Chapter 2 核酸的结构与功能.ppt

生物化学生物化学 Biochemistry第 二 章核酸的结构和功能Structure and Function of Nucleic Acid生物化学生物化学 Biochemistry内容提要：内容提要：概述概述第一节第一节 核酸的种类与分布核酸的种类与分布第二节第二节 核苷酸核苷酸第三节第三节 DNADNA的分子结构的分子结构第四节第四节 核酸与蛋白质的复合体核酸与蛋白质的复合体第五节第五节 RNARNA的分子结构的分子结构第六节第六节 核酸的理化性质核酸的理化性质生物化学生物化学 Biochemistry一、什么是核酸？一、什么是核酸？ 核酸核酸(nucleic acid)是一种是一种生物大分子生物大分子；；是活细胞中最关键的组分，它携带着遗传信息，是活细胞中最关键的组分，它携带着遗传信息，是是遗传的物质基础遗传的物质基础；它；它决定蛋白质和酶的结构决定蛋白质和酶的结构，，它决定每一种生物体的代谢类型和形态它决定每一种生物体的代谢类型和形态概概 述述生物化学生物化学 Biochemistryu18681868年年 Fridrich MiescherFridrich Miescher从脓细胞中提取从脓细胞中提取“核素核素” u2020年后年后 R.AltmannR.Altmann分离到分离到不含蛋白质的核酸不含蛋白质的核酸 u19441944年年 AveryAvery等人证实等人证实DNADNA是遗传物质是遗传物质u19531953年年 WatsonWatson和和CrickCrick发现发现DNADNA的双螺旋结构的双螺旋结构u19681968年年 NirenbergNirenberg发现发现遗传密码遗传密码u19751975年年 TeminTemin和和BaltimoreBaltimore发现发现逆转录酶逆转录酶u19811981年年 GilbertGilbert和和SangerSanger建立建立DNADNA测序测序方法方法u19851985年年 MullisMullis发明发明PCRPCR技术技术u19901990年年 美国启动美国启动人类基因组计划人类基因组计划(HGP) (HGP) u19941994年年 中国人类基因组计划启动中国人类基因组计划启动u20012001年年 美、英等国美、英等国完成人类基因组计划基本框架完成人类基因组计划基本框架二、核酸的发现和研究工作进展二、核酸的发现和研究工作进展生物化学生物化学 Biochemistry第第 一一 节节核酸的种类与分布核酸的种类与分布生物化学生物化学 Biochemistry一、核酸的种类一、核酸的种类脱氧核糖核酸（脱氧核糖核酸（DNADNA））核核酸酸核糖核酸（核糖核酸（RNARNA））转运核糖核酸（转运核糖核酸（tRNAtRNA）） 10-15%10-15%信使核糖核酸（信使核糖核酸（mRNAmRNA）） 5%5%核糖体核糖核酸（核糖体核糖核酸（rRNArRNA）） 80%80%生物化学生物化学 Biochemistry二、核酸的分布二、核酸的分布几乎所有的生物体（包括细菌、病毒等）内都含有核酸。

大多数生物几乎所有的生物体（包括细菌、病毒等）内都含有核酸大多数生物既含有既含有DNADNA又含有又含有RNARNA，在病毒分子中，只含有一种核酸（，在病毒分子中，只含有一种核酸（DNADNA或或RNARNA）生物化学生物化学 Biochemistry第二节第二节 核苷酸核苷酸 (nucleotide)核酸的化学组成核酸的化学组成The Chemical Component of Nucleic Acid生物化学生物化学 Biochemistry核酸的基本元素组成：核酸的基本元素组成：C C、、H H、、O O、、N N、、P(9-10%)P(9-10%)核酸的基本构成单位核酸的基本构成单位 ——核苷酸核苷酸(nucleotide)(nucleotide)Ø DNA DNA的基本组成单位是脱氧核糖核苷酸；的基本组成单位是脱氧核糖核苷酸；Ø RNARNA的基本组成单位是核糖核苷酸的基本组成单位是核糖核苷酸生物化学生物化学 Biochemistry核酸的酸性水解过程核酸的酸性水解过程核酸核酸核苷酸核苷酸核苷核苷磷酸磷酸戊糖戊糖碱基碱基生物化学生物化学 Biochemistry一、碱基一、碱基嘌呤嘌呤 嘧啶嘧啶 碱基碱基腺嘌呤（腺嘌呤（A））鸟嘌呤（鸟嘌呤（G））胞嘧啶（胞嘧啶（C））胸腺嘧啶（胸腺嘧啶（T））尿嘧啶（尿嘧啶（U））DNADNA、、RNARNA均有均有DNADNA有有（某些（某些RNARNA中有中有 少量存在）少量存在）RNARNA有有生物化学生物化学 Biochemistry嘌呤嘌呤腺嘌呤腺嘌呤(6-(6-氨基嘌呤氨基嘌呤) )鸟嘌呤（鸟嘌呤（2-2-氨基氨基-6--6-氧嘌呤）氧嘌呤）嘧啶嘧啶胸腺嘧啶胸腺嘧啶（（5-5-甲基甲基-2-2，，4-4-二氧嘧啶）二氧嘧啶）胞胞嘧嘧啶啶2-2-氧氧-4--4-氨基嘧啶氨基嘧啶尿尿嘧嘧啶啶2 2，，4-4-二氧嘧啶二氧嘧啶稀稀有有碱碱基基生物化学生物化学 Biochemistry二、戊糖二、戊糖生物化学生物化学 Biochemistry三、核苷三、核苷(nucleoside)(nucleoside) Ø 碱基和核糖（或脱氧核糖）通过碱基和核糖（或脱氧核糖）通过C-N C-N 糖苷键糖苷键连接形成连接形成核苷核苷（或脱氧核苷）。

或脱氧核苷）核糖核苷：核糖核苷：AR, GR, CR, URAR, GR, CR, UR脱氧核苷：脱氧核苷：dAR, dGR, dCR, dTRdAR, dGR, dCR, dTR91′11′生物化学生物化学 Biochemistry四、核苷酸四、核苷酸Ø 核苷（脱氧核苷）和磷酸以核苷（脱氧核苷）和磷酸以酯键酯键连接形成连接形成核苷酸核苷酸（脱（脱氧核苷酸）氧核苷酸）1.1.核苷一磷酸核苷一磷酸Ø 核苷酸：核苷酸：AMP, GMP, UMP, CMPAMP, GMP, UMP, CMPØ 脱氧核苷酸：脱氧核苷酸：dAMP, dGMP, dTMP, dCMPdAMP, dGMP, dTMP, dCMP 2.2.核苷多磷酸核苷多磷酸Ø 5′5′核苷酸的磷酸基团可与另一磷酸分子缩合形成核苷二磷核苷酸的磷酸基团可与另一磷酸分子缩合形成核苷二磷酸（酸（NDPNDP），核苷二磷酸还可进一步与磷酸缩合形成核苷三磷），核苷二磷酸还可进一步与磷酸缩合形成核苷三磷酸（酸（NTPNTP）N=A/U/G/C腺嘌呤腺嘌呤腺苷腺苷生物化学生物化学 BiochemistryØ ATP ATP分子的最显著特点是含有分子的最显著特点是含有两个高能磷酸键两个高能磷酸键。

水水解时解时, ATP, ATP可以释放出大量可以释放出大量自由能自由能，用于推动生物体内，用于推动生物体内各种需能的生化反应各种需能的生化反应Ø GTPGTP、、CTPCTP、、UTPUTP在某些生化反应中也具有传递能量在某些生化反应中也具有传递能量的作用Ø UDPUDP、、ADPADP、、GDPGDP在多糖合成中，可作为携带葡萄糖在多糖合成中，可作为携带葡萄糖基的载体；基的载体；CDPCDP在磷脂合成中可作为携带胆碱的载体在磷脂合成中可作为携带胆碱的载体Ø NTPNTP和和dNTPdNTP分别是分别是RNARNA和和DNADNA的的直接前体直接前体核苷多磷酸的生物学功能核苷多磷酸的生物学功能生物化学生物化学 Biochemistry 3. 3.环核苷酸（环核苷酸（cAMP & cGMPcAMP & cGMP））Ø 环核苷酸是由核苷酸分子中的磷酸与核糖的环核苷酸是由核苷酸分子中的磷酸与核糖的3 3’,5,5’- -二羟基形成磷酸二酯键环化而成二羟基形成磷酸二酯键环化而成生物化学生物化学 Biochemistry•cAMPcAMP和和cGMPcGMP是最普通的第二信使，它们广泛存在于动物、是最普通的第二信使，它们广泛存在于动物、植物和微生物中，虽然在细胞内的含量很低，但有极重要植物和微生物中，虽然在细胞内的含量很低，但有极重要的生理功能。

的生理功能•cAMPcAMP属于放大激素作用信号，属于放大激素作用信号，cGMPcGMP属于缩小激素作用信号属于缩小激素作用信号这两种环核苷酸在细胞代谢过程中其重要的调节作用这两种环核苷酸在细胞代谢过程中其重要的调节作用•目前已知，许多激素（第一信使）是通过目前已知，许多激素（第一信使）是通过cAMP (cAMP (第二信使第二信使) )而发挥其功能的而发挥其功能的•另外，另外，cAMPcAMP也参与大肠杆菌中也参与大肠杆菌中DNADNA转录的调控转录的调控环核苷酸的生物学功能环核苷酸的生物学功能生物化学生物化学 Biochemistry第第 三三 节节DNA的分子结构的分子结构Molecular Structure of DNA生物化学生物化学 BiochemistryDNADNA的分子结构可分为一级结构、二级结构和三级结构的分子结构可分为一级结构、二级结构和三级结构一、一、DNA的一级结构的一级结构Ø 一级结构是指核酸分子中核苷酸的一级结构是指核酸分子中核苷酸的排列顺序排列顺序及及连接方式连接方式1.1.排列顺序：不同的排列顺序：不同的DNADNA分子具有不同的核苷酸排列顺序，分子具有不同的核苷酸排列顺序，因此携带不同的遗传信息。

因此携带不同的遗传信息2.2.连接方式：以连接方式：以3 3  ,5 ,5   - -磷酸二酯键磷酸二酯键连接形成多核苷酸链，连接形成多核苷酸链，即核酸即核酸3.3.书写方法：结构式、线条式、文字式书写方法：结构式、线条式、文字式 5ˊ5ˊ端端→→3ˊ3ˊ端端( (由左至右由左至右) )线条式线条式文字式文字式结构式结构式DNA的一级结构测序的一级结构测序经典方法经典方法ü Maxam-Gilbert DNA Maxam-Gilbert DNA化学降解法化学降解法(Maxam (Maxam 和和Gilbert,1977)Gilbert,1977)ü SangerSanger双脱氧链终止法双脱氧链终止法(Sanger(Sanger和和Coulson1977)Coulson1977)生物化学生物化学 Biochemistry 一个末端标记的一个末端标记的DNADNA片段在片段在4 4组互相独立的的化组互相独立的的化学反应分别得到部分降解，其中每一组反应特异地学反应分别得到部分降解，其中每一组反应特异地针对某于种或某一类碱基因此生成针对某于种或某一类碱基因此生成4 4组放射性标记组放射性标记的分子，从共同起点（放射性标记末端）延续到发的分子，从共同起点（放射性标记末端）延续到发生化学降解的位点。

每组混合物中均含有长短不一生化学降解的位点每组混合物中均含有长短不一的的DNADNA分子，其长度取决于该组反应所针对的碱基在分子，其长度取决于该组反应所针对的碱基在原原DNADNA全片段上的位置此后，各组均通过聚丙烯酰全片段上的位置此后，各组均通过聚丙烯酰胺凝胶电泳进行分离，再通过放射自显影来检测末胺凝胶电泳进行分离，再通过放射自显影来检测末端标记的分子端标记的分子Maxam-Gilbert DNA化学降解法化学降解法Sanger双脱氧链终止法双脱氧链终止法•Sanger法：法：–在在PCR时分别加入时分别加入ddA,ddT,ddC,ddG（相（相应于应于4种碱基）种碱基）–ddX的两个作用：的两个作用：•可以当作正常碱基参与复制可以当作正常碱基参与复制•一旦链入一旦链入DNA中，其后就不能再继续连接中，其后就不能再继续连接–电泳电泳–谁终止，碱基就是谁谁终止，碱基就是谁–此方法获此方法获1974年的年的Nobel奖奖脱脱氧氧核核甘甘酸酸与与双双脱脱氧氧核核甘甘酸酸结结构构比比较较少一个少一个－－OH技术路线与要求技术路线与要求制备单链模板制备单链模板 ↓将将单链模板与一小段引物退火模板与一小段引物退火 ↓加入加入DNA聚合聚合酶（（Klenow））+ 4种种dNTP + 引物引物 分分别加入少量加入少量4种种ddNTP ↓将将4种反种反应产物分物分别在在4条泳道条泳道电泳泳 ↓根据根据4个碱基在个碱基在4条泳道的条泳道的终止位置止位置读出基因序列出基因序列 双双脱脱氧氧链链末末端端终终止止法法测测序序基基本本原原理理示示意意图图 生物化学生物化学 Biochemistry二、二、 DNA的二级结构的二级结构(secondary structure)——双螺旋双螺旋(double helix)结构结构生物化学生物化学 BiochemistryDNA的二级结构（的二级结构（secondary structure）是指构成）是指构成DNA的多聚脱氧核的多聚脱氧核苷酸链之间通过链间苷酸链之间通过链间氢键氢键卷曲而成的构象。

卷曲而成的构象1953年，年，Watson-Crick提出的双螺旋模型提出的双螺旋模型生物化学生物化学 Biochemistry DNADNA的的结构结构，，发表发表于于《《自然自然》》171171卷卷(1953)737-738(1953)737-738页页上的插图上的插图 DNA的双螺旋结构 右手螺旋右手螺旋•右手性的定义示意图大姆指指向轴向，其他四指由掌根向指尖方向表示螺旋转动方向生物化学生物化学 Biochemistry（一）（一）DNA双螺旋结构的实验依据双螺旋结构的实验依据1.Chargaff 规则：规则：Ø不同物种的不同物种的DNA碱基组成不同，而同一生物的碱基组成不同，而同一生物的DNA组成组成是一样的，即有种属特异性，无组织特异性；是一样的，即有种属特异性，无组织特异性；ØDNA碱基组成不随年龄、营养状况和环境因素而改变；碱基组成不随年龄、营养状况和环境因素而改变；Ø在同一生物体中在同一生物体中[A] = [T]，，[G] = [C]，即，即A+G=T+C生物化学生物化学 Biochemistry2. Norweger、、Furbug研究证实，戊糖糖环与DNA分子纵轴平行，而碱基平面与纵轴垂直。

3. DNA的的X-线衍射图谱分析线衍射图谱分析 生物化学生物化学 Biochemistry已知的核酸化学数据已知的核酸化学数据（二）（二） DNA双螺旋结构模型要点双螺旋结构模型要点 1. 两条链反向平行，围绕同两条链反向平行，围绕同一中心轴构成一中心轴构成右手双螺旋右手双螺旋 (double helix)表面有大沟和小沟大沟和小沟2. 磷酸磷酸-脱氧核糖形成脱氧核糖形成DNA的的骨架，位于双螺旋骨架，位于双螺旋外侧外侧与与中轴平行，碱基垂直于螺中轴平行，碱基垂直于螺旋轴而伸入旋轴而伸入内侧内侧碱基平面与纵轴碱基平面与纵轴垂直垂直，糖环平面与纵轴，糖环平面与纵轴平行平行3. 双螺旋双螺旋直径直径2nm，顺轴，顺轴方向每隔方向每隔0.34nm有一个有一个核苷酸，每圈螺旋含核苷酸，每圈螺旋含10个核苷酸个核苷酸，相邻两个核苷，相邻两个核苷酸间的夹角为酸间的夹角为36°,螺距为螺距为3.4nm4. 两条链通过碱基间的两条链通过碱基间的氢氢键键相连，相连，A对对T有两个氢有两个氢键，键，C对对G有三个氢键，有三个氢键，这种这种A-T、、C-G配对的规配对的规律，称为律，称为碱基互补规则碱基互补规则。

碱基互补配对碱基互补配对 TAGC碱基对（碱基对（base pair）：是一对相互匹配的碱基（即）：是一对相互匹配的碱基（即A：：T，， G：：C，，A：：U相互作用）被氢键连接起来，简写作相互作用）被氢键连接起来，简写作bp然而，它常被用来衡量它常被用来衡量DNA和和RNA的长度（尽管的长度（尽管RNA是单链）是单链） 配对碱基的氢键配对碱基的氢键生物化学生物化学 Biochemistry（三）双螺旋结构的稳定的因素（三）双螺旋结构的稳定的因素•1. 碱基堆积力碱基堆积力•2. 配对碱基形成的氢键配对碱基形成的氢键•3. 离子键离子键•碱基堆积力是最主要的稳定因素碱基堆积力是最主要的稳定因素生物化学生物化学 BiochemistryDNA分子中的碱基堆积力（分子中的碱基堆积力（base stacking forces））：： 嘌呤与嘧啶形状扁平，成疏水性，分布于双螺旋结构嘌呤与嘧啶形状扁平，成疏水性，分布于双螺旋结构的内侧大量碱基层层堆积，两相邻碱基的平面十分贴的内侧大量碱基层层堆积，两相邻碱基的平面十分贴近，于是使近，于是使DNA双螺旋结构内部形成一个强大的疏水区，双螺旋结构内部形成一个强大的疏水区，与介质中的水分隔开，在与介质中的水分隔开，在DNA分子内部形成疏水核心，分子内部形成疏水核心，核心内几乎没有游离的水分子，免遭水溶性活性小分子核心内几乎没有游离的水分子，免遭水溶性活性小分子的攻击，保证碱基在化学上的稳定性。

的攻击，保证碱基在化学上的稳定性 碱基堆积力碱基堆积力是维持是维持DNA双螺旋结构稳定的主双螺旋结构稳定的主要作用力要作用力生物化学生物化学 Biochemistry 互补碱基之间的氢键：互补碱基之间的氢键：•G-C间有间有3个氢键，个氢键，A-T之间仅有之间仅有2个氢键•故前者较稳定故前者较稳定离子键：离子键：•带负电荷磷酸之间的静电斥力带负电荷磷酸之间的静电斥力——会造成不稳定，会造成不稳定，但带负电荷磷酸可与阳离子结合有助于结构的稳定但带负电荷磷酸可与阳离子结合有助于结构的稳定•Na+、、K+、、Mg2+、、Mn2+ 或是真核细胞内的组蛋白之或是真核细胞内的组蛋白之间形成的离子键，中和了负电荷，降低了间形成的离子键，中和了负电荷，降低了DNA链本链本身不同部位之间的斥力身不同部位之间的斥力生物化学生物化学 BiochemistryDNADNA双螺旋结构提出的生物学意义双螺旋结构提出的生物学意义 该该模模型型揭揭示示了了DNA作作为为遗遗传传物物质质的的稳稳定定性性特特征征，，最最有有价价值值的的是是确确认认了了碱碱基基配配对对原原则则，，这这是是DNA复复制制、、转转录录和和反反转转录录的的分分子子基基础础，，亦亦是是遗遗传传信信息息传传递递和和表表达达的的分分子子基基础础。

该该模模型型的的提提出出是是20世世纪纪生生命命科科学学的的重重大大突突破破之之一一，，它它奠奠定定了了生生物物化化学学和和分分子子生生物物学学乃乃至至整整个个生命科学飞速发展的基石生命科学飞速发展的基石生物化学生物化学 Biochemistry 如果人体有如果人体有1014个细胞，每个体细胞的个细胞，每个体细胞的DNA量为量为6.4×109对核苷酸试计算人体对核苷酸试计算人体DNA的总长度是多的总长度是多少？这个长度与太阳少？这个长度与太阳-地球之间的距离（地球之间的距离（1.5×108 km）相比如何？）相比如何？•①①每个体细胞内每个体细胞内DNADNA的总长度：的总长度：6.46.4××10109 9××0.34=2.1760.34=2.176××10109 9nmnm•②②人体人体DNADNA的总长度：的总长度：2.1762.176××10109 9××10101414=2.176=2.176××10102323nm=2.176nm=2.176××10101111 km km•③③这个长度与太阳这个长度与太阳—地球之间的距离之比为地球之间的距离之比为2.1762.176××10101111/1.5/1.5××10108 8≈1451(≈1451(倍倍) )生物化学生物化学 Biochemistry（四）（四）DNA双螺旋结构的多样性双螺旋结构的多样性Z型型DNAB型型DNAA型型DNAA-DNA B-DNA & H-DNA生物化学生物化学 Biochemistry生物化学生物化学 BiochemistryDNADNA的的三股螺旋三股螺旋生物化学生物化学 Biochemistry 多聚嘧啶和多聚嘌呤组成的多聚嘧啶和多聚嘌呤组成的DNADNA螺旋区螺旋区段，其序列中有较长的段，其序列中有较长的镜像重复镜像重复时，形成时，形成局部三股配对局部三股配对，并互相盘绕的三股螺旋，，并互相盘绕的三股螺旋，其中两股的碱基按其中两股的碱基按Watson-CrickWatson-Crick方式配对，方式配对，第三股多聚嘧啶（镜像重复）通过第三股多聚嘧啶（镜像重复）通过TATTAT和和CGCCGC+ +配对，而处于双螺旋的大沟中。

配对，而处于双螺旋的大沟中 DNA* DNA三股螺旋三股螺旋生物化学生物化学 BiochemistryDNADNA的的三股螺旋三股螺旋生物化学生物化学 BiochemistryDNA三螺旋的碱基配对三螺旋的碱基配对生物化学生物化学 BiochemistryDNA三螺旋的碱基配对三螺旋的碱基配对生物化学生物化学 BiochemistryDNA的其它螺旋结构的其它螺旋结构回文结构回文结构 镜像重复镜像重复 生物化学生物化学 Biochemistry 回文结构回文结构—双链双链DNADNA中中含有的二个结构相同、方向含有的二个结构相同、方向相反的序列称为反向重复序相反的序列称为反向重复序列，也称为回文结构，每条列，也称为回文结构，每条单链以任一方向阅读时都是单链以任一方向阅读时都是一样的一样的 短的回文结构可能是一短的回文结构可能是一种特别的信号，如限制性内种特别的信号，如限制性内切酶的识别位点较长的回切酶的识别位点较长的回文结构能形成发夹结构文结构能形成发夹结构5’3’3’5’生物化学生物化学 BiochemistryAATTCAAGGGAGAAGTATAGAAGAGGGAAGGATC TTAAGTTCCCTCT TCATATCT TCTCCCTTCCTAG 存在于存在于同一股同一股上的某些上的某些DNADNA区段的反向重复区段的反向重复序列。

此序列各单股中没有互补序列，不能形序列此序列各单股中没有互补序列，不能形成发夹结构成发夹结构镜像重复镜像重复生物化学生物化学 Biochemistry三、三、 DNA的三级结构的三级结构DNA的超螺旋结构的超螺旋结构超螺旋结构超螺旋结构(superhelix 或或supercoil)DNA双螺旋链再盘绕即形成超螺旋结构双螺旋链再盘绕即形成超螺旋结构 正超螺旋正超螺旋(positive supercoil)盘绕方向与盘绕方向与DNA双螺旋方同相同双螺旋方同相同 负超螺旋负超螺旋(negative supercoil)盘绕方向与盘绕方向与DNA双螺旋方向相反双螺旋方向相反 生物化学生物化学 Biochemistry意义意义DNA超螺旋结构整体或局部的拓扑学超螺旋结构整体或局部的拓扑学变化及其调控对于变化及其调控对于DNA复制和复制和RNA转录过转录过程具有关键作用程具有关键作用 生物化学生物化学 Biochemistry第第 四四 节节核酸与蛋白质的复合体核酸与蛋白质的复合体Complex of Nucleic Acid and Protein生物化学生物化学 Biochemistry一、染色体一、染色体•染色体染色体泛指病毒、细菌、真核细胞遗传泛指病毒、细菌、真核细胞遗传信息库中的核酸分子。

信息库中的核酸分子真真核核生生物物染染色色体体由由DNA和和蛋蛋白白质质构构成成，，其基本单位是其基本单位是核小体核小体(nucleosome)生物化学生物化学 Biochemistry核小体的组成核小体的组成DNA：： 约约200bp 组蛋白：组蛋白：H1 H2A，，H2B H3 H4组蛋白组蛋白核心核心八聚体八聚体×2 =生物化学生物化学 Biochemistry真核真核-核小体的结构核小体的结构生物化学生物化学 Biochemistry核小体和染色质生物化学生物化学 Biochemistry串珠状核小体结构串珠状核小体结构生物化学生物化学 Biochemistry生物化学生物化学 Biochemistry真核生物染色体真核生物染色体DNADNA组组装不同层次的结构装不同层次的结构DNA （（2nm））核小体链（核小体链（ 11nm，每个核小体，每个核小体200bp））纤丝（纤丝（ 30nm，每圈，每圈6个核小体）个核小体）突环（突环（ 150nm，每个突环大约，每个突环大约75000bp））玫瑰花结（玫瑰花结（ 300nm ，，6个突环）个突环）螺旋圈（螺旋圈（ 700nm，每圈，每圈30个玫瑰花结）个玫瑰花结）染色体（染色体（ 1400nm，每个染色体，每个染色体含含10个螺旋圈）个螺旋圈）生物化学生物化学 BiochemistryDNA的生物学功能的生物学功能DNADNA的的基基本本功功能能是是以以基基因因的的形形式式荷荷载载遗遗传传信信息息，，并并作作为为基基因因复复制制和和转转录录的的模模板板。

它它是是生生命命遗遗传传的的物物质质基基础础，，也是个体生命活动的信息基础也是个体生命活动的信息基础S S：光滑：光滑 R R：粗糙：粗糙生物化学生物化学 Biochemistry•DNA分子中分子中不同排列顺序的不同排列顺序的DNA区段区段构构成成特定的功能单位特定的功能单位，即基因，即基因(gene)•细胞内遗传信息的携带者细胞内遗传信息的携带者---染色体所包染色体所包含的含的DNA总体称为基因组总体称为基因组(genome)人类基因组含人类基因组含3 3××10109 9bp DNAbp DNA，理论上可编码，理论上可编码200200万万以上的基因，但是资料表明编码蛋白质的这部分以上的基因，但是资料表明编码蛋白质的这部分序列只占基因组的序列只占基因组的3 3％到％到5 5％，也就是说，人类基％，也就是说，人类基因组中多达因组中多达 9595％到％到9797％是非编码区％是非编码区 生物化学生物化学 Biochemistry二、病毒(virus)•病毒是由病毒是由核酸核酸和和蛋白质蛋白质组成的非细胞生物，组成的非细胞生物，是裸露的染色体是裸露的染色体•从结构上看，从结构上看，核酸在内，蛋白质在外核酸在内，蛋白质在外，包裹，包裹着核酸，这层蛋白叫做着核酸，这层蛋白叫做衣壳衣壳（（capsid）。

•病毒通常病毒通常只含有一种核酸只含有一种核酸，只含，只含DNA的叫的叫DNA病毒；只含病毒；只含RNA的叫的叫RNA病毒，目前病毒，目前尚未发现既含有尚未发现既含有DNA，又含有，又含有RNA的病毒生物化学生物化学 Biochemistry病毒颗粒结构示意图生物化学生物化学 Biochemistry噬菌体噬菌体T2T2结构结构头部头部颈圈颈圈尾部尾部基板基板尾丝尾丝尖钉尖钉DNA生物化学生物化学 BiochemistryHIV virus 截面图截面图生物化学生物化学 Biochemistry第第 五五 节节 RNA的分子结构的分子结构Molecular Structure of RNARNARNA的特点的特点•RNARNA是是单单链链分分子子，，因因此此在在RNARNA分分子子中中，，嘌嘌呤呤的的总总数不一定等于嘧啶的总数数不一定等于嘧啶的总数•RNARNA分分子子中中，，部部分分区区域域也也能能形形成成双双螺螺旋旋结结构构，，不不能能形形成成双双螺螺旋旋的的部部分分，，则则形形成成单单链链突突环环这这种结构称为种结构称为“发夹型发夹型”结构结构•不同类型的不同类型的RNA, RNA, 其二级结构有明显的差异。

其二级结构有明显的差异•tRNAtRNA中中除除了了常常见见的的碱碱基基外外，，还还存存在在一一些些稀稀有有碱碱基基，这类碱基大部分位于突环部分这类碱基大部分位于突环部分生物化学生物化学 Biochemistry RNA的结构的结构 RNARNA的一级结构：是由数量极其庞大的四的一级结构：是由数量极其庞大的四种核糖核酸（种核糖核酸（AMPAMP、、GMPGMP、、CMPCMP、、UMPUMP）按一定顺）按一定顺序，通过序，通过3 3´ ´，，5 5´ ´- -磷酸二酯键连成的线形分子，磷酸二酯键连成的线形分子，其表示方法与其表示方法与DNADNA相同 RNARNA的二级结构：是不完全螺旋的多核苷的二级结构：是不完全螺旋的多核苷酸链 RNARNA的三级结构：是在二级结构的基础上的三级结构：是在二级结构的基础上进一步扭曲折叠而成的复杂结构进一步扭曲折叠而成的复杂结构生物化学生物化学 BiochemistryRNA的二级结构生物化学生物化学 BiochemistryRNA的二级结构生物化学生物化学 BiochemistryRNA的三级结构的三级结构生物化学生物化学 BiochemistryRNA的主要类型与功能生物化学生物化学 Biochemistry1. tRNA的一级结构特点的一级结构特点Ø 含稀有碱基较多含稀有碱基较多Ø 3´末端为末端为 — CCA-OHØ 5´末端大多数为末端大多数为G，也有的为，也有的为CØ 由由70~90个核苷酸组成个核苷酸组成一、转运一、转运RNA的结构与功能的结构与功能生物化学生物化学 Biochemistry2. tRNA的二级结构的二级结构——三叶草形三叶草形氨基酸氨基酸臂臂额外环额外环 在结构上具有某些共在结构上具有某些共同之处，一般可将其同之处，一般可将其分为分为四臂四环四臂四环：包括：包括氨基酸接受臂、反密氨基酸接受臂、反密码（环）臂、二氢尿码（环）臂、二氢尿嘧啶（环）臂、嘧啶（环）臂、T T C C（环）（环）臂臂和可变和可变环。

环生物化学生物化学 Biochemistry (1) (1)氨基酸接受区氨基酸接受区包含有包含有tRNAtRNA的的3 3’- -末端和末端和5 5’- -末端，末端，3 3’- -末端的最末端的最后后3 3个核苷酸残基都是个核苷酸残基都是CCACCA，，A A为腺苷酸氨基酸可与为腺苷酸氨基酸可与其成酯，该区在蛋白质合其成酯，该区在蛋白质合成中起携带氨基酸的作用成中起携带氨基酸的作用生物化学生物化学 Biochemistry (2)(2)反密码区反密码区与氨基酸接受区相对，与氨基酸接受区相对，一般环中含有一般环中含有7 7个核苷个核苷酸残基，臂中含有酸残基，臂中含有5 5对对碱基其中环中正中碱基其中环中正中的的3 3个核苷酸残基称为个核苷酸残基称为反密码子反密码子生物化学生物化学 Biochemistry( (3)3)二氢尿嘧啶区二氢尿嘧啶区 该区含有二氢尿嘧该区含有二氢尿嘧啶环由8-128-12个个核苷酸组成，臂核苷酸组成，臂由由3-43-4对碱基组成对碱基组成 生物化学生物化学 Biochemistry (4) (4) T T C C区区 因含因含T T C C顺序而得名，环顺序而得名，环由由7 7个核苷酸组成，通过个核苷酸组成，通过5 5对碱基组成的双螺旋区对碱基组成的双螺旋区( (T T C C臂臂) )与与tRNAtRNA的其余部的其余部分相连。

除个别例外，几分相连除个别例外，几乎所有乎所有tRNAtRNA在此环中都含在此环中都含有有T T C C 生物化学生物化学 Biochemistry (5)(5)可变区可变区 位于反密码区位于反密码区与与T T C C区之间，区之间，不同的不同的tRNAtRNA该区该区变化较大，一般变化较大，一般有有3-183-18个核苷酸个核苷酸组成生物化学生物化学 Biochemistry3. tRNA的三级结构的三级结构—— 倒倒L形形* tRNA的功能的功能活活化化、、搬搬运运氨氨基基酸酸到到核核糖糖体体，，参参与与蛋蛋白白质质的翻译T C环环DHU环环二、核糖体二、核糖体RNA的结构与功能的结构与功能* rRNA的功能的功能占占 细细 胞胞 总总 RNA的的80%，，参参与与组组成成核核蛋蛋白白体体，，作作为为蛋蛋白白质质生物合成的场所生物合成的场所生物化学生物化学 BiochemistryrRNA的二级结构的二级结构-大肠杆菌大肠杆菌5Sr RNA的结构的结构 类似于三叶草型类似于三叶草型生物化学生物化学 BiochemistryrRNA与与蛋白质蛋白质组成组成核糖体核糖体原核生物（以大肠杆菌为例）原核生物（以大肠杆菌为例）真核生物（以小鼠肝为例）真核生物（以小鼠肝为例）小亚基小亚基30S40SrRNA16S1542个核苷酸个核苷酸18S1874个核苷酸个核苷酸蛋白质蛋白质21种种占总重量的占总重量的40%33种种占总重量的占总重量的50%大亚基大亚基50S60SrRNA23S5S2940个核苷酸个核苷酸120个核苷酸个核苷酸28S5.8S5S4718个核苷酸个核苷酸160个核苷酸个核苷酸120个核苷酸个核苷酸蛋白质蛋白质36种种占总重量的占总重量的30%49种种占总重量的占总重量的35%生物化学生物化学 Biochemistry三、信使三、信使RNARNA的结构与功能的结构与功能原核生物原核生物mRNA的结构特点：的结构特点：SD序列序列：原核生物：原核生物mRNA的的5’端总有一段富含端总有一段富含嘌呤碱基的序列，典型的是嘌呤碱基的序列，典型的是5’-AGGAGGU-3’，，称为称为SD序列。

该序列与序列该序列与mRNA对核糖体的识别对核糖体的识别有关，有助于蛋白质合成时的正确起始有关，有助于蛋白质合成时的正确起始mRNA的功能：的功能：作为蛋白质合成的模板作为蛋白质合成的模板生物化学生物化学 Biochemistry* * 真核生物真核生物mRNA的的结构特点：结构特点：1. 大大多多数数真真核核mRNA的的5´末末端端均均在在转转录录后后加加上上一一个个7-甲甲基基鸟鸟苷苷，，同同时时第第一一个个核核苷苷酸酸的的C´2也也是甲基化，形成是甲基化，形成“帽子结构帽子结构”：：m7GpppNm-2. 大多数真核大多数真核mRNA的的3´末端有一个多聚腺苷酸末端有一个多聚腺苷酸(polyA)结构，长约结构，长约20-300个腺苷酸，称为多个腺苷酸，称为多聚聚A尾生物化学生物化学 BiochemistryØ polyA作用：作用：• 保护作用，抵抗核酸外切酶的降解；保护作用，抵抗核酸外切酶的降解；• 与与mRNAmRNA从细胞核向细胞质的移动有关；从细胞核向细胞质的移动有关；• 与与mRNAmRNA寿命有关寿命有关Ø “帽子结构帽子结构”作用：作用：• 保护作用，抵御保护作用，抵御5 5’- -核酸外切酶的降解作用；核酸外切酶的降解作用；• 与蛋白质合成的起始有关。

与蛋白质合成的起始有关生物化学生物化学 Biochemistry核酸的理化性质核酸的理化性质The Physical and Chemical Characters of Nucleic Acid第第 六六 节节Ø DNA DNA为白色纤维状固体，为白色纤维状固体，RNARNA为白色粉末状固为白色粉末状固体，都微溶于水，其钠盐在水中的溶解度较大体，都微溶于水，其钠盐在水中的溶解度较大但但不溶于乙醇不溶于乙醇、乙醚和氯仿等一般有机溶剂、乙醚和氯仿等一般有机溶剂用乙醇从溶液中沉淀核酸）（用乙醇从溶液中沉淀核酸）Ø DNADNA和和RNARNA在细胞中常以核蛋白形式存在，两在细胞中常以核蛋白形式存在，两种核蛋白在盐溶液中的溶解度不同种核蛋白在盐溶液中的溶解度不同 DNADNA核蛋白核蛋白 RNARNA核蛋白核蛋白 0.14mol/L NaCl 0.14mol/L NaCl 不溶不溶 溶溶 1-2mol/L NaCl 1-2mol/L NaCl 溶溶 不溶不溶一、 核酸的一般性质生物化学生物化学 BiochemistryØ DNA DNA溶液的黏度很大，而溶液的黏度很大，而RNARNA溶液的黏度小得多。

溶液的黏度小得多核酸发生变性或降解后其黏度降低核酸发生变性或降解后其黏度降低Ø 核酸受到强大离心力的作用时，可从溶液中沉降核酸受到强大离心力的作用时，可从溶液中沉降下来，其沉降速度与核酸的大小和密度有关下来，其沉降速度与核酸的大小和密度有关Ø 核酸是两性电解质（含碱性基团、磷酸基团），核酸是两性电解质（含碱性基团、磷酸基团），因磷酸的酸性强，常表现酸性由于核酸分子在一因磷酸的酸性强，常表现酸性由于核酸分子在一定酸度的缓冲液中带有电荷，因此可利用电泳进行定酸度的缓冲液中带有电荷，因此可利用电泳进行分离和研究其特性最常用的是凝胶电泳分离和研究其特性最常用的是凝胶电泳 生物化学生物化学 Biochemistry二、核酸的紫外吸收特性二、核酸的紫外吸收特性•核酸在核酸在260nm260nm波长有最大吸收峰，是由波长有最大吸收峰，是由碱碱基的共轭双键基的共轭双键决定的这一特性常用作决定的这一特性常用作核酸的定性、定量分析核酸的定性、定量分析生物化学生物化学 BiochemistryOD260的应用的应用1. DNA或或RNA的定量的定量OD260=1.0相当于相当于50μμg/ml 双链双链DNA40μg/ml 单链单链DNA或或RNA2.判断核酸样品的纯度判断核酸样品的纯度DNA纯品纯品: OD260/OD280 = 1.8RNA纯品纯品: OD260/OD280 = 2.0生物化学生物化学 BiochemistryDNADNA的紫外吸收光谱的紫外吸收光谱1.1.天然天然DNADNA2.2.变性变性DNADNA3.3.核苷酸总吸收值核苷酸总吸收值2202402602800.10.20.30.4波长（波长（nmnm））光光吸吸收收123生物化学生物化学 Biochemistry•核酸的紫外光吸收值常比其各核核酸的紫外光吸收值常比其各核苷酸成分的光吸收值之和少苷酸成分的光吸收值之和少2020－－60%60%，这是在有规律的双螺旋结构，这是在有规律的双螺旋结构中碱基紧密地堆积在一起造成的。

中碱基紧密地堆积在一起造成的 生物化学生物化学 Biochemistry三、三、DNA的变性复性与分子杂交的变性复性与分子杂交 （一）（一） DNA的变性的变性(denaturation)定义：核酸的变性指核酸双螺旋的氢键断裂（定义：核酸的变性指核酸双螺旋的氢键断裂（不不 涉及共价键的断裂涉及共价键的断裂），变成单链，），变成单链，生物活性丧生物活性丧失失的过程变性因素：热力、强酸、强碱、有机溶剂、变性变性因素：热力、强酸、强碱、有机溶剂、变性剂、射线、机械力等剂、射线、机械力等生物化学生物化学 BiochemistryDNADNA的变性过程的变性过程加热加热部分双螺旋解开部分双螺旋解开 无规则线团无规则线团 链内碱基配对链内碱基配对生物化学生物化学 BiochemistryDNA变性的本变性的本质是质是双链间氢双链间氢键的断裂键的断裂生物化学生物化学 BiochemistryØ 变性后理化性质变化：变性后理化性质变化：• DNADNA溶液的粘度降低溶液的粘度降低• 浮力密度增加浮力密度增加• 旋光偏振光改变旋光偏振光改变• 紫外吸收增加（紫外吸收增加（增色效应增色效应））• 生物活性丧失生物活性丧失• 但但DNADNA的一级结构不发生改变的一级结构不发生改变生物化学生物化学 BiochemistryØ增色效应增色效应：：DNADNA变性时其溶液变性时其溶液ODOD260260增高的现象。

增高的现象生物化学生物化学 Biochemistry•当当DNADNA的稀盐溶液加热到的稀盐溶液加热到80-100℃80-100℃时，双螺时，双螺旋结构即发生解体，两条链彼此分开，形成旋结构即发生解体，两条链彼此分开，形成无规线团无规线团Ø 熔熔解解温温度度（（melting melting temperature, temperature, TmTm））：：DNADNA热热变变性性过过程程中中，，紫紫外外吸吸收收达达到到最最大大值值的的一一半半时时溶溶液液的的温度称为熔解温度（温度称为熔解温度（TmTm）或解链温度、变性温度或解链温度、变性温度 实验室常用的方法实验室常用的方法——热变性热变性生物化学生物化学 Biochemistry 80 90 100 100%50%OD260 Tm 变性温度范围变性温度范围①①②②③③℃℃生物化学生物化学 Biochemistry影响影响TmTm值的因素值的因素(2)DNA(2)DNA的性质和组成的性质和组成(1)(1)溶液的离子强度溶液的离子强度大肠杆菌大肠杆菌DNADNA在不同浓度在不同浓度KClKCl溶液下的溶液下的熔融温度曲线熔融温度曲线离子强度越高，离子强度越高，TmTm值越高值越高G≡CG≡C，，3 3个氢键，打开所需能个氢键，打开所需能量较量较A=TA=T大，大，GC%GC%越高，越高，TmTm越高越高生物化学生物化学 Biochemistry 核酸的均一性愈高的样品，变性过程的温度范围愈小。

核酸的均一性愈高的样品，变性过程的温度范围愈小3) DNA的均一程度的均一程度生物化学生物化学 Biochemistry（二）（二）DNA的复性的复性 DNA复性复性(renaturation)的定义的定义在适当条件下，变性在适当条件下，变性DNADNA的两条互补链可恢的两条互补链可恢复天然的双螺旋构象，这一现象称为复天然的双螺旋构象，这一现象称为复性减色效应减色效应DNADNA复性时，其溶液复性时，其溶液ODOD260260降低热变性的热变性的DNADNA经缓慢冷却后即可复性，这经缓慢冷却后即可复性，这一过程称为一过程称为退火退火(annealing)(annealing) 核酸的变性核酸的变性和复性和复性变性（加热）变性（加热）复性（缓慢冷却）复性（缓慢冷却） 变变性性：在在物物理理、、化化学学因因素素影影响响下下，， DNADNA碱碱基基对对间间的的氢氢键键断断裂裂，，双双螺螺旋旋解解开开，，这这是是一一个个是是跃跃变变过过程程，，伴伴有有A A260260增增加加（（增增色色效效应应））,DNA,DNA的功能丧失的功能丧失 复复性性：：在在一一定定 条条 件件下下，， 变变 性性DNADNA单单链链间间碱碱基基重重新新配配对对恢恢复复双双螺螺旋旋结结构构，，伴伴有有A A260260减减小小 （（ 减减色色效效 应应 ）,DNA的功能恢复。

的功能恢复 （三）核酸分子杂交（三）核酸分子杂交 (hybridization)在在DNADNA变变性性后后的的复复性性过过程程中中，，如如果果将将不不同同种种类类的的DNADNA单单链链分分子子或或RNARNA分分子子放放在在同同一一溶溶液液中中，，只只要要两两种种单单链链分分子子之之间间存存在在着着一一定定程程度度的的碱碱基基配配对对关关系系，，在在适适宜宜的的条条件件（（温温度度及及离离子子强强度度））下下，，就就可可以以在在不不同的分子间形成同的分子间形成杂化双链杂化双链(heteroduplex)(heteroduplex)这这种种杂杂化化双双链链可可以以在在不不同同的的DNADNA与与DNADNA之之间间形形成成，，也也可可以以在在DNADNA和和RNARNA分分子子间间或或者者RNARNA与与RNARNA分分子子间间形形成成这种现象称为这种现象称为核酸分子杂交核酸分子杂交生物化学生物化学 Biochemistry变性变性复性复性复性复性生物化学生物化学 Biochemistry核酸分子杂交的应用核酸分子杂交的应用研究研究DNA分子中某一种基因的位置分子中某一种基因的位置鉴定两种核酸分子间的序列相似性鉴定两种核酸分子间的序列相似性检测目的基因表达水平的高低检测目的基因表达水平的高低是基因芯片技术的基础是基因芯片技术的基础 Southern印迹法印迹法DNA分子分子限制片段限制片段限制性酶切割限制性酶切割琼脂糖电泳琼脂糖电泳转移至硝酸纤维素膜上转移至硝酸纤维素膜上与放射性标记与放射性标记DNA探针杂交探针杂交放射自显影放射自显影带有带有DNA片片段的凝胶段的凝胶凝胶凝胶滤膜滤膜用缓冲液用缓冲液转移转移DNA吸附有吸附有DNA片段的膜片段的膜生物化学生物化学 Biochemistry四、核酸的颜色反应四、核酸的颜色反应1.钼蓝反应（核酸中磷酸的反应） Pi + (NH4)3MoO4 + Vc 钼蓝（蓝色） 2.苔黑酚反应（RNA中核糖的反应） RNA + 浓HCl +苔黑酚 蓝绿色 3.二苯胺反应 DNA + 二苯胺+ 浓H2SO4 蓝色物100℃、Fecl3少量冰醋酸 生物化学生物化学 Biochemistry 复习题：复习题：1. 概念概念（（1）） DNA的一级结构的一级结构 （（2））核苷多磷酸核苷多磷酸 （（3）） DNA的二级结构的二级结构 （（4））核酸的变性核酸的变性 （（5））增色效应增色效应 （（6））核酸的复性核酸的复性 （（7））减色效应减色效应 （（8）） Tm 2. 简述简述DNA右手双螺旋结构模型的主要内容。

右手双螺旋结构模型的主要内容3. 简述简述DNA的双螺旋结构稳定的因素的双螺旋结构稳定的因素4. 简述简述tRNA的二级结构与功能的关系的二级结构与功能的关系5. 简述真核生物简述真核生物mRNA 3′端端polyA尾巴的作用尾巴的作用6. 简述分子杂交的概念及应用简述分子杂交的概念及应用7. DNA变性后哪些性质发生改变？变性后哪些性质发生改变？8. 简述影响简述影响Tm值的因素值的因素。