第三章 核酸的结构和功能

第三章

核酸的结构和功能主要内容核酸的化学组成及其一级结构DNA的空间结构与功能RNA的结构与功能核酸的理化性质核酸酶学习目标掌握：核酸的化学组成和水解产物；DNA和RNA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。熟悉：核酸的分类、分布与功能；DNA的空间结构。了解：体内重要的游离核苷酸；RNA的空间结构；核酸的理化性质。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。1868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

1868年FridrichMiescher从脓细胞中提取“核素”

1944年Avery等人证实DNA是遗传物质1953年Watson和Crick发现DNA的双螺旋结构1968年Nirenberg发现遗传密码1975年Temin和Baltimore发现逆转录酶1981年Gilbert和Sanger建立DNA测序方法1985年Mullis发明PCR技术1990年美国启动人类基因组计划(HGP)

1994年中国人类基因组计划启动2001年美、英等国完成人类基因组计划基本框架二、核酸的分类及分布

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

核糖核酸携带遗传信息，决定细胞和个体的基因型(genotype)。遗传信息的载体是DNA转录的产物,传递遗传信息RNA也可作为遗传信息的载体第一节核酸的化学组成一、核酸的元素和分子组成

1.元素组成C、H、O、N、P（9~10%）2.分子组成——

碱基(base)：嘌呤碱，嘧啶碱——

戊糖(ribose)：核糖，脱氧核糖——

磷酸(phosphate)嘌呤(purine，Pu)

腺嘌呤(adenine,A)鸟嘌呤(guanine,G)碱基(base)是含氮的杂环化合物。嘧啶(pyrimidine，Py)胞嘧啶(cytosine,C)尿嘧啶(uracil,U)胸腺嘧啶(thymine,T)戊糖（构成RNA）1´2´3´4´5´核糖(ribose)（构成DNA）脱氧核糖(deoxyribose)两类核酸在分子组成上的异同点RNADNA组分磷酸核糖脱氧核糖磷酸戊糖碱基嘌呤嘧啶AGUCTRNA核糖DNA脱氧核糖UT核苷：AR,GR,UR,CR脱氧核苷：dAR,dGR,dTR,dCR二、核酸的基本结构—

核苷酸1.核苷(ribonucleoside)碱基和核糖（脱氧核糖）通过糖苷键连接形成的化合物叫核苷（脱氧核苷）。1´1核苷酸：AMP,GMP,UMP,CMP脱氧核苷酸：dAMP,dGMP,dTMP,dCMP

2.核苷酸(ribonucleotide)核苷（脱氧核苷）和磷酸以磷酸酯键连接形成的化合物叫核苷酸（脱氧核苷酸）。

3、体内重要的游离核苷酸及其衍生物（1）多磷酸核苷酸：NMP，NDP，NTPAMPADPATP~~~体内重要的游离核苷酸及其衍生物（2）环化核苷酸:cAMP，cGMPcAMP体内重要的游离核苷酸及其衍生物（3）含核苷酸的生物活性物质（辅酶类）

NAD+、NADP+、CoA-SH、FAD

等都含有

AMPNADP+NAD+5´端3´端三、核苷酸的连接

核苷酸之间以磷酸二酯键连接形成多核苷酸链，即核酸。CGA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。5′端3′端CGAAGP5

PTPGPCPTPOH3

书写方法5

pApCpTpGpCpT-OH

3

5

ACTGCT

3

第二节DNA的空间结构与功能一、DNA的一级结构定义

DNA的一级结构是指核酸分子中核苷酸排列顺序及连接方式

*

3’,5’磷酸二酯键,前一个脱氧核苷酸的3’-OH和后一个的5’-磷酸缩合形成磷酸二酯键*方向性：通常规定5’

3’为正向

（一）DNA双螺旋结构的研究背景碱基组成分析查加夫(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-线衍射图谱分析二、DNA的二级结构——双螺旋结构（二）DNA双螺旋结构模型要点DNA分子由两条相互平行但走向相反的脱氧多核苷酸链组成，围绕同一中心轴，以右手螺旋方式绕成的双螺旋结构。双螺旋表面形成大沟和小沟

（二）DNA双螺旋结构模型要点

碱基垂直螺旋轴居双螺旋内側，与对側碱基形成氢键配对（互补配对形式：A=T;G

C）。螺旋直径为2nm，相邻碱基平面距离0.34nm，螺旋一圈螺距3.4nm，一圈10对碱基。碱基互补配对

TAGC（二）DNA双螺旋结构模型要点

氢键维持双链横向稳定性，碱基堆积力维持双链纵向稳定性。逆向平行右手螺旋碱基互补氢键固定键轴垂直螺旋尺寸

（三）DNA双螺旋结构的多样性三、DNA的超级结构（三级结构）（一）DNA的超螺旋结构DNA双螺旋链再盘绕即形成超螺旋结构。正超螺旋盘绕方向与DNA双螺旋方同相同。负超螺旋盘绕方向与DNA双螺旋方向相反。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。

（二）原核生物DNA的高级结构

原核生物的DNA多为环状，以负超螺旋的形式存在，平均每200碱基就有一个超螺旋形成。（三）DNA在真核生物细胞核内的组装真核生物染色体由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核小体的构成核心颗粒

连接区

核心组蛋白：组蛋白八聚体H2A、H2B、H3、H4各2分子DNA双螺旋分子(150bp)在核心组蛋白缠绕1.75圈DNA（60bp）

组蛋白H1

连接核心颗粒核小体结构图四、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。基因组：一个遗传体系所有基因总和的一整套遗传信息。第三节

RNA的结构与功能StructureandFunctionofRNARNA的结构特征

1.RNA分子的碱基组成主要是A、G、C、U。此外，RNA分子中含有多种稀有碱基

2.RNA多为单股多核苷酸链，局部可形成双链

3.RNA分子比DNA分子小。按其在基因表达中的作用常分为三大类

4.RNA与蛋白质共同负责基因的表达和表达过程的调控。RNA的种类、分布、功能一、信使RNA的结构与功能信使RNA(messengerRNA,mRNA)是合成蛋白质的模板。其前体hnRNA含有内含子(intron)和外显子(exon)。外显子是氨基酸的编码序列，而内含子是非编码序列。寿命最短的RNAhnRNA内含子(intron)mRNA

mRNA成熟过程

外显子(exon)mRNA结构特点5

-末端的m7Gppp帽子结构3

-末端的polyA尾。从AUG开始，每三个核苷酸为一组编码一个氨基酸，称为三联体密码(codon)。成熟的mRNA由氨基酸编码区和非编码区构成。

帽子结构mRNA核内向胞质的转位mRNA的稳定性维系翻译起始的调控

帽子结构和多聚A尾的功能*mRNA的功能把DNA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，用以决定其合成蛋白质的氨基酸排列顺序。DNAmRNA蛋白转录翻译原核细胞细胞质细胞核DNA内含子外显子转录转录后剪接转运mRNAhnRNA翻译蛋白真核细胞tRNA的一级结构特点含10--20%稀有碱基，如DHU3´末端为—

CCA-OH5´末端大多数为G具有T

C二、转运RNA的结构与功能分子量最小、含稀有碱基比例最高的一类RNAN,N二甲基鸟嘌呤N6-异戊烯腺嘌呤双氢尿嘧啶4-巯尿嘧啶稀有碱基

1.分子中含较多的稀有碱基,如双氢尿嘧啶（DHU）、假尿嘧啶（

）、次黄嘌呤(I)、甲基鸟嘌呤(mG)等。

3.局部具有茎-环样结构（发夹结构）。二级结构为

三叶草形;三级结构为倒L形。

2.

3’端都具有CCA结构，为氨基酸臂。

4.其序列中有反密码子。

tRNA

空间结构要点tRNA的二级结构

——三叶草形氨基酸臂额外环

三环

DHU环

T

C环反密码子环

四干（螺旋区）

受体干（氨基酸臂)D干

T干反密码干一附加额外环受体干D干T干反密码干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。

tRNA的反密码子与mRNA的密码子特异性结合，使氨基酸对号入座。rRNA的结构：多个茎环结构组成三、核蛋白体RNA的结构