生物化学与分子生物学（第9版）第2章 核酸的结构和功能

作者:关一夫单位:中国医科大学第二章

核酸的结构和功能重点难点熟悉了解掌握核酸的基本化学组分DNA双螺旋结构的特征RNA的种类、结构特征和生物学功能核酸链的变性、复性、杂交核酸的一级结构DNA的结构多态性和超螺旋结构核酸的紫外吸收、核酸链的解链温度非编码RNA的种类和生物学功能第一节核酸的化学组成以及一级结构第二节DNA的空间结构与功能第三节RNA的空间结构与功能第四节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，具有携带和传递遗传信息的功能。deoxyribonucleicacid,简称DNA90%以上分布在细胞核，其余分布在线粒体内携带遗传信息，并通过复制传递给下一代脱氧核糖核酸ribonucleicacid,简称RNA分布在细胞核和胞浆中是DNA的转录产物，参与遗传信息的复制与表达某些病毒RNA也可以携带遗传信息核糖核酸核酸的化学组成以及一级结构第一节一、核苷酸是构成核酸的基本组成单位核酸（DAN或RNA）核苷酸磷酸核苷碱基核糖核酸水解后产生等量的碱基、核糖和磷酸基团。碱基：嘌呤（purine）126785934鸟嘌呤

腺嘌呤(guanine,G)

(adenine,A)碱基：嘧啶（pirimidine）126354尿嘧啶(uracil,U)胸腺嘧啶胞嘧啶(thymine,T)(cytosine,C)

结构互变异构体酮式烯醛式亚氨式氨式互变异构体为氢键的形成提供了结构基础。戊糖（ribose）b-D-核糖2’3’1’4’5’b-D-2’-脱氧核糖核苷（nucleoside）b-N-糖苷键b-N-糖苷键

胞苷脱氧腺苷1’1’91碱基和戊糖环处在反式构象核苷酸（nucleotide）脱氧腺苷5’磷酯键H核苷酸（nucleotide）脱氧腺苷一磷酸(dAMP)5’磷酯键H核苷酸（nucleotide）脱氧腺苷二磷酸(dADP)5’磷酯键H核苷酸（nucleotide）脱氧腺苷三磷酸(dATP)5’磷酯键H核苷酸衍生物5’3’3´，5´-环腺苷酸（cyclicAMP，cAMP）碱基核苷核苷一磷酸腺嘌呤（adenine，A）腺苷(adenosine)腺苷一磷酸(adenosinemonophosphate,AMP)鸟嘌呤（guanine，G）

鸟苷(guanosine)鸟苷一磷酸(guanosinemonophosphate,GMP)胞嘧啶（cytosine，C）胞苷(cytidine)胞苷一磷酸(cytidinemonophosphate,CMP)尿嘧啶（uracil，U）尿苷(uridine)尿苷一磷酸(uridinemonophosphate,UMP)RNA的分子组成碱基脱氧核苷脱氧核苷一磷酸腺嘌呤（adenine,A）脱氧腺苷(deoxyadenosine)脱氧腺苷一磷酸(deoxyadenosinemonophosphate,dAMP)鸟嘌呤（guanine,G）

脱氧鸟苷(deoxyguanosine)脱氧鸟苷一磷酸(deoxyguanosinemonophosphate,dGMP)胞嘧啶（cytosine,C）脱氧胞苷(deoxycytidine)脱氧胞苷一磷酸(deoxycytidinemonophosphate,dCMP)胸腺嘧啶（thymine,T）脱氧胸苷(deoxythymidine)脱氧胸苷一磷酸(deoxythymidinemonophosphate,dTMP)DNA的分子组成核苷酸的生物学功能化学能载体：ATP细胞信号转导的信使分子：cAMP辅酶的结构成分：CoA、FAD、NAD+

治疗肿瘤的化疗药物：5-FU二、DNA是脱氧核糖核苷酸通过3´，5´-磷酸二脂键链接形成的线性大分子DNA是多个脱氧核糖核苷酸聚合而成的线性大分子一条多聚脱氧核糖核苷酸链的3´-羟基可以与另一个游离的脱氧核苷三磷酸的a-磷酸基团发生缩合反应，生成了一个3´，5´-磷酸二酯键（phosphodiesterbond）3´，5´-磷酸二脂键的形成dNTP多聚核苷酸链5´-磷酸基团3´-羟基3´,5´-磷酸二酯键多聚核苷酸链的方向核酸链的延长5’AGGTCAATCC多聚脱氧核苷酸链只能从3´-端得到延长。三、RNA是核糖核苷酸通过3´，5´-磷酸二脂键链接形成的线性大分子虽然C2´原子也有羟基，磷酸二脂键只能在C3´和C5´间形成。RNA也具有5´→3´的方向性。RNA的核糖而不是脱氧核糖。RNA的嘧啶是胞嘧啶和尿嘧啶，没有胸腺嘧啶。四、核酸的一级结构是核苷酸的排列顺序核苷酸从5´-端到3´-端的排列顺序被定义为多聚核苷酸链的一级结构。5’AGGTCAATCC5’-AGGTCAATCCA-3’DNA的空间结构和功能第二节DNA的空间结构（spatialstructure）：构成DNA的所有原子在三维空间的相对位置DNA的空间结构：二级结构、高级结构氢键、离子作用力、疏水作用力和空间位阻效应共同作用的结果。一、DNA的二级结构是双螺旋结构（一）DNA双链螺旋结构的实验基础Chargaff定律DNA纤维X射线衍射图像碱基对的结构参数Chargaff规则不同生物体的DNA碱基组成不同。同一生物体的不同器官或组织的DNA碱基组成相同。DNA碱基组成不随年龄、营养状态和环境而改变。腺嘌呤（A）与胸腺嘧啶（T）的摩尔数相等，鸟嘌呤（G）与胞嘧啶（C）的摩尔数相等。DNA纤维的X线衍射图碱基对的结构参数里程碑的发现Watson和Crick在前人的基础上，提出了DNA双螺旋结构的模型。（二）DNA双螺旋结构的结构特征构成DNA的两条多聚脱氧核苷酸链围绕着同一个螺旋轴形成右手螺旋的结构。两条多聚脱氧核苷酸链反向平行。双螺旋结构的直径为2.37nm，螺距为3.54nm。5’5’3.54nm2.37nm磷酸-脱氧核糖骨架碱基对互补碱基对DNA的两条多聚脱氧核苷酸链之间形成了互补碱基对。一条链的腺嘌呤与另一条链的胸腺嘧啶形成了两个氢键；一条链的鸟嘌呤与另一条链的胞嘧啶形成了三个氢键。碱基对平面与螺旋轴近乎垂直，脱氧核糖平面垂直于碱基平面。每一个螺旋有10.5个碱基对，每两个相邻的碱基对之间的相对旋转角度为36°。互补碱基对鸟嘌呤:胞嘧啶碱基对腺嘌呤:胸腺嘧啶碱基对双螺旋结构的沟槽多聚脱氧核苷酸链的脱氧核糖和磷酸基团构成了亲水性骨架。亲水性骨架位于双螺旋结构的外侧，疏水性的碱基对包埋在双螺旋结构的内部。DNA双螺旋结构的表面形成了一个大沟和一个小沟。亲水性骨架和疏水性碱基对磷酸-脱氧核糖骨架5’碱基双螺旋结构的大小沟大沟小沟大沟小沟5’5’大沟小沟碱基堆积力在DNA双螺旋结构的旋进过程中，相邻的两个碱基对平面彼此重叠，产生碱基堆积力。碱基堆积力和互补链之间碱基对的氢键作用力共同维系着DNA双螺旋结构的稳定。5’-端在上3’-端在上DNA双螺旋结构的意义揭示了遗传信息载体的物质本质提供了DNA复制和转录的理论依据奠定了分子生物学和现代基因工程的实验基础

（三）DNA双螺旋结构的多样性环境的变化（溶液的离子强度或相对湿度）可以使DNA双螺旋结构的沟槽、螺距、旋转角度、碱基对倾角等发生变化。天然的双螺旋结构：A型-DNA、B型-DNA、Z型-DNA右手螺旋右手螺旋左手螺旋A型B型Z型A型B型Z型（四）DNA的多链结构在酸性的溶液中，质子化的胞嘧啶形成Hoogsteen氢键。含有三个碱基的C＋GC平面：GC之间是以Watson-Crick氢键结合，C＋G之间是以Hoogsteen氢键结合的。Hoogsteen氢键的形成并不破坏原有碱基对中的Watson-Crick氢键DNA也可以形成TAT的三碱基平面。C+:G:C三碱基平面Watson-Crick氢键

Hoogsteen氢键

T:A:T三碱基平面Watson-Crick氢键

Hoogsteen氢键

DNA三链结构的设想当DNA双链中一条链的核苷酸序列富含嘌呤时，对应的互补链必然是富含嘧啶，它们形成了正常的DNA双链。第三条是富含嘧啶的单链，且具有碱基互补性。在环境条件为酸性时，第三条链就会与双链生成了DNA三链结构。DNA的四链结构人染色体的3

-端是被称为端粒的单链。该单链富含G和T的重复序列，如(TTAGGG)n。自身可以回折形成的四链结构。作用:稳定端粒的单链结构DNA的四链结构四个鸟嘌呤通过八对Hoogsteen氢键形成一个四联体平面。富含鸟嘌呤的片段折叠后形成了多个四联体平面，彼此堆叠在一起，形成四链结构。Hoogsteen氢键

Hoogsteen氢键

人端粒核苷酸序列(TTAGGG)n二、DNA的高级结构是以超螺旋结构为基础的高度致密结构DNA双链的盘绕可以形成超螺旋结构。当盘绕方向与DNA双螺旋方同相同时，超螺旋结构为正超螺旋；反之则为负超螺旋。自然界中环状DNA双链是以负超螺旋形式存在的。生物体可以通过不同的超螺旋结构调节其功能。（一）封闭环状DNA具有超螺旋结构绝大部分原核生物的DNA是环状的双螺旋分子。不同的DNA区域有不同的超螺旋结构，形成能够独立存在的超螺旋区。每200碱基就有一个负超螺旋形成（大肠杆菌）。负超螺旋结构：避免DNA双链之间的相互纠缠；有利于DNA双链的解链。线粒体DNA线粒体和叶绿素是真核细胞中含有核外遗传物质的细胞器。线粒体DNA是真核细胞核以外的遗传物质。线粒体DNA具有封闭环状的超螺旋结构。（二）真核生物DNA被逐级有序地组装成高级结构将1.7m米长的DNA双链组装在细胞核内，DNA双链需要进行一系列的盘绕、折叠和压缩。在细胞周期的大部分时间里，DNA以松散的染色质(chromatin)形式存在；在细胞分裂期，则形成高度致密的染色体(chromosome)。化学能载体：ATP23对染色体大小不一具有高度致密和动态变化的特征染色体的形态染色质的电子显微镜图像串珠样(beads-on-a-string)特征以核小体(nucleosome)

为基本单位

核小体的分子组成蛋白质成分：富含Lys和Arg的碱性蛋白质组蛋白八聚体：H2A(x2),H2B(x2),H3(x2),H4(x2)；组蛋白H1结合在DNA连接段与核小体的进出口处DNA成分：

~146bp盘绕在组蛋白八聚体(~1.75圈)，~50bp连接核小体

组蛋白八聚体组蛋白H1结合在DNA连接段与核小体的进出口处。DNA组装DNA组装DNA组装三、DNA是主要的遗传物质生物体的遗传信息是以基因的形式存在的。基因是编码RNA或多肽链的DNA片段，即DNA中一段特定的核苷酸序列。DNA利用四种碱基的不同排列编码了生物体的遗传信息，并通过复制的方式遗传给子代。基因组基因组是指包含在该生物的DNA（部分病毒除外）中的全部遗传信息，即一套染色体中的完整的核苷酸序列。进化程度越高的生物体，其基因组越大越复杂。各种生物体基因组的大小、所包含的基因数量和种类都有所不同。病毒颗粒的基因组可以是DNA，也可以是RNA。病毒基因组的DNA和RNA可以是单链的，也可以是双链的。DNA的生物学特征DNA是生物遗传信息的载体，为基因复制和转录提供了模板。它是生命遗传的物质基础，也是个体生命活动的信息基础。DNA具有高度稳定性的特点，用来保持生物体系遗传特征的相对稳定性。DNA又有高度可变性的特点，它可以发生各种重组和突变，适应环境的变迁，为自然选择提供机会。RNA的空间结构和功能第二节RNA是DNA的转录产物。编码RNA：核苷酸序列可以翻译成蛋白质非编码RNA：不编码蛋白质组成性非编码RNA:确保实现基本生物学功能，丰度基本恒定调控性非编码RNA:具有调控基因表达的作用，其丰度随外界环境和细胞性状发生改变一、mRNA是蛋白质合成的模板信使RNA(messengerRNA,mRNA)：蛋白质生物合成的模板仅占细胞RNA总重量的2～5％约有105个不同种类大小、丰度和稳定性差异巨大。真核生物mRNA比原核生物mRNA更复杂。(一)真核细胞mRNA的5´-端有帽结构真核生物mRNA的5-端是一个通过5-5

连接、

在N7位甲基化的鸟嘌呤，称为5-帽结构（5

-cap）。5-帽结构可以与帽结合蛋白(capbindingprotein)结合。5-帽结构与蛋白质的翻译起始和mRNA的稳定性密切有关。75’5’(二)真核生物mRNA的3´-端有多聚腺苷酸尾的结构

真核生物mRNA的3-端有一段长度约为20-250腺苷酸，称为多聚腺苷酸尾(poly-Atail)。多聚A尾结构可以与多聚A结合蛋白(polyAtailbindingprotein)结合。该结构与mRNA从核内向胞质的转移以及mRNA的稳定性有关。PPiATP断裂点聚合腺苷酸富UG区多聚腺苷信号Y=嘧啶切割(三)

hnRNA经过修饰成为成熟mRNA细胞核内新生成的mRNA初级产物被称为不均一核RNA(heterogeneousmRNA，简称hnRNA)。hnRNA有外显子（exon）和内含子（intron）。外显子是编码氨基酸的序列，内含子是非编码序列。hnRNA经过剪接和加工过程，剔除内含子，连接外显子，成为成熟mRNA。hnRNA转录首尾修饰索套形成mRNA剪接DNA1872nt7564bp成熟mRNAA–G为内含子。可读框起始密码子终止密码子5

-非翻译区3

-非翻译区遗传密码子成熟mRNA的结构特征二、tRNA是蛋白质合成中氨基酸的载体转运RNA(transferRNA,tRNA)：氨基酸的载体参与多肽链合成约占RNA总量的15%100多种tRNA长度为70～95nt结构非常稳定（一）tRNA含有多种稀有碱基10%-20%稀有碱基；在转录后修饰而成双氢尿嘧啶（DHU）假尿嘧啶（

）7甲基鸟嘌呤（m7G）51（二）tRNA具有特定的空间结构tRNA的3´-端永远是CCA。局部的核苷酸碱基互补形成了茎环(stem-loop)结构或发卡(hairpin)结构。DHU环；TψC环；反密码子环氨基酸接纳臂二级结构酷似三叶草形状。反密码子环DHU环TψC环3’5’氨基酸接纳臂可变臂TψC环DHU环反密码子环氨基酸接纳臂5’3’tRNA的倒L形空间结构（三）tRNA的3´-端连接着氨基酸氨基酸在相对应的氨基酰合成酶催化下连接在3´-端A的C3´-OH上。一种tRNA只能携载一种氨基酸;一种氨基酸可以被多种tRNA所携载。连接在tRNA上的氨基酸才可以用来进行蛋白质的生物合成。酪氨酸-tRNA:Tyr-tRNATyr（四）tRNA的反密码子能够识别mRNA的密码子反密码子环中的三个核苷酸构成了一个反密码子（anti-codon）。反密码子与mRNA的密码子通过Watson-Crick碱基互补配对识别。5’mRNA5’三、以rRNA为主要成分的核糖体是蛋白质合成的场所核糖体RNA(ribosomalRNA，rRNA)：与核糖体蛋白共同组成了蛋白质生物合成的场所-核糖体(ribosome)。细胞内含量最多的RNA：~80％稳定的结构保守的核苷酸序列原核生物真核生物小亚基

rRNA

蛋白质30S

16S1542个核苷酸

21种占总重的40%40S

18S1874个核苷酸

33种占总重的50%大亚基

rRNA

蛋白质50S

23S2490个核苷酸

5S120个核苷酸

31种占总重的30%60S

28S4718个核苷酸

5.8S160个核苷酸

5S120个核苷酸

49种占总重的35%核糖体的分子组成70S核糖体30S小亚基50S大亚基23SrRNA+5SrRNA16SrRNA21种蛋白质31种蛋白质原核生物核糖体的分子组成5SrRNA16SrRNA5’5’3’3’原核生物rRNA的二级结构5’3’原核生物肽链合成的示意图5’3’氨基酰-tRNA进位5’3’肽链延长5’3’核糖体转位5’3’tRNA退位四、组成性非编码RNA是基因表达中不可缺少的因子真核细胞中还有其他类型的组成性非编码RNA。这些RNA作为关键因子参与了RNA的剪接和修饰、蛋白质的转运以及调控基因表达。组成性非编码RNA种类催化小RNA：

也称为核酶（ribozyme）；具有催化特定RNA降解的活性；在RNA合成后的剪接修饰中具有重要作用。核仁内RNA（smallnucleolarRNA，简称snoRNA）：snoRNA定位于核仁；参与rRNA的加工，如tRNA的核糖C2´的甲基化和假尿嘧啶化修饰。核内小RNA（smallnuclearRNA，简称snRNA）：snRNA富含尿嘧啶，故命名为U-snRNA。参与真核细胞mRNA的成熟过程，如U1、U2、U4、U5、U6和U7。它们的作用是识别hnRNA上的外显子和内含子的结点，切除内含子。这些snRNA的5´-端有一个与mRNA相类似的5´-帽结构。胞质小RNA（smallcytoplasmicRNA，简称scRNA）：

scRNA存在细胞质中；与蛋白质结合形成复合体后发挥生物学功能，如SRP-RNA与六种蛋白质共同形成信号识别颗粒，引导含有信号肽的蛋白质进入内质网进行合成。五、调控性非编码RNA参与了基因表达调控调控性非编码RNA不编码蛋白质

具有重要的生物学功能：转录调控、RNA剪切和修饰、mRNA的翻译、蛋白质的稳定和转运、染色体的形成和结构稳定等

参与了胚胎发育、组织分化、信号转导、器官形成等基本的生命活动中以及疾病（如肿瘤、神经性疾病等）的发生和发展

调控性非编码RNA种类短链非编码RNA（smallnon-codingRNA,简称sncRNA）长链非编码RNA（longnon-codingRNA,简称lncRNA）环状RNA（circularRNA，简称circRNA）（一）短链非编码RNA种类微小RNA（microRNA,简称miRNA）小干扰RNA（smallinterferingRNA,简称siRNA）与PIWI蛋白家族成员结合的小RNA（piwi-interactingRNA，简称piRNA）

微小RNA编码miRNA的基因转录生成长度为几千个碱基的初级转录本pri-miRNA。细胞核内，pri-miRNA在蛋白复合体Drosha的作用下生成60～70nt、具有发夹结构的miRNA前体（pre-miRNA）。细胞质中，RNaseIII酶家族成员Dicer对pre-miRNA的茎环结构进行剪切，在细胞质内形成大约20碱基对长的miRNA:miRNA*双链。微小RNAmiRNA与靶基因mRNA的开放阅读框中的序列形成完全互补的RNA双链，miRNA将双链中的mRNA降解，沉默基因表达。miRNA与靶基因mRNA的3´-UTR形成非完全互补的杂交双链，miRNA结合在杂交双链上，抑制基因表达。miRNA参与细胞的生长、分化、衰老、凋亡、自噬、迁移、侵袭等多种过程。小干扰RNA内源性siRNA是由细胞自身产生的。外源性siRNA是外源入侵的双链RNA，经Dicer切割所产生的具有特定长度（21-23bp）和特定序列的小片段RNA。这些siRNA可以与AGO蛋白结合，诱导靶mRNA的降解。piRNA哺乳动物生殖细胞中分离得到的~30nt的小RNA。5′端具有强烈的尿嘧啶倾向性（约86%）。piRNA与PIWI蛋白家族成员相结合才能发挥调控作用。piRNA在染色体上的分布不均匀，piRNA的表达具有组织特异性，调控着生殖细胞和干细胞的生长发育。对piRNA的研究尚处于初级阶段，具体的功能尚在研究当中。（二）长链非编码RNA长度为200-100000核苷酸的RNA分子；具有类似于mRNA的结构：polyA尾巴和启动子，但不存在开放阅读框；来源于蛋白质编码基因、假基因或编码基因间的DNA序列；由RNA聚合酶Ⅱ转录，经剪切加工后生成；具有强烈的组织特异性与时空特异性。lncRNA作用机制结合在编码基因启动子区，干扰下游基因的表达；与编码基因的转录本形成互补双链，形成不同的剪切形式；与编码基因的转录本形成互补双链，产生内源性siRNA；与特定蛋白质结合，lncRNA转录本可调节相应蛋白的活性；结合到特定蛋白质上，改变该蛋白质的细胞定位；抑制RNA聚合酶或介导染色质重构，影响下游基因的表达。（三）环状RNA几乎完全定位于细胞核中不受RNA外切酶的影响，表达更稳定，不易降解

或来自外显子，或兼有外显子和内含子的部分

具有序列的高度保守性；具有一定的组织、时序和疾病特异性。环状RNAcircRNA分子富含miRNA的结合位点，在细胞中起到miRNA海绵（miRNAsponge）的作用；通过结合miRNA，解除miRNA对其靶基因的抑制作用，上调靶基因的表达，产生相应的生物学效应。核酸的理化性质第四节碱基是含有杂环的分子。共轭双键具有强烈的紫外吸收。一、核酸具有强烈的紫外吸收确定样品中DNA或RNA的含量确定样品中DNA或RNA的纯度核苷酸紫外吸收的应用OD260=1.0等同于50μg/ml双链DNA(dsDNA)40μg/ml单链DNA(ssDNAorRNA)20μg/ml寡核苷酸纯DNA:OD260/OD280=1.8纯RNA:OD260/OD280=2.0变性过程(denaturation)：在某些理化因素作用下,一条双链DNA(doublestrandDNA,简称dsDNA)中碱基对之间的氢键会断裂,解离成为两条单链DNA(singlestrandDNA,简称ssDNA)。变性因素：加热、过量酸或碱

二、DNA变性是一条双链解离为两条单链的过程DNA变性过程DNA变性的电镜图片DNA变性的增色效应dsDNA

ssDNA

在DNA变性过程中，它在260nm处的OD值会发生增加。这种变化称为增色效应(hyperchromiceffect)。DNA双链的解链曲线解链曲线