核酸的结构与功能课件

第一部分：

生物大分子的结构和功能

（核酸，蛋白质，脂类）第二部分：

新陈代谢（糖代谢，脂类代谢，核酸代谢）第三部分：

遗传信息的存储、传递和表达1.1核酸的种类、分布和化学组成1.2核酸的分子结构1.3核酸的理化性质及其应用1核酸的结构与功能1.1.1核酸的生物学功能1.1.2核酸的种类和分布1.1.3核酸的组成1.1核酸的种类、分布及化学组成

核酸是生物体内最重要的生物大分子，任何生物体，甚至无细胞结构的病毒和噬菌体都含有核酸。核酸在生物的个体发育、生长繁殖、遗传变异等生命过程中起着极为重要的作用。

1.1.1核酸的生物学功能

核酸主要存在于细胞核中，含量占细胞干重的5～15%。核酸根据核酸的化学组成和生物学功能，将核酸分为：核糖核酸(ribonucleicacidRNA)脱氧核糖核酸(deoxyribonucleicacidDNA)1.1.2核酸的种类和分布核酸核糖核酸nucleicacidribonucleicacidRNA

信使RNA（messengerRNA,mRNA）核糖体RNA（ribosomeRNA,rRNA）转运RNA（transferRNA,tRNA）

脱氧核糖核酸

deoxyribonucleicacidDNADNA主要存在于细胞核，是染色质的主要成分；原核生物DNA主要存在于类核（nucleoid）中；在核外也存在有少量DNA，如线粒体DNA、叶绿体DNA以及细菌的质粒（plasmid）。RNA主要存在于细胞质(90%)，少量存在于核仁中

mRNA存在于细胞质中，占总RNA的5~10%。

tRNA存在于细胞质中，占总RNA的10~15%rRNA存在于核糖体中，占总RNA的75~80%

核酸核苷酸核苷磷酸碱基（嘌呤和嘧啶）核糖或脱氧核糖1.1.3核酸的化学组成1.1.3.1核糖和脱氧核糖核糖脱氧核糖1.1.3.2碱基(base)嘌呤嘧啶

腺嘌呤鸟嘌呤胞嘧啶胸腺嘧啶尿嘧啶1.1.3.3核苷

腺苷胞苷1.1.3.4核苷酸和稀有核苷酸Chemicalstructuresof(a)ribonucleotidesand(b)deoxyribonucleotides腺苷酸鸟苷酸尿苷酸胞苷酸脱氧腺苷酸脱氧鸟苷酸脱氧胸腺苷酸脱氧胞苷酸稀有核苷酸：核酸中的稀有核苷酸是碱基或戊糖被修饰后形成的。核酸中的稀有核苷酸常以其核苷的形式表示。常见的为甲基化修饰以“m”（methy-）表示，修饰基团在碱基上的写在碱基符号的左方，修饰基团在戊糖上的写在碱基符号的右方，修饰基团个数写在其右下角，修饰位置写在右上角。常见稀有核苷细胞中还有一些游离的核苷酸及其衍生物，其中较重要的为多磷酸核苷酸、环式单核苷酸和辅酶类单核苷酸。1.1.3.5胞内的游离核苷酸及其衍生物多核苷酸与环化核苷酸辅酶A泛酸Β－巯基乙胺烟酰胺辅酶I（烟酰胺腺嘌呤二核苷酸）FAD(黄素腺嘌呤二核苷酸)核黄素1.2核酸的分子结构1.2.1DNA的分子结构1.2.1.1DNA的一级结构

DNA的一级结构是组成DNA分子的脱氧核苷酸的连接方式和排列顺序。

DNA是由很多个dAMP、dGMP、dCMP和dTMP通过3’,5’-磷酸二酯键连成的无分支双链线状或环状多核苷酸。

E.coliDNA4106bp，1.4106nm；

人DNA2.9109bp9.9

108nmDNA分子中链骨架是固定不变的，脱氧核糖核苷酸的排列顺序实质上是碱基的排列顺序。核酸链的简写式：核酸分子的简写式可简明表示高度复杂的核酸分子。简写式表示的是核酸分子的一级结构，即核酸分子中的核苷酸（或碱基）排列顺序。书写方式由5’→3’端。线条式：以竖线和斜线分别表示糖基和磷酸酯键。糖基的C-3’位糖基的C-5’位字符式：用A、T、G、C、U代表碱基，用P代表磷酸残基。核酸分子中的糖基、糖苷键和酯键等均省略不写，将碱基和磷酸相间排列即可。省略了糖基，简写式中出现T的为DNA链，出现U则为RNA链。以5‘和3’表示链的末端及方向，分别置于简写式的左右二端。5’pApCpTpTpGpApApCpG3’DNA5’pApCpUpUpGpApApCpC3’RNA简化为：5’pACTTGAACG3’DNA5’pACUUGAACG3’RNA简写式的5‘-末端均含有一个磷酸残基（与糖基的C-5’位上的羟基相连），3‘-末端含有一个自由羟基（与糖基的C-3’位相连），若5‘端不写P，则表示5’-末端为自由羟基。双链DNA分子的简写式是在一条简式的基础上再增加一条互补链，链间的配对碱基用短纵线相连或省略5’GGAATCTCAT3’3’CCTTAGAGTA5’注：bp（basepair），代表碱基对。1.2.1.2DNA的二级结构及其多态性Watson和Crick集各项对DNA的研究成果于一体，在1953年以立体化学上的最适构型建立了与DNAX-射线衍射资料相符的分子模型——DNA双螺旋结构模型。它可在分子水平上阐述遗传的基本特征。⑴DNA双螺旋结构的主要依据①1949-1951年Chatgaff应用紫外分光光度法和纸层析等技术，对不同来源的DNA进行碱基定量分析，得出组成DNA四种碱基的比例关系。不同来源DNA碱基组成的比例关系碱基组成的共同规律：不同来源的DNA中[A]=[T]、[C]=[G]；A+G=T+C。②Wilkins及其同事Franklin等用X-射线衍射方法获得的DNA结构资料。③用电位滴定法证明DNA的磷酸基可以滴定，而嘌呤和嘧啶的-NH、-CO则不能滴定，因此它们之间形成氢键。⑵双螺旋结构特征①主链：脱氧核糖和磷酸基通过酯键交替连接成反向平行的两条主链，它们绕一共同轴心向右盘旋形成双螺旋构型。主链处于螺旋的外则。②碱基对

(basepair)：

碱基位于螺旋的内则，它们以垂直于螺旋轴的取向。同一平面的碱基在二条主链间形成碱基对。③大沟和小沟：大沟和小沟分别指双螺旋表面凹下去的较大沟槽和较小沟槽。小沟位于双螺旋的互补链之间，而大沟位于相毗邻的双股之间。④结构参数：螺旋直径2nm；螺旋周期包含10bp；螺距3.4nm；相邻碱基对平面的间距0.34nm。⑶双螺旋结构的稳定因素DNA结构稳定的最主要因素是碱基堆积力。层层堆积的芳香族碱基上的电子云交错形成了碱基堆积力，使DNA双螺旋结构内部形成疏水核心而不存在游离的水分子，有利于互补碱基间形成氢键；同时，双螺旋外侧带负电荷的磷酸基团同带正电荷的阳离子之间形成的离子键可减少双链间的静电斥力，因而对DNA双螺旋结构也有一定的稳定作用。⑸DNA二级结构的多态性A-DNA和B-DNADNA结构的研究手段主要是X射线衍射技术，它是通过间接观测多个DNA分子有关结构参数的平均值而获得的。根据X-射线衍射图谱在溶液中的DNA一般为B-构象，这是最常见的DNA构象。在多核苷酸链中，戊糖能折叠成多种构象，同时，分子还可绕C-N糖苷键以及3’,5’-磷酸二酯键旋转一定角度，使得具有同样碱基配对的DNA双螺旋可以采取不同的构象，这种构象上的差异称为多态性。即DNA的结构是动态的。在以钠、钾或铯作反离子，相对湿度为75％时，DNA分子的X-射线衍射图显示的是A-构象。B-DNA与A-DNA的比较DNA锂盐在相对湿度为66％，其构象为C-构象。这种构象仅在实验室中观察到。DNA的构象是可变的，在不同的条件下构象不同。但这些DNA都是右手双螺旋；这些螺旋中都有两个螺旋沟，分为大沟与小沟，只是它们的宽窄和深浅程度有所不同。Z-DNAWang和Rich等在研究人工合成的d（CGCGCG）单晶的X-射线衍射图谱时，发现这种六聚体的构象不同于B-构象。它是左手双螺旋，在主链中各个磷酸根呈锯齿（Zigzag）状排列，因此称Z-构象。B-DNA与Z-DNA的比较B-DNAstructure:Ball-and-stickandspace-fillingmodelsviewedperpendiculartothehelicalaxisB-DNAstructure:Ball-and-stickandspace-fillingmodelsviewedparalleltothehelicalaxisA-DNAstructure:Ball-and-stickandspace-fillingmodelsviewedperpendiculartothehelicalaxisA-DNAstructure:Ball-and-stickandspace-fillingmodelsviewedparalleltothehelicalaxisZ-DNAstructure:Ball-and-stickandspace-fillingmodelsviewedperpendiculartothehelicalaxisZ-DNAstructure:Ball-and-stickandspace-fillingmodelsviewedparalleltothehelicalaxisStructuralfeaturesofidealA-,B-,andZ-DNAA-DNAB-DNAZ-DNADNA构象的可变性，即DNA二级结构的多态性的发现拓宽了人们的视野。生物体中最为稳定的遗传物质也可以采用不同的姿态来实现其丰富多采的生物的奥妙。⑹三链DNA（H-DNA）含(TC)n和(AG)n这样的同型嘧啶和同型嘌呤，并形成镜像重复的序列，在低pH值条件下，双链DNA拆开后产生的多聚嘧啶链回折，并嵌入剩下的双链DNA大沟中形成分子内的三链DNA。在三链DNA中，位于大沟中的多聚嘧啶链与双链DNA中的多聚嘌呤链成平行走向，碱基按照Hoogsteen方式配对形成TAT，CGC三联体。作用：与基因表达有关，第三股链可能阻碍一些调控蛋白或RNA聚合酶与DNA结合。1.2.1.3DNA的三级结构环型DNA：许多细菌染色体DNA、细菌质粒、某些病毒DNA、噬菌体DNA、叶绿体和线粒体DNA以闭合环形存在。环型DNA的三级结构——超螺旋型和解链环型⑴DNA的超螺旋(superhelixorsupercoil)结构①超螺旋的发现1965年通过电镜发现SV40和多瘤病毒的环形DNA的超螺旋；其实绝大多数原核生物的DNA都是共价封闭环(covalentlyclosedcircle,CCC)分子，双螺旋环状分子再度螺旋化成为超螺旋结构。②超螺旋结构的形成DNA双螺旋结构中，一般每转一圈有10个核苷酸对，平时，双螺旋总处于能量最低状态。若正常DNA双螺旋额外地多转或少转几圈，使每一圈的核苷酸数目大于或小于10，就会出现双螺旋空间结构的改变，在DNA分子中产生额外张力。若此时双螺旋的末端是固定的或是环状分子，双链不能自由转动，额外的张力不能释放，导致DNA分子内部原子空位置的重排，造成扭曲，出现超螺旋。超螺旋有正超螺旋和负超螺旋负超螺旋：形成超螺旋时，旋转方向与DNA双螺旋方向相反，旋转的结果使DNA分子内部张力减小，称为松旋效应。在自然条件下共价封闭环状DNA呈负超螺旋结构。正超螺旋：与负超螺旋相反，形成超螺旋时的旋转方向与DNA双螺旋方向相同，结果加大了DNA分子内部张力，有紧旋效应。⑵真核生物DNA的包装DNA是生物大分子，人单倍体细胞基因组含有3×109bp，一条染色体包含一条DNA双链分子，若将所有染色体(双倍体细胞)相连并充分伸展，长度达2m左右。巨大的DNA链必需高度压缩形成一定的高级结构，才能贮存于小小的细胞核中。人的染色体在细胞中DNA与蛋白质结合以螺旋管形态存在。这种形式对DNA的压缩作用更大。DNA是染色质的主要化学成分，也是遗传信息的载体。它与组蛋白（相结合。染色体上的蛋白质包括组蛋白和非组蛋白。组蛋白是染色体的结构蛋白，它与DNA组成核小体。①核小体（nucleosome）是染色体的基本结构单位核小体由核心颗粒(coreparticle)和连接区DNA(linkerDNA)组成。核小体H2AH2BH3H4②染色体的包装细胞核DNA在双螺旋基础上的进一步结构变化，形成更高层次的超螺旋。使巨大的DNA链包装成染色体。200bpDNA形成核小体后长度压缩了6~7倍。螺线管的形成使DNA一级包装又压缩了6倍。螺线管纤维缠绕在非组蛋白构成的中心轴骨架（支架蛋白质）上形成染色质纤维环。从螺线管纤维环到包装形成染色体是DNA压缩程度最高的阶段，估计在200~240倍。经各级包装后染色体DNA总共被压缩了8000~10000倍。染色质基本单位的核小体。

由核小体螺旋化盘绕形成螺线管。

由螺线管纤维缠绕形成染色质纤维环。

由染色质纤维环会再绕成螺旋形成染色体。1.2.2RNA的分子结构1.2.2.1tRNA（transferRNA，转移RNA）⑴tRNA由73～93个核苷酸组成，分子量为25000～30000D，沉降系数4S，含较多的稀有碱基（修饰碱基），占总RNA的16%，种类多。⑵tRNA的作用是携带活化氨基酸参与蛋白质合成。⑶tRNA的二级结构不同的tRNA具有相似的高级结构，tRNA分子单股链通过自身折叠形成四个螺旋区和四个环的基本结构，类似一个三叶草，称为三叶草结构。tRNA分子中含有氨基酸臂、二氢尿嘧啶环、反密码环、额外环和TC环五部分。⑷tRNA的三级结构:倒“L”形。1.2.2.2rRNA（ribosomalRNA）⑴rRNA分子量为103~106D，存在于核糖体(ribosome)中，核糖体中有60%是rRNA，其余40%是蛋白质。占总RNA的75%～80%。原核生物大肠杆菌的rRNA有5S、16S和23SrRNA三种，动物细胞有5S、5.8S、18S和28SrRNA四种。⑵rRNA的结构

rRNA单链自身回折时按A-U，G-C的base配对原则形成部分螺旋区(发夹结构)，回折处没有base配对时形成凸环。一般rRNA分子有40%左右的螺旋区。5srRNA也有类似三叶草形的结构，其他rRNA以螺旋或突环相间排列组成。⑶rRNA的生物学功能参与蛋白质的生物合成。1.2.2.3mRNA（messengerRNA）⑴mRNA是蛋白质生物合成的模板，它携带着从DNA分子中抄录而来的指令多肽链中氨基酸排列顺序的信息，是遗传信息的传递者，故称之为信使RNA。每一种蛋白质都是由一种特定的mRNA编码，故细胞内mRNA种类很多，但每一种mRNA的数量却很少（5%以下），瞬时含量低，代谢率高。分子大小差异很大。⑵mRNA的结构典型的真核mRNA的结构顺序是：帽子结构区-5’非编码区-起始密码-编码-终止密码-3’非编码区-polyA尾巴

原核生物mRNA一般为多顺反子，即在同一mRNA中含有编码多个蛋白质的信息(一个基因即一个顺反子)真核mRNA通常是单顺反子，一个mRNA只能编码一条多肽链。真核和原核mRNA都是单链线状分子，内部有许多碱基互补区，当mRNA回折时可形成大量的发夹结构。真核mRNA的5’-端的帽子结构—m7GpppNm结构1.3核酸的理化性质及其应用1.3.1核酸的一般性质①RNA为白色粉末状，DNA是白色纤维状固体，二者均溶于水，而不溶于一般有机溶剂中，故常用冷乙醇从水溶液中将核酸沉淀出来。②核酸是两性电解质，但酸性强，与金属离子结合成盐，也可与碱性蛋白结合；介质pH大于4时，呈阴离子，电泳时向阳极移动；DNA在pH4～11间最稳定，超出此范围易变性。③大多数DNA为线性分子，长度可达数厘米，直径仅为2nm，故DNA溶液粘度很高，分子极易断裂；RNA溶液粘度较小。1.3.2核酸紫外吸收核酸分子中的嘌呤和嘧啶碱基中含有共轭双键体系，因而具有特殊的紫外吸收光谱，其最大吸收峰位于260nm处。利用这一性质可定量测定核酸的含量或鉴定核酸的纯度。纯DNA：OD260/OD280=1.8

纯RNA：OD260/OD280=2.0

样品中如含有蛋白质及苯酚等杂质，此比值明显降低。对于纯样品，读取OD260值即可算出含量；通常以1单位OD值相当于50g/ml双螺旋DNA40g/ml单链DNA（RNA）20g/ml寡核苷酸计算。

此方法简便、快速、准确。1.3.3核酸的变性和复性1.3.3.1核酸的变性（denaturation）⑴概念核酸的变性是指因某些理化因素的影响使维持核酸空间结构的氢键和疏水键断裂，双螺旋结构解体，但不涉及核苷酸间共价键的断裂。核酸变性后，粘度降低，紫外吸收值增高(增色效应)，生物功能消失。⑵影响变性的因素破坏双螺旋稳定性的因素都可使DNA变性。DNA分子中的碱基处于配对和不配对的动态平衡状态，很多因素会引起它向不配对方向转变，即引起DNA变性。如高温、强酸、强碱、有机溶剂、尿素、酰胺等试剂、射线等。高温：DNA稀盐溶液加热到80~100℃，几分钟内双螺旋键即解开，形成无规则的线团。离子强度：提高溶液的离子强度，可中和DNA分子链上磷酸基团的负电荷，降低它们之间的排斥力，稳定DNA的结构。DNA通常保存在1molNaCl中。极端的pH值：pH﹤1时，DNA的磷酸二酯键会被水解；pH﹥11.3时，DNA的所有氢键断裂。疏水作用：甲醇可增加碱基的溶解度，三氟醋酸钠可降低DNA分子的疏水作用，破坏双螺旋结构引起变性。尿素及甲酰胺：它们可与碱基之间形成氢键。碱基堆积：氢键和碱基堆积是一致的，碱基堆积是一种协同作用，处于中间的碱基比两边的碱基稳定，线状双链DNA分子的两端常有7个未配对的碱基，因此少于15bp的双链DNA片段极不稳定。⑶DNA的熔点（Tm）DNA的热变性过程中一半分子发生变性时的温度称为DNA的解链温度(meltingtemperature，简写Tm)或熔点，用Tm表示。DNA的Tm值一般在70~85℃之间。热变性是在很狭的温度范围内突发的跃变过程，很像结晶达到熔点时的熔化现象，故名熔解温度。ExampleofaDNAmeltingcurveThemeltingtemperature,Tm,isdefinedasthetemperatureatwhichhalfofthemaximumabsorbanceincreaseisattained.DenaturationoveranarrowTrangeimpliesacooperativeprocess