第二章核酸的分子结构

核酸的研究历史和重要性（续） 历史
70年代 建立DNA重组技术，改变了分子生物学的面貌，并导 致生物技术的兴起。 80年代 RNA研究出现第二次高潮：ribozyme、反义RNA、 “RNA世界”假说等等。 90年代以后 实施人类基因组计划（HGP）, 开辟了生命科学 新纪元。
人类基因组测序完成后，生命科学进入后基因组时代： 功能基因组学（functional genomics） Hapmap(单体型图 ) (基于SNP) 蛋白质组学（proteomics）
RNA分子中各核苷之间 的连接方式（3´-5´磷酸二 酯键）和排列顺序叫做 RNA的一级结构
RNA与DNA的差异
DNA
RNA
糖 脱氧核糖 核糖
碱基 AGCT
AGCU
不含稀有碱基 含稀有碱基
OH
5´
3´ OH
OH
4.1.2 RNA的类别
信使RNA（messenger RNA，mRNA）：在蛋白 质合成中起模板作用；
反转重复（inverted repeated)：由反方向互补的 两个DNA片段组成，两个反转重复序列又叫回 文序列(palindrome sequence)。(第47页)
镜像重复(mirror repeat)：由反方向完全相同的 两个序列组成。
直接重复(direct repeat)：由同一方向完全相同 的两个序列组成。正向重复序列、顺向重复序 列。
2 核酸的基本结构单位—核苷酸
2.1 核苷酸的化学组成与命名 2.1.1 碱基、核苷、核苷酸的概念和关系 2.1.2 常见碱基的结构与命名法 2.1.3 常见（脱氧）核苷酸的基本结构与命名 2.1.4 稀有核苷酸 2.1.5 细胞内游离核苷酸及其衍生物
2.2 核苷酸的生物学功能
5´-磷酸核苷酸的基本结构
小 亚
rRNA 蛋白
16S(有mRNA识别结合位点) 18S(有mRNA识别结合位点)
基质
21种
33种
大 亚
rRNA
23S、5S（识别、结合tRNA）
28S、5S、5.8S(识别、结合 tRNA)
基 蛋白 质
34种
49种
一切生物的遗传密码都要在核糖体上翻译。病毒本身没有核糖体，其mRNA要靠宿主 细胞的核糖体来翻译。
3 DNA的分子结构
3.1 核酸分子中的共价键 3.2 DNA 一级结构 3.3 DNA碱基组成的Chargaff规则 3.4 DNA的二级结构 3.5 DNA的三级结构 3.6 DNA与蛋白质复合物的结构
3.1 核酸Βιβλιοθήκη 子中核苷酸之间的共价键5
3 -5 磷酸二酯键
3 5
3
3.2 DNA 的一级结构
核糖体蛋白如何识别rRNA上的结合位点，如何和rRNA结合，不同核糖体蛋白彼此如 何识别，怎样互相联结，组装成为功能性的核糖体，尚在研究之中。目前只知道彼此所 处的相对位置，联结的细节不明。
• 多磷酸核苷酸 • 环核苷酸 • 辅酶类核苷酸。
O O CH2
A (G)
HH
HO
H
OP
O
OH
OH
cAMP(cGMP)的结构
3`，5`- Cyclic adenylic (Guaninic) acid
2.2 核苷酸的生物学功能
作为核酸的单体 细胞中的携能物质（如ATP、GTP、CTP、TTP） 酶的辅助 因子的 结 构成分 （ 如NAD） (nicotinamide adenine dinucleotide, 烟酰胺腺嘌呤二核苷酸) 细胞通讯的媒介（如cAMP、cGMP）
分子内三链DNA于1987年由Mirkin在超螺 旋中发现。其形成要求双螺旋中存在连续 的嘌呤或嘧啶序列，而且必须是镜像重复 序列。
T-A-T C-G-C
DNA分子间 的三链结构
DNA三链间 的碱基配对
DNA分子内 的三链结构
•镜像重复序列：由反方向完全相同的两个 序列组成。
5 ′GGAATCGATCTTTTCTAGCTAAGG 3 ′ 3′CCTTAGCTAGAAAAGATCGATTCC 5′
核糖核酸（ribonucleic acid, RNA）： 主要参与遗传信息的传递和表达过程，细胞内 的RNA主要存在于细胞质中，少量存在于细胞核 中，病毒中RNA本身就是遗传信息的储存者如逆 转录病毒（retrovirus)。另外在植物中还发现 了一类比病毒还小得多的侵染性致病因子称为 类病毒（viroid)和拟病毒（virusoid or satellite RNA)，还发现有些RNA具生物催化作 用（ribozyme）。
核糖体RNA（ribosomal RNA，rRNA）：与蛋 白质结合构成核糖体（ribosome）, 核糖体是蛋白质合 成的场所；
转移RNA（transfer RNA，tRNA）：在蛋白质 合成时起着携带活化氨基酸的作用。
4.2 tRNA 的结构
二级结构特征： 单链 三叶草叶形 四臂四环
三级结构 特征： 在二级结构基础上
DNA的三级结构
螺 旋
超螺旋是DNA三级结构的一种普遍形式， 双螺旋DNA的松开导致负超螺旋，而拧紧
和 则导致正超螺旋。
超
螺
旋
螺旋
电
话
线
超螺旋
4 RNA的分子结构
4.1 RNA一级结构 和类别 4.2 tRNA 的分子结构 4.3 rRNA的分子结构 4.4 mRNA的分子结构
4.1.1 RNA的一级结构 (第10页)
P
P
P
P
脱氧腺嘌呤核苷酸 脱氧鸟嘌呤核苷酸 脱氧胸腺嘧啶核苷酸
（dAMP）
（dGMP）
（dTMP）
脱氧胞嘧啶核苷酸 （dCMP）
2.1.4 几种稀有核苷
H H H H
H3C CH3
假尿苷（） 二氢尿嘧啶（DHU）
CH3
Am
2`-O-甲基腺苷
m
6 2
G
N6，N6-二甲基腺苷
2.1.5 细胞内游离核苷酸及其衍生物
外型
A 粗短
B 适中
Z 细长
螺旋方向 右手
右手
左手
螺旋直径 碱基直升
2.55nm 0.23nm
2.37nm 0.34nm
1.84nm 0.38nm
每圈碱基数 11
10
12
碱基倾角 200
00
70
大沟
很窄很深 很宽较深
平坦
小沟
Z-DNA B-DNA A-DNA
很宽、浅 窄、深
较窄很深
三链DNA既可以是B-DNA与另一条DNA链 结合成的链间的三链DNA，又可以是BDNA与其自身的一条链结合形成的链内的 三链DNA。(第9页)
DNA的双螺旋结构的形成
5´
3´
5
3´
´
磷酸 核糖 碱基
T-A碱基对
C-G碱基对
3´
5´
5´
3
´
DNA的双螺旋模型特点
a. 两条反向平行的多聚核苷酸链沿一个假 设的中心轴右旋相互盘绕而形成。
b. 磷酸和脱氧核糖单位作为不变的骨架组 成位于外侧，作为可变成分的碱基位于内侧 ，链间碱基按A—T，G—C配对（碱基配对 原则，Chargaff定律）
1.2 核酸种类和分布
脱氧核糖核酸（deoxyribonucleic acid, DNA）:
遗传信息的贮存和携带者，生物的主要遗传物质。在真 核细胞中，DNA主要集中在细胞核内，线粒体和叶绿体中均 有各自的DNA。原核细胞没有明显的细胞核结构，DNA存 在于称为拟核（nucleoid)的结构区。每个原核细胞一般只有 一个染色体，每个染色体含一个双链环状DNA。
结构式，线条式，字母式
3.3 DNA碱基组成的Chargaff规则
Chargaff首先注意到DNA碱基组成的某些规律性，在 1950年总结出DNA碱基组成的规律：
腺嘌呤和胸腺嘧啶的摩尔数相等，即 A=T。 鸟嘌呤和胞腺嘧啶的摩尔数也相等，即G=C。 含氨基的碱基总数等于含酮基碱基总数，即
A+C=G+T。 嘌呤的总数等于嘧啶的总数，即A+G=C+T。
DNA、RNA的一级结构
OH
5´
3´ OH
5´ 3´
OH
RNA一级结构
DNA一级结构
3.4 DNA的二级结构
（1） DNA的双螺旋结构(Watson-Crick模型) （2） DNA双螺旋结构特征及意义 （3） DNA双螺旋的多态性 （4）DNA的三股螺旋（tripkex）
DNA分子中各脱氧核苷酸
之 间 的 连 接 方 式 （ 3´-5´ 磷 酸 二
酯 键 ） 和 排 列 顺 序 叫 做 DNA 的
一级结构，简称为碱基序列。一
级结构的走向的规定为5´→3´。
5
不 同 的 DNA 分 子 具 有 不 同 的 核
´
苷酸排列顺序，因此携带有不同
3´
的遗传信息。
一级结构的表示法
进一步折叠扭曲形成倒 L型
tRNA的三级结构
4.3 rRNA的分子结构
特征：单链，螺旋化程度较tRNA低 与蛋白质组成核糖体后方能发挥其功能
S: Theodor Svedberg
5S RNA的二级结构
rRNA与核糖体蛋白共同构成核糖体，后者是蛋白质合 成的场所。
核糖体的组成
原核生物（70S，小30s大50S）真核生物（80S,小40s大60s）
1869 Miescher从脓细胞的细胞核中分离出了一 种含磷酸的有 机物，当时称为核素（nuclein）,后称为核酸（nucleic acid）； 此后几十年内，弄清了核酸的组成及在细胞中的分布。 1944 Avery 等成功进行肺炎球菌转化试验；1952年Hershey等 的实验表明32P-DNA可进入噬菌体内， 证明DNA是遗传物质。 1953 Watson和Crick建立了DNA结构的双螺旋模型，说明了 基因的结构、信息和功能三者间的关系，推动了分子生物学的 迅猛发展。 1958 Crick提出遗传信息传递的中心法则， 60年代 RNA研究取得大发展（操纵子学说，遗传密码，逆转 录酶）。