第三章核酸的结构与功能

2. 亲水的dR和磷酸 基骨架在外侧，疏水
的碱基在内侧；遵循 碱基互补规律
• 2条链的碱基之间以氢键结 合。A与T以2个氢键配对， G与C以3个氢键配对。
这种配对关系称为碱基 互补，每个DNA分子中的 2条链为互补链。
3.螺旋直径2nm，螺旋 旋转一周包含10对碱 基，螺距3.4nm
4. 疏水力和氢键维系 DNA双螺旋结构的稳定
功
能 决定细胞和个体 的复制和表达
的遗传型
第一节 核酸的化学组成
• 核酸的主要组成元素： C, H, O, N, P(9-10%)
核酸的基本组成单位是核苷酸
核酸
核苷酸
核苷 磷酸
碱基 戊糖
DNA的基本组成单位是脱氧核糖核苷酸 。 RNA的基本组成单位是核糖核苷酸 。
一、碱 基
碱基
嘌呤 嘧啶
腺嘌呤（A）
5 4 3N 612
NH
NH2
N
O
NH
NH
O
尿嘧啶(uracil, U)
O
H 3C NH
NH
O
胞嘧啶(cytosine, C)
NH
O
胸腺嘧啶(thymine, T)
二、戊 糖
HO CH2
OH HO CH2
OH
5´ O
O
4´
1´
3´ 2´
OH OH
核糖(ribose) （构成RNA）
OH
脱氧核糖(deoxyribose) （构成DNA）
DNA
mRNA
蛋白
转录
翻译
细胞核
外显子
内含子
DNA
转录
hnRNA
转录后剪接 转运
mRNA 蛋白
翻译
二、tRNA
tRNA的特点
1.含 10~20% 稀有碱基，如 DHU、 TC。
O
N
NH
NH N
C H3 N
稀 有
C H3
N,N二甲基鸟嘌呤
HN CH2
CH
C CH3 CH3
碱 基
N
N
NH N
N6-异戊烯腺嘌呤
横向：氢键 纵向：疏水堆积力 （碱基堆积力）
碱基平面与纵轴垂直，糖环平面与纵轴平行
5.Watson和Crick当 年提出的是理想化 的DNA双螺旋模型， 后来发现其各项参 数均与实际的DNA 双螺旋结构有一定 差异。
不同类型DNA的结构参数
A型－DNA B型－DNA
螺旋旋向
右手螺旋
右手螺旋
螺旋直径
信使RNA
转运RNA 不均一核
RNA
简写
功能
rRNA 组成核蛋白体
mRNA Pr合成模板 tRNA 转运aa
hnRNA 成熟mRNA前体
一、mRNA
mRNA结构特点：
1.大多数真核mRNA的5´末端都以7-甲基鸟苷三 磷酸为起始结构，称为帽子结构：m7GpppN。
2.大多数真核mRNA的3´末端有一个多聚腺苷酸 结构，称为多聚腺苷酸尾或多聚A尾(polyA) 。
五、核酶
具有催化功能的核酸称为核酶。
核酶的锤头状结构
核酶研究的意义
底物部分
核酶的发现，对中心法则作了重要补充；是对 传统酶学的挑战；利用核酶的结构设计合成人
工核酶 。
第四节 核酸的理化性质
一、一般理化性质
• 为两性电解质，含有酸性的磷酸基和碱 性的碱基，显酸性；碱性条件下不稳定
• 分子为线性的大分子
四、核苷酸
定义：核苷（脱氧核苷）中戊糖的
-OH与磷酸通过磷酯键相连接构成 核苷酸（脱氧核苷酸）。
NH 2
酯键 N
N
O HO P O
O-
核苷酸： AMP, GMP, UMP, CMP
脱氧核苷酸：
9
5'
N
N
CH 2 O
HH
1'
H 2'
H
OH
OH
腺苷酸
dAMP, dGMP, dTMP, dCMP
糖苷键
鸟嘌呤（G） DNA、RNA均有
胞嘧啶（C） 胸腺嘧啶（T） 尿嘧啶（U）
DNA有 RNA有
每种核酸都含有四种碱基 。
碱基
嘌呤(purine)
N 7
5 6 1N
8 9 NH
43 2 N
NH2 N
N
NH
N
腺嘌呤(adenine, A)
O
N NH
NH
N
鸟嘌呤(guanine,
NH2
G)
嘧啶(pyrimidine)
N O H2C O P O P O P CH2
鸟嘌呤
O-
O-
O-
O
OH OH
7－甲基鸟苷三磷酸 帽子结构
O
O PO
O 多聚A尾结构
AAA-OH 3/
3.mRNA的功能 ：
➢构成遗传密码，传递DNA所携带的遗传信
息。
➢用连续三个核苷酸作为密码子以决定其合
成蛋白质的氨基酸排列顺序。
原核细胞
真核细胞
细胞质
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 。
m7Gpppp
AUGGUG······GCGAGGTGTATTGA······UAA AAAA ······An
5/帽子结构 5/非编码区
编码区
3/非编码区 3/多聚A尾
O HN
H2N
N
CH3 +
O
O
O
• 基因组(genome): 细胞中全部基因序列的 总称
第三节 RNA的结构与功能
• RNA的一级结构是指RNA分子中核苷酸 从5‘-末端到3’-末端的排列顺序。
• RNA通常以一条单链形式存在，经卷曲 盘绕可形成局部双螺旋结构和三级结构。
• RNA分子比DNA分子小得多
RNA
核蛋白体 RNA
多磷酸核苷酸： NMP，NDP，NTP
NH 2
N
N
O
O
O
9
N
N
- O P γ O P β O P α O CH 2 O
O-
O-
O-
HH
1'
H 2'
H
OH
OH
一 磷 酸 腺 苷 （ AM P）
二 磷 酸 腺 苷 （ ADP）
三 磷 酸 腺 苷 （ ATP）
环化核苷酸: cAMP，cGMP
NH 2
氨基酸臂
G
G
C CCCCC
U
C
A
C
GGGGG CDm
TΨ
C
A
GA C 可变环
U
TΨ环
AU
G Cψ
A
A
C
A
U G
U
A A
反密码环
反密码子
3.tRNA的三级结构为 倒L形 X线衍射结构证明， tRNA的共同三级结构为 倒L形。
4. tRNA的功能 在蛋白质合成过
程中作为各种氨基酸 的载体
• 三级结 构呈倒
二、紫外吸收
由于嘌呤和嘧啶中含有共轭双键，核酸在260nm 处有最大吸收峰。
14000
分 12000
子 10000
消 光
8000
系 6000
数 4000
2000
240 250 260 270 280
波长(nm)
碱基的紫外光谱
AMP GMP UMP CMP
dTMP
三、DNA的变性与复性
(一)变性
定义 在某些理化因素作用下，DNA双链解开成 两条单链的过程。
L形
三、rRNA
rRNA占总RNA的80％ 以上。
rRNA 参 与 组 成 核 糖 体的大、小亚基，作 为蛋白质生物合成的 场所。
四、核内小RNA
snRNA
除了上述三种RNA外，细胞的不同部位 存在的许多其他种类的小分子RNA，统称为 核内小RNA ，简称小核RNA(small nonmessenger RNAs, snmRNAs)，参与 hnRNA的剪接、转运。
• DNA的碱基序列无组织器 官差异性，但有个体、种 属差异性，也不受年龄、 营养和变化的影响。
二、 DNA的二级结构
——双螺旋结构
（一）DNA双螺旋结构的研究背景
碱基组成分析 Chargaff 规则：[A] = [T]
[G] = [C] 不同生物种属的DNA碱基组成不同
同一个体不同器官、不同组织的DNA具有 相同的碱基组成
5' pApCpTpGpCpTpApApC-OH 3' 5' ACTGCTAAC 3'
DNA 与RNA的区别
核酸
碱基
戊糖
DNA A、G、C、T 脱氧核糖
RNA A、G、C、U 核糖
第二节 DNA的结构与功能
一、DNA的一级结构
• DNA的一级结构是指DNA分子 中脱氧核苷酸从5‘-末端到3’末端的排列顺序，实质为DNA 分子中碱基的排列顺序。
三、核苷
定义:
核苷是碱基与戊糖以糖苷键 相连接所形成的化合物。
NH2
N
1
C H 2O H O
N
O
HH
H 2'
1' H
糖苷键
OH H 胞嘧啶脱氧核苷
NH2
N
N
9
N
N
C H 2O H
O
HH
1'
H 2'
H
OH OH 腺嘌呤核苷
糖苷键
方式:
戊糖的第1位C原子分别与嘌呤 碱的第9位N原子、嘧啶碱的第1位 N原子相连接。
O
H
H
NH
H H NH O
双氢尿嘧啶
S
NH
NH O
4-巯尿嘧啶
OH
A
2.可形成局部的双螺旋，
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C C
使得tRNA的二级结构
C
形似三叶草
U C
U
C
•反密码环，带有反密 码子可破译遗传密码。
G
DD Gm
G A
A
U A
G
CCG
•氨基酸臂，直接结合
D DD
AA
GGC G
被活化的氨基酸。
DUH环
C A
A
G
A G
因素 强酸，强碱，高温，高压，变性试剂如 尿素以及某些有机溶剂如乙醇等。
在实验室最常用的DNA变性方法之一 是加热。
Tm：双链DNA解开 50%时的环境温度称为DNA的 解链温度。其大小与G+C含量成正比。
解链曲线：在连续加 热DNA的过程中以温度为 横坐标，以吸光度A260为 纵坐标作图，所得的曲线 称为解链曲线。
第三章 核酸的结构与功能
核酸(NA)分为两类：
• 脱氧核糖核酸(DNA):存在于细胞核 和线粒体（遗传信息的载体）
• 核糖核酸(RNA):存在于细胞核和细 胞质（参与细胞遗传信息的表达）
DNA 组成单位 dNMP 分 细胞核 98％
RNA NMP 10％
布 细胞浆 2％(线粒体)
90％
携带遗传信息， 参与遗传信息
OD260
0.70 0.65 0.60 0.55 0.50
76 80
84 88 92
Tm
96 100 ℃
(二)复性与杂交
DNA复性 (1)当变性因素去除后，变性DNA的两条互补链 可恢复天然的双螺旋构象，这一现象称为复性。
(2)热变性的DNA经缓慢冷却后即可复性，这 一过程称为退火。
在DNA复性过程中，将不同种类的DNA单 链分子或RNA分子置同一溶液中，就可以形成 杂化双链。
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
四、DNA的功能
携带遗传信息
• 基因(gene): DNA分子中经过复制可遗传 给子代，经过转录、翻译可以指导各种蛋 白质有序合成的功能性片段
• 1953年，Watson和Crick提 出了著名的DNA右手双螺旋模 型，分享了1962年的诺贝尔生 理学和医学奖
（二）DNA双螺旋结构模型要点
1. 由两条相互平行但走向相 反的脱氧多核苷酸链围绕同 一中心轴，以右手螺旋方式 形成的双螺旋结构。
2条链反向平行，一条是 5’→3’，另一条是3’→5’
N
N
N
N
O CH 2 O
HH
HH
HO P
O
OH
O
cAMP
NH2 N
糖苷键
HO CH2 O N O
Pi
NH2
OH OH
N O
HO P O CH2 O N O OH
磷酸酯键 OH OH
五、核酸中核苷酸的
连接方式
• 形成3’,5’-磷酸二酯键：通过前 一个核苷酸（脱氧核苷酸）的 3’-OH与后一个分子的5’-磷酸 缩合而生成。
杂化双链可以在不同的DNA与DNA之间形 成 ， 也 可 在 DNA 和 RNA 分 子 间 或 者 RNA 与 RNA分子间形成。这种现象称为核酸分子杂交。
Eg: DNA-DNA DNA-RNA RNA-RNA
2.55nm
2.37nm
每一螺旋的碱基对数目
11
10.4
螺距
2.53nm
3.54nm
相邻碱基对之间的垂直间距
0.23nm
0.34nm
Z型－DNA 左手螺旋 1.84nm
12 4.56nm 0.38nm
（三）DNA双螺旋结构的多样性
A型DNA
B型DNA
Z型DNA
三、DNA的三级结构
DNA的超螺旋结构
核苷酸的连接
核苷酸之间以 5´端 3’,5’-磷酸二酯键 连接形成多核苷酸 链，即核酸。
3’,5’-磷酸二 酯键
OH
NH2
HO P O
O
N
C
H3C O N
O
OH HO P O N
O
H3C O N
NH2
N
N
A
3´端
OH
书写方法
A CT GCT AAC 5' P P P P P P P P P OH 3'