第二章核酸的结构和功能

第二章核酸的结构和功能第一页，共九十六页，2022年，8月28日第二章

核酸的结构和功能StructureandFunctionofNucleicAcidThebiochemistryandmolecularbiologydepartmentofHMU第二页，共九十六页，2022年，8月28日第一节核酸的化学组成及一级结构TheChemicalComponentandPrimaryStructureofNucleicAcid第三页，共九十六页，2022年，8月28日核酸(nucleicacid)

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。第四页，共九十六页，2022年，8月28日核酸的分类及分布

存在于细胞核和线粒体内。存在于胞核、胞液和线粒体。(deoxyribonucleicacid,DNA)(ribonucleicacid,RNA)脱氧核糖核酸

核糖核酸携带遗传信息，决定细胞和个体的遗传型(genotype)。参与遗传信息的复制与表达。某些病毒RNA也可作为遗传信息的载体。第五页，共九十六页，2022年，8月28日核酸的基本组成单位是核苷酸

(nucleotide)。磷酸核苷核酸核苷酸碱基戊糖DNA的基本组成单位是脱氧核糖核苷酸。RNA的基本组成单位是核糖核苷酸。第六页，共九十六页，2022年，8月28日

碱基嘌呤

嘧啶腺嘌呤（A）鸟嘌呤（G）胞嘧啶（C）胸腺嘧啶（T）尿嘧啶（U）DNA、RNA均有DNA有RNA有一、核苷酸是构成核酸的基本组成单位每种核酸都含有四种碱基。第七页，共九十六页，2022年，8月28日嘌呤(purine)腺嘌呤(adenine,A)鸟嘌呤(guanine,G)碱基第八页，共九十六页，2022年，8月28日嘧啶(pyrimidine)C4H4N2胞嘧啶(cytosine,C)尿嘧啶(uracil,U)胸腺嘧啶(thymine,T)第九页，共九十六页，2022年，8月28日第十页，共九十六页，2022年，8月28日

五种碱基都能形成酮式-烯醇式或氨基-亚氨基的互变异构。这两种异构体的平衡关系受介质酸碱环境的影响。

第十一页，共九十六页，2022年，8月28日核酸的基本组成单位是核苷酸

(nucleotide)。磷酸核苷核酸核苷酸碱基戊糖DNA的基本组成单位是脱氧核糖核苷酸。RNA的基本组成单位是核糖核苷酸。第十二页，共九十六页，2022年，8月28日戊糖（构成RNA）核糖(ribose)（构成DNA）脱氧核糖(deoxyribose)第十三页，共九十六页，2022年，8月28日碱基和核糖（或脱氧核糖）通过糖苷键连接形成核苷(nucleoside)

（或脱氧核苷）。第十四页，共九十六页，2022年，8月28日核酸的基本组成单位是核苷酸

(nucleotide)。磷酸核苷核酸核苷酸碱基戊糖DNA的基本组成单位是脱氧核糖核苷酸。RNA的基本组成单位是核糖核苷酸。第十五页，共九十六页，2022年，8月28日核苷酸：AMP,GMP,UMP,CMP脱氧核苷酸：dAMP,dGMP,dTMP,dCMP

核苷（脱氧核苷）和磷酸以酯键连接形成核苷酸（脱氧核苷酸）。

第十六页，共九十六页，2022年，8月28日碱基AdenineGuanineThymineCytosine（脱氧）核苷(Deoxy)adenosine(Deoxy)guanosine(Deoxy)thymidine(Deoxy)cytidine（脱氧）核苷酸(d)A(mono,di-,tri)phosphate(d)G(mono,di-,tri)phosphate(d)T(mono,di-,tri)phosphate(d)C(mono,di-,tri)phosphate1’第十七页，共九十六页，2022年，8月28日

多磷酸核苷酸：

NMP，NDP，NTP第十八页，共九十六页，2022年，8月28日

环化核苷酸:cAMP，cGMP第十九页，共九十六页，2022年，8月28日二、核酸的一级结构定义核酸中核苷酸的排列顺序。由于核苷酸间的差异主要是碱基不同，所以也称为碱基序列。第二十页，共九十六页，2022年，8月28日5´端3´端CGA核苷酸之间以3,5-磷酸二酯键连接形成多核苷酸链，即核酸。第二十一页，共九十六页，2022年，8月28日书写方法第二十二页，共九十六页，2022年，8月28日

DNA与RNA的区别核酸碱基戊糖DNAA、G、C、T脱氧核糖RNAA、G、C、U核糖第二十三页，共九十六页，2022年，8月28日第二节DNA的空间结构与功能DimensionalStructureandFunctionofDNA第二十四页，共九十六页，2022年，8月28日一、DNA的二级结构——双螺旋结构第二十五页，共九十六页，2022年，8月28日

碱基组成分析Chargaff规则：[A]=[T][G]=[C]

碱基的理化数据分析A-T、G-C以氢键配对较合理DNA纤维的X-线衍射图谱分析第二十六页，共九十六页，2022年，8月28日已知的核酸化学数据第二十七页，共九十六页，2022年，8月28日（二）DNA双螺旋结构模型要点1.两条链反向平行，围绕同一中心轴构成右手双螺旋(doublehelix)。螺旋直径2nm，表面有大沟和小沟。2.磷酸-脱氧核糖骨架位于螺旋外侧，碱基垂直于螺旋轴而伸入内侧。每圈螺旋含10.5个碱基对

(bp)，螺距为3.54nm。第二十八页，共九十六页，2022年，8月28日PhosphodiesterBackbone第二十九页，共九十六页，2022年，8月28日碱基平面与纵轴垂直，糖环平面与纵轴平行第三十页，共九十六页，2022年，8月28日3.两条链通过碱基间的氢键相连，A对T有两个氢键，C对G有三个氢键，这种A-T、C-G配对的规律，称为碱基互补规则。4.维持双螺旋稳定的因素：横向为氢键，纵向为碱基间的堆积力。第三十一页，共九十六页，2022年，8月28日C-GT-A碱基互补配对第三十二页，共九十六页，2022年，8月28日第三十三页，共九十六页，2022年，8月28日（三）DNA双螺旋结构的多样性Z型DNAB型DNAA型DNA第三十四页，共九十六页，2022年，8月28日DNA二级结构多态性A-DNAB-DNAZ-DNA类型螺旋方向螺旋直径螺距(nm)每转碱基碱基对间碱基对与

(nm)对数目直距离(nｍ）水平面倾角Ａ右２．55２．53１１０．２319°Ｂ右２．37３．5４１０.4０．３４1°Ｚ左１.８4４．５6１２０．３89°第三十五页，共九十六页，2022年，8月28日二、DNA的高级结构是超螺旋结构DNA的超螺旋结构超螺旋结构(superhelix或supercoil)DNA双螺旋链再盘绕即形成超螺旋结构。正超螺旋(positivesupercoil)盘绕方向与DNA双螺旋方同相同负超螺旋(negativesupercoil)盘绕方向与DNA双螺旋方向相反第三十六页，共九十六页，2022年，8月28日第三十七页，共九十六页，2022年，8月28日第三十八页，共九十六页，2022年，8月28日意义DNA超螺旋结构整体或局部的拓扑学变化及其调控对于DNA复制和RNA转录过程具有关键作用。第三十九页，共九十六页，2022年，8月28日第四十页，共九十六页，2022年，8月28日第四十一页，共九十六页，2022年，8月28日第四十二页，共九十六页，2022年，8月28日（二）DNA在真核生物细胞核内的组装真核生物染色质由DNA和蛋白质构成，其基本单位是核小体(nucleosome)。核小体的组成DNA：约200bp组蛋白：H1H2A，H2BH3H4第四十三页，共九十六页，2022年，8月28日第四十四页，共九十六页，2022年，8月28日串珠状核小体结构第四十五页，共九十六页，2022年，8月28日串珠状核小体DNA双螺旋片段染色质纤维伸展形染色质片段密集形染色质片段整个染色体第四十六页，共九十六页，2022年，8月28日核小体螺线管真核生物染色体DNA组装第四十七页，共九十六页，2022年，8月28日三、DNA的功能DNA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。它是生命遗传的物质基础，也是个体生命活动的信息基础。基因从结构上定义，是指DNA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能。第四十八页，共九十六页，2022年，8月28日小结DNA的一级结构DNA的空间结构磷酸核苷核酸核苷酸碱基戊糖第四十九页，共九十六页，2022年，8月28日DNARNA名称脱氧核糖核酸核糖核酸分布细胞核、线粒体细胞质、细胞核、线粒体功能携带遗传信息，决定细胞和个体的遗传型参与遗传信息的复制和表达碱基A、G、C、TA、G、C、U戊糖脱氧核糖核糖核苷酸/脱氧核苷酸dAMP、dGMP、dCMP、dTMPAMP、GMP、CMP、UMP第五十页，共九十六页，2022年，8月28日DNA一级结构DNA二级结构DNA高级结构定义指核苷酸的排列顺序即碱基排列顺序即DNA双螺旋结构指在双螺旋结构基础上进一步扭曲成超螺旋功能1、DNA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2、是生命遗传的物质基础，也是个体生命活动的信息基础※

第五十一页，共九十六页，2022年，8月28日第三节

RNA的结构与功能StructureandFunctionofRNA第五十二页，共九十六页，2022年，8月28日真核细胞内主要RNA的种类及功能※

第五十三页，共九十六页，2022年，8月28日第五十四页，共九十六页，2022年，8月28日一、mRNA是蛋白质合成的模板二、tRNA是蛋白质合成的氨基酸载体三、以rRNA为组分的核糖体是蛋白质合成的场所※

第五十五页，共九十六页，2022年，8月28日一、mRNA是蛋白质合成的模板mRNA初级产物不均一核RNA（heterogeneousnuclearRNA,hnRNA）※

第五十六页，共九十六页，2022年，8月28日AAAAAA第五十七页，共九十六页，2022年，8月28日58

大部分真核细胞mRNA的5’-末端都以7-甲基鸟嘌呤-三磷酸核苷（m7GpppN）为起始结构第五十八页，共九十六页，2022年，8月28日帽子结构第五十九页，共九十六页，2022年，8月28日可以与帽结合蛋白结合第六十页，共九十六页，2022年，8月28日*mRNA结构特点1.大多数真核mRNA的5´末端均在转录后加上一个7-甲基鸟苷，形成帽子结构：m7GpppNm-。2.大多数真核mRNA的3´末端有一个多聚腺苷酸(polyA)结构，称为多聚A尾。第六十一页，共九十六页，2022年，8月28日mRNA核内向胞质的转位维系mRNA的稳定性翻译起始的调控帽子结构和多聚A尾的功能第六十二页，共九十六页，2022年，8月28日3.mRNA依照自身的碱基顺序指导蛋白质氨基酸顺序的合成从mRNA分子5'末端起的第一个AUG开始，每3个核苷酸为一组称为密码子(codon)或三联体密码(tripletcode)。

AUG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。位于起始密码子和终止密码子之间的核苷酸序列称为开放阅读框(openreadingframe,ORF)，决定了多肽链的氨基酸序列。第六十三页，共九十六页，2022年，8月28日4.mRNA的成熟过程是hnRNA的剪接过程hnRNA内含子(intron)mRNA

外显子(exon)第六十四页，共九十六页，2022年，8月28日mRNA的成熟过程是hnRNA的剪接过程第六十五页，共九十六页，2022年，8月28日5-末端的帽子(cap)结构和3-末端的多聚A尾(poly-Atail)结构。成熟的mRNA由氨基酸编码区和非编码区构成。从AUG开始，每三个核苷酸为一组编码了一个氨基酸，称为三联体密码(codon)。成熟的真核生物mRNA第六十六页，共九十六页，2022年，8月28日*

tRNA的一级结构特点由74~95个核苷酸组成含稀有碱基较多

3´末端为—CCA-OH具有TC二、tRNA是蛋白质合成的氨基酸载体※

第六十七页，共九十六页，2022年，8月28日

稀有碱基第六十八页，共九十六页，2022年，8月28日*tRNA的二级结构——三叶草形氨基酸臂额外环第六十九页，共九十六页，2022年，8月28日*tRNA的三级结构——倒L形*tRNA的功能活化、搬运氨基酸到核糖体，参与蛋白质的翻译。第七十页，共九十六页，2022年，8月28日*rRNA的结构三、以rRNA为组分的核糖体是蛋白质合成的场所*rRNA的功能参与组成核糖体，作为蛋白质生物合成的场所。※

第七十一页，共九十六页，2022年，8月28日核糖体的组成原核生物真核生物小亚基30S40SrRNA16S18S蛋白质21种33种大亚基50S60SrRNA23S5S28S5.8S5S蛋白质31种49种核糖体70S80S第七十二页，共九十六页，2022年，8月28日四、snmRNA参与了基因表达的调控除了上述三种RNA外，细胞的不同部位存在的许多其他种类的小分子RNA，统称为非mRNA小RNA(smallnon-messengerRNAs，snmRNAs)。

snmRNAs第七十三页，共九十六页，2022年，8月28日第七十四页，共九十六页，2022年，8月28日Science298:2296(2002)Nature420:732(2002)第七十五页，共九十六页，2022年，8月28日第七十六页，共九十六页，2022年，8月28日snmRNAs的种类核内小RNA(snRNA)核仁小RNA(snoRNA)胞质小RNA(scRNA)催化性小RNA小片段干扰RNA(siRNA)snmRNAs的功能参与hnRNA和rRNA的转录后加工和转运以及基因表达过程的调控等。第七十七页，共九十六页，2022年，8月28日是研究细胞中snmRNAs的种类、结构和功能的科学。同一生物体内不同种类的细胞、同一细胞在不同时间、不同状态下snmRNAs的表达具有时间和空间特异性。RNA组学(RNomics)第七十八页，共九十六页，2022年，8月28日五、核酸的在原核与真核细胞中的时空特性

第七十九页，共九十六页，2022年，8月28日核酸的理化性质ThePhysicalandChemicalCharactersofNucleicAcid第四节第八十页，共九十六页，2022年，8月28日一、核酸的一般理化性质核酸为多元酸，具有较强的酸性；DNA是线性高分子，粘度极大；在260nm波长有最大吸收峰，是由碱基的共轭双键决定的。这一特性常用作核酸的定性、定量分析。第八十一页，共九十六页，2022年，8月28日第八十二页，共九十六页，2022年，8月28日1.DNA或RNA的定量OD260=1.0相当于50g/ml双链DNA40g/ml单链DNA（或RNA）20g/ml寡核苷酸2.判断核酸样品的纯度DNA纯品:OD260/OD280=1.8RNA纯品:OD260/OD280=2.0OD260的应用第八十三页，共九十六页，2022年，8月28日二、DNA的变性(denaturation)定义：在某些理化因素作用下，DNA双链解开成两条单链的过程。变性因素：过量酸，碱，加热等。变性后理化性质的主要改变：OD260增高 粘度下降第八十四页，共九十六页，2022年，8月28日DNA变性的本质是双链间氢键的断裂第八十五页，共九十六页，2022年，8月28日DNA的紫外吸收光谱增色效应：DNA变性时其溶液OD260增高的现象。第八十六页，共九十六页，2022年，8月28日解链曲线：在连续加热DNA的过程中以温度对A260值作图，所得的曲线称为解