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1、第一篇 生物分子的结构与功能,第一章 核 酸 （Nucleic acid） 第一军医大学 解放军基因工程研究所 马文丽,内容纲要,核酸的种类与分子组成 DNA的一级结构、二级结构及组装 RNA的种类、结构与功能 核酸的理化性质
2、核酸具有催化活性 真核生物基因组的特点 人类基因组计划,核酸的种类,脱氧核糖核酸（deoxyribonucleic acid，DNA）遗传信息的贮存和携带者 核糖核酸（ribonucleic acid，RNA） 参与遗传信息的表达,第一节核酸的基本组成单位核苷酸,核酸的基本组成单位是核苷酸，核苷酸则由碱基（base）、核糖（ribose）或脱氧核糖（deoxyribose）、
3、磷酸（phosphate ）三种成分通过共价键连接而成。,图1-1 核酸的构成,一、核苷酸的组成,（一）碱基 参与核苷酸构成的碱基主要有五种，它们都是嘌呤（purine）或嘧啶（pyrimidine）类化合物。嘌呤类碱基主要有腺嘌呤（adenine，A）和鸟嘌呤（guanine，G）两种，嘧啶类碱基主要有三种，即胞嘧啶（cytosine，C）、胸腺嘧啶（thymine，T）和尿嘧啶（uracil，U）,图1-2 构成核苷酸的主要碱基,腺嘌呤(A),鸟嘌呤(G),胞嘧啶(C),胸腺嘧啶(T)
4、,DNA,尿嘧啶(U),RNA,表1-1 核酸中的部分稀有碱基,图1-3 碱基的互变异构,嘌呤和嘧啶碱基都是含氮杂环化合物，分子中的酮基或氨基均位于杂环上氮原子的邻位，受介质中pH的影响，会发生酮式-烯醇式互变异构，或氨基-亚氨基互变异构,碱基的紫外吸收性质,嘌呤环和嘧啶环中含有共轭双键，因而都有吸收紫外光的性质，吸收高峰在波长260nm左右。 &
5、nbsp; 在研究核酸、核苷酸、核苷及碱基时，可以此对核酸进行定性及定量分析。另外，紫外线照射可引起DNA突变，也是由于存在于DNA中的核苷酸吸收紫外光所造成的。,一、核苷酸的组成,（二）戊糖 构成核苷酸的戊糖有两种，DNA分子中含有-D-2脱氧核糖，RNA分子中的戊糖为-D-核糖。碱基杂环中的原子编号一般以1，2，3，
6、表示，为了与此区分开来，糖环上的碳原子则标以1'，2'，3'等 。,图1-4 两种核糖的结构,一、核苷酸的组成,（三）核苷与核苷酸 碱基与戊糖通过-N-糖苷键（-N-glycosidic bond）缩合形成核苷（nucleoside）。嘌呤类核苷是由嘌呤环上的N-9与戊糖的C-1'连接，嘧啶类核苷是由嘧啶环上的N-1与糖的C-1'相连。,图1-5 核糖核苷与脱氧核糖核苷,构成核苷酸的戊糖有两种，因此核苷又可分为核糖核苷及脱氧核糖核苷。,核苷的戊糖
7、羟基与磷酸之间脱水以酯键相连，即形成核苷酸。最常见的酯化部位是在核糖或脱氧核糖的C-5'和C-3'位上。单核苷酸分子中的磷酸主要连接在C-5'位上，称为5'-核苷酸。,图1-6 不同类型的核苷酸,含有一个磷酸基团的核苷酸称为核苷一磷酸（nucleoside monophosphate，NMP），第二个磷酸基团通过酸酐键与核苷一磷酸的磷酸基团相连则形成核苷二磷酸（nucleoside diphosphate，NDP），同样，第三个磷酸基团连在核苷二磷酸的焦磷酸基团上则形成核苷三磷酸（nucleoside triphosphate，NTP）。 &nbs
8、p; 在对核苷及核苷酸命名时，须先冠以碱基的名称。如为脱氧核苷或脱氧核苷酸，则在相应的核苷或核苷酸前面加上脱氧，在缩写名词前加上d字符。,表1-2 构成DNA及RNA的碱基、核苷和核苷酸,（续表）表1-2 构成DNA及RNA的碱基、核苷和核苷酸,二、核苷酸的连接方式,DNA和RNA都是通过核苷酸间的3',5'-磷酸二酯键连接而成，即前一个核苷酸的C3'-OH与下一核苷酸的C5'位磷酸之间脱水形成酯键。 核苷酸的连接具有严格的方向性。通过3',5
9、9;-磷酸二酯键连接形成的核酸是一个没有分支的线性分子，它们的两个末端分别为5'末端（游离磷酸基）和3'末端（游离羟基），在书写时，方向应该从5'3'。,图1-7 核苷酸的连接方式,核酸的一级结构,不同的核苷酸在核酸长链上的排列顺序，就是核酸的一级结构。由于核苷酸之间的差异主要是碱基的不同，所以核酸的一级结构也称为核苷酸序列或碱基序列。,第二节 DNA的结构,Oswald Avery （1877-1955）,R型细菌：无毒型肺炎球菌S型细菌：有毒型肺炎球菌,肺炎球菌转化实验,DNA是遗传的物质基础,一、DNA的一级结构,
10、组成DNA分子的脱氧核糖核苷酸主要有四种，即脱氧腺苷酸（dAMP）、脱氧鸟苷酸（dGMP）、脱氧胞苷酸（dCMP）和脱氧胸苷酸（dTMP）。DNA分子的一级结构就是这四种脱氧核糖核苷酸的排列顺序，或者四种碱基的顺序。,二、DNA的二级结构,Erwin Chargaff （19051995）,Chargaff s rule： A%T% G%C%,DNA 分子X射线衍射照片,Rosalind Franklin,James Watson & Francis Crick,（一）DNA二级结构模型,DNA分子由两条脱氧核糖核苷酸链组成，两条链的
11、走向呈反向平行 DNA是右手螺旋结构脱氧核糖-磷酸骨架位于螺旋的外侧；碱基位于双螺旋的内侧，每个碱基均与对应链上的碱基处于同一平面而以氢键（hydrogen bond）结合碱基互补原则,（一）DNA二级结构模型,碱基平面与双螺旋的长轴垂直，糖环的平面则与长轴平行 DNA分子两条链间互补碱基的氢键维持双螺旋结构的横向稳定性，纵向则靠碱基平面间的疏水性碱基堆积力（base stacking force）来维系 双螺旋结构上存在着两条凹沟，与脱氧核糖-磷酸骨架平行。较深的沟称为大沟（major groove），较浅的称为小沟（minor groove）,图1-8 DNA双螺旋
12、结构示意图,碱基互补原则：腺嘌呤（A）总是跟胸腺嘧啶（T）配对，形成两个氢键；鸟嘌呤（G）总是跟胞嘧啶（C）配对，形成三个氢键,图1-9 碱基互补原则,（二）DNA二级结构的多样性,上述DNA的二级结构特征是以B-DNA为模型。B-DNA是DNA分子在生理条件下最稳定的结构，如果改变溶液的离子强度或相对湿度，DNA螺旋结构的上述特征都会发生变化。,图1-10 不同类型的DNA双螺旋结构,三、DNA的高级结构,所有生物的基因组DNA的长度通常比含有DNA的细胞直径大得多。因此，DNA在形成双螺旋结构的基础上，必须进一步折叠成超级螺旋结构，并且在蛋白质的参与下，再进行精
13、密的包装，。这样， DNA才能存在于小小的细胞。甚至细胞核中。,（一）原核生物细胞中DNA的组装,绝大部分原核生物的DNA都是闭合环状双螺旋结构，裸露而不与蛋白质结合，这种双螺旋分子还进一步螺旋化形成超螺旋结构。环状DNA分子的生物活性形式为超螺旋结构。,图1-11 环状DNA结构示意图,（二）真核生物细胞中DNA的组装,在真核细胞内，由于DNA分子较原核细胞大得多，所以它们压缩得更为致密。真核细胞的DNA与蛋白质结合，以染色质（chromatin）或染色体（chromosome）的形式存在于细胞核内。它们的基本结构单位都是核小体（nucleosome）。,图1-12
14、核小体结构示意图,四、线粒体DNA,在真核细胞中， DNA除了存在于细胞核内，还有少量的DNA位于细胞的线粒体（mitochondrion）中，称为线粒体DNA（mitochondrial DNA, mtDNA）。mtDNA与细菌的DNA相似，也是超螺旋双链环状分子，裸露而不与组蛋白结合，分散在线粒体基质的不同区域。,第三节 RNA的结构与功能,表1-3 RNA与DNA的比较,表1-4 真核细胞内RNA的种类及功能,（续表）表1-4 真核细胞内RNA的种类及功能,一、信使RNA,信使RNA（mRNA）的作用就好像一种信使，将存在于细胞核内的基因的
15、遗传信息转移到细胞质中，作为模板指导蛋白质的合成。 真核生物的mRNA前身称为不均一核RNA（heterogenous nuclear RNA，hnRNA）。hnRNA在核内经过一系列的剪接、修饰和加工，成为成熟的mRNA并转移到细胞质中。,图1-13 真核生物成熟mRNA的结构示意图,真核生物mRNA的结构特征,5'-端有一个特殊结构：7mG-5'ppp5'-Nm-3'-P，称为帽子结构。 3'-端有一段长约20250个核苷酸的多聚腺苷酸（poly A），称为多聚A尾巴（p
16、oly A tail） mRNA分子上的每三个核苷酸为一组，构成遗传密码（genetic code），可以决定多肽链上某一个氨基酸，又称为三联体密码（triplet code）。,二、转运RNA,转运RNA约占细胞中RNA总量的10 % 15%，是分子量最小的一类核酸，由7495个核苷酸构成。tRNA的功能是转运氨基酸，按照mRNA上的遗传密码的顺序将特定的氨基酸运到核糖体进行蛋白质的合成。,tRNA的结构特征,分子中含有10 % 20%的稀有碱基 一级结构中存在一些能局部互补配对的核苷酸序列，可以形成局部双链，使tRNA的二级结构呈三叶草形（cloverleaf） 三级结构呈“倒L”形,图1
17、-14 tRNA中的部分稀有碱基,图1-15 tRNA的空间结构示意图,三、核糖体RNA,核糖体RNA（rRNA）是细胞内含量最多的RNA，约占RNA总量的75 % 80%。rRNA与蛋白质共同构成核糖体或称为核蛋白体（ribosome），是细胞内蛋白质生物合成的场所。原核生物与真核生物的核糖体均由大亚基和小亚基构成。,表1-5 原核及真核生物核糖体的组成,rRNA的结构特征,rRNA一级结构的一个特征就是甲基化残基的存在，主要的修饰位点在-D-核糖的C2'-OH。二级结构的模型也已构建出来，rRNA分子内部局部碱基互补，形成许多“茎环”结构，为核糖
18、体蛋白的结合与组装提供了结构基础。,图1-16 原核生物16S rRNA的二级结构,第四节 核酸的理化性质,一、核酸的一般性质,核酸溶液的黏度比较大 ，核酸粘度降低或消失，即意味着变性或降解。DNA分子的长度与直径之比达到107，极易在机械力的作用下发生断裂。核酸的沉降特性 。,二、核酸的紫外吸收,嘌呤和嘧啶碱基具有共轭双键，这使核苷、核苷酸及核酸可以吸收紫外光，最大吸收峰位于波长260nm附近，因此经常用A260（在260nm处的吸光度）或OD260（260nm处的光密度值）表示核酸的浓度。利用核酸的紫外吸收特性，可以用紫外分光光度法对DNA和RNA进行定性和定量分析
19、。,三、核酸的变性与复性,（一）变性（denaturation） 核酸的变性是指核酸的互补配对碱基之间的氢键断裂，而构成磷酸-戊糖骨架的3',5'-磷酸二酯键并未发生变化。 温度升高，溶液的盐浓度降低，或者溶液的酸碱度改变，都可以使核酸发生变性。实验室中最常用的使DNA分子变性的方法之一是加热。,DNA的增色效应（hyperchromic effect） DNA变性时，A260随之增高
20、的现象 DNA的解链曲线 在加热DNA的过程中，以温度为横坐标，测得的A260为纵坐标作图，所得到的曲线,DNA的融解温度（melting temperature） DNA的变性作用发生在一个相当窄的温度范围内，通常将A260达到最大值的一半时的温度称为DNA的融解温度（melting temperature），以Tm表示。 Tm值计算公式为： Tm69.3+41(G+C)% ，少于20个碱基的寡核苷酸的Tm4(G+C)+2(A+T),
