；聚合酶(polymerase):依赖DNA的DNA聚合酶，简写为DNA-pol；模板(template):解开成单链的DNA母链；其他的酶和蛋白质因子。1、核苷酸和核苷酸之间生成磷酸二酯键是复制的基本化学反应聚合反应的特点:DNA新链生成需引物和模板；新链的延长只可沿5→3

方向进行。2、DNA聚合酶催化核苷酸之间聚合全称：依赖DNA的DNA聚合酶(DNA-dependentDNApolymerase)简称：DNA-pol活性：1.5

3

的聚合活性2.核酸外切酶活性5´AGCTTCAGGATA

3´

|||||||||||3´TCGAAGTCCTAGCGAC5´3

5

外切酶活性:5

3

外切酶活性:?能切除突变的DNA片段。能辨认错配的碱基对，并将其水解。核酸外切酶活性:（1）原核生物的DNA聚合酶分为三型DNA-polⅠDNA-polⅡDNA-polⅢ功能：DNA-polⅠ（109kD）对复制中的错误进行校读，对复制和修复中出现的空隙进行填补。323个氨基酸小片段5

核酸外切酶活性大片段/Klenow片段

604个氨基酸DNA聚合酶活性

5

核酸外切酶活性N端C端木瓜蛋白酶DNA-polⅠKlenow片段是实验室合成DNA，进行分子生物学研究中常用的工具酶。

DNA-polⅡ（120kD）DNA-polII基因发生突变，细菌依然能存活。DNA-polⅡ对模板的特异性不高，即使在已发生损伤的DNA模板上，它也能催化核苷酸聚合。因此认为，它参与DNA损伤的应急状态修复。功能：DNA-polⅢ(250kD)是原核生物复制延长中真正起催化作用的酶。DNA聚合酶的结构类似于一只右手，新合成的DNA双链与手掌部分结合，DNA合成催化位点位于拇指和手指之间的裂缝中，模板链的单链区在此强烈弯曲，不从拇指和手指间穿过。（2）常见的真核细胞DNA聚合酶有五种DNA-pol

起始引发，有引物酶活性。延长子链的主要酶，有解螺旋酶活性。参与低保真度的复制。在复制过程中起校读、修复和填补缺口的作用。在线粒体DNA复制中起催化作用。DNA-pol

DNA-pol

DNA-pol

DNA-pol

3、核酸外切酶的校读活性和碱基选择功能是复制保真性的酶学依据复制按照碱基配对规律进行，是遗传信息能准确传代的基本原理。此外还需酶学的机制来保证复制的保真性。核酸外切酶(exonuclease)是指能从核酸链的末端把核苷酸依次水解出来的酶，外切酶是有方向性的。（1）核酸外切酶活性在复制中辨认切除错配碱基并加以校正DNA-polⅠ的校读功能当DNA聚合酶把不正确的核苷酸掺入DNA后，DNA合成的速度降低且引物3’端与DNA聚合酶的亲和力降低，而与校正外切核酸酶的活性位点亲和力增加，与此位点结合后，错配的核苷酸即被除去，之后，正确配对的DNA链与DNA聚合酶的亲和力恢复，DNA合成继续进行。DNA聚合酶靠其大分子结构协调非共价（氢键）与共价（磷酸二酯键）键的有序形成。嘌呤的化学结构能形成顺式和反式构型，与相应的嘧啶形成氢键配对，嘌呤应处于反式构型。（2）复制的保真性依赖正确的碱基选择遵守严格的碱基配对规律；聚合酶在复制延长时对碱基的选择功能；复制出错时DNA-pol的及时校读功能。DNA复制的保真性至少要依赖三种机制：4、复制中的分子解链伴有DNA分子拓扑学变化DNA分子的碱基埋在双螺旋内部，只有把DNA解成单链，它才能起模板作用。

（1）多种酶参与DNA解链和稳定单链状态原核生物复制起始的相关蛋白质蛋白质通用名功能DnaA解旋酶辨认起始点DnaB解开DNA双链DnaC运送和协同DnaBSSB单链DNA结合蛋白稳定已解开的单链DnaG引物酶催化RNA引物合成拓扑异构酶理顺DNA链E.Coli基因图DNA聚合酶解离双链DNA的能力很差，在复制叉上由DNA解旋酶催化DNA双链的分离。使用ATP水解的能量结合到DNA单链上并沿着其定向移动环形六聚体蛋白解旋酶（helicase）协同结合：一个SSB的结合会促进另一个SSB与其紧邻的单链DNA结合结合SSB的单链DNA处于伸直状态，有利于其作为模版进行DNA合成非特异性结合方式与单链DNA结合单链DNA结合蛋白Single-strandedDNAbindingprotein，SSB——复制起始时催化生成RNA引物。

RNA引物提供3’-OH末端。引物酶(primase)108局部解链后DNA拓扑异构酶改变DNA超螺旋状态、理顺DNA链复制过程正超螺旋的形成：解链过程中正超螺旋的形成既能水解、又能连接磷酸二酯键。

拓扑异构酶Ⅰ

拓扑异构酶Ⅱ拓扑异构酶分类：拓扑异构酶作用特点：拓扑异构酶Ⅰ切断DNA双链中一股链，使DNA解链旋转不致打结；适当时候封闭切口，DNA变为松弛状态。反应不需ATP。拓扑异构酶Ⅱ切断DNA分子两股链，断端通过切口旋转使超螺旋松弛。利用ATP供能，连接断端，DNA分子进入负超螺旋状态。作用机制：拓扑酶的作用方式：5、DNA连接酶连接DNA双链中的单链缺口连接DNA链3

-OH末端和相邻DNA链5

-P末端，使二者生成磷酸二酯键，从而把两段相邻的DNA链连接成一条完整的链。DNA连接酶在复制中起最后接合缺口的作用。在DNA修复、重组及剪接中也起缝合缺口作用。也是基因工程的重要工具酶之一。功能：提供核糖3

-OH提供5

-P结果DNA聚合酶引物或延长中的新链游离dNTP去PPi(dNTP)n+1连接酶复制中不连续的两条单链不连续→连续链拓扑酶切断、整理后的两链改变拓扑状态DNA聚合酶，拓扑酶和连接酶催化3

,5

-磷酸二酯键生成的比较（1）复制起始：DNA解链，形成引发体需要解决两个问题：1.DNA解开成单链，提供模板。2.形成引发体，合成引物，提供3-OH末端。6、原核生物的DNA生物合成DnaA

DnaB、

DnaCDNA拓扑异构酶引物酶SSB3

5

3

5

引发体和引物含有解螺旋酶、DnaC蛋白、引物酶和DNA复制起始区域的复合结构称为引发体。3

5

3

5

引物是由引物酶催化合成的短链RNA分子。引物3'HO5'引物酶（2）复制的延长过程：领头链连续复制，随从链不连续复制复制的延长指在DNA-pol催化下，dNTP以dNMP的方式逐个加入引物或延长中的子链上，其化学本质是磷酸二酯键的不断生成。

DNA聚合酶的高延伸性依赖于滑动夹的存在没有滑动夹存在时，DNA聚合酶平均每合成20-100个碱基对就会从DNA模板链上解离并散落下来，而在有滑动夹存在时，DNA聚合酶的活性部位仍然经常从DNA的3’OH末端脱落，但是其与滑动夹的结合组织了聚合酶从DNA上散开，通过保持DNA聚合酶与DNA的紧密接触，滑动夹使DNA聚合酶能迅速的重新结合到同一引物-模板接头上，大大增加了DNA聚合酶的延伸能力。g复合体在ATP作用下负责滑动夹的装载滑动夹装载器是五个亚基的蛋白质复合体，其活性是由ATP的结合和水解控制的。装载器与ATP结合后即与滑动夹结合并在一个亚基-亚基界面处将环打开。打开的环与新合成的DNA结合，使DNA位于夹子的孔洞之中，DNA的结合通过夹子装载器激发了ATP的水解，结合了ADP的夹子装载器即很快从滑动夹及DNA上脱离下来。DNA聚合酶的装配每个拷贝的DNA聚合酶III全酶中有三个酶，两个拷贝的DNA聚合酶III核心酶和一个拷贝的g-复合体，g-复合体含有两个拷贝的τ-蛋白，每个τ-蛋白都有一个与DNA聚合酶III核心酶相作用的域。DNA聚合酶III全酶通过τ-亚基与DNA解旋酶相互作用，τ-亚基与两个DNA聚合酶都结合，一个DNA聚合酶III核心酶复制前导链，另一个DNA聚合酶III核心酶复制后随链DNA在复制叉的合成DNA引物酶周期性的与DNA解旋酶结合并在后随链模板上合成新的引物DNA在复制叉的合成当后随链DNA聚合酶完成一个冈崎片断的合成之后，即从滑动夹和DNA上脱落DNA在复制叉的合成之后，刚被引物结合的后随链DNA成为夹子装载器的靶子，装载器在新合成的RNA引物及引物模板接头处组装新的滑动夹DNA在复制叉的合成装载有滑动夹的引物模板接头与后随链DNA聚合酶结合起始下一个冈崎片断的合成。DNA在复制叉的合成复制过程简图原核生物基因是环状DNA，双向复制的复制片段在复制的终止点(ter)处汇合。oriter

E.coli8232oriterSV40500（3）复制的终止过程：切除引物、填补空缺、连接切口5

5

5

RNA酶OHP5

DNA-polⅠdNTP5

5

PATPADP+Pi5

5

DNA连接酶

随从链上不连续性片段的连接：在生物界，RNA合成有两种方式：

一是DNA指导的RNA合成，也叫转录，此为生物体内的主要合成方式，也是本节介绍的主要内容。另一种是RNA指导的RNA合成(，也叫RNA复制,由RNA依赖的RNA聚合酶催化，常见于病毒，是逆转录病毒以外的RNA病毒在宿主细胞以病毒的单链RNA为模板合成RNA的方式。三、RNA的合成（转录）转录(transcription)是生物体以DNA为模板合成RNA的过程。转录RNADNA

复制和转录的区别复制转录模板两股链均复制模板链转录原料dNTPNTP酶DNA聚合酶RNA聚合酶产物子代双链DNAmRNA,tRNA,rRNA配对A-T,C-GA-U,C-G,T-A参与转录的物质：原料:NTP(ATP,UTP,GTP,CTP)模板:DNA酶:RNA聚合酶(RNApolymerase,RNA-pol)其他蛋白质因子原核生物转录的模板DNA分子上转录出RNA的区段，称为结构基因(structuralgene)。转录的这种选择性称为不对称转录(asymmetrictranscription)，它有两方面含义：在DNA分子双链上，一股链用作模板指引转录，另一股链不转录；其二是模板链并非总是在同一单链上。5′···GCAGTACATGTC···3′3′···cgtgatgtacag···5′5′···GCAGUACAUGUC···3′N······Ala·Val·His·Val······C编码链模板链mRNA蛋白质转录翻译DNA双链中按碱基配对规律能指引转录生成RNA的一股单链，称为模板链(templatestrand)，也称作有意义链或Watson链。相对的另一股单链是编码链(codingstrand)，也称为反义链或Crick链。5

3

3

5

模板链编码链编码链模板链结构基因转录方向转录方向不对称转录mRNA是蛋白质生物合成的直接模板StartofgeneticmessageCapEndTail5’-端非翻译区5

3

3’-端非翻译区开放阅读框架从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)。四、蛋白质的合成（翻译）遗传密码在mRNA的开放阅读框架区，以每3个相邻的核苷酸为一组，代表一种氨基酸(或其他信息)，这种三联体形式的核苷酸序列称为密码子。起始密码子：AUG终止密码子：UAA、UAG、UGA密码子（codon）起始密码子和终止密码子：遗传密码表遗传密码的特