生物化学 第2章 核酸的结构与功能

1第二章

核酸的结构与功能StructureandFunctionofNucleicAcid生物化学与分子生物学教研室

2（一）熟悉核酸的分类和生物学功能、分子组成、化学结构特点。（二）掌握核酸一级结构的概念及连接键。（三）掌握DNA的碱基组成及Chargaff规则、DNA的双螺旋结构要点。（四）熟悉DNA的超螺旋结构、核小体的组成。（五）掌握RNA的分类、mRNA的结构特点、tRNA一级结构及二级结构的特点、rRNA的功能。（六）熟悉核酸重要的理化性质。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。包括核糖核酸（ribonucleicacid,RNA）和脱氧核糖核酸（deoxyribonucleicacid,DNA）两大类。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TheChemicalComponentandPrimaryStructureofNucleicAcid6核酸(DNA和RNA)核苷酸核苷和脱氧核苷磷酸戊糖碱基嘌呤嘧啶核糖脱氧核糖核酸组成碱基分子组成碱基(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8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1.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)11DNA中含有A、G、C、TRNA中含有A、G、C、U12碱基的互变异构体

2.戊糖（构成RNA）1´2´3´4´5´核糖(ribose)（构成DNA）脱氧核糖(deoxyribose)143．核苷(nucleoside)：

核苷是由戊糖与含氮碱基经脱水缩合而生成的化合物。在大多数情况下，核苷是由核糖或脱氧核糖的C1′与嘧啶碱N1或嘌呤碱N9进行缩合反应，故生成的化学键称为N-糖苷键。15嘌呤核苷、嘧啶核苷1´1NNNN9NH2OOHOHHHHCH2OHH1'2'164.核苷酸(ribonucleotide)NNNN9NH2OOHOHHHHCH2H1'2'OPO-HOO糖苷键酯键核苷酸(nucleotide)是由核苷与磷酸经脱水缩合后生成的磷酸酯类化合物，包括核糖核苷酸和脱氧核糖核苷酸两大类。17

5

-核苷酸又可按其在5

位缩合的磷酸基的多少，分为一磷酸核苷（核苷酸）、二磷酸核苷和三磷酸核苷。

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19核苷酸的命名及缩写符号脱氧碱基磷酸基数目磷酸dAMPGDTTCU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

的羟基与另一个脱氧核苷酸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。213',5'-磷酸二酯键的形成磷酸二酯键225´-末端3´-末端CGA磷酸二酯键磷酸二酯键23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

24三、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。定义构成核酸的核苷酸或脱氧核苷酸从5′-末端到3′-末端的排列顺序。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碱基核糖核酸第二节DNA的空间结构与功能DimensionalStructureandFunctionofDNA30DNA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。31[A]=[T]，[G]=[C]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。Chargaff规则（一）DNA双螺旋结构的研究背景一、DNA的二级结构是双螺旋结构321951年由Franklin和Wilkins等人完成的研究工作，发现了DNA晶体的X线衍射图谱中存在两种周期性反射，并证明DNA是一种螺旋构象。

34（二）DNA双螺旋结构模型要点DNA是反向平行、右手螺旋的双链结构DNA双链之间形成了互补碱基对疏水作用力和氢键共同维系着DNA双螺旋结构的稳定。36两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。1.DNA是反向平行、右手螺旋的双链结构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。2.3737双螺旋结构的表面形成了一个大沟(majorgroove)和一个小沟(minorgroove)。

2.DNA双链之间形成了互补碱基对A与T或G与C配对形成氢键，这种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)。A与T为两个氢键，G与C为三个氢键；碱基对平面与螺旋轴垂直。39碱基配对及氢键形成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42（三）DNA双螺旋结构的多样性43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44（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)。45三链结构46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DNA分子的3′末端47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。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。

（一）原核生物DNA的环状超螺旋结构绝大多数原核生物的DNA都是共价封闭的环状双螺旋。进一步盘绕则形成麻花状的负超螺旋结构，平均每200碱基就有一个超螺旋形成。50DNA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)。52DNA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53DNA：约200bp

组蛋白：H12×H2A，H2B2×H32×H4核小体的组成54核小体串珠样的结构55双链DNA的折叠和组装56DNA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。57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StructureandFunctionofRNA60RNA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转运RNA核内不均一RNA核内小RNA胞浆小RNA细胞核和胞液线粒体功能mRNAtRNAmtmRNAmttRNAHnRNASnRNASnoRNAscRNA/7SL-RNA蛋白质合成模板转运氨基酸成熟mRNA的前体参与hnRNA的剪接、转运rRNA的加工、修饰蛋白质内质网定位合成的信号识别体的组分核仁小RNA信使RNA转运RNA核内不均一RNA核内小RNA胞浆小RNA细胞核和胞液线粒体功能mRNAtRNAmtmRNAmttRNAHnRNASnRNASnoRNAscRNA/7SL-RNA蛋白质合成模板转运氨基酸成熟mRNA的前体参与hnRNA的剪接、转运rRNA的加工、修饰蛋白质内质网定位合成的信号识别体的组分核仁小RNA核蛋白体RNArRNAmtrRNA核蛋白体组分62

在细胞核内以DNA为模板，通过转录合成mRNA,于是DNA携带的遗传信息传给了mRNA,mRNA到胞液，作为模板指导蛋白质的合成，于是将DNA的遗传信息变为蛋白质肽链上氨基酸的排列顺序，从而体现DNA的遗传特征。在此过程中RNA起到了将DNA遗传信息传给蛋白质的作用，故将此RNA命名为信使RNA.一、mRNA是蛋白质合成中的模板63mRNA在真核生物中的初级产物称为hnRNA。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。hnRNA内含子(intron)mRNAmRNA成熟过程

外显子(exon)65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。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)。成熟的真核生物mRNA66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67帽子结构的功能：

①有利于mRNA从细胞核向胞质转运。②在蛋白质合成中与核蛋白体结合，与起始因子结合。③增加mRNA的稳定性。mRNA的帽结构与帽结合蛋白(capbindingprotein，CBP)结合成复合物后，可发挥多种功能。68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69PolyA与PolyA结合蛋白(PABP)结合成复合物存在，10~20个碱基结合一个PABP。

多聚A尾的功能：①与帽子结构共同负责mRNA由胞核向胞质转运。②维持mRNA的稳定性。③调控翻译的起始。70（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个核苷酸为一组决定一种氨基酸，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。71（四）mRNA的成熟过程是hnRNA的剪接过程卵清蛋白mRNA的成熟72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73（一）tRNA中含有多种稀有碱基tRNA中稀有碱基占所有碱基的10%~20%NHNH2CH2COORDihydrouridine（DHU）NHHNOORpseudouridine（y）NHNNNONH2RCH37-Methylguanosine（mG）135531351774

茎环结构（发卡式结构）：由于tRNA几十个核苷酸中存有一些局部互补配对区域，可通过配对碱基氢键形成而形成局部双链，呈茎状，中间不能配对部分膨出形成环，称为茎环(stem-loop)结构或发卡(hairpin)结构。（二）tRNA具有茎环结构75tRNA的二级结构由于局部双螺旋的形成而呈现“三叶草”形，故称为“三叶草”结构。tRNA的“三叶草”形结构包括：氨基酸臂、DHU臂、反密码臂、可变臂和TψC臂五部分。76携带氨基酸因含稀有碱基DHU识别mRNA上的密码含稀有碱基胸嘧啶T和假尿嘧啶Ψ氨基酸臂DHU臂反密码臂可变臂T

C臂77tRNA的倒L三级结构78tRNA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79tRNA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80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81原核生物中，rRNA有三种：5S，16S，23S。其中，16S的rRNA参与构成核蛋白体的小亚基，而5S和23S的rRNA参与构成核蛋白体大亚基。真核生物中，rRNA有四种：5S，5.8S，18S，28S。其中，18S的rRNA参与构成核蛋白体小亚基，其余的rRNA参与构成核蛋白体大亚基。82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28S5.85S5S4718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%8318S

rRNA的二级结构84原核生物翻译过程中核蛋白体结构模式A位：氨基酰位(aminoacylsite)P位：肽酰位(peptidylsite)E位：排出位(exitsite)与模板mRNA和起始tRNA结合位点：主要与小亚基有关A位：又称受位或氨酰基位，可与新进入的氨基酰tRNA结合；由大、小亚基成分构成。P位：又称给位或肽酰基位，可与延伸中的肽酰基tRNA结合；由大、小亚基成分构成。E位：又称排出位，空载tRNA脱离核蛋白体前的结合位点；主要由大亚基成分构成。85蛋白质合成时形成的复合体86四、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（snRNA）核仁小RNA(snoRNA)胞质小RNA(scRNA)催化性小RNA(smallcatalyticRNA)小片段干涉RNA

(siRNA)

snmRNAs的种类88snmRNAs的功能（1）参与hnRNA和rRNA的加工和转运。（2）参与基因表达过程的调控。（3）催化性小RNA具有催化特定RNA降解的活性，称为核酶。（4）siRNA可与外源基因表达的mRNA结合，诱导其降解。

89RNA组学研究细胞中snmRNAs的种类、结构和功能。同一生物体内不同种类的细胞、同一细胞在不同时间、不同状态下snmRNAs的表达具有时间和空间特异性。RNA组学90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91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理化因素会导致DNA双链互补碱基对之间的氢键发生断裂，使双链DNA解离为单链，这种现象称为DNA的变性(denaturation)。定义引起DNA变性的因素主要有：①高温，②强酸强碱，③有机溶剂等。部分变性DNA的电镜图像99①增色效应(hyperchromiceffect)：指DNA变性后对260nm紫外光的光吸收度增加的现象；②旋光性下降；③粘度降低；④生物学功能丧失或改变。DNA变性后的性质改变：增色效应(hyperchromiceffect)：DNA变性时其溶液OD260增高的现象。DNA解链时的紫外吸收变化DNA的解链曲线连续加热DNA的过程中以温度相对于A260值作图，所得的曲线称为解链曲线。解链过程中，紫外吸光度的变化达到最大变化值的一半时所对应的温度。解链温度(meltingtemperature，Tm)