核酸分子結構

1、重點內容：重點內容：核苷酸的化學組成與命名；核苷酸的化學組成與命名； DNADNA的二級結構的二級結構( (雙螺旋模型雙螺旋模型) )；真核；真核 生物生物mRNAmRNA和原核生物和原核生物mRNAmRNA的結構比較；的結構比較； tRNAtRNA的二級結構。的二級結構。 難點內容：難點內容：DNADNA分子結構與功能的關系；分子結構與功能的關系； RNARNA分子結構與功能的關系。分子結構與功能的關系。 了解內容：了解內容：DNADNA雙螺旋結構的生物學意雙螺旋結構的生物學意 義；義；DNADNA雙螺旋結構穩(wěn)定的因素；雙螺旋結構穩(wěn)定的因素； rRNArRNA的二級結構和三級結構。的二級結構

2、和三級結構。 核酸的結構與功能核酸的結構與功能 1 核酸通論 2 核酸基本構件單位核苷酸 3 DNA的分子結構 4 RNA的分子結構 1 1 核酸通論核酸通論 1.1 核酸的研究歷史和重要性 1.2 核酸的種類和分布 1.1 核酸的研究歷史和重要性 1869 Miescher從膿細胞的細胞核中分離出了一 種含磷酸的有機物，當時稱為核素 （nuclein）,后稱為核酸（nucleic acid）；此后幾十年內，弄清了核酸的組成及在細 胞中的分布。 1944 Avery 等成功進行肺炎球菌轉化試驗；1952年Hershey等的實驗表明32P-DNA 可進入噬菌體內， 證明DNA是遺傳物質。 195

3、3 Watson和Crick建立了DNA結構的雙螺旋模型，說明了基因的結構、信息和 功能三者間的關系，推動了分子生物學的迅猛發(fā)展。 1958 Crick提出遺傳信息傳遞的中心法則， 60年代 RNA研究取得大發(fā)展（操縱子學說，遺傳密碼，逆轉錄酶）。 核酸的研究歷史和重要性（續(xù)） 歷史 70年代 建立DNA重組技術，改變了分子生物學的面貌，并導致生物技術的興起。 80年代 RNA研究出現(xiàn)第二次高潮：ribozyme、反義RNA、“RNA世界”假說等等。 90年代以后 實施人類基因組計劃（HGP）, 開辟了生命科學新紀元。 人類基因組測序完成后，生命科學進入后基因組時代： 功能基因組學（funct

4、ional genomics） Hapmap(單體型圖 ) (基于SNP) 蛋白質組學（proteomics） 1.2 1.2 核酸種類和分布核酸種類和分布 脫氧核糖核酸（deoxyribonucleic acid, DNA）: 遺傳信息的貯存和攜帶者，生物的主要遺傳物質。在真核細胞中，DNA主要 集中在細胞核內，線粒體和葉綠體中均有各自的DNA。原核細胞沒有明顯的細胞 核結構，DNA存在于稱為擬核（nucleoid)的結構區(qū)。每個原核細胞一般只有一 個染色體，每個染色體含一個雙鏈環(huán)狀DNA。 核糖核酸（ribonucleic acid, RNA）： 主要參與遺傳信息的傳遞和表達過程，細胞內

5、的RNA主要存在于細胞質中，少量存在于細胞核 中，病毒中RNA本身就是遺傳信息的儲存者如逆 轉錄病毒（retrovirus)。另外在植物中還發(fā)現(xiàn) 了一類比病毒還小得多的侵染性致病因子稱為 類病毒（viroid)和擬病毒（virusoid or satellite RNA)，還發(fā)現(xiàn)有些RNA具生物催化作 用（ribozyme）。 2 核酸的基本結構單位核酸的基本結構單位核苷酸核苷酸 2.1 核苷酸的化學組成與命名 2.1.1 堿基、核苷、核苷酸的概念和關系 2.1.2 常見堿基的結構與命名法 2.1.3 常見（脫氧）核苷酸的基本結構與命 名 2.1.4 稀有核苷酸 2.1.5 細胞內游離核苷酸及

6、其衍生物 2.2 核苷酸的生物學功能 5-磷酸核苷酸的基本結構 O O （N = A、G、C、U、T） H H (O)H 1 2 N OH CH2 H H 5 4 3 PO- O O O- 核糖(pentose sugar ) 磷酸(phosphate) 堿基 (nitrogenous base) 2.1.1 堿基(base)、核苷(nucleoside)、核 苷酸(nucleotide)的概念和關系 Nitrogenous base Pentose sugar HOCH2 H OH Deoxyribose (in DNA) HOCH2 HO OH Ribose (in RNA) Phosph

7、ate Pyrimidine CytosineThymineUracil CUT Purine AdenineGuanine AG 核苷酸 磷 酸 核 苷 戊 糖 堿 基 2.1.2 基本堿基結構和 命名 嘌呤（purine)嘧啶(pyrimidine) Adenine (A) Guanine (G) Cytosine (C) Uracil (U) Thymine (T) 核苷酸的結構和命名 腺嘌呤核苷酸（ AMP） Adenosine monophosphate 脫氧腺嘌呤核苷酸（dAMP） Deoxyadenosine monophosphate 鳥嘌呤核苷酸（GMP） 胞嘧啶核苷酸（CM

8、P） 尿嘧啶核苷酸（UMP） 脫氧鳥嘌呤核苷酸（dGMP） 脫氧胞嘧啶核苷酸（dCMP） 脫氧胸腺嘧啶核苷酸（dTMP） H OH 2.1.3 常見（脫氧）核苷酸的結構和命名 P PP P P P P P 鳥嘌呤核苷酸 （GMP） 尿嘧啶核苷酸 （UMP） 胞嘧啶核苷酸 （CMP） 腺嘌呤核苷酸 （AMP） 脫氧腺嘌呤核苷酸 （dAMP） 脫氧鳥嘌呤核苷酸 （dGMP） 脫氧胞嘧啶核苷酸 （dCMP） 脫氧胸腺嘧啶核苷酸 （dTMP） 2.1.4 幾種稀有核苷 假尿苷（）二氫尿嘧啶（DHU） Am CH3 CH3H3C m 2 G H H H H 6 2-O-甲基腺苷 N6，N6-二甲基腺苷

9、2.1.5 細胞內游離核苷酸及其衍生細胞內游離核苷酸及其衍生 物物 多磷酸核苷酸 環(huán)核苷酸 輔酶類核苷酸。 5-NMP 5-NDP 5-NTP N=A、G、C、U 5-dNMP 5-dNDP 5-dNTP N=A、G、C、T 腺苷酸及其多磷酸化合 物 AMP Adenosine monophosphate ADP Adenosine diphosphate ATP Adenosine triphosphate O PO OH O A (G) O OOH CH2 HH H H cAMP(cGMP)cAMP(cGMP)的結構 3，5- Cyclic adenylic (Guaninic) acid

10、 2.2 核苷酸的生物學功能核苷酸的生物學功能 作為核酸的單體 細胞中的攜能物質（如ATP、GTP、CTP、TTP） 酶的輔助因子的結構成分（如NAD）(nicotinamide adenine dinucleotide, 煙酰胺腺嘌呤二核苷酸) 細胞通訊的媒介（如cAMP、cGMP） 3 DNA的分子結構 3.1 核酸分子中的共價鍵 3.2 DNA 一級結構 3.3 DNA堿基組成的Chargaff規(guī)則 3.4 DNA的二級結構 3.5 DNA的三級結構 3.6 DNA與蛋白質復合物的結構 5 5 3 3 3.1 核酸分子中核苷 酸之間的共價鍵 3 -5 磷酸二酯鍵 3.2 DNA 的一級結

11、構 DNA分子中各脫氧核苷酸之間的連 接方式（3-5磷酸二酯鍵）和排列順序叫 做DNA的一級結構，簡稱為堿基序列。一 級結構的走向的規(guī)定為53。不同的 DNA分子具有不同的核苷酸排列順序，因 此攜帶有不同的遺傳信息。 一級結構的表示法 結構式，線條式，字母式 5 3 DNADNA一級結構的表示法 5 3 結構式 5 3 p p p pOH 3 ACTG 1 線條式 5 ACTGCATAGCTCGA 3 字母式 3.3 DNA堿基組成的Chargaff 規(guī)則 Chargaff首先注意到DNA堿基組成的某些規(guī)律性，在1950年總結出 DNA堿基組成的規(guī)律： 腺嘌呤和胸腺嘧啶的摩爾數(shù)相等，即 A=T

12、。 鳥嘌呤和胞腺嘧啶的摩爾數(shù)也相等，即G=C。 含氨基的堿基總數(shù)等于含酮基堿基總數(shù)，即 A+C=G+T。 嘌呤的總數(shù)等于嘧啶的總數(shù)，即A+G=C+T。 DNA一級結構 5 3 DNADNA、RNARNA的一級結構 OH OH OH 5 3 RNA一級結構 3.4 DNA的二級結 構 （1） DNA的雙螺旋結構(Watson-Crick模型) （2） DNA雙螺旋結構特征及意義 （3） DNA雙螺旋的多態(tài)性 （4）DNA的三股螺旋（tripkex） DNA的雙螺旋結構的形成 5 3 5 3 5 35 3 磷酸 核糖 堿基 T-A堿基對 C-G堿基對 DNA的雙螺旋模型特點 a. 兩條反向平行的多

13、聚核苷酸鏈沿一個假設的中心軸右 旋相互盤繞而形成。 b. 磷酸和脫氧核糖單位作為不變的骨架組成位于外側， 作為可變成分的堿基位于內側，鏈間堿基按AT，GC配 對（堿基配對原則，Chargaff定律） c. 螺旋直徑2nm，相鄰堿基平面垂直距離0.34nm,螺旋 結構每隔10個堿基對（base pair, bp）重復一次，間隔為 3.4 nm A:angstrom 氫鍵 堿基堆集力 磷酸基上負電荷被胞內組蛋白 或正離子中和 堿基處于疏水環(huán)境中 DNA的雙螺旋結構穩(wěn)定因素 DNA的雙螺旋結構的意義 該模型揭示了DNA作為遺傳物質的穩(wěn)定性 特征，最有價值的是確認了堿基配對原則，這 是DNA復制、轉錄

14、和反轉錄的分子基礎，亦是 遺傳信息傳遞和表達的分子基礎。該模型的提 出是20世紀生命科學的重大突破之一，它奠定 了生物化學和分子生物學乃至整個生命科學飛 速發(fā)展的基石。 DNA雙螺旋的不同構 象 三種DNA雙螺旋構象比較 A-DNA Z-DNA B-DNA A B Z 外型 粗短 適中 細長 螺旋方向 右手 右手 左手 螺旋直徑 2.55nm 2.37nm 1.84nm 堿基直升 0.23nm 0.34nm 0.38nm 每圈堿基數(shù) 11 10 12 堿基傾角 200 00 70 大溝 很窄很深 很寬較深 平坦 小溝 很寬、淺 窄、深 較窄很深 三鏈DNA既可以是B-DNA與另一條DNA鏈結合

15、成的鏈間的三鏈DNA，又可以 是B-DNA與其自身的一條鏈結合形成的鏈內的三鏈DNA。(第9頁) 分子內三鏈DNA于1987年由Mirkin在超螺旋中發(fā)現(xiàn)。其形成要求雙螺旋中存 在連續(xù)的嘌呤或嘧啶序列，而且必須是鏡像重復序列。 DNA分子內的三 鏈結構 DNA分子間 的三鏈結構 DNA三鏈間的堿 基配對 T-A-T C-G-C 鏡像重復序列：由反方向完全相同的兩個 序列組成。 5 GGAATCGATCTTTTCTAGCTAAGG 3 3CCTTAGCTAGAAAAGATCGATTCC 5 反轉重復（inverted repeated)：由反方向互補的兩個DNA片 段組成，兩個反轉重復序列又叫回

16、文序列(palindrome sequence)。(第47頁) 鏡像重復(mirror repeat)：由反方向完全相同的兩個序列組成。 直接重復(direct repeat)：由同一方向完全相同的兩個序列組 成。正向重復序列、順向重復序列。 3.5 DNA的三級結構超螺旋（supercoil） 生物體閉環(huán)DNA都以超螺旋形式存在，如細菌質粒、病毒、線粒體DNA。線 性DNA分子或環(huán)狀DNA分子中有一條鏈有缺口時不能形成超螺旋。 超螺旋的意義：緊密，體積更小；能影響雙螺旋的解鏈程序，因而影響DNA分 子與其它分子之間的相互作用。 螺 旋 和 超 螺 旋 電 話 線 螺旋 超螺旋 DNA的三級結

17、構 超螺旋是DNA三級結構的一種普遍形式， 雙螺旋DNA的松開導致負超螺旋，而擰緊 則導致正超螺旋。 4 4 RNARNA的分子結構的分子結構 4.1 RNA一級結構 和類別 4.2 tRNA 的分子結構 4.3 rRNA的分子結構 4.4 mRNA的分子結構 4.1.1 RNA的一級結的一級結 構構(第第10頁頁) RNA分子中各核苷之間的連接 方式（3-5磷酸二酯鍵）和排列順 序叫做RNA的一級結構 OH OH OH 5 3 RNA與DNA的差異 DNA RNA 糖 脫氧核糖 核糖 堿基 AGCT AGCU 不含稀有堿基 含稀有堿基 4.1.2 RNA的類 別 信使RNA（messenge

18、r RNA，mRNA）：在蛋白質合成中起模 板作用； 核糖體RNA（ribosomal RNA，rRNA）：與蛋白質結合構成核糖 體（ribosome）, 核糖體是蛋白質合成的場所； 轉移RNA（transfer RNA，tRNA）：在蛋白質合成時起著攜帶活 化氨基酸的作用。 4.2 tRNA 4.2 tRNA 的結的結 構構 二級結構特征： 單鏈 三葉草葉形 四臂四環(huán) 三級結構 特征： 在二級結構基礎上 進一步折疊扭曲形成倒 L型 tRNA的三級結構 4.3 rRNA的分子結構 特征：單鏈，螺旋化程度較tRNA低 與蛋白質組成核糖體后方能發(fā)揮其功能 5S RNA的二級結構 S: Theodo

19、r Svedberg rRNA與核糖體蛋白共同構成核糖體，后者是蛋白質合成的場所。 核糖體的組成 原核生物（70S，小30s大50S）真核生物（80S,小40s大60s） 小 亞 基 rRNA 蛋白 質 16S(有mRNA識別結合位點)18S(有mRNA識別結合位點) 21種33種 大 亞 基 rRNA23S、5S（識別、結合tRNA） 28S、5S、5.8S(識別、結合 tRNA) 蛋白 質 34種49種 一切生物的遺傳密碼都要在核糖體上翻譯。病毒本身沒有核糖體，其mRNA要靠宿主 細胞的核糖體來翻譯。 4.4 mRNA的分子結構 (第11頁) 原核生物mRNA特征： 先導區(qū)+翻譯區(qū)（多順反

20、子）+末端序列 真核生物mRNA特征： “帽子”（m7G-5ppp5-N-3p）+單順 反子+“尾巴”（Poly A） mRNA 原核生物mRNA結構特點： 1、多順反子（polycistron）:一分子mRNA帶有幾種蛋白質的遺傳信息，可以作為幾種蛋白質的模板，能翻 譯出幾種蛋白質。 2、 mRNA5端無帽子結構,3 端一般無多聚A的尾巴。 3、一般沒有修飾堿基。 原核細胞mRNAmRNA的結構特點 53 順反子順反子順反子 插入順序插入順序 先導區(qū)末端順序 真核生物mRNA結構的特點 1、5 末端有帽子結構。 2、3端多數(shù)帶有多聚A的尾巴(polyadenylate tail),其長度為2

21、0200個A. 3、分子中可能有修飾堿基,主要是甲基化. 4、分子中有編碼區(qū)與非編碼區(qū)。 非編碼區(qū)（untranslated region UTR）位于編碼區(qū)的兩端；5 非編碼區(qū)有翻譯起始信號。 5、只編碼一條肽鏈。 真核細胞mRNAmRNA的結構特點 AAAAAAA-OH 5 “帽子”PolyA 3 順反子 m7G-5ppp-N-3 p 核內不均一RNA（hnRNA） 真核細胞轉錄生成mRNA的前體。（第11頁） 加工過程包括：5加帽；3端加尾；內含子的切除和外顯子的拼接；分子內部的甲基化修飾作用；核苷酸序 列的編輯作用。（第五章 第五節(jié)） 小分子核內RNA(snRNA) （第14頁） 真核

22、細胞核內一組小分子RNA,含70300堿基,序列中尿嘧啶含 量較高,因此又用U命名. 既非任何RNA的前體,也非某種RNA代謝的中間產物,而是具有 獨特功能且獨立存在的實體,參與mRNA的加工（第五章）。 常與多種特異的蛋白質結合在一起，形成小分子核內核蛋白顆 粒（small nuclear ribonucleoprotein particle，snRNP） 反義RNA（第19頁） 堿基序列正好與有意義mRNA互補的RNA，又 稱為調節(jié)RNA。 可與mRNA配對結合形成雙鏈，最終抑制 mRNA作為模板進行翻譯。 還可作為DNA復制的抑制因子，與引物RNA 互補結合抑制DNA復制，及在轉錄水平上

23、與 mRNA5端互補，阻止RNA合成轉錄。 可以人工合成反義RNA來調節(jié)基因的表達,用 于疾病治療。 原核生物中也有一種mRNA干擾互補RNA （Mrna interfering complementary RNA， micRNA），也可與特異mRNA結合并阻止翻 譯。 1.概念 反義核酸也稱反義基因，即能通過互補堿基與DNA或mRNA互補的核 酸分子。 2.基本原理 基因表達是基因產生功能的過程，這一過程主要涉及到DNA的復制、 轉錄和翻譯，該過程任一環(huán)節(jié)受阻都會影響到基因功能的產生，基于 這一基本原理，開展了反義核酸（基因）療法的基本的研究。 目前反義核酸療法多應用于抗腫瘤和抗病毒感染治療

24、中。 對于抗腫瘤，反義核酸治療就是應用反義核酸在轉錄和翻譯水平 阻斷某些異?；虻谋磉_，以阻斷瘤細胞內異常信號的傳導，使瘤細 胞進入正常分化軌道或引起細胞凋亡。 對于抗病毒感染治療，反義核酸結果用反義DNA或反義RNA來阻斷 病毒核酸的復制，轉錄和翻譯，從而達到抗病毒的目的。 3.舉例 反義核酸有3類： 1）人工合成的寡脫氧核苷酸（oligoexynuclectide），進入機體后以胞吞的 方式進入細胞，可直接結合到DNA雙鏈的特定部位，形成三聚體，影響轉錄因 子的結合，使轉錄不能啟動。 2）將特異的反義基因連接到特異的表達載體上（質粒、病毒），導入靶細胞， 直接轉錄出反義RNA，與相應mRN

25、A形成雙鏈，阻止mRNA的翻譯。 3）核酶（ribozyme），是一種具有催化特性的反義基因，與相應的mRNA結合 后能發(fā)揮酶活性，將mRNA降解。 在抗腫瘤治療中，反義核酸常用于： 封閉癌基因，如src反義RNA導入表達V-src基因的src轉化細胞，使這種細 胞在裸鼠體內致瘤性下降，又如“鍾頭”核酶（hammerhead ribozyme）與反 義H-ras聯(lián)用，可抑制多種致瘤性細胞株。 腫瘤自分泌生長因子的反義阻斷，用反義核酸來抑制某些腫瘤自分泌生長 因子，以期阻斷其惡性生物學行為來達到治療的目的。 在抗病素感染中，研究者發(fā)現(xiàn)，乙肝病毒，Rous肉瘤病毒的復制都明顯地受 到反義RNA的抑制，反義RNA與病毒mRNA結合成雙股RNA鏈，mRNA即不會翻譯成 蛋白質。 其它 基因治療（第9頁） 生物芯片