《核酸的结构与功能》PPT课件
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• DNA超螺旋分为正超螺旋和负超螺旋，其中正超螺旋为左手超 螺旋，由DNA双螺旋过度缠绕引起，负超螺旋为右手超螺旋，
由DNA双螺旋缠绕不足引起。
DNA复制过程中正超螺旋DNA的形成
从DNA双螺旋到染色体
电镜下的核小体结构
核小体结构模型
RNA的二级结构
• RNA的二级结构主要取决于它的碱基组成，其二级结构的多样性可 以和蛋白质相媲美。少数病毒RNA由两条互补的多聚核糖核苷酸链 组成，它的二级结构为A型双螺旋。多数RNA仅由一条链组成，它 们的二级结构主要是由链内碱基的互补性决定的：链内互补的碱 基可以相互作用形成链内A型双螺旋，非互补的碱基则游离在Biblioteka Baidu螺 旋之外，形成各种二级结构。在RNA双螺旋内常常可以发现GU碱基 对。
Ribozyme Y RNA
核酶
催化特定的生化反应
不明，与细胞质某些特殊的蛋 白质形成核糖核酸蛋白复合物
原核细胞、真核细胞 和某些RNA病毒
脊椎动物
Xist RNA V RNA
调节雌性哺乳动物一条X染色体 哺乳动物 转变成巴氏小体
不明，与细胞质某些特殊的蛋 真核细胞 白质形成鞍马状复合物
各种RNA在真细菌、古细菌和真核生物体内的分布
为什么DNA 2‘-脱氧，RNA不是? RNA临近的-OH使其更容易 DNA缺乏2‘-OH更加稳定 遗传物质必须更加稳定 RNA需要的时候合成，不需要的时候需要迅速降解。
RNA一级结构的测定
• 目前用来测定RNA一级结构的方法主要有：（1）先使用逆转录酶将待测RNA逆 转录成cDNA，然后再使用Sanger的末端终止法进行测定；（2）用化学或/和 酶学方法对放射性同位素标记的RNA进行部分消化后，再进行聚丙烯酰胺电泳 分析；（3）质谱法
（4）双螺旋的表面含有明显的大沟和小沟（，其宽度分别为 2.2nm和1.2nm；
（5）双螺旋的其它常数包括相邻碱基对距离为0.34nm，并相差 约36°。螺旋的直经为2nm，每一转完整的螺旋含有10个碱基 对，其高度为3.4nm。
AT和GC碱基对的配对性质
B-型DNA双螺旋结构的主要特征
DNA双螺旋结构的证据
DNA双螺旋的ABZs
A-DNA
小沟 大沟
A-RNA
A型双螺旋、B型双螺旋和Z型双螺旋的比较
A型双螺旋
B型双螺旋
Z型双螺旋
外形
短而宽
长而瘦
长而细
每 碱 基 对 上 升 距 0.23nm
0.332±0.19nm 0.38nm
离
螺旋直经
2.55nm
2.37nm
1.84nm
螺旋方向
右手
右手
左手
螺旋内每重复单 1
已步入古稀之年的Watson（左）和 Crick（右）在讨论DNA双螺旋结构模型
B型双螺旋
• DNA二级结构的主要形式为James Watson和Francis Crick于 1953年提出的B型双螺旋，其主要内容是：
（1）DNA由两条呈反平行的多聚核苷酸链组成，两条链相互缠绕 形成右手双螺旋；
（2）组成右手双螺旋的两条链是互补的，它们通过特殊的碱基 对结合在一起，碱基配对规则是一条链上的A总是与另一条链 的T，G总是和C以氢键配对。其中AT碱基对有二个氢键，GC碱 基对有3个氢键；
（3）碱基对位于双螺旋的内部，并垂直于暴露在外的脱氧核糖 磷酸骨架。碱基对之间通过疏水键和范德华力相互垛叠在一 起，对双螺旋的稳定起一定的作用；
（1）X射线衍射数据 （2）Chargaff 规则 （3）碱基的互变异构
DNA湿纤维的X射线衍射图
不同物种DNA的A/T、G/C和A/G的比率
物种
A:T G:C
A:G
人
1.00 1.00
1.56
大麻哈鱼
1.02 1.02
1.43
小麦
1.00 0.97
1.22
酵母
1.03 1.02
1.67
大肠杆菌
"...It has not escaped our notice that the specific pairing we have postulated immediately suggests a possible copying mechanism for the genetic material. The structure itself suggested that each strand could separate and act as a template for a new strand, therefore doubling the amount of DNA, yet keeping the genetic information, in the form of the original
核酸的一级结构
什么是一级结构？ 如何表示一级结构？ 如何确定一级结构?
构成DNA和RNA核苷酸的结构和连接方式
DNA & RNA 的差别?
为什么DNA含有T?
C自发脱氨基变成U 修复酶能够识别这些突变，以用C取代这 些U。 如何区分正常的U和突变而来的U? 使用T就很容易解决以上问题。
DNA & RNA 的差别?
1.09 0.99
1.05
粘质沙雷菌 0.95 0.86
0.70
DNA分子中不同碱基之间的可能配对
双螺旋稳定的因素
（1）氢键 氢键固然重要，但它们主要决定碱基配对的特异性，而
对双螺旋稳定的贡献不是最重要的。对双螺旋稳定起决定 性作用的是碱基的堆集力。 （2）碱基堆集力
这是碱基对之间在垂直方向上的相互作用所产生的力。 它包括疏水作用和范德华力。碱基间相互作用的强度与相 邻碱基之间环重叠的面积成正比。总的趋势是嘌呤与嘌呤 之间>嘌呤与嘧啶之间>嘧啶与嘧啶之间。另外碱基的甲基 化能提高碱基的堆积力。 （3）阳离子或带正电荷的化合物对磷酸基团的中和。
"...in other words, if an adenine forms one member of a pair, on either chain, then on these assumptions the other member must be thymine; similarly for guanine and cytosine. The sequence of bases on a single chain does not appear to be restricted in any way. However, if only specific pairs of bases can be formed, it follows that if the sequence of bases on one chain is given, then the sequence on the other chain is automatically determined."
1
2
位的bp数
每圈bp数
～11
～10
12
碱基夹角
32.7°
34.6°
60°/2
螺距
2.46nm
3.32nm
4.56nm
碱基对倾角
＋19°
1.2°±4.1°
－9°
螺旋轴位置
大沟
穿过碱基对
小沟
大沟
极度窄、很深 很宽，深度中等 平坦
小沟
很宽、浅
窄，深度中等
极度窄、很深
糖苷键构象
反式
反式
C为反式，G为顺
式
糖环折叠 存在
(Nature, April 25, 1953. volume 171:737-738.)
"The novel feature of the structure is the manner in which the two chains are held together by the purine and pyrimidine bases... The (bases) are joined together in pairs, a single base from one chain being hydrogen-bonded to a single base from the other chain, so that the two lie side by side...One of the pair must be a purine and the other a pyrimidine for bonding to occur. ...Only specific pairs of bases can bond together. These pairs are: adenine (purine) with thymine (pyrimidine), and guanine (purine) with cytosine (pyrimidine)."
十字形DNA的形成 P-DNA与B-DNA的比较
滑动错配DNA
DNA的三级结构——超螺旋
• 如果通过某种手段使得DNA双螺旋每一圈的碱基对数目多于或 少于10对，将导致DNA双螺旋缠绕过多或缠绕不足；如果这时 的DNA两端被固定或者DNA本来是共价闭环的，的张力无法释 放而自发地形成超螺旋结构。
功能 翻译模板 携带氨基酸，参与翻译 核糖体组分，参与翻译 参与真核mRNA前体的剪接 参与真核rRNA前体的后加工 参与蛋白质的定向和分泌 兼有mRNA和tRNA的功能 调节mRNA的翻译 参与真核mRNA的编辑 作为RNA病毒的遗传物质 调节基因的表达
存在 所有的细胞
同上 同上 真核细胞 真核细胞 真核细胞 原核细胞 原核细胞 某些真核细胞 RNA病毒 真核细胞
RNA分子中的GU碱基对
RNA的三级结构
• 构成RNA的三级结构的主要元件有假节结构、“吻式” 发夹结构和发夹环突触结构（等三种形式。tRNA则可 形成倒L型三级结构
tRNA
• tRNA分子只由一条链组成，含有73~94个核苷酸，其中有 不少是修饰的核苷酸或修饰的碱基，3′-端的最后三个核 苷酸总是CCA，链内的大多数碱基通过氢键相连，但几乎 所有的tRNA分子上不变的核苷酸都在三叶草结构上非氢键 区域。构成tRNA二级结构的要素有：环、茎和臂。一个典 型tRNA的二级结构像三叶草，含有四个环和四个茎。环由 链内没有配对的碱基突出而成，茎则是链内互补的碱基之 间配对形成的局部A-型双螺旋，臂则是紧靠着茎又不属于 环的非配对核苷酸。
B型和Z型 只有一种 一种功能:充当遗传物质
碱溶液下的稳定性 不稳定，很容易水解
稳定
英文缩写
mRNA tRNA rRNA SnRNA SnoRNA 7SLRNA tmRNA micRNA gRNA vRNA RNAi （microRNA
和siRNA)
全称
信使RNA 转移RNA 核糖体RNA 小分子细胞核RNA 小分子细胞核仁RNA 7S长RNA 转移信使RNA 信使干扰互补RNA 指导RNA 病毒RNA 干扰RNA
核酸的结构与功能
核酸的分类
DNA —— 一种类型，一种功能 RNA —— 多种类型，多种功能
编码RNA和非编码 (NcRNA)
DNA和RNA的结构异同
性质
RNA
戊糖
D-核糖
碱基
A、G、C、U
多聚核苷酸链的数 目
双螺旋
多为单链 A型
种类
多种
功能
功能多样
DNA 2′-D-脱氧核糖 A、G、C、T
多为双链
DNA的二级结构
DNA的二级结构主 要是各种形式的 螺旋，特别是B型双螺旋，此外 还有A-型双螺旋、 Z-型双螺旋、三 链螺旋和四链螺 旋等
Happy Birthday, Double Helix
"Molecular Structure of Nucleic Acids: A Structure for Deoxyribose Nucleic Acid"
DNA的非标准二级结构
细胞内的DNA在特殊的条件下还可能形成其它几种非标准的二级结 构。这些特殊的条件包括：DNA受到某些蛋白质的作用（如组蛋 白）；DNA本身所具有的特殊基序，例如反向重复序列，回文结构， 镜像重复，直接重复，高嘌呤序列，高嘧啶序列，富含A序列和富 含G序列。
（1）弯曲 （2）十字形 （3）P-DNA （4）三链螺旋与H-DNA （5）四链螺旋与G-四联体 （5）滑动错配DNA（SMP-DNA）
C3′内式
C2′内式
嘧啶C2′内式，嘌呤
C3′内式
双 链 RNA ， 双链DNA（高湿度，嘧啶和嘌呤交替存
RNA/DNA 杂 交 92％）
在 的 双 链 DNA 或
双链，低湿度
DNA链上嘧啶和嘌
DNA（75％）
呤交替存在的区域
Z-DNA
由Alex Rich发现 存在于DNA富含G:C的区域 G为顺式构象 C 保持反式，但整个胞苷酸（碱基和脱氧核糖）翻转180度 结果是 G:C 氢键在Z-DNA中得以保持!
由DNA双螺旋缠绕不足引起。
DNA复制过程中正超螺旋DNA的形成
从DNA双螺旋到染色体
电镜下的核小体结构
核小体结构模型
RNA的二级结构
• RNA的二级结构主要取决于它的碱基组成，其二级结构的多样性可 以和蛋白质相媲美。少数病毒RNA由两条互补的多聚核糖核苷酸链 组成，它的二级结构为A型双螺旋。多数RNA仅由一条链组成，它 们的二级结构主要是由链内碱基的互补性决定的：链内互补的碱 基可以相互作用形成链内A型双螺旋，非互补的碱基则游离在Biblioteka Baidu螺 旋之外，形成各种二级结构。在RNA双螺旋内常常可以发现GU碱基 对。
Ribozyme Y RNA
核酶
催化特定的生化反应
不明，与细胞质某些特殊的蛋 白质形成核糖核酸蛋白复合物
原核细胞、真核细胞 和某些RNA病毒
脊椎动物
Xist RNA V RNA
调节雌性哺乳动物一条X染色体 哺乳动物 转变成巴氏小体
不明，与细胞质某些特殊的蛋 真核细胞 白质形成鞍马状复合物
各种RNA在真细菌、古细菌和真核生物体内的分布
为什么DNA 2‘-脱氧，RNA不是? RNA临近的-OH使其更容易 DNA缺乏2‘-OH更加稳定 遗传物质必须更加稳定 RNA需要的时候合成，不需要的时候需要迅速降解。
RNA一级结构的测定
• 目前用来测定RNA一级结构的方法主要有：（1）先使用逆转录酶将待测RNA逆 转录成cDNA，然后再使用Sanger的末端终止法进行测定；（2）用化学或/和 酶学方法对放射性同位素标记的RNA进行部分消化后，再进行聚丙烯酰胺电泳 分析；（3）质谱法
（4）双螺旋的表面含有明显的大沟和小沟（，其宽度分别为 2.2nm和1.2nm；
（5）双螺旋的其它常数包括相邻碱基对距离为0.34nm，并相差 约36°。螺旋的直经为2nm，每一转完整的螺旋含有10个碱基 对，其高度为3.4nm。
AT和GC碱基对的配对性质
B-型DNA双螺旋结构的主要特征
DNA双螺旋结构的证据
DNA双螺旋的ABZs
A-DNA
小沟 大沟
A-RNA
A型双螺旋、B型双螺旋和Z型双螺旋的比较
A型双螺旋
B型双螺旋
Z型双螺旋
外形
短而宽
长而瘦
长而细
每 碱 基 对 上 升 距 0.23nm
0.332±0.19nm 0.38nm
离
螺旋直经
2.55nm
2.37nm
1.84nm
螺旋方向
右手
右手
左手
螺旋内每重复单 1
已步入古稀之年的Watson（左）和 Crick（右）在讨论DNA双螺旋结构模型
B型双螺旋
• DNA二级结构的主要形式为James Watson和Francis Crick于 1953年提出的B型双螺旋，其主要内容是：
（1）DNA由两条呈反平行的多聚核苷酸链组成，两条链相互缠绕 形成右手双螺旋；
（2）组成右手双螺旋的两条链是互补的，它们通过特殊的碱基 对结合在一起，碱基配对规则是一条链上的A总是与另一条链 的T，G总是和C以氢键配对。其中AT碱基对有二个氢键，GC碱 基对有3个氢键；
（3）碱基对位于双螺旋的内部，并垂直于暴露在外的脱氧核糖 磷酸骨架。碱基对之间通过疏水键和范德华力相互垛叠在一 起，对双螺旋的稳定起一定的作用；
（1）X射线衍射数据 （2）Chargaff 规则 （3）碱基的互变异构
DNA湿纤维的X射线衍射图
不同物种DNA的A/T、G/C和A/G的比率
物种
A:T G:C
A:G
人
1.00 1.00
1.56
大麻哈鱼
1.02 1.02
1.43
小麦
1.00 0.97
1.22
酵母
1.03 1.02
1.67
大肠杆菌
"...It has not escaped our notice that the specific pairing we have postulated immediately suggests a possible copying mechanism for the genetic material. The structure itself suggested that each strand could separate and act as a template for a new strand, therefore doubling the amount of DNA, yet keeping the genetic information, in the form of the original
核酸的一级结构
什么是一级结构？ 如何表示一级结构？ 如何确定一级结构?
构成DNA和RNA核苷酸的结构和连接方式
DNA & RNA 的差别?
为什么DNA含有T?
C自发脱氨基变成U 修复酶能够识别这些突变，以用C取代这 些U。 如何区分正常的U和突变而来的U? 使用T就很容易解决以上问题。
DNA & RNA 的差别?
1.09 0.99
1.05
粘质沙雷菌 0.95 0.86
0.70
DNA分子中不同碱基之间的可能配对
双螺旋稳定的因素
（1）氢键 氢键固然重要，但它们主要决定碱基配对的特异性，而
对双螺旋稳定的贡献不是最重要的。对双螺旋稳定起决定 性作用的是碱基的堆集力。 （2）碱基堆集力
这是碱基对之间在垂直方向上的相互作用所产生的力。 它包括疏水作用和范德华力。碱基间相互作用的强度与相 邻碱基之间环重叠的面积成正比。总的趋势是嘌呤与嘌呤 之间>嘌呤与嘧啶之间>嘧啶与嘧啶之间。另外碱基的甲基 化能提高碱基的堆积力。 （3）阳离子或带正电荷的化合物对磷酸基团的中和。
"...in other words, if an adenine forms one member of a pair, on either chain, then on these assumptions the other member must be thymine; similarly for guanine and cytosine. The sequence of bases on a single chain does not appear to be restricted in any way. However, if only specific pairs of bases can be formed, it follows that if the sequence of bases on one chain is given, then the sequence on the other chain is automatically determined."
1
2
位的bp数
每圈bp数
～11
～10
12
碱基夹角
32.7°
34.6°
60°/2
螺距
2.46nm
3.32nm
4.56nm
碱基对倾角
＋19°
1.2°±4.1°
－9°
螺旋轴位置
大沟
穿过碱基对
小沟
大沟
极度窄、很深 很宽，深度中等 平坦
小沟
很宽、浅
窄，深度中等
极度窄、很深
糖苷键构象
反式
反式
C为反式，G为顺
式
糖环折叠 存在
(Nature, April 25, 1953. volume 171:737-738.)
"The novel feature of the structure is the manner in which the two chains are held together by the purine and pyrimidine bases... The (bases) are joined together in pairs, a single base from one chain being hydrogen-bonded to a single base from the other chain, so that the two lie side by side...One of the pair must be a purine and the other a pyrimidine for bonding to occur. ...Only specific pairs of bases can bond together. These pairs are: adenine (purine) with thymine (pyrimidine), and guanine (purine) with cytosine (pyrimidine)."
十字形DNA的形成 P-DNA与B-DNA的比较
滑动错配DNA
DNA的三级结构——超螺旋
• 如果通过某种手段使得DNA双螺旋每一圈的碱基对数目多于或 少于10对，将导致DNA双螺旋缠绕过多或缠绕不足；如果这时 的DNA两端被固定或者DNA本来是共价闭环的，的张力无法释 放而自发地形成超螺旋结构。
功能 翻译模板 携带氨基酸，参与翻译 核糖体组分，参与翻译 参与真核mRNA前体的剪接 参与真核rRNA前体的后加工 参与蛋白质的定向和分泌 兼有mRNA和tRNA的功能 调节mRNA的翻译 参与真核mRNA的编辑 作为RNA病毒的遗传物质 调节基因的表达
存在 所有的细胞
同上 同上 真核细胞 真核细胞 真核细胞 原核细胞 原核细胞 某些真核细胞 RNA病毒 真核细胞
RNA分子中的GU碱基对
RNA的三级结构
• 构成RNA的三级结构的主要元件有假节结构、“吻式” 发夹结构和发夹环突触结构（等三种形式。tRNA则可 形成倒L型三级结构
tRNA
• tRNA分子只由一条链组成，含有73~94个核苷酸，其中有 不少是修饰的核苷酸或修饰的碱基，3′-端的最后三个核 苷酸总是CCA，链内的大多数碱基通过氢键相连，但几乎 所有的tRNA分子上不变的核苷酸都在三叶草结构上非氢键 区域。构成tRNA二级结构的要素有：环、茎和臂。一个典 型tRNA的二级结构像三叶草，含有四个环和四个茎。环由 链内没有配对的碱基突出而成，茎则是链内互补的碱基之 间配对形成的局部A-型双螺旋，臂则是紧靠着茎又不属于 环的非配对核苷酸。
B型和Z型 只有一种 一种功能:充当遗传物质
碱溶液下的稳定性 不稳定，很容易水解
稳定
英文缩写
mRNA tRNA rRNA SnRNA SnoRNA 7SLRNA tmRNA micRNA gRNA vRNA RNAi （microRNA
和siRNA)
全称
信使RNA 转移RNA 核糖体RNA 小分子细胞核RNA 小分子细胞核仁RNA 7S长RNA 转移信使RNA 信使干扰互补RNA 指导RNA 病毒RNA 干扰RNA
核酸的结构与功能
核酸的分类
DNA —— 一种类型，一种功能 RNA —— 多种类型，多种功能
编码RNA和非编码 (NcRNA)
DNA和RNA的结构异同
性质
RNA
戊糖
D-核糖
碱基
A、G、C、U
多聚核苷酸链的数 目
双螺旋
多为单链 A型
种类
多种
功能
功能多样
DNA 2′-D-脱氧核糖 A、G、C、T
多为双链
DNA的二级结构
DNA的二级结构主 要是各种形式的 螺旋，特别是B型双螺旋，此外 还有A-型双螺旋、 Z-型双螺旋、三 链螺旋和四链螺 旋等
Happy Birthday, Double Helix
"Molecular Structure of Nucleic Acids: A Structure for Deoxyribose Nucleic Acid"
DNA的非标准二级结构
细胞内的DNA在特殊的条件下还可能形成其它几种非标准的二级结 构。这些特殊的条件包括：DNA受到某些蛋白质的作用（如组蛋 白）；DNA本身所具有的特殊基序，例如反向重复序列，回文结构， 镜像重复，直接重复，高嘌呤序列，高嘧啶序列，富含A序列和富 含G序列。
（1）弯曲 （2）十字形 （3）P-DNA （4）三链螺旋与H-DNA （5）四链螺旋与G-四联体 （5）滑动错配DNA（SMP-DNA）
C3′内式
C2′内式
嘧啶C2′内式，嘌呤
C3′内式
双 链 RNA ， 双链DNA（高湿度，嘧啶和嘌呤交替存
RNA/DNA 杂 交 92％）
在 的 双 链 DNA 或
双链，低湿度
DNA链上嘧啶和嘌
DNA（75％）
呤交替存在的区域
Z-DNA
由Alex Rich发现 存在于DNA富含G:C的区域 G为顺式构象 C 保持反式，但整个胞苷酸（碱基和脱氧核糖）翻转180度 结果是 G:C 氢键在Z-DNA中得以保持!