第二章 核酸的结构与功能2015

1、药学院药学院 付蕾付蕾 制作制作药学院药学院 付蕾付蕾 制作制作核核 酸酸（nucleic acid） 是以是以核苷酸核苷酸为基本组成单位的生物为基本组成单位的生物大分子，携带和传递遗传信息。大分子，携带和传递遗传信息。药学院药学院 付蕾付蕾 制作制作l 核酸的分类及分布核酸的分类及分布 90%90%以上分布于细胞核，其余分布于以上分布于细胞核，其余分布于核外如线粒体，叶绿体，质粒等。核外如线粒体，叶绿体，质粒等。 分布于胞核、胞液。分布于胞核、胞液。 （DNA） （RNA）脱氧核糖核酸脱氧核糖核酸 核糖核酸核糖核酸携带遗传信息，决定细胞和个携带遗传信息，决定细胞和个体的基因型。体的基因型。参

2、与细胞内参与细胞内DNADNA遗传信息的表达。遗传信息的表达。某些病毒某些病毒RNARNA也可作为遗传信息也可作为遗传信息的载体。的载体。药学院药学院 付蕾付蕾 制作制作 核酸的分子组成核酸的分子组成药学院药学院 付蕾付蕾 制作制作药学院药学院 付蕾付蕾 制作制作一、核酸的元素组成一、核酸的元素组成 C、H、O、N、P（910%）二、基本组成二、基本组成 碱基：嘌呤碱，嘧啶碱碱基：嘌呤碱，嘧啶碱 戊糖：核糖，脱氧核糖戊糖：核糖，脱氧核糖 磷酸：磷酸：药学院药学院 付蕾付蕾 制作制作嘌呤（嘌呤（purine） NNNHN123456789NNNHNNH2 腺嘌呤（腺嘌呤（A）NNHNHNNH2O

3、 鸟嘌呤（鸟嘌呤（G）l 碱基碱基药学院药学院 付蕾付蕾 制作制作NNH132456嘧嘧啶啶 胞嘧啶（胞嘧啶（C）NNHNH2O 尿嘧啶（尿嘧啶（U）NHNHOO胸腺嘧啶（胸腺嘧啶（T）NHNHOOCH3药学院药学院 付蕾付蕾 制作制作l戊戊 糖糖（构成（构成RNA）1 2 3 4 5 OHOCH2OHOHOH核糖（核糖（riboseribose）（构成（构成DNA）OHOCH2OHOH脱氧核糖（脱氧核糖（deoxyribose）药学院药学院 付蕾付蕾 制作制作药学院药学院 付蕾付蕾 制作制作核苷：核苷：AR, GR, UR, CR脱氧核苷：脱氧核苷：dAR, dGR, dTR, dCR三、核

4、苷酸的结构三、核苷酸的结构1. 1. 核苷核苷碱基和戊糖通过碱基和戊糖通过糖糖苷键苷键连接形成核苷（脱连接形成核苷（脱氧核苷）。氧核苷）。OHOCH2OHOHNNNH2O1 1药学院药学院 付蕾付蕾 制作制作POOOHOHOCH2OHOHNNNH2OOHOCH2OHOHNNNH2O核苷酸：核苷酸：AMP, GMP, UMP, CMP脱氧核苷酸：脱氧核苷酸：dAMP, dGMP, dTMP, dCMP 2. 2. 核苷酸的结构与命名核苷酸的结构与命名核苷核苷（脱氧核苷）和磷酸以磷酸脱氧核苷）和磷酸以磷酸酯键连接形成核苷酸（脱氧核苷酸）。酯键连接形成核苷酸（脱氧核苷酸）。 药学院药学院 付蕾付蕾

5、制作制作体内重要的游离核苷酸及其衍生物体内重要的游离核苷酸及其衍生物l 含核苷酸的生物活性物质：含核苷酸的生物活性物质： NAD+、NADP+、CoA-SH、FAD 等都含有等都含有 AMPl 多磷酸核苷酸：多磷酸核苷酸：NMP，NDP，NTPl 环化核苷酸环化核苷酸: cAMP，cGMPNOCH2OOHOHNNNNH2POOHOHNOCH2OOHOHNNNNH2POOHOPOOHOHNOCH2OOHOHNNNNH2POOHOPOOHOPOOHOHNOCH2OOHONNNNH2POOHNADP+NAD+药学院药学院 付蕾付蕾 制作制作环化核苷酸环化核苷酸药学院药学院 付蕾付蕾 制作制作5 端端

6、3 端端3. 3. 核苷酸的连接核苷酸的连接 核苷酸之间核苷酸之间以以磷酸二酯磷酸二酯键连键连接形成多核苷酸接形成多核苷酸链，即核酸。链，即核酸。CGA药学院药学院 付蕾付蕾 制作制作四、核酸的分子结构四、核酸的分子结构（一）（一）DNA的分子结构的分子结构1、DNA的一级结构：的一级结构： 指构成指构成DNA的各个单核的各个单核苷酸之间连接键的性质及排列苷酸之间连接键的性质及排列顺序（即碱基排列顺序）。顺序（即碱基排列顺序）。药学院药学院 付蕾付蕾 制作制作A G P5 P T PG PC PT P OH 3 书书写写方方法法5 -pApGpTpGpCpT-OH- 3 5 -A G T G

7、C T - 3 药学院药学院 付蕾付蕾 制作制作2、 DNA的二级结构的二级结构 双螺旋结构双螺旋结构药学院药学院 付蕾付蕾 制作制作l 模型要点模型要点（Watson, Crick, 1953） 由两条由两条相互平行但走向相互平行但走向相反相反的的DNA链组成，两链组成，两链以链以-脱氧核糖脱氧核糖-磷酸磷酸-为为骨架，以骨架，以右手螺旋右手螺旋方式方式绕同一公共轴盘。螺旋绕同一公共轴盘。螺旋直径为直径为2nm，形成，形成大沟大沟及及小沟小沟相间。相间。药学院药学院 付蕾付蕾 制作制作 碱基垂直螺旋轴居双螺碱基垂直螺旋轴居双螺旋内侧，以旋内侧，以氢键互补配氢键互补配对对（互补配对形式：（互补

8、配对形式：A=T; G C）；）； 相 邻 碱 基 平 面 距 离相 邻 碱 基 平 面 距 离0.34nm，螺旋一圈螺距螺旋一圈螺距3.4nm，一圈，一圈10对碱基。对碱基。药学院药学院 付蕾付蕾 制作制作稳定因素：稳定因素： 碱基堆积力碱基堆积力-维持双维持双链纵向稳定性；链纵向稳定性； 氢键氢键-维持双链横向维持双链横向稳定性。稳定性。药学院药学院 付蕾付蕾 制作制作l 双螺旋结构的意义双螺旋结构的意义 该模型揭示了该模型揭示了DNA作为遗传物质的稳定性特作为遗传物质的稳定性特征，最有价值的是确认了碱基配对原则，这是征，最有价值的是确认了碱基配对原则，这是DNA复制、转录和反转录的分子基

9、础，亦是遗传复制、转录和反转录的分子基础，亦是遗传信息传递和表达的分子基础。信息传递和表达的分子基础。 该模型的提出是上个世纪生命科学的重大突破该模型的提出是上个世纪生命科学的重大突破之一，它奠定了生物化学和分子生物学乃至整个之一，它奠定了生物化学和分子生物学乃至整个生命科学飞速发展的基石。生命科学飞速发展的基石。药学院药学院 付蕾付蕾 制作制作l DNA双螺旋结构种类双螺旋结构种类（1 1）右手螺旋结构：）右手螺旋结构：由于由于DNA纤维的含水量不同，可分为三种：纤维的含水量不同，可分为三种：B-DNA、A-DNA、C-DNA。lB-DNA：Waston and Crick提出的提出的DNA

10、双螺旋结构为双螺旋结构为B-DNA，另外溶液和细胞中天然状态的，另外溶液和细胞中天然状态的DNA可能是可能是B-DNA。lA-DNA：碱基与中心轴不相垂直，而呈碱基与中心轴不相垂直，而呈20倾角。倾角。lC-DNA：可能存在于染色体与某些病毒的可能存在于染色体与某些病毒的DNA中。中。药学院药学院 付蕾付蕾 制作制作 不同不同DNA纤维的空间结构纤维的空间结构 类型类型结晶状态结晶状态ANa盐，相对湿度盐，相对湿度75%时结晶时结晶BNa盐，相对湿度盐，相对湿度92%时结晶时结晶C锂盐，相对湿度锂盐，相对湿度66%时结晶时结晶药学院药学院 付蕾付蕾 制作制作（2 2）左手螺旋结构）左手螺旋结构

11、 1 9 7 9 年 ， 美 国 麻 省 理 工 学 院年 ， 美 国 麻 省 理 工 学 院 R i c h 从从 d（GpCpGpCpGpCp）一段脱氧核苷酸链）一段脱氧核苷酸链X衍衍射中发现，糖与磷酸的走向是曲折的，又把左射中发现，糖与磷酸的走向是曲折的，又把左手螺旋称为手螺旋称为Z-DNA螺旋。螺旋。药学院药学院 付蕾付蕾 制作制作 DNA双双螺螺旋旋结结构构的的多多样样性性药学院药学院 付蕾付蕾 制作制作3、DNA的超级结构的超级结构 指在二级结构的基础上，双螺旋进一步扭曲指在二级结构的基础上，双螺旋进一步扭曲或再次螺旋所形成的结构。或再次螺旋所形成的结构。l原核生物：原核生物：大部

12、分原核生物的大部分原核生物的DNA是共价封闭是共价封闭的环状双螺旋，这种双螺旋还可以再次螺旋化的环状双螺旋，这种双螺旋还可以再次螺旋化形成超螺旋。形成超螺旋。l真核生物：真核生物：DNA和蛋白质组装成染色体，染色和蛋白质组装成染色体，染色体的基本单位是核小体。体的基本单位是核小体。药学院药学院 付蕾付蕾 制作制作l DNA的超螺旋结构的超螺旋结构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

13、向与盘绕方向与DNA双螺旋方向相反。双螺旋方向相反。 药学院药学院 付蕾付蕾 制作制作超螺旋结构超螺旋结构药学院药学院 付蕾付蕾 制作制作药学院药学院 付蕾付蕾 制作制作意义意义DNA超螺旋结构体或局部的拓扑学超螺旋结构体或局部的拓扑学变化及其调控对于变化及其调控对于DNA复制和复制和RNA转转录过程具有关键作用。录过程具有关键作用。 药学院药学院 付蕾付蕾 制作制作l 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真核生物染色体由真核生物染色体由DNADNA和蛋白质构成，其和蛋白质构成，其基本单位是基本单位是 核小体核小体(nucleosome)(nucleosome)。核小体的组成

14、核小体的组成DNA：约约200bp 组蛋白：组蛋白： H1H2A，H2BH3H4药学院药学院 付蕾付蕾 制作制作核小体的结构核小体的结构药学院药学院 付蕾付蕾 制作制作药学院药学院 付蕾付蕾 制作制作药学院药学院 付蕾付蕾 制作制作药学院药学院 付蕾付蕾 制作制作染色体染色质纤维纤维核小体组蛋白DNA药学院药学院 付蕾付蕾 制作制作l DNA的功能的功能DNA的基本功能是以基因的形式荷载遗传信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。传的物质基础，也是个体生命活动的信息基础。基

15、因从结构上定义基因从结构上定义，是指，是指DNA分子中的特分子中的特定区段，其中的核苷酸排列顺序决定了基因的功定区段，其中的核苷酸排列顺序决定了基因的功能。能。 药学院药学院 付蕾付蕾 制作制作（二）RNA的种类和分子结构种类和分子结构RNA通常以单链形式存在，但也可形成通常以单链形式存在，但也可形成局部的双螺旋结构。局部的双螺旋结构。RNA分子的种类较多，分子大小变化较分子的种类较多，分子大小变化较大，功能多样化。大，功能多样化。主要的主要的RNA种类有种类有rRNA、mRNA、tRNA、HnRNA、SnRNA、SnoRNA、ScRNA等。等。 药学院药学院 付蕾付蕾 制作制作RNA的种类、

16、分布与功能的种类、分布与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粒体线粒体功功能能rRNAmRNA mt rRNAtRNAmt mRNAmt tRNAHnRNASnRNASnoRNAscRNA/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R

17、NA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粒体线粒体功功能能rRNAmRNA mt rRNAtRNAmt mRNAmt tRNAHnRNASnRNASnoRNAscRNA/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药学院药学院 付蕾付蕾 制作制作1、mRNA （信使（信使RNA

18、）约占总约占总RNA的的3%-5%；mRNA代谢不稳定，种类多、分子量差代谢不稳定，种类多、分子量差异很大；异很大；其功能是蛋白质合成的模板。其功能是蛋白质合成的模板。药学院药学院 付蕾付蕾 制作制作真核细胞真核细胞mRNA的特点：的特点：l 3末端有多聚腺嘌呤的结构（末端有多聚腺嘌呤的结构（polyA）；）；l 5末端具有帽子结构（末端具有帽子结构（m7GpppN）；）；l 一种一种mRNA只含有一条多肽链的信息（单顺只含有一条多肽链的信息（单顺反子）。反子）。药学院药学院 付蕾付蕾 制作制作hnRNA 内含子内含子（intron）mRNA * mRNA成熟过程成熟过程 外显外显子子（exo

19、n）药学院药学院 付蕾付蕾 制作制作真核生物真核生物mRNA 5 -端帽子结构端帽子结构55m7GTP药学院药学院 付蕾付蕾 制作制作2、tRNA （转移（转移RNA）约占总约占总RNA的的15%；在蛋白质合成中起携带氨基酸的作用；在蛋白质合成中起携带氨基酸的作用；每一个每一个AA都有与其相对应的一种或几种都有与其相对应的一种或几种tRNA；tRNA分子大小相似，一般为分子大小相似，一般为73-93个核苷酸。个核苷酸。药学院药学院 付蕾付蕾 制作制作* tRNA的一级结构特点的一级结构特点 含含 1020% 稀有碱基稀有碱基，如，如 DHU 3 末端为末端为 CCA-OH 5 末端大多数为末端

20、大多数为G 具有具有 T C l tRNA的结构的结构药学院药学院 付蕾付蕾 制作制作tRNA的二级结构的二级结构 -三叶草型结构三叶草型结构 氨基酸臂氨基酸臂 DHU环环 反密码环反密码环 额外环额外环 TC环环药学院药学院 付蕾付蕾 制作制作* tRNA的三级结构的三级结构 倒倒L形形* tRNA的功能的功能活化、搬运氨基活化、搬运氨基酸到核糖体，参与蛋酸到核糖体，参与蛋白质的翻译。白质的翻译。药学院药学院 付蕾付蕾 制作制作3、rRNA（核蛋白体（核蛋白体RNA）约占全部约占全部RNA的的80%;是核蛋白体的主要组成部分是核蛋白体的主要组成部分;核蛋白体是蛋白质合成的场所。核蛋白体是蛋白

21、质合成的场所。药学院药学院 付蕾付蕾 制作制作* rRNA的种类（根据沉降系数）的种类（根据沉降系数） 真核生物真核生物5S rRNA28S rRNA5.8S rRNA18S rRNA 原核生物原核生物5S rRNA23S rRNA16S rRNA药学院药学院 付蕾付蕾 制作制作* rRNA的结构的结构* rRNA的功能的功能参与组成核蛋白参与组成核蛋白体，作为蛋白质生物体，作为蛋白质生物合成的场所。合成的场所。原核生物原核生物16S rRNA的二级结构的二级结构药学院药学院 付蕾付蕾 制作制作核蛋白体的组成核蛋白体的组成原核生物（以大肠杆菌为例）原核生物（以大肠杆菌为例）真核生物（以小鼠肝为

22、例）真核生物（以小鼠肝为例）小亚基小亚基30S40SrRNA16S1542个核苷酸个核苷酸18S1874个核苷酸个核苷酸蛋白质蛋白质21种种占总重量的占总重量的40%33种种占总重量的占总重量的50%大亚基大亚基50S60SrRNA23S5S2940个核苷酸个核苷酸120个核苷酸个核苷酸28S5.85S5S4718个核苷酸个核苷酸160个核苷酸个核苷酸120个核苷酸个核苷酸蛋白质蛋白质31种种占总重量的占总重量的30%49种种占总重量的占总重量的35%药学院药学院 付蕾付蕾 制作制作 核酸的理化性质核酸的理化性质药学院药学院 付蕾付蕾 制作制作一、核酸的紫外吸收一、核酸的紫外吸收 碱基含有共轭

23、双键；碱基含有共轭双键；最大吸收峰最大吸收峰260nm左右。左右。药学院药学院 付蕾付蕾 制作制作各种核酸的紫外吸收各种核酸的紫外吸收药学院药学院 付蕾付蕾 制作制作二、二、DNA的变性的变性定义：定义：在某些理化因素作用下，在某些理化因素作用下，DNA双链解开双链解开成两条单链的过程。成两条单链的过程。方法：方法：过量酸，碱，加热，变性试剂如尿素、过量酸，碱，加热，变性试剂如尿素、 酰胺以及某些有机溶剂如乙醇、丙酮等。酰胺以及某些有机溶剂如乙醇、丙酮等。变性后其它理化性质变化：变性后其它理化性质变化：OD260增高增高粘度下降粘度下降比旋度下降比旋度下降浮力密度升高浮力密度升高酸碱滴定曲线改

24、变酸碱滴定曲线改变生物活性丧失生物活性丧失药学院药学院 付蕾付蕾 制作制作 氢键和碱基堆积力的破坏，氢键和碱基堆积力的破坏， 核酸分子高级结构改变、理化性质及生物活性核酸分子高级结构改变、理化性质及生物活性发生改变，发生改变， 磷酸二酯键不断裂，故一级结构不变。磷酸二酯键不断裂，故一级结构不变。实质实质药学院药学院 付蕾付蕾 制作制作DNA变性示意图变性示意图:药学院药学院 付蕾付蕾 制作制作DNA的紫外吸收光谱的紫外吸收光谱增色效应：增色效应：DNA变性时其溶液变性时其溶液OD260增高的现象。增高的现象。药学院药学院 付蕾付蕾 制作制作热变性热变性解链曲线：解链曲线：如果在连续加热如果在连

25、续加热DNA的过程中以温的过程中以温度对度对A260值作图，所得的曲线称为解链曲线值作图，所得的曲线称为解链曲线。药学院药学院 付蕾付蕾 制作制作 Tm：变性是在一个相当窄的温度范围内完变性是在一个相当窄的温度范围内完成，在这一范围内，紫外光吸收值达到最大值成，在这一范围内，紫外光吸收值达到最大值的的50%时的温度时的温度称为称为DNA的的解链温度，又称融解链温度，又称融解温度（解温度（Tm)。其大小与其大小与G+C含量成正比。含量成正比。药学院药学院 付蕾付蕾 制作制作三、三、DNA的复性与分子杂交的复性与分子杂交 lDNA复性：复性：在适当条件下，变性在适当条件下，变性DNA的两条互补链可的两条互补链可恢复天然的双螺旋构象，这一现象称为复性。恢复天然的双螺旋构象，这一现象称为复性。减色效应减色效应DNA复性时，其溶液复性时，其溶液OD260降低。降低。热变性的热变性的DNA经缓慢冷却后即可复性，这一经缓慢冷却后即可复性，这一过程称为过程称为退火退火 。药学院药学院 付蕾付蕾 制作制作药学院药学院 付蕾