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1、第二章 核酸的结构与功能,Structure and Function of Nucleic Acid,生化教研室 徐世明,第一节 核酸的分子组成 第二节 核酸的分子结构 第三节 核酸的理化性质 第四节 核酸酶,脱氧核糖核酸（deoxyribonucleic acid, DNA ）细胞核、线粒体携带遗传信息 核糖核酸（ribonucleic acid, RNA ） 细胞质、细胞核遗传信息表达和蛋白质合成某些病毒携带遗传信息,核酸（nucleic acid，NA）,p41,1928年 英国 Fred Griffith 肺炎球菌实验 探索遗传物质,核酸研究的历史,p41,1868年 瑞士 Frie
2、drich Miescher 发现核酸,（肺炎 败血症）,（检到活S菌株）,1944年 Avery等 肺炎球菌转化实验 DNA功能的认识,p41,1952年 Hershey、Chase 噬菌体感染细菌实验 证实DNA是遗传信息的携带者,p41,第一节 核酸的分子组成,核酸元素组成： C、H、O、N、P（910）,p41,核酸,(DNA和RNA),核苷酸,核苷,磷酸,戊糖,碱基,嘌呤,嘧啶,核糖,脱氧核糖,p41,核苷酸,一、核酸的基本组成单位核苷酸,（nucleotide）,（nucleoside）,嘌呤（purine） A（adenine） G（guanine） 嘧啶（pyrimidine）
3、 C（cytosine） T（thymine） U（uracil） 稀有碱基 甲基化衍生物,1. 碱基,p42,CH3,CH3OH,5-甲基胞嘧啶,5-羟甲基胞嘧啶,假尿嘧啶核苷,次黄嘌呤,二氢尿嘧啶,7-甲基鸟嘌呤,DNA戊糖： -D-2脱氧核糖,2. 戊糖,RNA戊糖： -D核糖,核酸中的戊糖均为- 呋喃型,p42,-2脱氧核糖,-核糖,p43,3. 核苷,戊糖的C1 -OH与嘧啶N1或嘌呤N9 上的-H脱水相连形成核苷,戊糖的原子编号加,p43,4. 核苷酸,核苷中戊糖的C5-OH与磷酸缩合形成5核苷酸（NMP）进一步结合磷酸可形成NDP、NTP,p43,常见的核苷酸/脱氧核苷酸（NMP
4、/dNMP）,核苷酸可形成环化形式，参与细胞内代谢调节和跨膜信号转导,p44,连接方式：3 - OH和5 - 磷酸形成3, 5 - 磷酸二酯键 方向性： 5-磷酸末端（头端）3- OH 末端（尾端） 习惯书写：按 5 3方向,二、多核苷酸的连接及表示方式,p45,p45,第二节 核酸的分子结构,一级结构（primary structure）：核酸分子的核苷酸序列。 二级结构（secondary structure）：核酸中规则、稳定的局部空间结构。 三级结构（tertiary structure）：在二级结构的基础上进一步形成高级结构，如超螺旋结构。,p45,一、核酸的一级结构,遗传信息储存于
5、DNA分子的核苷酸排列顺序，也就是碱基序列。,2003年4月14日，美、英、法、日、意、中同时宣布：人类30亿碱基DNA序列已测定出来,p45,DNA分子携带2类遗传信息：,1. 有功能活性的序列可通过转录指导RNA的合成，其中mRNA可指导蛋白质合成 2. 调控序列能被蛋白质分子识别和结合，调控基因的表达,p45,DNA的甲基化,DNA分子中，某些碱基可以通过加上一个甲基而被修饰，称为DNA的甲基化。,原核生物：对酶切位点修饰，防止DNA被降解 真核生物：通常发生在CG二核苷酸序列的C上，调控基因表达（多抑制基因表达）,意义：,“CG岛”：基因组中存在的成簇、稳定的CG重复序列，其特征： C
6、G含量高； 大部分非甲基化； 位于多数管家基因5端调控区,双螺旋(double helix) 结构模型 1953年， James Watson & Francis Crick,二、DNA的空间结构与功能,p46,（一）DNA的二级结构,1. DNA双螺旋结构的研究基础,Chargaff规则,1. A=T，G=C 2. 不同种属的DNA碱基组成不同 3. 同一个体不同器官组织的碱基组成相同,Franklin & Wilkins的X线衍射图谱,显示DNA是螺旋形分子,p46, DNA分子是由两条多核苷酸单链以相反的方向互相缠绕形成的右手螺旋结构；双螺旋表面有大沟和小沟。,2. DNA双螺旋结构模型
7、的要点：,p46,大沟,小沟,p46, 双螺旋的直径为2.4nm，每个螺旋含10.5个碱基对，高度约3.54nm；亲水的糖-磷酸骨架位于螺旋外侧；疏水的碱基位于螺旋内侧，碱基平面与螺旋长轴垂直。,p46,p46,3.54nm,1.2nm, 两条链通过碱基间的氢键连接，遵从碱基互补配对原则，即： A-T（形成两个氢键） G-C（形成三个氢键）。,p46, 维持DNA双螺旋结构稳定的因素为氢键和碱基堆积力（即疏水作用）。,p46,3. DNA双螺旋结构具有多样性,螺距（nm） 残基数 直径（nm）螺旋方向 A型(75%,Na) 2.86 11 2.3 右旋 B型(92%,Na) 3.54 10.5
8、 2.4 右旋 C型(66%,Li) 3.08 9.33 1.9 右旋 D/R hybrid 2.55 8.5 Z型 4.0 12 1.8 左旋（解链和调控）,p47,A,B,Z,表面结构的变化对DNA与蛋白质的相互作用有重要意义,4. DNA的多链螺旋结构,三链结构：T*A/T配对，C+ *G/C配对“ * ”为Hoogsteen氢键 四链结构：真核生物线性DNA 3-端GT重复序列的G间以“ * ”氢键连接,p48,DNA在细胞内以双螺旋为基础进一步旋转折叠形成超螺旋结构（supercoiled structure），称为DNA三级结构。 *双螺旋绕数减少引起的称负超螺旋 *双螺旋绕数增加
9、引起的称正超螺旋,（二）DNA的三级结构超螺旋结构,p49,超螺旋意义： 体积压缩 影响双螺旋的解链程序及与其它分子的作用,双螺旋旋转过度，通过整体左旋来解去过度的螺旋,正超螺旋左旋,负超螺旋右旋,双螺旋右旋不足，部分碱基不能配对,通过整体右旋补足,松弛型,超螺旋,部分解链,闭环DNA：都以负超螺旋形式存在,常见于细菌质粒、某些病毒、线粒体DNA等,p50,真核生物线性DNA：形成核小体 是常见的三级结构形式,p50,核小体: 10 nm 6nm，盘状小颗粒，由核小体核心和连接区组成,核小体核心：组蛋白H2A、H2B、H3、H4各2分子组成的八聚体，表面绕有146碱基对（base pair,b
10、p),3以1-圈DNA正超螺旋组成4 连接区：组蛋白H1和约20-80bpDNA链连结,p50,核小体彼此相连成串珠状染色质细丝，进一步螺旋化形成中空的线圈状螺线管，每圈螺旋由 6个核小体组成，即染色质纤维。再进一步盘曲、折叠形成染色单体。,p50,三、RNA的结构和功能,RNA的结构特点： 基本单位：4种核糖核苷酸，含稀有碱基 基本结构键：3, 5 - 磷酸二酯键 二级结构：单链，有局部双螺旋（发夹结构） 遵循碱基配对原则U-A、C-G配对，但不严格，存在U-G 分子小：几十2万个NMP,p51,RNA的骨架结构,按RNA的结构和功能不同分类：,* 信使RNA（mRNA ） * 转运RNA（
11、tRNA ） * 核糖体RNA（rRNA） * 核内不均一RNA （hnRNA） * 核小RNA（snRNA）,p52,（一）信使RNA,从DNA转录遗传信息，可作为蛋白质生物合成的模板的RNA称为信使RNA （messenger RNA, mRNA ）。,含量最少（15%）；种类最多（几万种）； 大小差异大（500-20 000个base）；寿命短。,p52,1. 真核生物mRNA结构的特点,（1）5-末端有帽子（cap）结构：m7Gppp转录后加的，同时第2、3位核苷酸的2-OH也被甲基化。意义：保护和促进翻译的作用。,N2 N3 N4,p53,（2）3-末端有多聚腺苷酸的尾（poly A
12、 tail)20-200个核苷酸，转录后无模板添加。意义：维持mRNA的稳定性和翻译模板活性。 （3）分子中可能有修饰碱基：如m6A,p53,（4）分子中有编码区/可读框（open reading frame, ORF）和非编码区/非翻译区（untranslated region, UTR）：5端UTR：有翻译信号3端UTR：有时富AU序列，可能与mRNA不稳定有关,p53,2. 原核生物mRNA结构的特点,（1）多顺反子即1分子mRNA 编码几种蛋白质；两端有UTR，编码序列之间有间隔序列，可被核糖体识别、结合 （2）5端无帽子结构，3端无多聚腺苷酸尾 （3）一般无修饰碱基,p53,（二）转
13、运RNA,转运RNA（transfer RNA, tRNA ） 的作用是在蛋白质合成过程中按照mRNA指定的顺序将氨基酸运送到核糖体进行肽链的合成。,p53,（1）占15%左右，分子量最小（73-93核苷酸） （2）含较多稀有碱基： （7-15个/分子）多为碱基的甲基化产物。意义：* 防止碱基对形成，易与其他分子反应；* 增加疏水性，便于结合酶及核糖体,tRNA的共同特征 ：,p53,G,（3） 5末端多为pG，3-末端都是-CCA,p53,（4） tRNA的二级结构形状类似于三叶草,4个环，4个臂,p54,* 与5SrRNA结合 * 真核起始tRNA为 ACG或AUCG,p54,（5）tRN
14、A的三级结构呈倒L型,维持三级结构的力量： 氢键、碱基堆积力、非标准 配对、核糖2羟基形成的氢键,p54,含量最多，约占RNA总量80%；有特定二级结构，也可形成三级结构。,（三）核糖体RNA,核糖体RNA（ribosomal RNA, rRNA） 与核糖体蛋白共同构成核糖体（ribosome），是蛋白质合成的场所，起“装配机”的作用。,p54,原核生物 16SrRNA的二级结构,34种,50种,p54,（四）细胞内其他RNA,1. 具有催化活性的RNA,P55,1982年，Cech等，原生动物四膜虫26SrRNA的剪接成熟过程在没有蛋白质（酶）的条件下可进行自我剪接。这种有催化作用的RNA被
15、称为核酶（ribozyme）。,p55,（1）长链非编码RNA（lncRNA）：200nt,2. 其他非编码RNA（non-coding RNA，ncRNA）,结构类似mRNA但无可读框在转录起始、转录后等水平调控基因表达参与分化发育、物质代谢及肿瘤、神经疾病发生等,核小RNA（snRNA）：U1，2，4，5，6核质，参与mRNA剪接核仁小RNA（snoRNA）： U16，24核仁，参与rRNA前体的甲基化质内小RNA（scRNA）：胞质，参与形成信号识别颗粒，引导含信号肽的蛋白质进入内质网微小RNA（miRNA）小干扰RNA（siRNA）,（2） 短链（小）非编码RNA（sncRNA）：200nt,p55,p56,一、核酸的一般理化性质,第三节 核酸的理化性质,p57,核酸为两性电解质，含酸性的磷酸基及含氮碱基，酸性较强，酸性条件下稳定核酸属大分子，粘度大核酸提取困难：DNA易断裂，RNA易被降解,
