第二章核酸地分子结构

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；
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
•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）。
第二章 核酸的分子结构
1 核酸通论 2 核酸基本构件单位—核苷酸 3 DNA的分子结构 4 RNA的分子结构
• 重点内容：①核苷酸的化学组成与命名； ②DNA的二级结构(双螺旋模型)；③真核生 物mRNA和原核生物mRNA的结构比较；④ tRNA的二级结构。
• 难点内容：①DNA分子结构与功能的关系； ②RNA分子结构与功能的关系。
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）
• 了解内容：①DNA双螺旋结构的生物学意义； ②DNA双螺旋结构稳定的因素； ③rRNA的 二级结构和三级结构。
核酸的结构与功能
1 核酸通论 2 核酸基本构件单位—核苷酸 3 DNA的分子结构 4 RNA的分子结构
1 核酸通论
1.1 核酸的研究历史和重要性 1.2 核酸的种类和分布
1.1 核酸的研究历史和重要性
该模型揭示了DNA作为遗传物质的稳定性 特征，最有价值的是确认了碱基配对原则，这 是DNA复制、转录和反转录的分子基础，亦是 遗传信息传递和表达的分子基础。该模型的提 出是20世纪生命科学的重大突破之一，它奠定 了生物化学和分子生物学乃至整个生命科学飞 速发展的基石。
DNA双螺旋的不同构象
三种DNA双螺旋构象比较
c. 螺旋直径2nm，相邻碱基平面垂直距离 0.34nm,螺旋结构每隔10个碱基对（base pair, bp）重复一次，间隔为3.4 nm
A:angstrom
DNA的双螺旋结构稳定因素
• 氢键 •碱基堆集力 •磷酸基上负电荷被胞内 组蛋白或正离子中和 •碱基处于疏水环境中
DNA的双螺旋结构的意义
DNA一级结构的表示法
5 ´
3´
结构式
AC T G
1´
3´
5´ p
p
p
p
OH 3´
源自文库
线条式
5´ ACTGCATAGCTCGA 3´ 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）
Pyrimidine
Purine
CT
U
A
G
Cytosine Thymine Uracil
Adenine
Guanine
Nitrogenous
Phosphate
base
Pentose sugar
HOCH2
OH
HOCH2
OH
HO
H
Ribose (in RNA) Deoxyribose (in DNA)
核苷酸
• 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）。
O O- P O
O-
磷酸
(phosphate)
5´
CH2
（N = A、G、C、U、T）
N 碱基
O
(nitrogenous base)
4´ H O
H 3´
H 1´ 2´ H
OH (O)H
核糖(pentose sugar )
2.1.1 碱基(base)、核苷(nucleoside)、核苷酸
(nucleotide)的概念和关系
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）
核磷 苷酸
戊碱 糖基
2.1.2 基本碱基结构和命名
嘌呤（purine)
嘧啶(pyrimidine)
Adenine
(A)
Guanine
(G)
Cytosine
(C)
Uracil Thymine
(U) (T)
2.1.3 常见（脱氧）核苷酸的结构和命名
核苷酸的结构和命名
OH 腺嘌呤核苷酸（ AMP）
Adenosine monophosphate
鸟嘌呤核苷酸（GMP） 胞嘧啶核苷酸（CMP） 尿嘧啶核苷酸（UMP）
H 脱氧腺嘌呤核苷酸（dAMP） Deoxyadenosine monophosphate
脱氧鸟嘌呤核苷酸（dGMP） 脱氧胞嘧啶核苷酸（dCMP） 脱氧胸腺嘧啶核苷酸（dTMP）
P
P
P
P
腺嘌呤核苷酸 （AMP）
鸟嘌呤核苷酸 （GMP）
尿嘧啶核苷酸 （UMP）
胞嘧啶核苷酸 （CMP）
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
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。
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)
• 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
结构式，线条式，字母式
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 核酸分子中核苷酸
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
5´-dNMP 5´-dNDP 5´-dNTP N=A、G、C、T
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）
N6，N6-二甲基腺苷
2.1.5 细胞内游离核苷酸及其衍生物
• 多磷酸核苷酸 • 环核苷酸 • 辅酶类核苷酸。
AMP Adenosine
monophosphate
ADP
Adenosine diphosphate
ATP
Adenosine triphosphate
腺苷酸及其多磷酸化合物
5´-NMP 5´-NDP 5´-NTP N=A、G、C、U
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′
3.5 DNA的三级结构——超螺旋
（supercoil）
生物体闭环DNA都以超螺旋形式存在，如 细菌质粒、病毒、线粒体DNA。线性DNA 分子或环状DNA分子中有一条链有缺口时 不能形成超螺旋。
超螺旋的意义：紧密，体积更小；能影响 双螺旋的解链程序，因而影响DNA分子与 其它分子之间的相互作用。
DNA的三级结构
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。
•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
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)