,2核酸的结构与功能

第二章

核酸的结构与功能

? 二、教学要求

? 1．掌握核酸的化学组成；掌握DNA的一级结构、二级结构及其功能；掌握三种RNA的结构特点和功能。 ? 2．熟悉核酸的变性、复性；核酸的理化性质。 ? 3．了解DNA、tRNA的三级结构；核酸酶的概念（自学）。

? 重点：DNA的二级结构，三类RNA的结构特点及功能；DNA的变性、复性以及在分子生物学中的应用；DNA与RNA分子组成的异同。

? 难点：DNA二级结构要点，tRNA二级结构与功能关系 ?

考核要求：

律，DNA一级结构的概念、二级结构及其要点；DNA的功能。RNA的分类，mRNA结构、功能；退火的概

? 一、核心内容：核酸的分子组成，DNA的碱基组成规

念。

? 二、重点内容：tRNA、rRNA的结构特点和功能。核酸的变性、复性概念；增色效应、解链温度；核酸杂交。

内容提纲：

? 核酸是以核苷酸为基本组成单位的生物大分子。天然存在的核酸分为DNA和RNA两类。根据RNA的生物学功能不同，生物细胞内主要存在三种RNA，即信使RNA(mRNA)、转运RNA(tRNA)和核糖体RNA(rRNA)。

? 核酸的一级结构是指多核苷酸链中核苷酸残基的组成和排列顺序。DNA的二级结构是典型的双螺旋结构。原核生物DNA的三级结构是在二级结构的基础上进一步折叠盘饶形成的超螺旋结构。真核细胞DNA的双链缠饶在组蛋白上构成核小体。 ? 核酸分子在260nm波长处具有紫外吸收特性。DNA的变性是指在理化因素作用下，DNA分子中的氢键断裂，双螺旋结构解开形成两个单链的过程。当紫外吸收达到最大值一半时的温度称为DNA的熔解温度(Tm)，亦称解链温度。DNA的Tm值大小与分子中的G、C含量多少及分子的长度有关。DNA的复性是指变性分开的两条单链，按照碱基互补配对原则重新形成双螺旋的过程。通常采用缓慢降温的方法使其复性，所以DNA的复性亦称为“退火”。分子杂交是指不同来源的核酸单链合并在一起，形成杂化双链的

? 核 酸(nucleic acid)

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。

第一节

核酸的化学组成及其一级结构

? 一，核酸的分类及分布

一，核酸的分类及分布脱氧核糖核酸(deoxyribonucleic acid, DNA)存在于细胞核和线粒体携带遗传信息，并通过复制传递给下一代。核糖核酸(ribonucleic acid, RNA)分布于细胞核、细胞质、线粒体是DNA转录的产物，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。 二、核酸的组成?元素组成C、H、O、N、P（9~10%）磷酸（P）核酸水解单核苷酸水解戊糖（R）核苷水解碱基（B）目录 碱基(base)是含氮的杂环化合物。嘌呤腺嘌呤鸟嘌呤胞嘧啶(adenine, A)(guanine, G)(cytosine, C)(purine)嘧啶(pyrimidine)胸腺嘧啶(thymine,T)尿嘧啶(uracil,U)目录43N256N1苯环NH2NONH嘧啶OHNOHNOCH3ONNHH胸腺嘧啶（T）尿嘧啶（U）胞嘧啶（C）（2，4-二氧嘧啶）（5-甲基尿嘧啶）（2-氧，4-氨基嘧啶）目录 ?碱基的互变异构体OHNCNOHCNOC+ H-+酮式+NHH2烯醇式NH2+NH2N+ H+HN亚氨式HN氨式目录

615N2N78咪唑基N43NHNH2NNNN嘌呤9OHNH2NNNN腺嘌呤（A）（6-氨基嘌呤）鸟嘌呤（G）（2-氨基,6-氧嘌呤）目录2、戊糖HOCH25′OOHHOCH2OOH4′3′OH1′2′OHOHH核糖(ribose)（构成RNA）脱氧核糖(deoxyribose)（构成DNA）

3、核苷（nucleoside

核苷 = 碱基 + 核糖

连接方式：糖苷键(glycosidic bond)

?核苷/ 脱氧核苷NH2NNN9NNNH2N糖苷键HOH2COHHHNNCH2OHOHHOHH2'1'HHOHH糖苷键H嘌呤N-9或嘧啶N-1与核糖C-1?通过β-N-糖苷键相连形成核苷(ribonucleoside)/ 脱氧核苷(deoxyribonucleoside)。目录NH2NHOCH2NONN9HO腺嘌呤核苷（腺苷）4、 核苷酸(nucleotide)

? 核苷酸 = 核苷 + 磷酸 ? 连接方式：磷酸酯键

O反式脱氧腺苷NH2NOHOCH2ON11?1?OHOHH胞嘧啶脱氧核苷（脱氧胞苷）目录 ?核苷酸(ribonucleotide)NH2酯键OHOPO-HOCHNN2N9N糖苷键O'1HH2'OHHOH核苷或脱氧核苷与磷酸通过酯键结合构成核苷酸(ribonucleotide)或脱氧核苷酸(deoxyribonucleotide)。目录 核苷酸：

AMP, GMP, UMP, CMP

脱氧核苷酸：

dAMP, dGMP, dTMP, dCMP

多磷酸核苷酸：NMP，NDP，NTP

重要的核苷酸衍生物

环化核苷酸：cAMP、cGMP，是细胞信号转导中的第二信使。

? 含核苷酸的生物活性物质： NAD+、NADP+、CoA-SH、FAD 等都含有 AMP

三、核苷酸通过3’,5’-磷酸二酯键连接形成多聚核苷酸链

一个脱氧核苷酸3?的羟基与另一个核苷酸5?的α-磷酸基团缩合形成磷酸二酯键(phosphodiester bond)。

多个脱氧核苷酸通过磷酸二酯键构成了具有方向性的线性分子，称为多聚脱氧核苷酸(polydeoxynucleotide)，即DNA链。

5′-末端C磷酸二酯键A磷酸二酯键G3′-末端目录5′-磷酸基团O-OPO-HOCH2HOO碱基DNA链的方向是5?→3?HHHOOPO-HOOCH2H碱基核酸方向OHHH交替的磷酸基团和戊糖构成了DNA的骨架(backbone)。碱基CH2OHHHHH3′,5′-磷酸二酯键OPO-O碱基OPO-OCH2HHOHOHHH3′-羟基目录 四、核酸的一级结构是核苷酸的排列顺 序

? 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。

? 核酸分子的大小常用碱基(base pair 或kilobase)数目来表示。

? 小的核酸片段(<50bp)常被称为寡核苷酸(oligonucleotide)。自然界中的DNA和RNA的长度可以高达几十万个碱基。

DNA和RNA的区别

核酸 DNA

碱基

G、C、A、T

核糖 脱氧核糖 核糖

RNA

G、C、A、U

第二节

DNA的空间结构与功能

DNA的空间结构(spatial structure)

构成DNA的所有原子在三维空间具有确定的相对位置关系。

DNA的空间结构又分为二级结构(secondary structure)和高级结构。

一、DNA的二级结构是双螺旋结构

（一）DNA双螺旋结构的研究背景 ? Chargaff 规则

? 不同生物种属的DNA的碱基组成不同

? 同一个体的不同器官或组织的DNA碱基组成相同。 ? [A] = [T]，[G] = [C]

一种生物DNA碱基组成不随生物体的年龄、营养状态或者环境变化而改变。

? DNA分子双螺旋结构(double helix)模型提供依据。

A%＝T% G%＝C%

（二） DNA双螺旋结构模型要点 （Watson, Crick, 1953）

1.DNA分子是两条反方向的脱氧多核苷酸链形成的右手螺

旋结构。形成大沟(major groove)及小沟(minor groove)相间。

（二） DNA双螺旋结构模型要点

2. 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） 。

3. 相邻碱基平面距离0.34nm，螺旋一圈螺距3.4nm，一

圈10对碱基、螺旋直径为2nm。

（二）

DNA双螺旋结构模型要点

4.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。

三种DNA构型的比较

三种DNA构型的比较旋向A型右手螺距(nm)2.3碱基数（每圈）?螺旋直径（nm）2.5骨架走行平滑存在条件体外脱水11B型右手Z型左手3.44.510122.31.8平滑锯齿型DNA生理条件CG序列目录 二、DNA的三级结构是超螺旋结构

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(positive supercoil)

盘绕方向与DNA双螺旋方同相同

负超螺旋(negative supercoil)

盘绕方向与DNA双螺旋方向相反

目录 （一）原核生物DNA的高级结构(超螺旋结构)

原核生物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。

（二）真核生物DNA与组蛋白组装成染色体

? 真核生物DNA以非常有序的形式存在于细胞核内。 ? 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

? DNA染色质呈现出的串珠样结构。

? 染色质的基本单位是核小体(nucleosome)

? 核小体的组成

DNA：约150bp 组蛋白：H1

H2A，H2B H3, H4

核小体压缩形成螺线管

每6个核小体形成一个螺线管 Dia: 30nm 压缩倍数：40倍

三、DNA是遗传信息的物质基础

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(genome):一个生物体的全套染色体DNA及其所携带的全部遗传信息。

第三节

RNA的结构与功能

? RNA与蛋白质共同负责基因的表达和表达过程的调控。

? RNA比DNA小的多。

? RNA的种类、大小和结构远比DNA表现出多样性。 RNA通常以单链的形式存在，但有复杂的局部二级结构或三级结构。

RNA的种类、分布、功能细胞核和胞液核蛋白体RNA信使RNA转运RNA核内不均一RNA核内小RNA核仁小RNA胞浆小RNA rRNAmRNA tRNAHnRNASnRNASnoRNAscRNA/7SL-RNA 线粒体mtrRNAmttRNA功能核蛋白体组分转运氨基酸成熟mRNA的前体参与hnRNA的剪接、转运rRNA的加工、修饰蛋白质内质网定位合成的信号识别体的组分mtmRNA蛋白质合成模板 一、mRNA是蛋白质合成中的模板

信使RNA的结构与功能

组成特点：含量最少，分子量大小不一, 半衰期最短

一、mRNA是蛋白质合成中的模板

? 信使RNA(messenger RNA, mRNA)是合成蛋白质的模板。

? 核不均一RNA(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。 ? hnRNA经过剪切后成为成熟的mRNA。

?成熟的真核生物mRNA编码区AUGUAA3'AAA……An5'7mGppp5'非翻译区3'非翻译区?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mRNA由氨基酸编码区和非编码区构成。?5?-末端的帽子(cap)结构和3?-末端的多聚A尾(poly-A tail)结构。目录

* 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：m7GpppNp。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。目录

帽子结构的功能

mRNA的帽子结构可以与帽结合蛋白(cap binding protein，CBP)结合，协助mRNA从细胞核向细胞质转运、与核糖体结合、与翻译起始因子结合以及维持mRNA稳定性 。

（二）在真核生物mRNA的3‘末端有多聚

腺苷酸结构

真核生物的mRNA 的3?-末端转录后加上一段长短不一的聚腺苷酸（80-250个polyA）。

帽子结构和多聚A尾的功能

mRNA核内向胞质的转位 mRNA的稳定性维系 翻译起始的调控

（三）mRNA依照自身的碱基顺序指导

蛋白质氨基酸顺序的合

? 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(triple。 ? 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(open reading frame, ORF)，决定了多肽链的氨基酸序列 。

* 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。

二、tRNA是蛋白质合成中的氨基酸载体

? 转运RNA(transfer RNA, tRNA)在蛋白质合成过程中作为各种氨基酸的载体, 将氨基酸转呈给mRNA。 ? 组成特点：

含有较多的稀有碱基（10~20%）

种类少，分子量小,由74～95核苷酸组成； 占细胞总RNA的15%； 具有很好的稳定性。

（一）tRNA中含有多种稀有碱基

（二）tRNA具有茎环结构?tRNA具有局部的茎环(stem-loop)结构或发卡(hairpin)结构。tRNA的二级结构——三叶草形?氨基酸臂?DHU环?反密码环?TψC环?附加叉目录 （三）tRNA的3?-末端连接氨基酸?tarn的3?-末端都是以CCA结尾。?3?-末端的A与氨基酸共价连结，tRNA成为了氨基酸的载体。?不同的tRNA可以结合不同的氨基酸。目录

（四）tRNA的反密码子识别mRNA的密码子

? tRNA的反密码子环上有一个由三个核苷酸构成的反密码子(anticodon)。

? tRNA上的反密码子依照碱基互补的原则识别mRNA上的密码子。

tRNA的功能：

活化、搬运氨基酸到核糖体，参与蛋白质的翻译

三、以rRNA为组分的核蛋白体是蛋白质合

成的场所

? 核蛋白体RNA(ribosomal RNA，rRNA) 分子量大，细胞内含量最多的RNA(>80％)。

? rRNA与核蛋白体蛋白结合组成核蛋白体(ribosome)，为蛋白质的合成提供场所。

?核蛋白体的组成原核生物（以大肠杆菌为例）真核生物（以小鼠肝为例）小亚基rRNA蛋白质30S16S21种1542个核苷酸占总重量的40S33种40S1874个核苷酸占总重量的50%大亚基rRNA50S23S5S31种2940个核苷酸120个核苷酸占总重量的30(S5.85S5S49种60S4718个核苷酸160个核苷酸120个核苷酸占总重量的35%蛋白质目录 rRNA的功能

参与组成核蛋白体，作为蛋白质生物合成的场所。 ? 蛋白质合成时形成的复合体

四、snmRNA参与了基因表达的调控

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(small non-messenger RNAs, snmRNAs)。

RNA组学是研究细胞内snmRNA的种类、结构和功能。同一生物体内不同种类的细胞、同一细胞在不同时空状态下snmRNAs表达谱的变化，以及与功能之间的关系。

snmRNAs的种类

? 核内小RNA ? 核仁小RNA ? 胞质小RNA ? 催化性小RNA

? 小片段干涉 RNA

? snmRNAs的功能

参与hnRNA的加工剪接

? 核酶

某些小RNA分子具有催化特定RNA降解的活性，这种具有催化作用的小RNA亦被称为核酶(ribozyme)或催化性RNA(catalytic RNA)。

小片段干扰RNA

? siRNA是生物宿主对外源侵入的基因表达的双链RNA进行切割所产生的特定长度和特定核酸序列的小片段RNA。 ? siRNA可以与外源基因表达的mRNA相结合，并诱发这些mRNA的降解。

? 基于此机理，人们发明了RNA干扰(RNA interference，RNAi)技术。

五、核酸在真核细胞和原核细胞中表现了不

同的时空特性

? 原核生物基因表达的特异性

? 真核生物基因表达的特异性

第四节

核酸的理化性质

? 核酸的酸碱及溶解度性质

? 核酸为多元酸，具有较强的酸性。 ? 核酸的高分子性质

? 粘度：DNA>RNA dsDNA > ssDNA

? 沉降行为:不同构象的核酸分子的沉降的速率有很大差异，这是超速离心法提取和纯化核酸的理论基础。

一、核酸分子具有强烈的紫外吸收

核酸在波长 260nm 处有强烈的吸收，是由碱基的共轭双键所决定的。这一特性常用作核酸的定性和定量分析。

紫外吸收的应用

? DNA或RNA的定量 A260 = 1.0 相当于

50μg/ml 双链DNA(dsDNA) 40μg/ml 单链DNA (ssDNA or RNA) 20μg/ml 寡核苷酸

? 确定样品中核酸的纯度

纯 DNA: A260/A280 = 1.8 纯 RNA: A260/A280 = 2.0

二、DNA变性是双链解离为单链的过程

DNA的变性(denaturation)

在某些理化因素作用下，DNA双链解开成两条单链的过程。 DNA变性的本质是双链间氢键的断裂

引起核酸变性的因素变性剂（尿素）酸碱有机溶剂（乙醇）热目录 变性后其它理化性质变化

OD260增高 比旋度下降

粘度下降 浮力密度升高

酸碱滴定曲线改变 生物活性丧失

DNA解链时的紫外吸收变化

? 增色效应(hyperchromic effect)：DNA变性时其溶液OD260增高的现象。

?DNA的解链曲线连续加热DNA的过程中以温度相对于A260值作图，所得的曲线称为解链曲线。

融解温度/解链温度(melting temperature，Tm)

定义：在DNA热变性时，其A260的升高达最 大值一半时的温度。

?解链曲线的变化?G+C 含量越高，解链温度就越高。

三、变性的核酸可以复性或形成杂交双链

? 当变性条件缓慢地除去后，两条解离的互补链可重新配对，恢复原来的双螺旋结构，这一现象称为DNA复性(renaturation) 。

热变性的DNA经缓慢冷却后即可复性，这一过程称为退火 。 减色效应：DNA复性时，其溶液OD260降低

核酸分子杂交(hybridization)

? 不同种类的DNA单链分子或RNA分子放在同一溶液中，只要两种单链分子之间存在着一定程度的碱基配对关系，在适宜的条件可以在不同的分子间形成杂化双链(heteroduplex)。

? 这种杂化双链可以在不同的DNA与DNA之间形成，也可

以在DNA和RNA分子间或者RNA与RNA分子间形成。这种现象称为核酸分子杂交。

杂交定义两条来源不同，但具有互补序列的核酸，按碱基配对原则复性形成一个杂交体，这个过程即杂交，或称分子杂交。分类DNA-DNADNA-RNARNA-RNA目录

核酸分子杂交的应用

? 研究DNA分子中某一种基因的位置。 ? 监定两种核酸分子间的序列相似性。 ? 检测某些专一序列在待检样品中存在与否

第五节

核酸酶

核酸酶是指所有可以水解核酸的酶

? 依据底物不同分类

DNA酶(deoxyribonuclease, DNase)： 专一降解DNA。

RNA酶 (ribonuclease, RNase)： 专一降解RNA。

? 依据切割部位不同

核酸内切酶：分为限制性核酸内切酶和非特异性限制性

核酸内切酶。

核酸外切酶：5′→3′或3′→5′核酸外切酶

外切位点5’3’内切位点内切位点外切位点3’5’ 核酸酶的功能

? 参与DNA的合成、修复以及RNA的剪接。

? 清除多余的、结构和功能异常的核酸，以及侵入细胞的外

源性核酸。 ? 降解食物中的核酸。

? 体外重组DNA技术中的重要工具酶

课堂小结：

? 1. 核酸分为DNA和RNA两大类。

? DNA结构包括一级结构，双螺旋结构，超螺旋结构。 ? RNA有mRNA 、rRNA 、tRNA三种，参与蛋白质的合成。

? 2. DNA变性和复性是核酸最重要的理化性质之一。 ? 3. 核酸酶是可以降解核酸的酶。

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/oo98.html