第三章核酸化学课件

内容 第一节第一节 核酸的种类、分布与功能核酸的种类、分布与功能 第二节第二节 核酸的分子结构核酸的分子结构 第三节 核酸的理化性质 第三章核酸化学 内容和要求 : 1、掌握核酸的种类、化学组成和分子结构， DNA的一级 结构的特点、表示方法及二级结构要点和稳定因素， RNA的二级结构，核酸的主要理化性质， 2、了解核酸的分布， DNA、 RNA的三级结构，核酸分离 纯化的一般方法和理化特性的应用；核酸的生物学功能 ； 第一节第一节 核酸的种类、分布与功能核酸的种类、分布与功能 一、核酸的发现与研究 二、核酸的种类和分布 三、核酸的生物功能 一、核酸的发现与研究 1、核酸的发现 v 1868年瑞士化学家 米歇尔 （ F. Miesher， 1844 1895）首先从脓细胞分离 出 细胞核 ，从中抽提得一种 含磷特别丰富的酸性物质 ，当时曾叫它做 核素 。 （细胞核化学的创始人以及 DNA的发现者） v 1872米歇尔年从鲑鱼的精子细胞核中，发现了大量类似的 酸性物质 。随后 有人在多种组织细胞中也发现了这类物质的存在。 v 1889年 Altmann制备了不含蛋白质的 核酸。 因为这类物质都是从 细胞核 中 提取出来的，而且都具有酸性，因此称为 核酸 。 v 上世纪初，德国生理学家 柯塞尔 （ Kossel， A.1853-1927 ）和他的学生琼 斯（ Johnew， W.1865-1935 ）、 列文 （ Levene， P.A.1896-1940 ）的研究 才搞清楚核酸的化学成分及其最简单的基本结构。证实它是由四种不同的 碱基，即腺嘌呤 （） 、鸟嘌呤 （）、 胸腺嘧啶 （） 和胞嘧啶 （） 及 核糖、磷酸 等组成。其最简单的 单体结构是： 碱基核糖磷酸 构成的 核苷酸。 v 1929年确定核酸有两种： 脱氧核糖核酸（）、核糖核酸（） 。 2.核酸的早期研究 v 核素的功能 v 决定染色体功能的物质？ v 四核苷酸假说 v DNA与 RNA v 核酸的高度特异性 3.DNA双螺旋结构模型的建立 v 1953年 J.D.Watson 和 F.Crick在前人所 做工作的基础上 提出 DNA双螺旋 结构模型 该模型第一次揭示了 DNA分子的结构 组成，开创了从分子水平揭示生命现象 的新纪元。 20世纪自然科学中最伟大的成就之一 。 二、二、 核酸的种类和分布核酸的种类和分布 核酸按其所含戊糖种类不同而分为两大类核酸按其所含戊糖种类不同而分为两大类 ： （一）核酸的分类 v 脱氧核糖核酸 Deoxyribonucleic Acid （ DNA ） v 核糖核酸 ribonucleic acid（ RNA）核糖核酸 （ RNA）： 按功能不同分为三大类 tRNA 转运 RNA（ 15%） rRNA 核糖体 RNA （ 80%） mRNA 信使 RNA （ 5%） 小分子细胞核 RNA（ snRNA） 染色质 RNA（ chRNA） 1、脱氧核糖核酸 (DNA)： v 原核生物细胞 染色体 DNA (环状双链 ) ：集中在拟核 染色体外基因 DNA(环状双链 ) ： 质粒 DNA v 真核生物细胞 染色体 DNA(线性双链 )： 95%细胞核中 染色体外基因 (环状双链 ) ： 5%线粒体及叶绿体中 。 v 病毒 含 DNA的 病毒 (环状双链、线性双链或单链 ) （二）核酸的分布 ： 质粒 v 质粒：是 染色体 外能够进行自主复制的 遗传 单位，包括 真核生物的 细胞 器和 细菌 细胞中染色体以外的 DNA分子。 v 现在习惯上用来专指细菌、 酵母菌 和 放线菌 等生物中染 色体以外的 DNA分子。 2、核糖核酸 (RNA): 其它： hnRNA:不均一核 RNA，在细胞浆中起作用，作 为蛋白质的氨基酸序列合成模板的是 mRNA(messenger RNA)。 hnRNA是 mRNA的未成熟 前体。 snRNA (small nuclear RNA) snoRNA (small nucleoar RNA) scRNA (small cytoplasmic RNA) siRNA （ small interference RNA） miRNA （ micro RNA） 原核细胞内 RNA分散在细胞质中 真核细胞内 RNA 75%细胞质中 15%线粒体及叶绿体中 10%细胞核中 sRNA 二、核酸的生物学功能二、核酸的生物学功能 （一） DNA的生物学功能 DNA是主要的遗传物质，对生物遗传信息的保持有 重大作用 细菌转化实验 噬菌体感染实验 1.DNA是主要的遗传物质 （ 1）细菌转化实验前传（转化因子试验） v 1928年 格里菲斯（ Griffith， J.） v 肺炎双球菌有两种类型 型（有毒） 外包有荚膜，不能被白血球吞噬 型（无毒） 外无荚膜，容易被白血球吞噬 注射毒性的 SIII 注射已杀死的无毒性的SIII+少量活 R型菌株注射无毒性的 RII型 分离到有活的 性的 SIII 转化因子 ？ （ 2）细菌转化实验 v 细菌学家艾弗里（ Avery ， O.T.1877 1955）， 1944 v 结果 ： DNA能使一部分 R 型细胞获得合成 S 型 细胞特有的荚膜多糖的能力。 v 证明 ： DNA是转化物质 v “ 可能不是核酸自有的性质，而是由于微量的、 别的某些附着于核酸上的其它物质引起了遗传信 息的作用 ” 肺炎双球菌的两种类型 型（有毒） 外包有荚膜，菌落光滑 型（无毒） 外无荚膜，菌落粗糙 （ 3）噬菌体感染实验 v 美国生理学家德尔布吕克（ Delbuck ， M.1906 1981） v 1952年赫希尔（ Heishey ， A.D.）和蔡斯（ Chase ， M. ），用同位素标记法进行实验。他们的实验进一步证明 了就是遗传物质基础 。 35S标记 噬 菌体外壳 32P标记 噬菌体 DNA （二） RNA的生物学功能 tRNA 起携带和转移活化氨基酸的作用 rRNA 与各种蛋白质结合构成核糖体，它 是合成蛋白质的细胞器。 mRNA 是蛋白质合成的模板。 1.指导蛋白质的生物合成（参与遗传信息的传 递和表达） DNA转录形成 3类主要的 RNA 2.遗传物质 在病毒中 RNA也是遗传物质 3.具有生物催化剂功能（核酶） 二、核酸的化学组成 （一）、核酸的元素组成（一）、核酸的元素组成 基本元素： C H O N P 核酸的元素组成有两个特点： 1. 一般不含 S 2. P含量较多，并且恒定（ 9%-10% ）。 因此，实验室中用 定磷法 进行核酸的定量 分析。（ DNA9.9% 、 RNA9.5% ） （二） 核酸的分子组成 n 核酸（ DNA和 RNA） 是一种线性多聚核苷酸，它的基本 结构单元是 核苷酸 。 n 核苷酸本身由 核苷 和 磷酸 组成 , n 而核苷则由 戊糖 和 碱基 形成 所以， 核酸 核苷酸 磷酸 核苷 戊糖 碱基 水 解 核 酸 代表 戊糖戊糖 ，对 DNA而言为 脱氧核糖脱氧核糖 ，对 RNA 而言为 核糖核糖 ； 代表 碱基碱基 代表 磷酸基磷酸基 核苷酸核苷酸 1、核苷的组成 组成核酸的戊糖有两种。 DNA所含的糖为 -D- 2-脱氧核糖； RNA所含的糖则为 -D-核糖。 (1). 戊糖 OH O C HC OHHC OHHC H 1 2 3 4 5 CH2OH 核糖D - （直链式） O CC C C OH H H OHOH H H 1 23 4 5HOH 2C 核糖D- - （呋喃式） a 核糖 O CC C C OH H H OH H H 1 23 4 5 H HOH2C 脱氧核糖2D - - - （呋喃式） b 脱氧核糖 O C HCH OHHC OHHC H 1 2 3 4 5 CH2OH 脱氧核糖2D - - （直链式） 嘌呤 (2). 碱基 腺嘌呤 (adenine, A) 鸟嘌呤 (guanine, G) 嘧啶 (pyrimidine) 胞嘧啶 (cytosine, C) 尿嘧啶 (uracil, U) 胸腺嘧啶 (thymine, T) 嘧啶 RNA DNA 尿嘧啶尿嘧啶 U 胸腺嘧啶胸腺嘧啶 T 胞嘧啶胞嘧啶 C 鸟嘌呤鸟嘌呤 G 腺嘌呤腺嘌呤 A 核苷： AR, GR, UR, CR 脱氧核苷： dAR, dGR, dTR, dCR 2. 核苷的结构 戊糖与嘧啶或嘌呤碱以 C-N糖苷键 连接而形成 的糖苷就称为 核苷 ，通常是戊糖的 C1 与嘧啶碱的 N1或嘌呤碱的 N9相连接。 尿苷 NO N O 1 1 OHOCH2 H H HH OH OH 23 4 5 1 9 N N N N NH2 OH H OHOCH2 H H HH 23 4 5 脱氧腺苷 (1)核糖核苷 A G C U 9 9 1 1 1111 (2).脱氧核糖核苷 基本核苷的命名、符号 核苷名称由相应的碱基名和戊糖名加苷而产 生 全名 为 “某碱基核糖核苷 ”或 “某碱基脱氧核糖核 苷 ” 简化 为 “某苷 ”或 “脱氧某苷 ”。如腺苷 、脱氧腺 苷。 核苷符号依据相应碱基而来，对于脱氧核苷 则在碱基代号前加 “d”。 DNA 、 RNA分别有四种核苷 3、磷酸 O O O 解离 HO POH HO P PO | | | OH OH O 磷 酸 磷 酰 基 核苷酸 ： AMP, GMP, UMP, CMP 脱氧核苷酸： dAMP, dGMP, dTMP, dCMP 在核酸内，碱基与戊糖形成核苷，核 苷再与磷酸形成核苷酸，许多核苷酸通过 3 ， 5- 磷酸二酯键 连接成多核苷酸链 核苷酸都是核酸的基本结构单位 ，它们都是 5- 核苷酸。 4. 核苷酸的结构 O OHOH OH HOCH2 H2O H2O 碱基碱基 磷酸磷酸 戊糖戊糖 糖苷键糖苷键 酯键酯键 核苷酸是核苷的磷酸酯核苷酸是核苷的磷酸酯 核苷酸是核苷的磷酸酯。核苷含有 3个可以被磷酸酯化的 羟基 (2、 3和 5)，而脱氧核苷含有 2个这样的羟基 (3和 5)。 *磷酰基磷酰基 通常都是连接在 5-羟基的氧原子上，因此不作特别 指定时，提到一个核苷酸指的都是 5-磷酸酯。 例如腺苷的 5-单磷酸酯就称之腺苷一磷酸（ AMP），也 可简称之腺苷酸。同样，脱氧胞苷的 5-磷酸酯可以称之脱氧 胞苷一磷酸（ dCMP），简称之脱氧胞苷酸。胸腺嘧啶的脱氧 核苷的 5-磷酸酯常称之胸苷酸，但有时为了避免混淆，也称 之脱氧胸苷酸。 下图给出了出现在 DNA和 RNA中的主要的脱氧核糖核苷酸 和核糖核苷酸，它们都是相应 核苷的 5- 磷酸酯 。 核苷酸的名称 某苷 （酯化位） 磷酸 或 （酯化位） 某苷酸 如：腺苷 - （ 5） -磷酸 或 （ 5） 腺苷酸 核苷酸的代号 一般以 核苷号加 “MP”形成 ，如 5AMP。 常见核苷 酸多为 5核苷酸，通常不写出酯化位置（ 5略去）。如 5 AMP写成 AMP。 DNA和 RNA分别有四种基本核苷酸。 腺嘌呤核苷酸（ AMP） Adenosine monophosphate 脱氧腺嘌呤核苷酸（ dAMP） Deoxyadenosine monophosphate 鸟嘌呤核苷酸（ GMP） 胞嘧啶核苷酸（ CMP） 尿嘧啶核苷酸（ UMP） 脱氧鸟嘌呤核苷酸（ dGMP） 脱氧胞嘧啶核苷酸（ dCMP） 脱氧胸腺嘧啶核苷酸（ dTMP） HOH 四、细胞内的其他核苷酸及核苷酸衍生物 1、多磷酸核苷酸 ADP、 ATP、 GDP、 GTP等。 ATP的重要生理功能： 参与能量代谢。 各种三磷酸核苷酸参与 DNA 、 RAN的生物合成（ 作原料）； 参与其它合成。如 UTP参加糖转化、合成， CTP参 与嘌呤、蛋白质的合成； 作辅酶的结构成分。如 NAD 、 NADP 。 核苷酸的磷酸化 核苷一磷酸 （ NMP ） 核苷二磷酸 （ NDP ） 核苷三磷酸 （ NTP ） ADP AMP ATP N NN CHC CHN C O P O OPP O O O H H HO H OH H C HO OHOH OH OCH2 NH2 1 23 5 4 环状腺苷酸 （ cAMP） 2、环化核苷酸 1950年 Earl Sutherland（ 萨瑟兰德）在激素研究中 偶尔发现腺苷 3， 5一磷酸，即 cAMP充当了激素第二 信使的作用，并放大了激素信号。 cGMP 有人认为它与 cAMP的作用相拮抗。 cAMP cGMP 3、辅酶核苷酸 NAD+ NADP+ FMN FAD CoA 一、多核苷酸链：一、多核苷酸链： 基本单位：核苷酸 连接方式 :3,5- 磷酸二酯 键 分子形态 :长链状聚合物 有方向性 :具 5- 端和 3- 端 第二节第二节 核酸的分子结构核酸的分子结构 二、 DNA的分子结构 （一） DNA的一级结构 1.定义 ： DNA的一级结构是由数量极其庞大的四种 脱氧核糖核酸（ dAMP、 dGMP、 dCMP、 dTMP） 按一 定顺序，通过 3,5磷酸二酯键 (一个核苷酸的 3 羟基和相邻一个核苷酸的 5 磷酸基团以酯键 相连。 )连成的直线形或环形分子。 2. DNA的书写顺序是 53 。 3.DNA中有 4种类型的核苷酸，有 n个核苷酸组成的 DNA链中可能有的不同序列总数为 4n。 3， 5-磷酸二酯键磷酸二酯键 1 2 4、 DNA一级结构的表示方法 结构式 /线条式 /字母式 （ 1）结构式 （碱基用单字母表示） 戊糖 3-OH 5-磷酸磷酸 P A 核苷酸核苷酸 5 3 首端 末端 PP P P PP A G C T G C OH （ 2）线条式 （碱基用单字母表示 磷酸基团用 P表示） l 5- 磷酸端（常用 5-P 表示）， 3- 羟基端（常用 3-OH 表示 ）； l 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 53 或是 35 ； l 戊糖用垂直竖线表示，五个 C从上到下依次为 15 。 在讨论有关核酸问题时，一般只关心其中碱基的 种类和顺序，所以上式可以进一步简化为： 5 PAPCPGPCPTPGPTPA 3 或 5 ACGCTGTA 3 (二 )、 DNA的二级结构 （双螺旋） 定义： DNA的二级结构指 DNA的双螺旋结构。 1、 Chargaff 规则（ 20世纪 4050年代） v 不同物种间 DNA碱基组成一般是不同的； v 同一物种不同组织 DNA样品碱基组成相同； v 一个物种的 DNA碱基组成不会因个体的年龄、营养 状态和环境改变而改变； v 任何一种 DNA样品中， A的量 =T的量， G的量 =C的量 ， 因此 A+G=C=T ， A+G+C+T=100%。 例如： G+C含量为 40%， 则 G=20%、 C=20%、 A=30%、 T=30% 2.双螺旋结构的研究背景 （ 1）碱基组成的 Chargaff规则： （ 2） Franklin和 Wilkins获得了高质量的 DNA的 X线衍 射照片，显示出 DNA是螺旋形分子。 （ 3） 1952 年底 , 美国著名的化学大师鲍林 (Linus Pauling)发表了自己构建的 DNA 三螺旋结构。 （ 4） 1953年 Watson和 Crick总结前人的研究成果，提 出了 DNA的 双螺旋结构模型 。 3、 DNA双螺旋结构模型要点 （ Watson, Crick, 1953 ） uDNA分子由两条 相互平行但 走向相反 的脱氧多核苷酸链 组成，两链以 -脱氧核糖 -磷 酸 -为骨架，以 右手螺旋 方 式绕同一公共轴盘。螺旋直 径为 2nm， 形成大沟 (major groove)及小沟 (minor groove)相间。 u磷酸与核糖通过磷酸二酯键连接，形成 DNA分子骨架，位于 DNA分子外侧，嘌呤 与嘧啶位于双螺旋内侧。碱基平面和纵 轴垂直，糖环的平面与纵轴平行。 u碱基垂直螺旋轴居双螺旋内側，与对側 碱基形成 氢键 配对 （互补配对形式： A=T; GC） 。 u相邻碱基平面距离 0.34nm， 螺旋一圈螺 距 3.4nm，一圈 10.5对碱基。 u当一条多核苷酸链的序列确定后，可确 定另外一条互补链的序列 稳定因素： DNA双螺旋结构在生理条件下是很 稳定的。 维持这种稳定性的主要因素包括 ：两条 DNA链之间碱基配对形成的 氢键和碱基堆积力； 另外，存在于 DNA分子中的一些弱 键在维持双螺旋结构的稳定性上 也起一定的作用。即磷酸基团上 的负电荷与介质中的阳离子间形 成的离子键及范德华力。 改变介质条件和环境温度，将影 响双螺旋的稳定性。 4.DNA结构的多样性 v 常见 DNA: B-DNA 右手螺旋（ Watson-Crick模型结 构 ） A-DNA 右手螺旋 Z-DNA 左手螺旋 vDNA各种构象在一定的条件下可以相 互转变 vC型、 D型、 E型均接近 B型，可以看 做与 B型同一族。 v B-DNA： 相对湿度 92%形成，每周 10.4个核苷酸对 v A-DNA： 相对湿度 75%形成，每周 11个核苷酸对，粗短 ，大沟很深 v Z-DNA： 左手螺旋每周 12个核苷酸对，细长 在某些天然 DNA中已发现了 ZDNA 片段，并 执行某种细胞功能，但不十分清楚， 可能与基因 表达、调控有关 。 BDNA 和 ZDNA 之间可以相互转化。 并非所有 DNA都呈双螺旋结构， 如噬菌体 DNA， 单链。 双螺旋 DNA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 DNA B DNA Z DNA 右 右 左 2.0 2.3 1.8 2.8 3.4 4.5 11 10 12 0.255 0.34 0.27 20 0 7 5、三链 DNA DNA的三股螺旋及 三股发辫（ H-DNA） 在 DNA双螺旋基础上形成。通 常仅是一段三链区，而不是整个 分子成三链。 按来源分为：分子间三股螺 旋（插入） ，分子内三股螺旋 （双链之一回折） 三链区的碱基配对 CG=C CG=G T=A=T T=A=A 4、某些其它类型的、某些其它类型的 DNA二级结构二级结构 竹峰高产高峰竹；龙海大腾大海龙。 （三）（三） DNA的三级结构的三级结构 1、定义： DNA的三级结构指 DNA分子（双螺旋）通过扭曲 和折叠所形成的特定构象。包括不同二级结构单元 间、单链与二级结构单元间的相互作用以及 DNA的拓 扑特征。 超螺旋是 DNA三级结构的一种类型。超螺旋 即 DNA双螺旋的螺旋。 线状 DNA形成的纽结、超螺旋和多重螺旋 环状 DNA形成的结、超螺旋和连环类型 线状 DNA形成的超螺旋 环状 DNA形成的超螺旋 用两手分别捏住线性 DNA分子的两端，捻动其中的一端 或两端同时向相反的方向捻动。当 向右捻动向右捻动 时（即沿右手螺旋 方向捻动），等于 紧旋紧旋 （所谓的 “上劲 ”）。处于这样状态的 DNA分子相对于它的松弛状态是一种超过原有旋转状态的状 态，所以称为 过旋过旋 。 当将处于松弛状态（ B构型 ）的双螺旋向 左捻动左捻动 时（即沿 右手螺旋相反方向捻动），等于 解旋解旋 （所谓的 “ 卸劲 ”）。处 于这样状态的 DNA分子相对于它的松弛状态是一种没有达到 原有旋转状态的状态，所以称之 欠旋欠旋 。 当将线性过旋或欠旋的双螺旋 DNA连接形成一个环时，都 会自动形成额外的超螺旋来抵消过旋或欠旋造成的应力，目的 是维持 B构象。过旋 DNA会自动形成额外左手螺旋，而欠旋形 成额外右手螺旋，称为负超螺旋。 2、 超螺旋的形成超螺旋的形成 向左捻向右捻 松弛型 正超螺旋 负超螺旋 细胞中的 环状 DNA一般呈负超螺旋 ，即： 右旋螺旋不足导致部分碱基不形成配对，分子通 过整体拓扑学上的右旋来补足右旋螺旋的不足。 正超螺旋为双螺旋旋转过度，通过分子整体的左 旋来解去过度的螺旋。 3 、超螺旋的作用：、超螺旋的作用： （）可以影响（）可以影响 DNA双链的解螺旋。双链的解螺旋。 （）比伸展的分子更紧密，体积小。结构上使（）比伸展的分子更紧密，体积小。结构上使 DNA有更紧密的形状，在组装中具重要作用。有更紧密的形状，在组装中具重要作用。 负超螺旋可以通过 DNA 的局部解旋消除 ， 解旋区 域通常发生在富含 A/T的 地方，因为这些部位稳定 性比富含 G/C的区域差 。 DNA是负超螺旋时，解旋 过程更容易进行。 4、 DNA与蛋白质复合物的结构与蛋白质复合物的结构 生物体内的核酸通常与蛋白质结合形成复 合物，以核蛋白的形式存在。 DNA分子十分巨大，将它组装在有限的 空间内，需要高度组织，用压缩比来表示。即： DNA分子长度与组装后特定结构长度之比称为压缩 比。 （ 1） .病毒： 病毒颗粒主要由蛋白质和核酸（脂质 、糖类）组成。 动物病毒主要为 DNA病毒，植物病 毒主要为 RNA病毒。核酸是遗传物质，而蛋白质与 病毒宿主的专一性有关，同时可以保护核酸免受 损伤。 （ 2） .细菌的拟核 细菌基因组为双链环状 DNA，与碱性蛋白 和少量 RNA结合，形成突环结构。其 DNA分子 的长度大约是其菌体长度的 1000倍。所以 细 菌 DNA在细胞内紧密缠绕形成致密的小体， 称为拟核（ nucleoid） . 染色质的主要蛋白质成分通称为组蛋白。大多数真核细胞 中都含有 H1、 H2A、 H2B、 H3和 H4 5种组蛋白。当染色质用 低离子强度的溶液处理时，染色质去折叠后电子显微镜照片象 是一条线上穿了许多 “ 珠 ”子一样。 “珠子 ”是 DNA-组蛋白的复 合体，称为核小体，而 “线 ”是双螺旋 DNA。 每个核小体是由各 2分子的 H2A、 H2B、 H3和 H4的八 聚体 和大约 200个 DNA碱基对组成， DNA大约缠绕 1.75圈，有 146个 DNA的碱基对处于与组蛋白复合体紧密结合的状态，形成一个 核小体核心颗粒核小体核心颗粒 。 核心颗粒之间的 “ 线 ”称之 连接 DNA， 大约 有 54个碱基对长。第 5个组蛋白 H1既与连接 DNA结合，又和核 小体核心颗粒结合。 （ 3）真核生物的染色体）真核生物的染色体 -真核细胞核内真核细胞核内 DNA被被 包装形成染色质包装形成染色质 H2A、 H2B、 H3和 H4形成 八 聚体 组蛋白和 DNA 形成核小体 真核生物的染色质丝 组蛋白八聚体： H2A H2B H3 H4各 2个分子 从 DNA到染色质丝， DNA 压缩了近 100倍，若从 DNA到 最后凝缩成染色体， DNA压缩 了近万倍。 螺旋管 与伸展开的 B-DNA长度相比， DNA包装成核小体后， 长度被压缩了 10倍。 串珠状的核小体核心颗粒本身可以卷曲成一个螺旋管 状，产生一种称之 30nm纤维结构。 纤维结构可以形成大的环，在一个大的染色体上大约 存在着多达 2000个环。 环可以附着在 RNA-蛋白质的支架（ Scaffold）上，象 是被固定一样，可以形成超螺旋。 超螺旋还可形成附加的额外的超螺旋，使得 DNA一步 一步地被压缩。 真核生 物染色 体 DNA组 装不同 层次的 结构 DNA双链以左手螺旋缠绕在组蛋白形成的八聚 体核心上即 核小体 念珠状结构 核小体链进一步盘绕、 折叠形成染色质丝 组成突环 玫瑰花结 螺线圈 由螺线圈组装成染色单体。 真核生物的染色体的组装过程：真核生物的染色体的组装过程： RNA的 一级结构 是由数量极其庞大的四种核糖核酸 （ AMP、 GMP、 CMP、 UMP） 按一定顺序，通过 3,5 磷酸二酯键 连成的线形分子，其表示方法与 DNA相同。 许多 RNA单链可以在许多区域发生单链自身的回折 ，同一链上的碱基配对，从而产生部分双螺旋结构和 各种有一定代表性的空间构象。 在 RNA双螺旋区域，碱基配对原则是： A-， G- C之间形成氢键，不能配对的碱基所在区域则呈环状 突起。 RNA的 三级结构 是在茎环结构基础上进一步扭曲折 叠而成的复杂结构。 三、 RNA的结构 (一）、结构共性 1. 碱基组成 A、 G、 C、 U （ A U/GC） 稀有碱 基较多，稳定性较差，易水解 2. 多为单链结构，少数局部形成螺旋 3. 分子较小 4. 分类 l mRNA（ hnRNA 核不均一 RNA） l tRNA l rRNA （ snRNA/asRNA） l 少数 RNA病毒 RNA的种类、分布、功能 （二） RNA的一级结构 RNA分子中各核苷之间 的连接方式（ 3-5磷酸二 酯键 ）和排列顺序叫做 RNA的一级结构 OH OH OH 5 3 RNA与 DNA的差异 DNA RNA 糖 脱氧核糖 核糖 碱基 AGCT AGCU 不含稀有碱基 含稀有碱基 （三） tRNA的结构 1. tRNA的 一级结构 1.由 7493个（多为 76个）核苷酸组成单链，沉 降系数为 4S ； (沉降系数又称为沉降常数，指离心力场中沉 降分子下沉的速度， 1S=1x10-13秒， S常用来表示核酸分子，蛋白 质分子和糖体等的大小） 2.具有不变的（恒定的）核苷酸 :U8 、 G18 、 G19 3.含较多的修饰核苷酸（ 稀有碱基 ）； 4.5端多为 PG ； 3端多为 CCAOH （ 用来接受活 化的氨基酸，又称为接受末端 ） 2.tRNA的二级结构 三叶草结构 具有四臂四环 3端为 CCAOH 序列 ， 5端为 PG 3. tRNA的 三级结构 倒 L形结构 稀有碱基： 5-甲基胞嘧啶 ( m5C ) 1-甲基腺嘌呤 ( m1A ) 次黄嘌呤 ( I ) 二氢尿嘧啶 ( D ) 假尿嘧啶 ( ) 假尿苷 胸腺嘧啶核糖核苷 稀有核苷（ tRNA） 假尿嘧啶环核苷是指 碱基并非尿嘧啶 作为 DNA的稀有碱基存在 核苷中糖被甲基化 糖与碱基之间的连接与正常不同 （山东大学 2000年） tRNA的二级结构 v tRNA的二级结构大都呈 “ 三叶草 ” 形状，在 结构上具有某些共同之 处， 一般可将其分为四 臂四环 ：包括氨基酸接 受臂、反密码（环）臂 、二氢尿嘧啶（环）臂 、 TC（环） 臂 和可变 环。除了氨基酸接受区 外，其余每个区均含有 一个突环和一个臂。 tRNA的三叶草型二级结构 1 2 4 叶子叶子 反密码子环 反密码子 载运氨基酸载运氨基酸 臂臂 稀有碱基稀有碱基 RNA中的碱基配对 原则 A-U G-C 3 额外环 二氢尿 嘧 啶环（ DHU ） 次黄嘌呤 不同的 tRNA 具有不同的 额外环 ，所 以额外环是 tRNA分类的 重要指标 假尿嘧啶核苷 胸 腺嘧啶核糖核苷环 (1)氨基酸接受区 包含有 tRNA的 3- 末端和 5- 末端 ， 3- 末端的最后 3个核苷酸残基 都是 CCA， A为腺苷酸。氨基酸可与 其成酯，该区在蛋白质合成中 起携 带氨基酸的作用。 (2)反密码区 与氨基酸接受区相对，一般环中含 有 7个核苷酸残基 ，臂中含有 5对碱 基。 其中环中正中的 3个核苷酸残 基称为反密码子。 功能：反密码子可以与 mRNA上的 密码子相互识别 （ 3)二氢尿嘧啶区 该区含有二氢尿嘧啶。环由 8-12个核 苷酸 组成，臂由 3-4对碱基组成。 功能：与氨基酰 -tRNA合成酶的结合有 关 (4) TC区 该区与二氢尿嘧啶区相对， 假尿嘧啶核 苷 胸腺嘧啶核糖核苷环 (TC)由 7个 核苷 酸组成，通过由 5对碱基组成的双 螺旋区 (TC臂 )与 tRNA的其余部分相连 。除个别例外，几乎所有 tBNA在此环中 都含有 TC 。 功能：与核糖体的结合 有关 (5)可变区 位于反密码区与 TC区之间，不同的 tRNA该区变化较大，一般有 3-18个核苷 酸组成 。 功能：与核糖体的结合有关 tRNA的三级结构 呈倒 “ L” 形， 3CCA- 末端位于 L的短线一端，反 密码环位于 L的长线一端， DHU和 TC 环形成 L的转角。 作用力 ： （ ）氢键和碱基的上下堆积，以及疏水性 等使得倒 “ L” 结构稳定存在。 （）除了碱基对的氢键外，还有非寻常的 氢键：不互补的碱基间 GG 、 AA 、 AC 等 的氢键；核糖磷酸骨架与碱基骨架之间的氢 键。 （四） mRNA的结构 信使 RNA（ messenger RNA， mRNA） 不均一核 RNA（ heterogeneou nuclear RNA， hnRNA）： 在细胞核内合成的 mRNA的初级产物，经过剪接成为成熟 的 mRNA并移到细胞质。 mRNA的功能： 是把核内 DNA的碱基顺 序按照碱基互补的原则，抄录并转送至 胞质，指导蛋白质的合成。 AAAA Anm7Gppp AUG GUG UAA 5 3 5 帽子结构 密码子 3 多聚 A尾 5 非编码区 编码区 3 非编码区 真核生物 mRNA： v 原核生物基因组的特点 通常只有一个 “ 染色体 DNA分子 ” 基因是连续的，没有内含子 功能相关的基因组成操纵子，具有共同的调节和控制序 列 调控序列占的比例小 大部分为结构基因，只出现一次或几次，少有重复序列 v 真核生物基因组的特点 基因一般分布在若干条染色体上。 断裂基因：内含子与外显子 功能相关的基因不组成操纵子 调控序列所占的比例大 有大量重复序列：轻度、中度、高度重复序列 反向重复序列（回文序列） * 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。 DNA mRNA 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 mRNA hnRNA 翻译 蛋白 真核细胞 mRNA的成熟过程 mRNA结构的特点 z真核生物成熟 mRNA的结构特点及与原核生物的 区别： 1、 5端帽子结构 （ cap sequence): m7G5ppp5Nm- 5-末端的 G的 N7被甲基化。鸟嘌呤核苷酸焦磷酸 与相邻的一个核苷酸相连，形成 5,5-磷酸二酯键 。 帽子结构能促进核蛋白体与 mRNA的结合加速翻 译起始速度，同时可以增强 mRNA的稳定性。 原核生物无此结构 2、 3末端多聚 A的尾巴 。 极大多数真核细胞 mRNA在 3-末端有一段长约 20 200 个多聚腺苷酸的 polyA。 polyA是在转录后经 polyA聚合酶的作用而添加上去的。 原核生物无些结构 polyA的功能： 1、与 mRNA从细胞核转移到细胞质有关； 2、与 mRNA的半寿期有关，新合成的 mRNA， polyA链较长，而衰老的 mRNA ， polyA链缩短。 3、 真核生物 mRNA是单顺反子的，而原 核生物的 mRNA是多顺反子的。 顺反子： 是由顺反试验所规定的遗传单位 相当于一个基因，含有决定一种蛋白质氨 基酸序列的全部核苷酸序列。 多顺反子： 是指携带一种以上蛋白质合成 信息的 mRNA 也就是说：原核生物 mRNA可编码几条不 同的多肽链。 单顺反子： 只编码一条多肽链。 （五） rRNA 的结构 概述 rRNA是细胞内含量最多的 RNA ， 约占 RNA 总量的 80以上。 rRNA与蛋白质共同构成 核糖体 （ ribosome， 是 一种核酶 ），其中蛋白质 约占 40， rRNA约占 60。 功能 核糖体中催化肽键合成的是 rRNA， 蛋白质只是维持 rRNA构象，起辅 助作用 。 核糖体分大小两个亚基： 原核生物核糖体中有 3类 rRNA（ 大 50S；小： 30S ）： 5S rRNA， 16S rRNA， 23S rRNA。 真核生物核糖体中有 4类 rRNA （ 大 60S；小： 40S） ： 5S rRNA， 5.8S rRNA， 18S rRNA， 28S rRNA。 大肠杆菌 E.Coli. 16srRNA的结构 (六 )核内小分子 RNA（ snRNA） 只存在于真核生物细胞中，只有 100200个核 苷酸。 能与一些特殊的蛋白质形成稳定的复合物（核 内小分子核糖蛋白体 snRNP）， 在真核生物基因转 录产物（核内不均一 RNA、 hnRNA） 加工为成熟 mRNA中起重要作用。 一 、核酸的一般性质 1.由于核酸、核苷酸中含有碱基和磷酸基，而 呈两性电离，是两性电解质。磷酸基比碱基更 易解离，故核酸表现为酸性。生理 pH条件或近 中性条件下核酸带负电荷，可在电场中向阳极 泳动。 2.DNA为白色纤维状固体， RNA为白色粉末 ，均微溶于水，不溶于有机溶剂。 3.DNA溶液的粘度极高，而 RNA溶液要小得多。 第三节 核酸的理化性质 4、核酸的水解 （ 1）、碱水解：室温，稀碱下， RNA可水解为核苷酸； DNA不能水解。 （ 2）、酸水解：稀酸长时间或高温或强酸处理核酸，可 促使核酸发生糖苷键、二酯键水解。 (3)、酶水解：核酸酶、核苷酸酶等，详细见 “ 核酸代谢 ” 。 5、 沉降特性 由于溶液中的核酸在离心场中可下沉，因而可用超离 心法纯化核酸，沉降速度有差异： RNA环形 DNA线形 DANPRO 或将不同构象的核酸分离，也可测沉降系数和分子量。 RNA ：蔗糖梯度超离心 DNA ：氯化铯梯度超离心 二、核酸的紫外吸收特性 v 在核酸分子中，由于嘌 呤碱和嘧啶碱具有共轭 双键体系，因而具有独 特的紫外线吸收光谱， 一般在 260nm左右有最大 吸收峰，可以作为核酸 及其组份定性和定量测 定的依据。 v 以 A260/A280进行定性、定 量 v DNA和 RNA溶液中加入溴 化乙锭（ EB）， 在紫外 下发出荧光 220 240 260 280 0.1 0.2 0.3 0.4 波长（ nm） 光 吸 收 1 2 3 增色效应 ：核酸在 加热 变性过程中 260nm波长吸收值（ A260 ）增加； 减色效应 ：核酸在 复 性过程中 260nm 波长吸收值（ A260 ）减小。 核酸的紫外吸收峰 天然 DNA 变性 DNA纯 DNA为 1.8 纯 RNA为 2.0 所以用这 一方法可 以检测样 品是否是 纯品 OD260 OD280 三、核酸的变性与复性 分子杂交 （一）核酸的变性 1、核酸的变性的概念 指核酸的双螺旋区的氢键断裂，变成单链 ，并不涉及共价键的断裂，分子量不变，一 级结构不发生变化。 2、变性因素：加热、酸碱度改变、