中国药科大学生物化学课件—核酸02DNA的结构、RNA的结构与功能

1、目录上一页下一页退出（一）核酸的一级结构（一）核酸的一级结构核酸分子的基本构成单位是核苷酸，核酸分核酸分子的基本构成单位是核苷酸，核酸分子是核苷酸的多聚体，是无分支的直线形或子是核苷酸的多聚体，是无分支的直线形或环形多核苷酸长链。（与蛋白质进行比较）环形多核苷酸长链。（与蛋白质进行比较）定义：核酸的一级结构指组成核酸的各核苷定义：核酸的一级结构指组成核酸的各核苷酸之间连接键的性质及各核苷酸残基沿多核酸之间连接键的性质及各核苷酸残基沿多核苷酸链排列的顺序。苷酸链排列的顺序。dna的碱基顺序本身就是遗传信息存储的分的碱基顺序本身就是遗传信息存储的分子形式。生物界物种的多样性即寓于子形式。生物界物种

2、的多样性即寓于dna分分子中四种脱氧核苷酸千变万化的不同排列组子中四种脱氧核苷酸千变万化的不同排列组合之中。合之中。目录上一页下一页退出dnadna的碱基组成（的碱基组成（chargaffchargaff定则）：定则）： （1 1）在所有的）在所有的dnadna中，中，a=ta=t，g=c g=c 即即a+g=t+ca+g=t+c （2 2）dnadna的碱基组成具有种的特异性，的碱基组成具有种的特异性，即不同生物物种的即不同生物物种的dnadna具有自己独具有自己独特的碱基组成，但没有组织和器官特的碱基组成，但没有组织和器官的特异性。的特异性。目录上一页下一页退出1 1、核苷酸的连接方式、核

3、苷酸的连接方式n许多单核苷酸通过许多单核苷酸通过33、5-5-磷酸二酯键就连成磷酸二酯键就连成了多核苷酸链，核苷了多核苷酸链，核苷酸的戊糖和磷酸通过酸的戊糖和磷酸通过33、5-5-二酯键构成了二酯键构成了多 核 苷 酸 链 的 主 链多 核 苷 酸 链 的 主 链（结构骨架），并在（结构骨架），并在主链上不断重复。多主链上不断重复。多核苷酸的碱基作为侧核苷酸的碱基作为侧链从主链向外伸出。链从主链向外伸出。目录上一页下一页退出1 1、核苷酸的连接方式、核苷酸的连接方式n核酸分子非常象一串念珠，每个念珠叫核苷酸，核酸分子非常象一串念珠，每个念珠叫核苷酸，由三个小分子组成：一个糖分子，一个磷酸分由三

4、个小分子组成：一个糖分子，一个磷酸分子，一个碱基分子。在碱基上，更正确地说，子，一个碱基分子。在碱基上，更正确地说，在碱基的序列上，携带着信息，复制的秘诀就在碱基的序列上，携带着信息，复制的秘诀就在于此。在于此。n 核酸分子或一段多核苷酸链都有核酸分子或一段多核苷酸链都有两个末端。两个末端。3-3-羟基不再参与构成磷酸二酯键的一端叫羟基不再参与构成磷酸二酯键的一端叫3-3-末端，末端，c5-c5-磷酸基不再参与构成磷酸二酯键的磷酸基不再参与构成磷酸二酯键的一端叫一端叫5-5-末端。末端。目录上一页下一页退出2.dna2.dna一级结构的表示方法一级结构的表示方法（1 1）结构式表示法：）结构式

5、表示法： （2 2）线条式表示法：）线条式表示法：（3 3）字母式表示法：）字母式表示法：书与文献中书与文献中目录上一页下一页退出2.dna2.dna一级结构的表示方法一级结构的表示方法 注意：碱基顺序是从注意：碱基顺序是从5 35 3，代表，代表特定的化合物，不允许颠倒，各简化特定的化合物，不允许颠倒，各简化式的书写或读，从左到右应与碱基的式的书写或读，从左到右应与碱基的从从5 35 3的顺序一致。的顺序一致。 目录上一页下一页退出ndnadna测序的生物学意义测序的生物学意义 dnadna是遗传信息的储存者和发布者，遗传信是遗传信息的储存者和发布者，遗传信息是由碱基序列体现的，碱基序列略有

6、改变，息是由碱基序列体现的，碱基序列略有改变，即可引起遗传信息的显著改变。所以即可引起遗传信息的显著改变。所以dnadna测测序是研究序是研究dnadna功能的基础，非常重要。功能的基础，非常重要。 ndnadna测序的实验方法测序的实验方法（2020世纪世纪7070年代三大进年代三大进展促进了展促进了dnadna的测序工作的测序工作限制性核酸内限制性核酸内切酶的发现；改进多核苷酸片段的电泳分离切酶的发现；改进多核苷酸片段的电泳分离法；法；dnadna的克隆技术的克隆技术） 酶法和酶法和化学法化学法（sangersanger和和gilbertgilbert法）法）3.3.核酸一级结构的研究方法

7、：核酸一级结构的研究方法：目录上一页下一页退出1 1、dnadna的空间结构的空间结构dnadna的空间结构：指的空间结构：指dnadna多核苷酸链内或链多核苷酸链内或链与链之间通过氢键折叠卷曲而成的构象。与链之间通过氢键折叠卷曲而成的构象。包括二级结构与三级结构。包括二级结构与三级结构。目录上一页下一页退出1 1、dnadna的二级结构的二级结构dnadna的二级结构指的二级结构指dnadna的双螺旋结构。的双螺旋结构。目录上一页下一页退出1 1、dnadna的二级结构的二级结构（1 1）、关于）、关于dnadna结构的发现结构的发现n 19531953年，年，j. watsonj. wat

8、son和和f. crick f. crick 在前人研究工作的基础上，根据在前人研究工作的基础上，根据dnadna纤维和纤维和dnadna结晶的结晶的x-x-衍射图谱衍射图谱分析及分析及dnadna碱基组成的定量分析以碱基组成的定量分析以及及dnadna中碱基的物化数据测定，提中碱基的物化数据测定，提出了著名的出了著名的dnadna双螺旋结构模型，双螺旋结构模型，并对模型的生物学意义作出了科并对模型的生物学意义作出了科学的解释和预测。学的解释和预测。n由于这一科学成果，沃森、克里克和威尔金斯共同获得由于这一科学成果，沃森、克里克和威尔金斯共同获得1962年度诺贝尔医学和生理学奖。年度诺贝尔医学

9、和生理学奖。1953年沃森年沃森25岁，克里岁，克里克克37岁。沃森和克里克岁。沃森和克里克1953年提出的年提出的dna分子结构模可以分子结构模可以与达尔文的进化论、孟德尔的遗传定律相媲美，为探讨遗传与达尔文的进化论、孟德尔的遗传定律相媲美，为探讨遗传学的化学基础开辟了一个新纪元，引起了生物学的一场伟大学的化学基础开辟了一个新纪元，引起了生物学的一场伟大革命。革命。 目录上一页下一页退出（2 2）dnadna双螺旋结构的要点双螺旋结构的要点1 1、dnadna的二级结构的二级结构dnadna分子由两条多聚分子由两条多聚脱氧核糖核苷酸链脱氧核糖核苷酸链( (简称简称dnadna单链单链) )组

10、成。组成。两条链沿着同一根轴两条链沿着同一根轴平行盘绕，形成右手平行盘绕，形成右手双螺旋结构。螺旋中双螺旋结构。螺旋中的两条链方向相反，的两条链方向相反，即其中一条链的方向即其中一条链的方向为为5353，而另一，而另一条 链 的 方 向 为条 链 的 方 向 为3535，螺旋结构，螺旋结构上有大沟和小沟。上有大沟和小沟。目录上一页下一页退出嘌呤碱和嘧啶碱基位于螺嘌呤碱和嘧啶碱基位于螺旋的内侧，磷酸和脱氧核旋的内侧，磷酸和脱氧核糖基位于螺旋外侧，彼此糖基位于螺旋外侧，彼此以以3 -5 3 -5 磷酸二酯键连磷酸二酯键连接，形成接，形成dnadna分子的骨架分子的骨架。碱基环平面与螺旋轴垂直，碱基

11、环平面与螺旋轴垂直，糖基环平面与碱基环平面糖基环平面与碱基环平面成成9090角。角。（2 2）. .dnadna双螺旋双螺旋结构的要点结构的要点各个碱基对之间保持相等的距离，各个碱基对之间保持相等的距离，并以平行钻台互相重叠，重叠的碱并以平行钻台互相重叠，重叠的碱基对之间由于纵向的范德华力（碱基对之间由于纵向的范德华力（碱基堆积力）使螺旋更加稳定。基堆积力）使螺旋更加稳定。目录上一页下一页退出螺旋横截面的螺旋横截面的直径约为直径约为2 2 nmnm，每条链相邻两每条链相邻两个碱基平面之个碱基平面之间的距离为间的距离为0.34 0.34 nmnm，每每1010个核苷酸形个核苷酸形成一个螺旋，成一

12、个螺旋，其螺矩（即螺其螺矩（即螺旋旋转一圈）旋旋转一圈）高度为高度为3.4 3.4 nmnm。2.2.dnadna双螺旋结构的要点双螺旋结构的要点目录上一页下一页退出2.2.dnadna双螺旋结构双螺旋结构的要点的要点双螺旋内部的碱基按规双螺旋内部的碱基按规则配对则配对，碱基的相互结，碱基的相互结合具有严格的配对规律，合具有严格的配对规律，即腺嘌呤（即腺嘌呤（a a）与胸腺与胸腺嘧啶（嘧啶（t t）结合，鸟嘌结合，鸟嘌呤（呤（g g）与胞嘧啶（与胞嘧啶（c c）结合，这种配对关系，结合，这种配对关系，称为称为碱基互补碱基互补。a a和和t t之之间形成两个氢键，间形成两个氢键，g g与与c c

13、之间形成三个氢键。之间形成三个氢键。 双螺旋的两条链是互补双螺旋的两条链是互补关系。关系。目录上一页下一页退出dna的双螺旋结构的形成的双螺旋结构的形成5 3 5 3 5 3 5 3 磷酸磷酸核糖核糖碱基碱基t-a碱基对碱基对c-g碱基对碱基对目录上一页下一页退出dnadna双螺旋结构提出的生物学意义双螺旋结构提出的生物学意义n第一次阐述了遗传信息的储存方式及第一次阐述了遗传信息的储存方式及dnadna复制的机理，以准确的语言回答了复制的机理，以准确的语言回答了dnadna是是如何成为遗传物质的。大大推动了分子生如何成为遗传物质的。大大推动了分子生物学和分子遗传学的发展，被誉为物学和分子遗传学

14、的发展，被誉为2020世纪世纪最伟大的发现之一。最伟大的发现之一。目录上一页下一页退出（3 3）dnadna双螺旋的稳定因素双螺旋的稳定因素ndnadna双螺旋结构在生理条件下是很稳定的。双螺旋结构在生理条件下是很稳定的。n维持这种稳定性的主要因素包括：两条维持这种稳定性的主要因素包括：两条dnadna链链之间碱基配对形成的之间碱基配对形成的氢键和碱基堆积力氢键和碱基堆积力；n另外，存在于另外，存在于dnadna分子中的一些弱键在维持双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基团上的负电荷与

15、介质中的阳离子间形成的离子键及范德华力。子键及范德华力。n改变介质条件和环境温度，将影响双螺旋的稳改变介质条件和环境温度，将影响双螺旋的稳定性。定性。目录上一页下一页退出（4 4）dnadna双螺旋结构的几种构象双螺旋结构的几种构象n几种几种dna螺旋结构的参数螺旋结构的参数类类 型型 碱基倾角碱基倾角 碱基间距碱基间距（nm） 每圈碱基数每圈碱基数 螺螺 距距(nm)螺旋直径螺旋直径（nm） b-dna z-dna 0-1 19-20 9 0.34 0.23 0.37 10 11 123.32-3.4 2.46-2.53 4.56 2.0-2.37 2.55 1.8-1.84c-dnad-d

16、natsdna a-dnaa-dnab-dna：在相对湿度为在相对湿度为92%92%时的时的dnadna钠盐。接近钠盐。接近dnadna在细胞中的构象。在细胞中的构象。a-dna：在相对湿度为在相对湿度为75%75%以下时的以下时的dnadna纤维。纤维。z-dnaz-dna：左手螺旋（左手螺旋（a.richa.rich的工作）的工作）. .tsts-dna-dna：三股螺旋三股螺旋( (在分子内或分子间在分子内或分子间形成形成, ,分子内形成时需要低分子内形成时需要低 phph下胞嘧啶质子化下胞嘧啶质子化, ,故称故称h-dna)h-dna)目录上一页下一页退出 z-dnaz-dnab-dn

17、ab-dnap p原子走向原子走向锯齿形、左手螺旋锯齿形、左手螺旋平滑、右手螺平滑、右手螺旋旋每圈碱基数每圈碱基数12121010碱基对平面间碱基对平面间距离距离0.37nm0.37nm0.34nm0.34nm直径直径1.8nm1.8nm2nm2nm碱基对平面倾碱基对平面倾角角20200 00 00 0形态形态中心轴不穿过碱基对平面中心轴不穿过碱基对平面穿过穿过碱基对在螺旋外侧碱基对在螺旋外侧靠近中心靠近中心只有一条小沟只有一条小沟一大沟、一小一大沟、一小沟沟g g上的上的c c8 8、n n7 7外露、易外露、易受攻击受攻击否否目录上一页下一页退出目录上一页下一页退出（三）（三）dnadna

18、的三级结构的三级结构定义定义： dnadna的三级结构指的三级结构指dnadna分子（双螺旋）通分子（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结构单元间、单链与二级结构单元间的相互作用以及以及dnadna的拓扑特征。的拓扑特征。超螺旋是超螺旋是dnadna三级结构的一三级结构的一种类型。超螺旋即种类型。超螺旋即dnadna双螺旋的螺旋。双螺旋的螺旋。负超螺旋负超螺旋松弛形松弛形解链环形解链环形目录上一页下一页退出解链环形解链环形l=23l=23t=23t=23w=0w=0松弛环形松弛环形l=25l=

19、25t=25t=25w=0w=0负超螺旋负超螺旋l=23l=23t25t25w=-2w=-2目录上一页下一页退出螺螺旋旋和和超超螺螺旋旋电电话话线线螺旋螺旋超螺旋超螺旋目录上一页下一页退出真核生物染色体的形成过程：真核生物染色体的形成过程：ndnadna双链以左手螺旋缠绕在组蛋白形成的双链以左手螺旋缠绕在组蛋白形成的八聚体核心上即八聚体核心上即核小体核小体 螺线体螺线体 超超螺线体螺线体 染单体。染单体。、核小体：压缩、核小体：压缩7 7倍倍、螺线体：压缩、螺线体：压缩6 6倍倍 、超螺线体：压缩、超螺线体：压缩4040倍倍 、染色体：压缩、染色体：压缩6 6倍倍 目录上一页下一页退出真核生物

20、的染色质丝真核生物的染色质丝组蛋白八聚体：组蛋白八聚体：h2a h2b h3 h4h2a h2b h3 h4各各2 2个分子个分子从从dnadna到染色质丝，到染色质丝，dnadna压缩压缩了近了近100100倍，若从倍，若从dnadna到最后到最后凝缩成染色体，凝缩成染色体，dnadna压缩了近压缩了近万倍。万倍。目录上一页下一页退出核小体核小体目录上一页下一页退出四、四、dnadna和基因组织和基因组织 （自学）（自学）目录上一页下一页退出（一）（一）rnarna一级结构的特点一级结构的特点 rnarna一级结构研究最多的是一级结构研究最多的是trnatrna、rrnarrna以及一些小分

21、子的以及一些小分子的rnarna。组成组成rnarna的核苷酸也是以的核苷酸也是以3 -5 3 -5 磷酸二酯键连接。磷酸二酯键连接。其中其中1.1.trnatrna一级结构具有以下特点：一级结构具有以下特点：n分子量分子量2500025000左右，大约由左右，大约由70709090个核苷酸组成，沉降系数个核苷酸组成，沉降系数为为4 4s s左右。左右。n分子中含有较多的修饰成分。分子中含有较多的修饰成分。n3 3 - -末端都具有末端都具有cpcpaohcpcpaoh的结的结构。构。 5 5 端多为端多为pgpg, ,也有也有pcpc。五、五、rnarna的结构与功能的结构与功能目录上一页下

22、一页退出trnatrna概述概述n约占总约占总rnarna的的10-15%10-15%。n它在蛋白质生物合成中起翻译氨基酸信息，它在蛋白质生物合成中起翻译氨基酸信息，并将相应的氨基酸转运到核糖核蛋白体的并将相应的氨基酸转运到核糖核蛋白体的作用。作用。n已知每一个氨基酸至少有一个相应的已知每一个氨基酸至少有一个相应的trnatrna。ntrnatrna分子的大小很相似，链长一般在分子的大小很相似，链长一般在73-73-9393个核苷酸之间。个核苷酸之间。目录上一页下一页退出mrnamrna概述概述n约占总约占总rnarna的的5%5%。n不同细胞的不同细胞的mrnamrna的链长和分子量差异很的

23、链长和分子量差异很大。大。n它的功能是将它的功能是将dnadna的遗传信息传递到蛋白的遗传信息传递到蛋白质，指导蛋白质的合成。质，指导蛋白质的合成。目录上一页下一页退出m mrnarna一级结构一级结构真核：真核：单顺反子、单顺反子、 5 -5 -末端有末端有“帽子帽子” 、 3 -3 -末端有末端有polyapolya片段片段 和非编码区和非编码区 和非编码区和非编码区原核：原核：多顺反子多顺反子 5 -5 -末端无末端无“帽子帽子” 、 3 -3 -末端末端 无无polyapolya片段片段 （病毒除外）（病毒除外） 有非编码区有非编码区 有非编码区有非编码区顺反子：顺反子： mrnamr

24、na上具有翻译功能的核苷酸顺序。上具有翻译功能的核苷酸顺序。polyapolya片段：片段：指指20-25020-250个多聚腺苷酸。个多聚腺苷酸。“帽子帽子”结构：结构： 55- -末端的末端的g g被甲基化，通过焦磷酸与另一个发被甲基化，通过焦磷酸与另一个发生了核糖上甲基化的核苷酸以生了核糖上甲基化的核苷酸以55、 5 5- -磷酸二酯键相连。磷酸二酯键相连。目录上一页下一页退出n极大多数真核细胞极大多数真核细胞mrnamrna在在3-3-末端有一末端有一段长约段长约200200核苷酸的核苷酸的polyapolya。polyapolya是在转是在转录后经录后经polyapolya聚合酶的作

25、用而添加上去的。聚合酶的作用而添加上去的。原核生物的原核生物的mrnamrna一般无一般无polyapolya，但某些病但某些病毒毒mbnambna也有也有3-3-polya,polya,polyapolya可能有多方可能有多方面功能面功能, ,与与mrnamrna从细胞核到细胞质的转移从细胞核到细胞质的转移有关；与有关；与mrnamrna的半寿期有关，新合成的的半寿期有关，新合成的rnarna其其polyapolya链较长，而衰老的链较长，而衰老的mrnamrna，polyapolya链缩短。链缩短。目录上一页下一页退出mrnamrna5 -5 -末端的末端的“帽子帽子”结构结构 n可能功能

26、：可能功能：抗核酸酶的水解；与蛋抗核酸酶的水解；与蛋白质合成起始有关；作为白质合成起始有关；作为mrnamrna与核与核糖体糖体4040s s亚基结合的信号。亚基结合的信号。目录上一页下一页退出rrnarrna ( (核糖体核糖体rna)rna)概述概述n约占全部约占全部rnarna的的80%80%，n是核糖核蛋白体的主要组成部分。是核糖核蛋白体的主要组成部分。nrrnarrna 的功能与蛋白质生物合成相关，可的功能与蛋白质生物合成相关，可分别与分别与 mrnamrna、trnatrna作用，催化肽键的形作用，催化肽键的形成。成。目录上一页下一页退出rrna动物细胞核糖体动物细胞核糖体rrna

27、rrna有四类：有四类：5 5srrnasrrna，5.8srrna5.8srrna，18srrna18srrna，28srna28srna。许多许多rrnarrna的一级结构及由一级结构推导出来的二的一级结构及由一级结构推导出来的二级结构都已阐明，但是对许多级结构都已阐明，但是对许多rrnarrna的功的功能迄今仍不十分清楚。与能迄今仍不十分清楚。与trnatrna不同，不同，rrnarrna的甲基化多发生在核糖上。的甲基化多发生在核糖上。真核生真核生物的物的rrnarrna中修饰核苷比原核生物多。中修饰核苷比原核生物多。目录上一页下一页退出( (二二) ) rnarna的高级结构的高级结构

28、nrnarna是单链分子，因此，在是单链分子，因此，在rnarna分子中，分子中，并不遵守碱基种类的数量比例关系，即并不遵守碱基种类的数量比例关系，即分子中的嘌呤碱基总数不一定等于嘧啶分子中的嘌呤碱基总数不一定等于嘧啶碱基的总数。碱基的总数。nrnarna分子中，部分区域也能形成双螺旋结分子中，部分区域也能形成双螺旋结构（类似构（类似a-dnaa-dna双螺旋结构），不能形成双螺旋结构），不能形成双螺旋的部分，则形成突环。这种结构双螺旋的部分，则形成突环。这种结构可以形象地称为可以形象地称为“发夹型发夹型”结构结构或或茎环茎环结构。结构。目录上一页下一页退出n在在rnarna的双螺旋结构中，碱

29、基的配对情况的双螺旋结构中，碱基的配对情况不象不象dnadna中严格。中严格。g g 除了可以和除了可以和c c 配对外，配对外，也可以和也可以和u u 配对。配对。g-u g-u 配对形成的氢键配对形成的氢键较弱。不同类型的较弱。不同类型的rna, rna, 其二级结构有明其二级结构有明显的差异。显的差异。ntrnatrna中除了常见的碱基外，还存在一些中除了常见的碱基外，还存在一些稀有碱基，这类碱基大部分位于突环部稀有碱基，这类碱基大部分位于突环部分分. .( (二二) ) rnarna的高级结构的高级结构目录上一页下一页退出trnatrna的高级结构的高级结构1 1、trnatrna的二

30、级结构的二级结构ntrnatrna的结构的共同点：的结构的共同点： 、分子量分子量在在2525，000d000d，由，由70709090个核个核苷酸组成，沉降系数都在苷酸组成，沉降系数都在4s4s左右。左右。、碱基组成中，有较多的、碱基组成中，有较多的稀有碱基稀有碱基。、在已知的、在已知的trnatrna种，种，90%90%的都含有的都含有- -gtcgtc- -系列，构成特殊的突环，对系列，构成特殊的突环，对trnatrna的结构和功能很重要，特别是维的结构和功能很重要，特别是维持三级结构与核糖体结合有重要作用。持三级结构与核糖体结合有重要作用。、3-3-末端皆为末端皆为cpcpaohcpc

31、paoh、5-5-末端大多数为末端大多数为pgpg，也有，也有pcpc。、二级结构都呈、二级结构都呈三叶草型三叶草型。由氨基酸。由氨基酸臂，二氢尿嘧啶环，反密码环，可变臂，二氢尿嘧啶环，反密码环，可变环（额外环）和环（额外环）和tctc环五部分组成环五部分组成 。目录上一页下一页退出1 1、trnatrna的二级结构的二级结构ntrnatrna的二级结构大都呈的二级结构大都呈“ “ 三叶草三叶草” ” 形状，在形状，在结构上具有某些共同之结构上具有某些共同之处，处，一般可将其分为四一般可将其分为四臂四环臂四环：包括氨基酸接：包括氨基酸接受臂、反密码（环）臂、受臂、反密码（环）臂、二氢尿嘧啶（环）臂、二氢尿嘧啶（环）臂、t t c c（环）（环）臂臂和可变环。和可变环。除了氨基酸接受区外，除了氨基酸接受区外，其余每个区均含有一个其余每个区均含有一个突环和一个臂。突环和一个臂。 目录上一页下一页退出(1)(1)氨基酸接受区氨基酸接受区包含有包含有trnatrna的的3-3-末末端和端和5-5-末端，末端， 3- 3-末端的最后末端的最后3 3个核苷酸个核苷酸残基都是残基都是ccacca，a a为腺为腺苷酸。氨基酸可与其苷酸。氨基酸可与其成酯，该区在蛋白质成酯，该区在蛋白质合成中起携