華科同濟(jì)醫(yī)學(xué)院生物化學(xué) 第02章核酸的結(jié)構(gòu)與功能

第二章

核酸的結(jié)構(gòu)和功能StructureandFunctionofNucleicAcid核酸(nucleicacid)

是以核苷酸為基本組成單位的生物大分子，攜帶和傳遞遺傳信息。1868年Fridrich

Miescher

從膿細(xì)胞中提取核素。1944年

Avery等人證實(shí)DNA是遺傳物質(zhì)。1953年

Watson和Crick發(fā)現(xiàn)DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)。1968年Nirenberg發(fā)現(xiàn)遺傳密碼。1975年Temin和Baltimore發(fā)現(xiàn)逆轉(zhuǎn)錄酶。1981年Gilbert和Sanger建立DNA測序方法。1985年Mullis發(fā)明PCR技術(shù)。1990年美國啟動(dòng)人類基因組計(jì)劃(HGP)。1994年中國人類基因組計(jì)劃啟動(dòng)。2001年美英等國完成人類基因組計(jì)劃。核酸研究的發(fā)展簡史核酸的分類及分布存在于細(xì)胞核和線粒體

分布于細(xì)胞核、細(xì)胞質(zhì)、線粒體(deoxyribonucleicacid,DNA)(ribonucleicacid,RNA)脫氧核糖核酸核糖核酸攜帶遺傳信息，并通過復(fù)制傳遞給下一代。是DNA轉(zhuǎn)錄的產(chǎn)物，參與遺傳信息的復(fù)制與表達(dá)。某些病毒RNA也可作為遺傳信息的載體第一節(jié)核酸的化學(xué)組成及其一級(jí)結(jié)構(gòu)TheChemicalComponentandPrimaryStructureofNucleicAcid核酸(DNA和RNA)核苷酸核苷和脫氧核苷磷酸戊糖堿基嘌呤嘧啶核糖脫氧核糖核酸組成分子組成堿基(base)：嘌呤堿，嘧啶堿戊糖(ribose)：核糖，脫氧核糖磷酸(phosphate)一、核苷酸是構(gòu)成核酸的基本組成單位堿基(base)是含氮的雜環(huán)化合物。堿基嘌呤嘧啶腺嘌呤鳥嘌呤尿嘧啶胸腺嘧啶胞嘧啶存在于DNA和RNA中僅存在于RNA中僅存在于DNA中堿基嘌呤(purine，Pu)腺嘌呤(adenine,A)鳥嘌呤(guanine,G)嘧啶(pyrimidine，Py)胞嘧啶(cytosine,C)尿嘧啶(uracil,U)胸腺嘧啶(thymine,T)堿基的互變異構(gòu)體

戊糖（構(gòu)成RNA）1′2′3′4′5′核糖(ribose)（構(gòu)成DNA）脫氧核糖(deoxyribose)脫氧核苷嘌呤N-9

或嘧啶N-1與脫氧核糖C-1

通過β-N-糖苷鍵相連形成脫氧核苷(deoxyribonucleoside)。

嘌呤N-9或嘧啶N-1與核糖C-1

通過β-N-糖苷鍵相連形成核苷(ribonucleoside)。核苷NNNN9NH2OOHOHHHHCH2OHH1'2'糖苷鍵核苷或脫氧核苷與磷酸通過酯鍵結(jié)合構(gòu)成核苷酸(ribonucleotide)或脫氧核苷酸(deoxyribonucleotide)。核苷酸(ribonucleotide)NNNN9NH2OOHOHHHHCH2H1'2'OPO-HOO糖苷鍵酯鍵多磷酸核苷酸環(huán)化核苷酸：cAMP、cGMP，是細(xì)胞信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)中的第二信使。cAMP核苷酸衍生物二、DNA是脫氧核苷酸通過3’,5’-磷酸二酯鍵連接形成的大分子一個(gè)脫氧核苷酸3的羥基與另一個(gè)核苷酸5

的α-磷酸基團(tuán)縮合形成磷酸二酯鍵(phosphodiesterbond)。

多個(gè)脫氧核苷酸通過磷酸二酯鍵構(gòu)成了具有方向性的線性分子，稱為多聚脫氧核苷酸(polydeoxynucleotide)，即DNA鏈。5′-末端3′-末端CGA磷酸二酯鍵磷酸二酯鍵交替的磷酸基團(tuán)和戊糖構(gòu)成了DNA的骨架(backbone)。DNA鏈的方向是5

→3

三、RNA也是具有3’,5’-磷酸二酯鍵的線性大分子RNA也是多個(gè)核苷酸分子通過酯化反應(yīng)形成的線性大分子，并且具有方向性;RNA的戊糖是核糖；RNA的嘧啶是胞嘧啶和尿嘧啶。定義核酸中核苷酸的排列順序。由于核苷酸間的差異主要是堿基不同，所以也稱為堿基序列。5′端3′端CGA四、核酸的一級(jí)結(jié)構(gòu)是核苷酸的排列順序AGP5

PTPGPCPTPOH3

書寫方法：5

pApCpTpGpCpT-OH

3

5

ACTGCT

3

核酸分子的大小常用堿基(base或kilobase)數(shù)目來表示。小的核酸片段(<50bp)常被稱為寡核苷酸(oligonucleotide)。自然界中的DNA和RNA的長度可以高達(dá)幾十萬個(gè)堿基。DNA和RNA的區(qū)別核糖G、C、A、URNA脫氧核糖G、C、A、TDNA堿基核糖核酸第二節(jié)DNA的空間結(jié)構(gòu)與功能DimensionalStructureandFunctionofDNADNA的空間結(jié)構(gòu)又分為二級(jí)結(jié)構(gòu)(secondarystructure)和高級(jí)結(jié)構(gòu)。DNA的空間結(jié)構(gòu)(spatialstructure)構(gòu)成DNA的所有原子在三維空間具有確定的相對位置關(guān)系。一、DNA的二級(jí)結(jié)構(gòu)是雙螺旋結(jié)構(gòu)不同生物種屬的DNA的堿基組成不同同一個(gè)體的不同器官或組織的DNA堿基組成相同。[A]=[T]，[G]=[C]Chargaff

規(guī)則（一）DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的研究背景獲得了高質(zhì)量的DNA分子的X射線衍射照片。提出了DNA分子雙螺旋結(jié)構(gòu)(doublehelix)模型。AGCTA/TG/CG+C嘌呤/嘧啶大腸桿菌26.024.925.223.91.090.9950.11.04結(jié)核桿菌15.134.935.414.61.030.9970.31.00酵母31.718.317.432.60.971.0535.71.00牛29.021.221.228.71.011.0042.41.01豬29.820.720.729.11.021.0041.41.01人30.419.919.930.11.011.0039.81.01不同生物來源DNA堿基組分和相對比例兩條多聚核苷酸鏈在空間的走向呈反向平行(anti-parallel)。兩條鏈圍繞著同一個(gè)螺旋軸形成右手螺旋(right-handed)的結(jié)構(gòu)。雙螺旋結(jié)構(gòu)的直徑為2.37nm，螺距為3.54nm。脫氧核糖和磷酸基團(tuán)組成的親水性骨架位于雙螺旋結(jié)構(gòu)的外側(cè)，疏水的堿基位于內(nèi)側(cè)。雙螺旋結(jié)構(gòu)的表面形成了一個(gè)大溝(majorgroove)和一個(gè)小溝(minorgroove)。（二）DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型要點(diǎn)1.DNA是反向平行、右手螺旋的雙鏈結(jié)構(gòu)親水性的骨架位于雙鏈的外側(cè)。疏水性的堿基位于雙鏈的內(nèi)側(cè)。骨架與堿基2.DNA雙鏈之間形成了互補(bǔ)堿基對堿基配對關(guān)系稱為互補(bǔ)堿基對(complementarybasepair)。DNA的兩條鏈則互為互補(bǔ)鏈(complementarystrand)。堿基對平面與螺旋軸垂直。堿基互補(bǔ)配對:鳥嘌呤/胞嘧啶堿基互補(bǔ)配對:腺嘌呤/胸腺嘧啶相鄰兩個(gè)堿基對會(huì)有重疊，產(chǎn)生了疏水性的堿基堆積力(basestackinginteraction)。堿基堆積力和互補(bǔ)堿基對的氫鍵共同維系著DNA結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。3.疏水作用力和氫鍵共同維系著DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。堿基堆積作用力（三）DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的多樣性旋向螺距(nm)堿基數(shù)（每圈）螺旋直徑（nm）骨架走行存在條件A型右手2.3112.5平滑體外脫水B型右手3.4102.3平滑DNA生理?xiàng)l件Z型左手4.5121.8鋸齒型CG序列三種DNA構(gòu)型的比較（四）DNA的多鏈螺旋結(jié)構(gòu)在酸性的溶液中，胞嘧啶的N-3原子被質(zhì)子化，可與鳥嘌呤的N-7原子形成氫鍵；同時(shí)，胞嘧啶的N-4的氫原子也可與鳥嘌呤的O-6形成氫鍵，這種氫鍵被稱為Hoogsteen氫鍵。Hoogsteen氫鍵Hoogsteen氫鍵，不破壞Watson-Crick氫鍵，由此形成了C＋GC的三鏈結(jié)構(gòu)(triplex)。三鏈結(jié)構(gòu)鳥嘌呤之間通過Hoogsteen氫鍵形成特殊的四鏈結(jié)構(gòu)(tetraplex)。四鏈結(jié)構(gòu)真核生物DNA3

-末端是富含GT的多次重復(fù)序列，因而自身形成了折疊的四鏈結(jié)構(gòu)。二、DNA的高級(jí)結(jié)構(gòu)是超螺旋結(jié)構(gòu)超螺旋結(jié)構(gòu)(superhelix或supercoil)DNA雙螺旋鏈再盤繞即形成超螺旋結(jié)構(gòu)。正超螺旋(positivesupercoil)盤繞方向與DNA雙螺旋方同相同。負(fù)超螺旋(negativesupercoil)盤繞方向與DNA雙螺旋方向相反。

原核生物DNA多為環(huán)狀，以負(fù)超螺旋的形式存在，平均每200堿基就有一個(gè)超螺旋形成。DNA超螺旋結(jié)構(gòu)的電鏡圖象（二）真核生物DNA的高度有序和高度致密的結(jié)構(gòu)真核生物DNA以非常有序的形式存在于細(xì)胞核內(nèi)。在細(xì)胞周期的大部分時(shí)間里，DNA以松散的染色質(zhì)(chromatin)形式存在，在細(xì)胞分裂期，則形成高度致密的染色體(chromosome)。DNA染色質(zhì)呈現(xiàn)出的串珠樣結(jié)構(gòu)。染色質(zhì)的基本單位是核小體(nucleosome)。DNA染色質(zhì)的電鏡圖像DNA：約200bp

組蛋白：H1H2A，H2BH3H4核小體的組成核小體串珠樣的結(jié)構(gòu)雙鏈DNA的折疊和組裝DNA經(jīng)過多次折疊，被壓縮了8000～10000倍，組裝在直徑只有為數(shù)微米的細(xì)胞核內(nèi)。真核生物的染色體DNA的基本功能是以基因的形式荷載遺傳信息，并作為基因復(fù)制和轉(zhuǎn)錄的模板。它是生命遺傳的物質(zhì)基礎(chǔ)，也是個(gè)體生命活動(dòng)的信息基礎(chǔ)。基因從結(jié)構(gòu)上定義，是指DNA分子中的特定區(qū)段，其中的核苷酸排列順序決定了基因的功能。三、DNA是遺傳信息的物質(zhì)基礎(chǔ)第三節(jié)

RNA的結(jié)構(gòu)與功能StructureandFunctionofRNARNA與蛋白質(zhì)共同負(fù)責(zé)基因的表達(dá)和表達(dá)過程的調(diào)控。RNA通常以單鏈的形式存在，但有復(fù)雜的局部二級(jí)結(jié)構(gòu)或三級(jí)結(jié)構(gòu)。RNA比DNA小的多。RNA的種類、大小和結(jié)構(gòu)遠(yuǎn)比DNA表現(xiàn)出多樣性。RNA的種類、分布、功能信使RNA(messengerRNA,mRNA)是合成蛋白質(zhì)的模板。不均一核RNA(hnRNA)含有內(nèi)含子(intron)和外顯子(exon)。

外顯子是氨基酸的編碼序列，而內(nèi)含子是非編碼序列。hnRNA經(jīng)過剪切后成為成熟的mRNA。一、mRNA是蛋白質(zhì)合成中的模板hnRNA內(nèi)含子(intron)mRNAmRNA成熟過程

外顯子(exon)從AUG開始，每三個(gè)核苷酸為一組編碼了一個(gè)氨基酸，稱為三聯(lián)體密碼(codon)。成熟的mRNA由氨基酸編碼區(qū)和非編碼區(qū)構(gòu)成。5

-末端的帽子(cap)結(jié)構(gòu)和3

-末端的多聚A尾(poly-Atail)結(jié)構(gòu)。成熟的真核生物mRNA帽子結(jié)構(gòu):m7GpppNm（一）大部分真核細(xì)胞mRNA的5'末端都以7-甲基鳥嘌呤-三磷酸核苷為起始結(jié)構(gòu)mRNA的帽結(jié)構(gòu)可以與帽結(jié)合蛋白(capbindingprotein，CBP)結(jié)合。加帽過程真核生物的mRNA的3-末端轉(zhuǎn)錄后加上一段長短不一的聚腺苷酸。（二）在真核生物mRNA的3'末端有多聚腺苷酸結(jié)構(gòu)加尾過程mRNA核內(nèi)向胞質(zhì)的轉(zhuǎn)位mRNA的穩(wěn)定性維系翻譯起始的調(diào)控帽子結(jié)構(gòu)和多聚A尾的功能（三）mRNA依照自身的堿基順序指導(dǎo)蛋白質(zhì)氨基酸順序的合成從mRNA分子5'末端起的第一個(gè)AUG開始，每3個(gè)核苷酸為一組稱為密碼子(codon)或三聯(lián)體密碼(tripletcode)。AUG被稱為起始密碼子；決定肽鏈終止的密碼子則稱為終止密碼子。位于起始密碼子和終止密碼子之間的核苷酸序列稱為開放閱讀框(openreadingframe,ORF)，決定了多肽鏈的氨基酸序列。（四）mRNA的成熟過程是hnRNA的剪接過程卵清蛋白mRNA的成熟轉(zhuǎn)運(yùn)RNA(transferRNA,tRNA)在蛋白質(zhì)合成過程中作為各種氨基酸的載體,將氨基酸轉(zhuǎn)呈給mRNA。由74～95核苷酸組成；占細(xì)胞總RNA的15%；具有很好的穩(wěn)定性。二、tRNA是蛋白質(zhì)合成中的氨基酸載體（一）tRNA中含有多種稀有堿基tRNA具有局部的莖環(huán)(stem-loop)結(jié)構(gòu)或發(fā)卡(hairpin)結(jié)構(gòu)。（二）tRNA具有莖環(huán)結(jié)構(gòu)tRNA的二級(jí)結(jié)構(gòu)——三葉草形氨基酸臂，DHU環(huán)，反密碼環(huán)，TψC環(huán)，附加叉tRNA的倒L三級(jí)結(jié)構(gòu)tRNA的3-末端都是以CCA結(jié)尾。3-末端的A與氨基酸共價(jià)連結(jié)，tRNA成為了氨基酸的載體。不同的tRNA可以結(jié)合不同的氨基酸。（三）tRNA的3-末端連接氨基酸t(yī)RNA的反密碼子環(huán)上有一個(gè)由三個(gè)核苷酸構(gòu)成的反密碼子(anticodon)。tRNA上的反密碼子依照堿基互補(bǔ)的原則識(shí)別mRNA上的密碼子。（四）tRNA的反密碼子識(shí)別mRNA的密碼子核蛋白體RNA(ribosomalRNA，rRNA)是細(xì)胞內(nèi)含量最多的RNA(>80％)。rRNA與核蛋白體蛋白結(jié)合組成核蛋白體(ribosome)，為蛋白質(zhì)的合成提供場所。三、以rRNA為組分的核蛋白體是蛋白質(zhì)合成的場所核蛋白體的組成原核生物（以大腸桿菌為例）真核生物（以小鼠肝為例）小亞基30S40SrRNA16S1542個(gè)核苷酸18S1874個(gè)核苷酸蛋白質(zhì)21種占總重量的40%33種占總重量的50%大亞基50S60SrRNA23S5S29