核酸的结构与功能

DNA
RNAΒιβλιοθήκη G、C、A、U第二节 DNA的空间结构与功能
Dimensional Structure and Function of DNA

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。
核小体结构示意图
核心颗粒包括组蛋白八聚体及与其结合的146bp DNA，
该序列绕在八聚体外面1.75圈，每圈约80bp。由许多核
小体构成了连续的染色质DNA细丝。
目录

核小体串珠样的结构
H2A H4 DNA双链
H1
H2B
H3
核小体连接区
5.5 nm
11 nm 核小体核心颗粒
目录

双链DNA的折叠和组装

骨架与碱基
亲水性的骨架位于
双链的外侧。
疏水性的碱基位于
双链的内侧。
2.DNA双链之间形成了互补碱基对 碱 基 配 对 关 系 称 为 互 补 碱 基 对 (complementary base pair)。 DNA 的 两 条 链 则 互 为 互 补 链 (complementary strand)。 碱基对平面与螺旋轴垂直。
第2章
核酸的结构与功能
Structure and Function of Nucleic Acid
目录

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。

核酸的分类及分布 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。
脱氧核糖核酸 (deoxyribonucleic acid, DNA)

帽子结构:m7GpppNm
OH OH H H H H O 5' CH2 O O O
-
NH2 O P O
-
O O P O
-
N O 5' CH2 H H O O H 3' 2' N N
N
H2N HN
N
N N
P O
O
CH3
H OCH3
目录
（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。
双链DNA 第一层次折叠
核小体构成
第二层次折叠
30 nm
染色质纤维空管
截面图 第三层次折叠
目录
第三层次折叠
300 nm
染色质纤维
第四层次折叠
1.4 m
核基质 形成染色体
截面图
DNA经过多次折叠，被压缩了8000～10000 倍，组装在直径只有为数微米的细胞核内。
目录

真核生物的染色体
目录
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。
第三节 RNA的结构与功能
Structure and Function of RNA
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。
目录

mRNA成熟过程 内含子 (intron)
外显子 (exon) hnRNA
mRNA

成熟的真核生物mRNA
编码区 AUG UAA 3' AAA……An
5' m7Gppp
5'非翻译区
3'非翻译区
目录

核苷
N
NH2 N N 9 N
糖苷键
CH2OH O H
H OH H 2'
1'
H 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)。
目录
O

核苷酸(ribonucleotide)
NH2
酯键
O
N N O
N
9 N
糖苷键
HO P O CH 2 O
5´-末端 C
磷酸二酯键 A
磷酸二酯键 G
3´-末端
目录
5´-磷酸基团
OO P OH O CH 2 O H O
碱基
DNA链的方向是5 → 3
H H H
O O P OH O CH2 H
碱基
核酸方向
O H H H
交替的磷酸基团和戊 糖 构 成 了 DNA 的 骨 架 (backbone)。
O
碱基
-
H
H
OH
' 1 H H 2'
OH
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

多磷酸核苷酸
目录

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。
NH2 N O CH2 N O N N
戊糖(ribose)：核糖，脱氧核糖 磷酸(phosphate)

碱基 碱基(base)是含氮的杂环化合物。
腺嘌呤
嘌呤 碱基 嘧啶 鸟嘌呤 存在于DNA和RNA中
胞嘧啶
尿嘧啶 胸腺嘧啶 仅存在于RNA中 仅存在于DNA中
目录
NH2
嘌呤(purine，Pu)
N
N
N 7 8 9 NH
NH
5 4
6 3 N
目录
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]

获得了高质量的DNA分子的X射线衍射照片。 提出了DNA分子双螺旋结构(double helix)模型。
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
第一节 核酸的化学组成及其一级结构
The Chemical Component and Primary
Structure of Nucleic Acid
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
mt mRNA 蛋白质合成模板 mt tRNA
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。 不均一核RNA(hnRNA)含有内含子(intron)和外 显子(exon)。

碱基互补配对: 鸟嘌呤/胞嘧啶

碱基互补配对: 腺嘌呤/胸腺嘧啶
目录
3.疏水作用力和氢键共同维系着DNA双螺旋 结构的稳定。
相邻两个碱基对会有重叠，产生了疏水性的 碱基堆积力(base stacking interaction)。 碱基堆积力和互补碱基对的氢键共同维系着 DNA结构的稳定。
1N 2
腺嘌呤(adenine, A)
O N
N
NH
NH
鸟嘌呤(guanine, G)
N
NH2
嘧啶(pyrimidine，Py)
5 4 N
O
NH
6 1 NH
NH2
3 2
NH
O
尿嘧啶(uracil, U)
O H3C
N
NH
NH
NH
O
O
胞嘧啶(cytosine, C)
胸腺嘧啶(thymine, T)

戊糖
RNA与蛋白质共同负责基因的表达和表达过 程的调控。
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比DNA小的多。
RNA的种类、大小和结构远比DNA表现出多
样性。
目录
目录

RNA的种类、分布、功能
细胞核和胞液 线粒体 mt rRNA 功 能 rRNA mRNA tRNA HnRNA SnRNA SnoRNA scRNA/7SL-RNA 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
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
（一）大部分真核细胞mRNA的5'末端都以7-甲 基鸟嘌呤-三磷酸核苷为起始结构
cAMP
O P OH O OH
二、DNA是脱氧核苷酸通过3’,5’-磷酸二酯键 连接形成的大分子
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。
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)。

DNA染色质的电镜图像
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)。
目录

核小体的组成
DNA：约200bp
组蛋白：H1 H2A，H2B H3 H4
目录
核酸分子的大小常用碱基(base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
碱基 G、C、A、T
核糖
脱氧核糖 核糖
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。
连接键：
3’,5’-磷酸二酯键
基本形式：多核苷酸链

书写方法：
A
G
T
G
C
T
5 P
P
P
P
P
P
OH 3
5 pApCpTpGpCpT-OH 3
5 A C T G C T 3
目录
（三）DNA双螺旋结构的多样性
目录
目录
二、DNA的高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

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 质氨基酸顺序的合成
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(triplet code)。
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。
元素构成：C、
H、 O、 N、 P(9-11%)
与蛋白质比较：核酸一般不含S，P含量比较
稳定，占9-11%
基本构成单位：
核苷酸
目录

核酸组成
核酸 (DNA和RNA) 核苷酸 磷酸 戊糖 核糖 脱氧核糖 核苷和脱氧核苷 碱基 嘌呤 嘧啶
目录
一、核苷酸是构成核酸的基本组成单位
分子组成
碱基(base)：嘌呤碱，嘧啶碱
目录
（二） DNA双螺旋结构模型要点
1.DNA是反向平行、右手螺旋的双链结构 两条多聚核苷酸链在空间的走向呈反向平行。两条 链围绕着同一个螺旋轴形成右手螺旋的结构。双螺 旋结构的直径为2.37nm，螺距为3.54nm。 脱氧核糖和磷酸基团组成的亲水性骨架位于双螺旋 结构的外侧，疏水的碱基位于内侧。 双螺旋结构的表面形成了一个大沟(major groove)和 一个小沟(minor groove)。
（一）原核生物DNA的环状超螺旋结构
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。

DNA超螺旋结构的电镜图象
目录
（二）真核生物DNA的高度有序和高度致密 的结构
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
CH2 O H H H H H
3´,5´-磷酸二酯键
O
P O-
O
碱基
O
P O-
O
CH 2 O H H OH
3´-羟基
目录
H H H
三、RNA也是具有3’,5’-磷酸二酯键 的线性大分子
RNA也是多个核苷酸分子通过酯化反应形 成的线性大分子，并且具有方向性； RNA的戊糖是核糖； RNA的嘧啶是胞嘧啶和尿嘧啶。
CH2 5´ O OH HO CH2 O OH
HO
4´ 3´
OH
1´ 2´
OH OH
核糖(ribose) （构成RNA）
脱氧核糖(deoxyribose) （构成DNA）

脱氧核苷
NH2 N
N
HOH2C O H H H
N
N
OH
H
H
糖苷键
反式脱氧腺苷
嘌呤N-9 或嘧啶N-1与脱氧核糖C-1通过β-N-糖 苷键相连形成脱氧核苷(deoxyribonucleoside)。