生物化学与分子生物学：chap2.核酸的结构与功能1

1、目目 录录 第二章第二章 核酸的结构与功能核酸的结构与功能 Structure and Function of Nucleic Acid 目目 录录 n核核 酸酸(nucleic acid) 是以核苷酸为基本组成是以核苷酸为基本组成 单位的生物大分子，携带和单位的生物大分子，携带和 传递遗传信息。传递遗传信息。 目目 录录 n核酸的分类及分布核酸的分类及分布 存在存在于细胞核和于细胞核和线粒体线粒体 分布于细胞核、细胞质、分布于细胞核、细胞质、 线粒体线粒体 (deoxyribonucleic acid, DNA) (ribonucleic acid, RNA) 脱氧核糖核酸脱氧核糖核酸 核糖

2、核酸核糖核酸 携带遗传信息，并通过复携带遗传信息，并通过复 制传递给下一代。制传递给下一代。 是是DNA转录的产物，参与转录的产物，参与 遗传信息的复制与表达。遗传信息的复制与表达。 某些病毒某些病毒RNA也可作为遗也可作为遗 传信息的载体传信息的载体 目目 录录 第一节第一节 核酸的化学组成以及核酸的化学组成以及 一级结构一级结构 The Chemical Component of Nucleic Acid and Primary Structure of Nucleic Acid 目目 录录 元素组成元素组成 组成核酸的主要元素：组成核酸的主要元素： C、H、O、N、P（9%10%） 目目

3、 录录 一、核苷酸一、核苷酸-核酸的基本组成单位核酸的基本组成单位 分子组成分子组成 1.碱基碱基(base) 嘌呤碱，嘧啶碱嘌呤碱，嘧啶碱 2.戊糖戊糖(ribose) 核糖，脱氧核糖核糖，脱氧核糖 3.磷酸磷酸(phosphate) 稀有碱基：如次黄嘌呤、二氢尿嘧啶等稀有碱基：如次黄嘌呤、二氢尿嘧啶等 核苷酸核苷酸-核酸的组成单位核酸的组成单位 目目 录录 碱基碱基(base)是含氮的杂环化合物。是含氮的杂环化合物。 碱基碱基 嘌呤嘌呤 嘧啶嘧啶 腺嘌呤腺嘌呤 鸟嘌呤鸟嘌呤 尿嘧啶尿嘧啶 胸腺嘧啶胸腺嘧啶 胞嘧啶胞嘧啶 存在于存在于DNA和和RNA中中 仅存在于仅存在于RNA中中 仅存在于

4、仅存在于DNA中中 1.1.碱基碱基 目目 录录 嘌呤嘌呤(purine) 腺嘌呤腺嘌呤(adenine, A) N N NH N 1 2 3 4 5 6 7 8 9 N N NH N NH2 N NH NH N NH2 O 鸟嘌呤鸟嘌呤(guanine, G) 目目 录录 N NH 1 3 2 4 5 6 嘧啶嘧啶(pyrimidine，Py) 胞嘧啶胞嘧啶(cytosine, C) N NH NH2 O 尿嘧啶尿嘧啶(uracil, U) NH NH O O 胸腺嘧啶胸腺嘧啶(thymine, T) NH NH O O CH3 目目 录录 2.2.戊戊 糖糖 （构成构成RNA） 1 2 3

5、 4 5 核糖核糖(ribose) （构成构成DNA） 脱氧核糖脱氧核糖(deoxyribose) OH O CH2OH OHOH OH O CH2OH OH 目目 录录 3.核苷核苷(ribonucleoside) 碱基和核糖碱基和核糖(脱氧核糖脱氧核糖)通过通过糖苷键糖苷键 连接形成核苷连接形成核苷(脱氧核苷脱氧核苷)。 核苷种类核苷种类 核苷：核苷：AR, GR, UR, CR 脱氧核苷：脱氧核苷：dAR, dGR, dTR, dCR 目目 录录 PiPi 糖苷键糖苷键 O OH O CH2 HOH N N NH2 O 磷酸酯键磷酸酯键 O P O O OH OH O CH2 HOH N

6、 N NH2 O 目目 录录 4.核苷酸核苷酸(ribonucleotide) 核苷（脱氧核苷）和磷酸以核苷（脱氧核苷）和磷酸以磷酸酯键磷酸酯键 连接形成核苷酸（脱氧核苷酸）。连接形成核苷酸（脱氧核苷酸）。 核苷核苷酸：酸： AMP, GMP, UMP, CMP 脱氧脱氧核苷酸：核苷酸： dAMP, dGMP, dTMP, dCMP 核苷酸种类核苷酸种类 目目 录录 重要的游离核苷酸及其衍生物重要的游离核苷酸及其衍生物 1.多磷酸核苷酸多磷酸核苷酸 NMP，NDP，NTP 2.环化核苷酸环化核苷酸 cAMP，cGMP N O CH2O OHOH N N N NH2 P O OH OP O OH

7、 OP O OH OH 目目 录录 5.5.核酸中核苷酸的连接方式核酸中核苷酸的连接方式 核苷酸通过核苷酸通过3，5-磷酸二酯键磷酸二酯键 连接形成的大分子连接形成的大分子 多个核苷酸通过磷酸二酯键构多个核苷酸通过磷酸二酯键构 成了具有成了具有方向性方向性的线性分子，称为的线性分子，称为 多聚核苷酸多聚核苷酸，即即DNA或或RNA链链。 目目 录录 交替的磷酸交替的磷酸 基 团 和 戊 糖基 团 和 戊 糖 构成了构成了DNA 的骨架的骨架 。 DNA或或RNA链的链的 方向是方向是5 3 目目 录录 n定义定义 核酸中核苷酸的核酸中核苷酸的 排列顺序，即排列顺序，即碱基碱基 序列序列。 55

8、端端 3端端 C G A 二、核酸的一级结构二、核酸的一级结构 是核苷酸的排列顺序是核苷酸的排列顺序 核酸分子的大小常核酸分子的大小常 用碱基或碱基对数用碱基或碱基对数 目来表示。目来表示。 目目 录录 nDNA和和RNA的区别的区别 核糖核糖 G、C、A、U RNA 脱氧核糖脱氧核糖 G、C、A、TDNA 碱基碱基核糖核糖核酸核酸 目目 录录 第二节第二节 DNA的空间结构与功能的空间结构与功能 Structure and Function of DNA 目目 录录 DNA的空间结构又分为二级结构的空间结构又分为二级结构 (secondary structure)和高级结构。和高级结构。 n

9、DNA的空间结构的空间结构(spatial structure) 构成构成DNA的所有原子在三维空间的所有原子在三维空间 的相对位置关系。的相对位置关系。 目目 录录 一、一、 DNA的二级结构是双螺旋结构的二级结构是双螺旋结构 定义：即平行反向的右手双螺旋结构。定义：即平行反向的右手双螺旋结构。 Watson, Crick于于1953提出。提出。 目目 录录 （一）研究的实验基础（一）研究的实验基础 碱基组成分析碱基组成分析-Chargaff 规则：规则： （1）不同生物种属）不同生物种属DNA的碱基组成不同；的碱基组成不同； （2）同一个体的不同器官或组织的）同一个体的不同器官或组织的DN

10、A碱碱 基组成相同；基组成相同； （3）对于一特定组织的）对于一特定组织的DNA，其碱基组分，其碱基组分 不随年龄、营养状态和环境而变化；不随年龄、营养状态和环境而变化； （4） A = T，G C X-线衍射图谱分析线衍射图谱分析 提出提出DNA分子双螺旋结构分子双螺旋结构(double helix)模型模型 目目 录录 （二）（二） DNA双螺旋结构双螺旋结构 模型要点模型要点 1. 由两条由两条反平行反平行的脱的脱 氧多核苷酸链组成，氧多核苷酸链组成， 以以右手螺旋右手螺旋方式盘方式盘 绕中心轴。螺旋直绕中心轴。螺旋直 径为径为2.37nm，螺距，螺距 为为3.54nm。 2.核糖与磷酸

11、位于外侧核糖与磷酸位于外侧 。 脱氧核糖和磷酸基团脱氧核糖和磷酸基团 组成的亲水性骨架位组成的亲水性骨架位 于双螺旋结构的于双螺旋结构的外侧外侧， 疏水的碱基位于疏水的碱基位于内侧内侧。 双螺旋结构的表面形双螺旋结构的表面形 成了一个成了一个大沟大沟和一个和一个 小沟小沟。 5/ 3/ 5/ 3/ 目目 录录 （二）（二） DNA双螺旋结构双螺旋结构 模型要点模型要点 3. 碱基相互形成氢键碱基相互形成氢键 配对配对(A=T; G C)， 两条链为互补链。两条链为互补链。 5/ 3/ 5/ 3/ 4. 氢键氢键维持横向稳定性，维持横向稳定性， 碱基堆积力碱基堆积力维持纵向维持纵向 稳定性。稳定

12、性。 目目 录录 （三）（三）DNA双螺旋结构的多样性双螺旋结构的多样性 （四）（四）DNA的多链结构的多链结构 目目 录录 超螺旋结构超螺旋结构(superhelix 或或supercoil) DNA双螺旋链再盘绕即形成超螺旋结构。双螺旋链再盘绕即形成超螺旋结构。 正超螺旋正超螺旋(positive supercoil) 盘绕方向与盘绕方向与DNA双螺旋方同相同。双螺旋方同相同。 负超螺旋负超螺旋(negative supercoil) 盘绕方向与盘绕方向与DNA双螺旋方向相反。双螺旋方向相反。 二、二、 DNA的的高级结构是超螺旋结构高级结构是超螺旋结构 目目 录录 （一）原核生物（一）原

13、核生物DNA的环状超螺旋结构的环状超螺旋结构 DNA在二级结构的基础上进一步折叠成环状在二级结构的基础上进一步折叠成环状 或麻花状的超螺旋结构。原核生物或麻花状的超螺旋结构。原核生物DNA多为多为 环状的双螺旋分子环状的双螺旋分子 ，以负超螺旋的形式存在，以负超螺旋的形式存在， 平均每平均每200碱基就有一个超螺旋形成。碱基就有一个超螺旋形成。 环状环状 麻花状麻花状 目目 录录 （二）（二） 真核生物真核生物DNA以核小体为单位以核小体为单位 形成高度有序致密结构形成高度有序致密结构 真核生物真核生物DNA以非常有序的形式存以非常有序的形式存 在于细胞核内。在于细胞核内。 在细胞周期的大部分

14、时间里，在细胞周期的大部分时间里，DNA 以松散的染色质以松散的染色质(chromatin)形式存形式存 在，在细胞分裂期，则形成高度致在，在细胞分裂期，则形成高度致 密的染色体密的染色体(chromosome)。 目目 录录 DNA染色质呈现出的串珠样结构。染色质呈现出的串珠样结构。 染色质的基本单位是核小体染色质的基本单位是核小体(nucleosome)。 nDNA染色质的电镜图像染色质的电镜图像 目目 录录 真核生物染色体由真核生物染色体由 DNA和蛋白质构成，其基和蛋白质构成，其基 本单位是核小体。本单位是核小体。 DNA在真核生物细胞核内的组装在真核生物细胞核内的组装 核小体的组成核

15、小体的组成 DNA：约：约200bp H1 H2A，H2B H3 H4 组蛋白组蛋白 2nm DNA 目目 录录 DNA：约约200bp 组蛋白：组蛋白：H1 H2A，H2B H3 H4 n核小体的组成核小体的组成 目目 录录 n核小体串珠样的结构核小体串珠样的结构 目目 录录 n真核生物的染色体真核生物的染色体两个功能区：两个功能区： 端粒端粒(telomeres):染色体末端染色体末端 膨大的粒状结构，由染色体末膨大的粒状结构，由染色体末 端端DNA（端粒（端粒DNA）与）与DNA 结合蛋白构成。与染色体结构结合蛋白构成。与染色体结构 的稳定性、完整性以及衰老和的稳定性、完整性以及衰老和

16、肿瘤的发生发展相关。肿瘤的发生发展相关。 着丝粒（着丝粒（centromere）:两个两个 染色单体的连接位点，富含染色单体的连接位点，富含A、 T序列。细胞分裂时，着丝粒序列。细胞分裂时，着丝粒 可分开使染色体均等有序地进可分开使染色体均等有序地进 入子代细胞。入子代细胞。 目目 录录 DNA的基本功能是以基因的形式荷载遗传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，也是个体生命活是生命遗传的物质基础，也是个体生命活 动的信息基础。动的信息基础。 基因从结构上定义，是指基因从结构上定义，是指DNA分子中的特

17、分子中的特 定区段，其中的核苷酸排列顺序决定了基定区段，其中的核苷酸排列顺序决定了基 因的功能。因的功能。 三、三、DNA是遗传信息的物质基础是遗传信息的物质基础 DNA具有高度稳定性的特点，用来保持生具有高度稳定性的特点，用来保持生 物体系遗传的相对稳定性。同时，物体系遗传的相对稳定性。同时，DNA又又 表现出高度复杂性的特点，它可以发生各表现出高度复杂性的特点，它可以发生各 种重组和突变，适应环境的变迁，为自然种重组和突变，适应环境的变迁，为自然 选择提供机会。选择提供机会。 目目 录录 第三节第三节 RNA的结构与功能的结构与功能 Structure and Function of RN

18、A 目目 录录 RNA与蛋白质共同负责基因的表达和与蛋白质共同负责基因的表达和 表达过程的调控表达过程的调控; RNA通常以单链的形式存在，但有复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杂的局部二级结构或三级结构; RNA比比DNA小的多小的多; RNA的种类、大小和结构远比的种类、大小和结构远比DNA表表 现出多样性，主要现出多样性，主要mRNA、rRNA、 tRNA。 目目 录录 nRNA的种类、分布、功能的种类、分布、功能 核蛋白体核蛋白体RNA 信使信使RNA 转运转运RNA 核内不均一核内不均一RNA 核内小核内小RNA 胞浆小胞浆小RNA 细胞核和胞液细胞核和胞液线

19、粒体线粒体功功能能 rRNA mRNA mt rRNA tRNA mt mRNA mt tRNA HnRNA SnRNA SnoRNA scRNA/7SL-RNA 核蛋白体组分核蛋白体组分 蛋白质合成模板蛋白质合成模板 转运氨基酸转运氨基酸 成熟成熟mRNA的前体的前体 参与参与hnRNA的剪接、转运的剪接、转运 rRNA的加工、修饰的加工、修饰 蛋白质内质网定位合成蛋白质内质网定位合成 的信号识别体的组分的信号识别体的组分 核仁小核仁小RNA 核蛋白体核蛋白体RNA 信使信使RNA 转运转运RNA 核内不均一核内不均一RNA 核内小核内小RNA 胞浆小胞浆小RNA 细胞核和胞液细胞核和胞液线

20、粒体线粒体功功能能 rRNA mRNA mt rRNA tRNA mt mRNA mt tRNA HnRNA SnRNA SnoRNA scRNA/7SL-RNA 核蛋白体组分核蛋白体组分 蛋白质合成模板蛋白质合成模板 转运氨基酸转运氨基酸 成熟成熟mRNA的前体的前体 参与参与hnRNA的剪接、转运的剪接、转运 rRNA的加工、修饰的加工、修饰 蛋白质内质网定位合成蛋白质内质网定位合成 的信号识别体的组分的信号识别体的组分 核仁小核仁小RNA 目目 录录 信使信使RNA(messenger RNA, mRNA) 是合成蛋白质的模板。是合成蛋白质的模板。 hnRNA（核内不均一（核内不均一RN

21、A）经过剪）经过剪 切后成为切后成为成熟的成熟的mRNA。 一、一、mRNA信使信使RNA 目目 录录 hnRNA 内含子内含子 ( (intron) ) mRNA nmRNA成熟过程成熟过程 外显子外显子 ( (exon) ) 目目 录录 O N N N N NH2 O OCH3 O HH H CH2 H OP O- O O HN N N O H2N N O OH HH H CH2 H OH OP O O- CH3 P O- O 5 23 5 n帽子结构帽子结构: :m7GpppNm 1. 大部分真核细胞大部分真核细胞mRNA的的5末端都以末端都以 7-甲基鸟嘌呤甲基鸟嘌呤-三磷酸核苷为起始

22、结构三磷酸核苷为起始结构 mRNA的帽结构可以与的帽结构可以与帽结合蛋白帽结合蛋白(cap binding protein，CBP)结合。结合。 目目 录录 真核生物的真核生物的mRNA 的的3 -末端转录后末端转录后 加上一段长短不一的聚腺苷酸。加上一段长短不一的聚腺苷酸。 2. 在真核生物在真核生物mRNA的的3末端有末端有 多聚腺苷酸结构多聚腺苷酸结构 mRNA核内向胞质的转位核内向胞质的转位 mRNA的稳定性维系的稳定性维系 翻译起始的调控翻译起始的调控 n帽子结构和多聚帽子结构和多聚A尾的功能尾的功能 目目 录录 3. mRNA依照自身的碱基顺序指导依照自身的碱基顺序指导 蛋白质氨基

23、酸顺序的合成蛋白质氨基酸顺序的合成 从从mRNA分子分子5末端起的第一个末端起的第一个AUG开开 始，每始，每3个核苷酸为一组称为个核苷酸为一组称为密码子密码子 (codon)或或三联体密码三联体密码(triplet code)。 AUG被称为起始密码子；决定肽链被称为起始密码子；决定肽链 终止的密码子则称为终止密码子。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位于起始密码子和终止密码子之间的核 苷酸序列称为苷酸序列称为开放阅读框开放阅读框(open reading frame, ORF)，决定了多肽链的氨基酸，决定了多肽链的氨基酸 序列序列 。 目目 录录 成熟的成熟

24、的mRNA由氨基酸编码区和非编由氨基酸编码区和非编 码区构成。码区构成。 5 -末端的帽子末端的帽子(cap)结构和结构和3 -末端的多末端的多 聚聚A尾尾(poly-A tail)结构。结构。 53 m7GpppAAAAn 3非翻译区 5非翻译区 编码区 AUGUAA n成熟的真核生物成熟的真核生物mRNA 目目 录录 转运转运RNA(transfer RNA, tRNA)在蛋白质合成过程中在蛋白质合成过程中 作为各种氨基酸的载体。作为各种氨基酸的载体。 由由7495核苷酸组成；核苷酸组成； 占细胞总占细胞总RNA的的15%； 具有很好的稳定性。具有很好的稳定性。 二、二、tRNA转运转运R

25、NA 目目 录录 1. tRNA中含有多种稀有碱基中含有多种稀有碱基 tRNA具有局部的茎具有局部的茎 环结构或发卡结构。环结构或发卡结构。 2. tRNA具有茎环结构具有茎环结构 tRNA的二级结构的二级结构 三叶草形三叶草形 氨基酸臂氨基酸臂 DHU环环 反密码环反密码环 TC环环 附加叉附加叉 目目 录录 tRNA的反密码的反密码 子环上有一个子环上有一个 由三个核苷酸由三个核苷酸 构成的构成的反密码反密码 子子(anticodon); tRNA上的反密上的反密 码子依照碱基码子依照碱基 互补的原则识互补的原则识 别别mRNA上的上的 密码子。密码子。 tRNA的反密码子识别的反密码子识

26、别mRNA的密码子的密码子 目目 录录 3. tRNA的倒的倒L三级结构三级结构 目目 录录 4. tRNA的的3 -末末端连接氨基酸端连接氨基酸 tRNA的的3 -末末端都是以端都是以 CCA结尾。结尾。 3 -末末端的端的A与氨基酸共与氨基酸共 价连结，价连结，tRNA成为氨成为氨 基酸的载体基酸的载体-AA臂。臂。 不同的不同的tRNA可以结合可以结合 不同的氨基酸。不同的氨基酸。 目目 录录 核蛋白体核蛋白体RNA(ribosomal RNA， r R N A ) 是 细 胞 内 含 量 最 多 的是 细 胞 内 含 量 最 多 的 RNA(80)。 rRNA与核蛋白体蛋白结合组成与核

27、蛋白体蛋白结合组成核核 蛋白体蛋白体(ribosome)，为蛋白质的合，为蛋白质的合 成提供场所。成提供场所。 三、三、rRNA核糖体核糖体RNA 目目 录录 70S ribosome 50S large subunit 23S rRNA5S rRNA 31 proteins 16S rRNA 21 proteins 30S small subunit n大肠杆菌的核蛋白体大肠杆菌的核蛋白体 目目 录录 n蛋白质合成时形成的复合体蛋白质合成时形成的复合体 目目 录录 四、四、snRNA核内小核内小RNA 真核真核细胞细胞核内核内存在的许多小分子存在的许多小分子 RNA，称为，称为核内小核内小R

28、NA(snRNA)。 形成小分子蛋白颗粒。形成小分子蛋白颗粒。 nsnRNA 五、核酶五、核酶具有催化功能具有催化功能RNA 目目 录录 核酸的理化性质核酸的理化性质 The Physical and Chemical Characters of Nucleic Acid 第四节第四节 目目 录录 一、核酸的一般性质一、核酸的一般性质 核酸在波长核酸在波长 260nm 处有强烈处有强烈 的吸收，是由的吸收，是由碱基的共轭双键碱基的共轭双键所所 决定的。这一特性常用作核酸的决定的。这一特性常用作核酸的 定性和定量分析。定性和定量分析。 二、核酸的紫外吸收二、核酸的紫外吸收 目目 录录 三、三、DNA变性与复性变性与复性 n定义定义:在某些理化因素作用下，在某些理化因素作用下，DNA 双链解开成两条单链双链解开成两条单链的过程。的过程。 DNA变性的本质是双链间氢键的断裂。变性的本质是双链间氢键的断裂。 1. DNA变性变性 目目 录录 DNADNA解链解链 高温或极高温或极 端的端的pHpH nDNA的变性的变性 目目 录录 nDNA的解链曲线的解链曲线-连续加热连续加热DNA的过程中以温度的过程中以温度 相对于