第二章核酸的结构和功能

1、 第第 二二 章章 核酸的结构和功能核酸的结构和功能主要内容主要内容v核酸的化学组成及其一级结构核酸的化学组成及其一级结构vDNADNA的空间结构与功能的空间结构与功能vRNARNA的结构与功能的结构与功能v核核 酸酸 的的 理理 化化 性性 质质v核核 酸酸 酶酶学 习 目 标v掌握：掌握：核酸的化学组成和水解产物；核酸的化学组成和水解产物； DNADNA和和RNARNA在组成成分和组成单位上的异同；核苷酸在组成成分和组成单位上的异同；核苷酸之间的连接方式；核酸的一级结构。之间的连接方式；核酸的一级结构。v熟悉：熟悉：核酸的分类、分布与功能；核酸的分类、分布与功能； DNADNA的空的空间结

2、构。间结构。v了解：了解：体内重要的游离核苷酸；体内重要的游离核苷酸；RNARNA的空间结的空间结构；核酸的理化性质。构；核酸的理化性质。核核 酸酸(nucleic acid) 是以核苷酸为基本组成单位的生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。物大分子，携带和传递遗传信息。18681868年，瑞士青年外科医生从脓细胞核年，瑞士青年外科医生从脓细胞核中分离出一碱性蛋白和含磷的有机酸的混合中分离出一碱性蛋白和含磷的有机酸的混合物，当时称之为核素，后来被称为核酸。物，当时称之为核素，后来被称为核酸。一、核酸的发现和研究工作进展一、核酸的发现和研究工作进展 v18681868年年

3、Fridrich Miescher Fridrich Miescher从脓细胞中提取从脓细胞中提取“核素核素” ” v19441944年年 Avery Avery等人等人证实证实DNADNA是遗传物质是遗传物质v19531953年年 Watson Watson和和CrickCrick发现发现DNADNA的双螺旋结构的双螺旋结构v19681968年年 Nirenberg Nirenberg发现发现遗传密码遗传密码v19751975年年 Temin Temin和和BaltimoreBaltimore发现发现逆转录酶逆转录酶v19811981年年 Gilbert Gilbert和和SangerSan

4、ger建立建立DNA DNA 测序方法测序方法v19851985年年 MullisMullis发明发明PCR PCR 技术技术v19901990年年 美国启动美国启动人类基因组计划人类基因组计划(HGP)(HGP) v19941994年年 中国人类基因组计划启动中国人类基因组计划启动v20012001年年 美、英等国美、英等国完成人类基因组计划基本框架完成人类基因组计划基本框架二、核酸的分类及分布二、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。(deoxyr

5、ibonucleic acid, DNA)(ribonucleic acid, 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(genotype)(genotype)。参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。第一节第一节核酸的化学组成核酸的化学组成一、核酸的元素和分子组成一、核酸的元素和分子组成 1. 1. 元素组成元素组成C C、H H、O O、N N、P P（910%910%）2. 2. 分子组成分子组成 碱基碱基(

6、base)(base)：嘌呤碱，嘧啶碱：嘌呤碱，嘧啶碱 戊糖戊糖(ribose)(ribose)：核糖，脱氧核糖：核糖，脱氧核糖 磷酸磷酸(phosphate)(phosphate)嘌呤嘌呤(purine)(purine) NNNHN123456789NNNHNNH2腺嘌呤腺嘌呤(adenine, A)(adenine, A)NNHNHNNH2O鸟嘌呤鸟嘌呤(guanine, G)(guanine, G)碱碱 基基NNH132456嘧啶嘧啶(pyrimidine)(pyrimidine)胞嘧啶胞嘧啶(cytosine,C)(cytosine,C)NNHNH2O尿嘧啶尿嘧啶(uracil, U)

7、(uracil, U)NHNHOO胸腺嘧啶胸腺嘧啶(thymine, T)(thymine, T)NHNHOOCH3戊戊 糖糖（构成（构成RNA）1 2 3 4 5 OHOCH2OHOHOH核糖核糖(ribose)(ribose)（构成（构成DNA）OHOCH2OHOH脱氧核糖脱氧核糖(deoxyribose)(deoxyribose)核苷：核苷：AR, GR, UR, CRAR, GR, UR, CR脱氧核苷：脱氧核苷：dAR, dGR, dTR, dCRdAR, dGR, dTR, dCR二、核酸的基本结构二、核酸的基本结构 核苷酸核苷酸1. 1. 核苷核苷(ribonucleoside)

8、(ribonucleoside)碱基和核糖（脱氧核糖）通过碱基和核糖（脱氧核糖）通过糖糖苷键苷键连接形成的化合物叫核苷（脱氧连接形成的化合物叫核苷（脱氧核苷）。核苷）。OHOCH2OHOHNNNH2O1 1POOOHOHOCH2OHOHNNNH2OOHOCH2OHOHNNNH2O核苷酸：核苷酸：AMP, GMP, UMP, CMPAMP, GMP, UMP, CMP脱氧核苷酸：脱氧核苷酸：dAMP, dGMP, dTMP, dCMPdAMP, dGMP, dTMP, dCMP 2. 2. 核苷酸核苷酸(ribonucleotide)(ribonucleotide)核苷（脱氧核苷）和磷酸以核苷（

9、脱氧核苷）和磷酸以磷酸酯磷酸酯键键连接连接形成的化合物叫形成的化合物叫核苷酸（脱氧核核苷酸（脱氧核苷酸）。苷酸）。 3 3、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NOCH2OOHOHNNNNH2POOHOHNOCH2OOHOHNNNNH2POOHOPOOHOHNOCH2OOHOHNNNNH2POOHOPOOHOPOOHOH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（2 2）环化核苷酸）环化核苷酸: cAMP: cAMP，cGMPcGMPNOCH2OOHONNNNH2POOH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（3 3）含核苷酸的

10、生物活性物质（辅酶类）含核苷酸的生物活性物质（辅酶类） NAD+、NADP+、CoA-SH、FAD 等都含有等都含有 AMPNADP+NAD+5 端端3 端端三、核苷酸的连接三、核苷酸的连接 核苷酸之间以核苷酸之间以磷磷酸二酯键酸二酯键连接形成多连接形成多核苷酸链，即核酸。核苷酸链，即核酸。CGA核酸的一级结构核酸的一级结构定义定义核酸中核苷酸核酸中核苷酸的排列顺序。的排列顺序。由于核苷酸间由于核苷酸间的差异主要是碱的差异主要是碱基不同，所以也基不同，所以也称为称为碱基序列碱基序列。55端端3端端CGAA G P5 P T PG PC PT P OH 3 书写方法书写方法5 pApCpTpGp

11、CpT-OH 3 5 A C T G C T 3 第二节第二节DNA的空间结构与功能的空间结构与功能一一、DNA的一级结构的一级结构v定义定义 DNADNA的一级结构是指核酸分子中核苷酸的一级结构是指核酸分子中核苷酸排列顺序及连接方式排列顺序及连接方式 * * 3,5 3,5磷酸二酯键磷酸二酯键, ,前一个脱氧核苷酸的前一个脱氧核苷酸的3-OH3-OH和后一个的和后一个的5-5-磷酸缩合形成磷酸二磷酸缩合形成磷酸二酯键酯键 * * 方向性：通常规定方向性：通常规定5533为正向为正向 （一）（一）DNADNA双螺旋结构的研究背景双螺旋结构的研究背景v碱基组成分析碱基组成分析Chargaff C

12、hargaff 规则：规则：A = T G A = T G C Cv碱基的理化数据分析碱基的理化数据分析A-TA-T、G-CG-C以以氢键配对较合理氢键配对较合理vDNADNA纤维的纤维的X-X-线衍射图谱分析线衍射图谱分析二二、DNA的二级结构的二级结构双螺旋结构双螺旋结构（二）（二）DNADNA双螺旋结构模型要点双螺旋结构模型要点 uDNADNA分子由两条分子由两条相互相互平行但走向相反平行但走向相反的脱的脱氧多核苷酸链组成，氧多核苷酸链组成，围绕同一中心轴，以围绕同一中心轴，以右手螺旋右手螺旋方式绕成的方式绕成的双螺旋结构。双螺旋双螺旋结构。双螺旋表面形成大沟和小沟表面形成大沟和小沟 （

13、二）（二） DNADNA双螺旋结构模型要点双螺旋结构模型要点 u碱基垂直螺旋轴居双螺旋碱基垂直螺旋轴居双螺旋内側，与对側碱基形成内側，与对側碱基形成氢氢键配对键配对（互补配对形式：（互补配对形式：A=T; GA=T; G C C） 。u螺旋直径为螺旋直径为2 2nmnm，相邻碱相邻碱基平面距离基平面距离0.34nm0.34nm，螺旋螺旋一圈螺距一圈螺距3.4nm3.4nm，一圈，一圈1010对碱基。对碱基。碱基互补配对碱基互补配对 （二）（二）DNADNA双螺旋结构模型要点双螺旋结构模型要点 u氢键氢键维持双链维持双链横向稳横向稳定性定性，碱基堆积力碱基堆积力维维持双链持双链纵向稳定性纵向稳定

14、性。逆向平行逆向平行 右手螺旋右手螺旋 碱基互补碱基互补 氢键固定氢键固定键轴垂直键轴垂直 螺旋尺寸螺旋尺寸 （三）（三）DNADNA双螺旋结构的多样性双螺旋结构的多样性三、三、DNADNA的超级结构（的超级结构（三级结构三级结构）（一）（一）DNADNA的超螺旋结构的超螺旋结构超螺旋结构超螺旋结构 DNADNA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。正超螺旋正超螺旋盘绕方向与盘绕方向与DNADNA双螺旋方同相同。双螺旋方同相同。负超螺旋负超螺旋盘绕方向与盘绕方向与DNADNA双螺旋方向相。双螺旋方向相。意义意义 DNADNA超螺旋结构整体或局部的拓扑学变化超螺旋结构整

15、体或局部的拓扑学变化及其调控对于及其调控对于DNADNA复制和复制和RNARNA转录过程具有关键转录过程具有关键作用。作用。 原核生物的原核生物的DNADNA是共价封闭的环状双螺旋，这种是共价封闭的环状双螺旋，这种 环状双螺旋结构再盘绕即形成超螺旋结构。右旋环状双螺旋结构再盘绕即形成超螺旋结构。右旋变变紧紧为为正超螺旋，正超螺旋，变松为变松为负超螺旋。自然界以负超螺负超螺旋。自然界以负超螺旋为主。旋为主。（三）（三）DNADNA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，其基和蛋白质构成，其基本单位是本单位是 核小体核小体(nucl

16、eosome)(nucleosome)。核小体的组成核小体的组成DNADNA：约约200bp 200bp 组蛋白：组蛋白：H1H1H2AH2A，H2BH2BH3H3H4H4四、四、DNADNA的功能的功能DNADNA的基本功能是以的基本功能是以基因基因的形式荷载遗的形式荷载遗传信息，并作为基因复制和转录的模板。它传信息，并作为基因复制和转录的模板。它是生命遗传的物质基础，也是个体生命活动是生命遗传的物质基础，也是个体生命活动的信息基础。的信息基础。基因从结构上定义，基因从结构上定义，是指是指DNADNA分子中的分子中的特定区段，其中的核苷酸排列顺序决定了基特定区段，其中的核苷酸排列顺序决定了基

17、因的功能。因的功能。 第三节第三节RNA的结构与功能的结构与功能Structure and Function of RNARNARNA的结构特征的结构特征 1 1. RNA. RNA分子的碱基组成主要是分子的碱基组成主要是A A、G G、C C、U U。此外，此外，RNARNA分子中含有多种稀有碱基分子中含有多种稀有碱基 2 2. RNA. RNA多为单股多核苷酸链，局部可形成多为单股多核苷酸链，局部可形成双链双链 3 3. RNA. RNA分子比分子比DNADNA分子小。按其在基因表分子小。按其在基因表达中的作用常分为三大类达中的作用常分为三大类 RNARNA的种类、分布、功能的种类、分布、

18、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RNA信使信使RNA转运转

19、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一一 、信使、信使RNARNA的结构与功能的结构与功能hnRNA 内含子内含子( (in

20、tron) )mRNA * mRNA成熟过程成熟过程 外显外显子子( (exon) )* * mRNAmRNA结构特点结构特点1. 1. 大多数真核大多数真核mRNAmRNA的的5 5 末端均在转录后加上一末端均在转录后加上一个个7-7-甲基鸟苷，同时第一个核苷酸的甲基鸟苷，同时第一个核苷酸的C C 2 2也是也是甲基化，形成帽子结构：甲基化，形成帽子结构：m m7 7GpppNGpppNm m- -。2. 2. 大多数真核大多数真核mRNAmRNA的的3 3 末端有一个多聚腺苷酸末端有一个多聚腺苷酸(polyA)(polyA)结构，称为多聚结构，称为多聚A A尾。尾。帽子结构帽子结构mRNA

21、mRNA核内向胞质的转位核内向胞质的转位mRNAmRNA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 帽子结构和多聚帽子结构和多聚A A尾的功能尾的功能* mRNAmRNA的功能的功能 把把DNADNA所携带的遗传信息，按碱基互补所携带的遗传信息，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。定其合成蛋白质的氨基酸排列顺序。DNAmRNA蛋白蛋白转录转录翻译翻译原核细胞原核细胞 细胞质细胞质细胞核细胞核DNA内含子内含子外显子外显子转录转录转录后剪接转录后剪接转运转运mRNAhnRNA翻译翻译蛋白蛋白真核细胞真核细胞

22、* tRNAtRNA的一级结构特点的一级结构特点 含含 1020% 1020% 稀有碱基，如稀有碱基，如 DHUDHU 3 3 末端为末端为 CCA-OH CCA-OH 5 5 末端大多数为末端大多数为G G 具有具有 T T C C 二、转运二、转运RNARNA的结构与功能的结构与功能NNHNHNNOCH3CH3NNNHNNHCH2CHCCH3CH3NHNHOOHHHHNHNHSON,N二甲基鸟嘌呤二甲基鸟嘌呤N6-异戊烯腺嘌呤异戊烯腺嘌呤双氢尿嘧啶双氢尿嘧啶4-巯尿嘧啶巯尿嘧啶 稀有碱基稀有碱基 1. 1. 分子中含较多的分子中含较多的稀有碱基稀有碱基, ,如双氢尿嘧啶（如双氢尿嘧啶（DH

23、UDHU）、）、 假尿嘧啶（假尿嘧啶（ ）、次黄嘌呤）、次黄嘌呤(I)(I)、甲基鸟嘌呤、甲基鸟嘌呤( (m mG)G)等。等。 3. 3. 局部具有茎局部具有茎- -环样结构（发夹结构）。二级结构为环样结构（发夹结构）。二级结构为 三叶草形三叶草形; ;三级结构为三级结构为倒倒L L形形。 2.2. 33端都具有端都具有CCACCA结构，为结构，为氨基酸臂氨基酸臂。 4. 4. 其序列中有其序列中有反密码子反密码子。 tRNA tRNA 空间结构要点空间结构要点受体干受体干D 干干T 干干 三环三环 DHU DHU 环环 T T C C环环 反密码子环反密码子环 四干（四干（螺旋区） 受体干

24、（氨基酸臂受体干（氨基酸臂) ) D D 干干 T T 干干 反密码干反密码干 一附加一附加 额外环额外环反密码干反密码干* * tRNAtRNA的三级结构的三级结构 倒倒L L形形* tRNAtRNA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。* rRNArRNA的结构的结构三、核蛋白体三、核蛋白体RNARNA的结构与功能的结构与功能* rRNArRNA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。* rRNArRNA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

25、rRNA5S rRNA28S rRNA28S rRNA5.8S rRNA5.8S rRNA18S rRNA18S rRNA原核生物原核生物5S rRNA5S rRNA23S rRNA23S rRNA16S rRNA16S rRNA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12

26、0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%四四 、小分子、小分子RNARNA snmRNAs概念概念 除了上述三种除了上述三种RNA外，细胞的不同部位存在的外，细胞的不同部位存在的许多其他种类的小分子许多其他种类的小分子RNA，统称为，统称为非非mRNA小小RNA(snmRNAs)。 snmRNAs的种类的种类 核内小核内小RNA（碱基数小于（碱基数小于300、U1-U6） 核仁小核仁小RNA 胞质小胞质小RNA 催化性小催化性小RNA和小片段干涉和小

27、片段干涉 RNA snmRNAs的功能的功能 参与参与hnRNA和和rRNA的加工和转运。的加工和转运。五、核酶五、核酶 1982 1982年，年， T. cell T. cell 从四膜虫中发从四膜虫中发现：现：一类具有自身催化，并可以剪切去一类具有自身催化，并可以剪切去除除RNARNA内含子的催化活性的内含子的催化活性的RNARNA分子，称分子，称之为核酶。之为核酶。 从此改变了从此改变了“酶的化学本质为蛋白酶的化学本质为蛋白”的传统概念。的传统概念。 定义：定义：核酸酶核酸酶是指所有可以水解核酸的酶是指所有可以水解核酸的酶分类：分类：依据底物不同分类依据底物不同分类vDNADNA酶：酶：

28、专一降解专一降解DNADNA。vRNARNA酶酶 ：专一降解专一降解RNARNA。依据切割部位不同依据切割部位不同v核酸内切酶：核酸内切酶：分为限制性核酸内切酶和非特分为限制性核酸内切酶和非特异性限制性核酸内切酶。异性限制性核酸内切酶。v核酸外切酶：核酸外切酶：5 5 33 或或3 3 55 核酸外切酶核酸外切酶第四节第四节核核 酸酸 的的 理理 化化 性性 质质一、核酸的一般性质一、核酸的一般性质 核酸是生物大分子，核酸是生物大分子，具有大具有大分子的一般性质分子的一般性质。表示核酸分子。表示核酸分子的大小的方式除了分子量外，常的大小的方式除了分子量外，常用碱基数目或碱基对数目来表示。用碱基

29、数目或碱基对数目来表示。核酸是核酸是两性电解质两性电解质，但因磷酸基，但因磷酸基酸性较强，常酸性较强，常显酸性显酸性。二、核酸的紫外吸收二、核酸的紫外吸收 由于核酸中的嘌呤和嘧啶分子都含共轭由于核酸中的嘌呤和嘧啶分子都含共轭双键，使得核酸分子在双键，使得核酸分子在250nm-280nm250nm-280nm处有吸处有吸收，收， 但最大吸收峰在但最大吸收峰在260nm260nm处。处。 这一性质主要用于核酸的定量。这一性质主要用于核酸的定量。 OD260OD260的应用：的应用： 1.DNA1.DNA或或RNARNA的定量的定量 2.2.判断核酸样品的纯度判断核酸样品的纯度三、核酸的三、核酸的变

30、性与复性变性与复性 （一）（一）DNADNA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，DNADNA双链解开成双链解开成两条单链的过程。两条单链的过程。因素：因素：强酸，强碱，高温，高压，强酸，强碱，高温，高压，变性试剂如尿变性试剂如尿素以及某些有机溶剂如乙醇、丙酮等。素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：ODOD260260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变酸碱滴定曲线改变生物活性丧失生物活性丧失DNADNA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例：变性引起紫外吸收值的改变例：变性引起紫外吸收值的改变DNA的紫外吸收光谱的紫外吸收光谱增色效应：增色效应：DNADNA变性时其溶液变性时其溶液ODOD260260增高的现象增高的现象。热变性热变性解链曲线：解链曲线：如果在连续如果在连续加热加热D