第 二 章 核酸的结构和功能 Structure and Function of Nucleic Acid

核 酸 (nucleic acid) 是以核苷酸为基本组成单位的生物大 分子，携带和传递遗传信息。

一、核酸的发现和研究工作进展  1868 年 Fridrich Miescher 从脓细胞中提取 “ 核素 ”  1944 年 Avery 等人证实 DNA 是遗传物质  1953 年 Watson 和 Crick 发现 DNA 的双螺旋结构  1965 年 Nirenberg 发现遗传密码  1970 年 Temin 和 Baltimore 发现逆转录酶  1981 年 Gilbert 和 Sanger 建立 DNA 测序方法  1985 年 Mullis 发明 PCR 技术  1990 年 美国启动人类基因组计划 (HGP)  1994 年 中国人类基因组计划启动  2001 年 美、英等国完成人类基因组计划基本框架

二、核酸的分类及分布 90% 以上分布于细胞核，其余分布于 核外如线粒体，叶绿体，质粒等。 分布于胞核、胞液。 (deoxyribonucleic acid, DNA) (ribonucleic acid, RNA) 脱氧核糖核酸 核糖核酸 携带遗传信息，决定细胞和个 体的基因型 (genotype) 。 参与细胞内 DNA 遗传信息的表 达。某些病毒 RNA 也可作为遗 传信息的载体。

第一节 核酸的化学组成及其一级结构 The Chemical Component and Primary Structure of Nucleic Acid

核酸的化学组成 1. 元素组成 C 、 H 、 O 、 N 、 P （ 9~10% ） 2. 分子组成 —— 碱基 (base) ：嘌呤碱，嘧啶碱 —— 戊糖 (ribose) ：核糖，脱氧核糖 —— 磷酸 (phosphate)

嘌呤 (purine) 腺嘌呤 (adenine, A) 鸟嘌呤 (guanine, G) 碱 基

嘧啶 (pyrimidine) 胞嘧啶 (cytosine, C) 尿嘧啶 (uracil, U) 胸腺嘧啶 (thymine, T)

碱基的互变异构  酮式－烯醇 C=O C-OH N N  氨基－亚氨基 C-NH 2 C=NH HN HN  受介质 pH 影响

戊 糖戊 糖 （构成 RNA ） 1´1´ 2´2´3´3´ 4´4´ 5´5´ 核糖 (ribose) （构成 DNA ） 脱氧核糖 (deoxyribose) H

核苷： AR, GR, UR, CR 脱氧核苷： dAR, dGR, dTR, dCR 一、核苷酸的结构 1. 核苷 (ribonucleoside) 的形成 碱基和核糖（脱氧核糖）通过糖 苷键连接形成核苷（脱氧核苷）。 1´1´ 1

核苷酸： AMP, GMP, UMP, CMP 脱氧核苷酸： dAMP, dGMP, dTMP, dCMP 2. 核苷酸 (ribonucleotide) 的结构与命名 核苷（脱氧核苷）和磷酸以磷酸酯键 连接形成核苷酸（脱氧核苷酸）。

电 脑 模 型图 简化式 酯键 糖苷键

体内重要的游离核苷酸及其衍生物  含核苷酸的生物活性物质： NAD + 、 NADP + 、 CoA-SH 、 FAD 等都含有 AMP 多磷酸核苷酸： NMP ， NDP ， NTP 环化核苷酸 : cAMP ， cGMP AMP ADP ATP cAMP NADP + NAD +

5´端5´端 3´端3´端 3. 核苷酸的连接 核苷酸之间以 磷酸二酯键连接形 成多核苷酸链，即 核酸。 C G A

二、核酸的一级结构 定义 核酸中核苷酸的排 列顺序。 由于核苷酸间的差 异主要是碱基不同，所 以也称为碱基序列。 5′ 端 3′ 端 C G A

AG P 5 P T P G P C P T P OH 3 书写方法 5 pApCpTpGpCpT- OH 3 5 A C T G C T 3 目 录目 录

第二节 DNA 的空间结构与功能 Dimensional Structure and Function of DNA

 DNA 的二级结构 - 双螺旋结构 DNA 双螺旋结构的研究背景和历史意义 DNA 双螺旋结构模型要点  DNA 的超螺旋结构及其在染色质中的组装 DNA 的超螺旋结构 原核生物 DNA 的高级结构 DNA 在真核生物细胞核内的组装  DNA 的功能

一、 DNA 的二级结构 —— 双螺旋结构

（一） DNA 双螺旋结构的研究背景和历史意义 碱基组成分析 Chargaff 规则Chargaff 规则： [A] = [T] [G]  [C] 碱基的理化数据分析 A-T 、 G-C 以氢键配对较合理 DNA 纤维的 X- 线衍射图谱分析 目 录目 录

 Chargaff 规则  任何一种生物中各碱基相对比例相同 即： A=T ， G=C ；  不同生物的 DNA, 其碱基组成不同；  同一个体不同器官、组织的 DNA, 其碱基组成相同。  DNA 双螺旋结构发现的历史意义：  揭示了生物体遗传信息储存及表达的分子机制  开创了现代分子生物学  是生物学发展史上的里程碑

（二） DNA 双螺旋结构模型要点 （ Watson, Crick, 1953 ）  DNA 分子由两条相互平行但 走向相反的脱氧多核苷酸链 组成，两链以 - 脱氧核糖 - 磷 酸 - 为骨架，以右手螺旋方 式绕同一公共轴盘。螺旋直 径为 2 nm ，形成大沟 (major groove) 及小沟 (minor groove) 相间。 目 录目 录

（二） DNA 双螺旋结构模型要点 （ Watson, Crick, 1953 ）  碱基垂直螺旋轴居双螺旋内 側，与对側碱基形成氢键配 对（互补配对形式： A=T; G  C ） 。 碱基垂直螺旋轴居双螺旋内 側，与对側碱基形成氢键配 对（互补配对形式： A=T; G  C ） 。  相邻碱基平面距离 0.34nm ， 螺旋一圈螺距 3.4nm ，一圈 10 对碱基。 相邻碱基平面距离 0.34nm ， 螺旋一圈螺距 3.4nm ，一圈 10 对碱基。 目 录目 录

碱基互补配对TAGC

（二） DNA 双螺旋结构模型要点 （ Watson, Crick, 1953 ）  氢键维持双链横向稳定 性，碱基堆积力维持双 链纵向稳定性。 氢键维持双链横向稳定 性，碱基堆积力维持双 链纵向稳定性。 目 录目 录

（三） DNA 双螺旋结构的多样性 目 录目 录

B-

二、 DNA 的超螺旋结构及其在染色质 中的组装 （一） DNA 的超螺旋结构 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

意义 DNA 超螺旋结构整体或局部的拓扑学 变化及其调控对于 DNA 复制和 RNA 转录过 程具有关键作用。

（二）原核生物 DNA 的高级结构

（三） DNA 在真核生物细胞核内的组装 真核生物染色体由 DNA 和蛋白质构成， 其基本单位是 核小体 (nucleosome) 。 核小体的组成 DNA ：约 200bp 组蛋白： H1 H2A ， H2B H3 H4

三、 DNA 的功能 DNA 的基本功能是以基因的形式荷载遗 传信息，并作为基因复制和转录的模板。它 是生命遗传的物质基础，也是个体生命活动 的信息基础。 基因从结构上定义，是指 DNA 分子中的 特定区段，其中的核苷酸排列顺序决定了基 因的功能。

第三节 RNA 的结构与功能 Structure and Function of RNA

RNA 的种类、分布、功能

一 、信使 RNA 的结构与功能 hnRNA 内含子 ( intron ) mRNA * mRNA 成熟过程 外显 子 ( exon ) 目 录目 录

* mRNA 结构特点 1. 大多数真核 mRNA 的 5´ 末端均在转录后加上 一个 7- 甲基鸟苷，同时第一个核苷酸的 C´ 2 也 是甲基化，形成帽子结构： m 7 GpppN m - 。 2. 大多数真核 mRNA 的 3´ 末端有一个多聚腺苷酸 (polyA) 结构，称为多聚 A 尾。

帽子结构

mRNA 核内向胞质的转位 mRNA 的稳定性维系 翻译起始的调控 帽子结构和多聚 A 尾的功能 eIF4A 帽结合蛋白（ CBPs) polyA 结合蛋白 (PAB)

* mRNA 的功能 把 DNA 所携带的遗传信息，按碱基互 补配对原则，抄录并传送至核糖体，用以决 定其合成蛋白质的氨基酸排列顺序。 DNA mRNA 蛋白 转录 翻译 原核细胞 细胞质 细胞核 DNA 内含子 外显子 转录 转录后剪接 转运 mRNA hnRNA 翻译 蛋白 真核细胞

* tRNA 的一级结构特点  含 10~20% 稀有碱基，如 DHU  3´ 末端为 — CCA-OH  5´ 末端大多数为 G  具有 T  C 二、转运 RNA 的结构与功能

N,N 二甲基鸟嘌呤 N 6 - 异戊烯腺嘌呤 双氢尿嘧啶 4- 巯尿嘧啶 稀有碱基

* tRNA 的二级结构 —— 三叶草形  氨基酸臂  DHU 环  反密码环  额外环  TΨC 环 氨基酸臂 额外环

* tRNA 的三级结构 —— 倒 L 形 * tRNA 的功能 活化、搬运氨基 酸到核糖体，参与蛋 白质的翻译。

* rRNA 的结构 三、核蛋白体 RNA 的结构与功能 * rRNA 的功能 参与组成核蛋白 体，作为蛋白质生物 合成的场所。

* rRNA 的种类（根据沉降系数） 真核生物 5S rRNA 28S rRNA 5.8S rRNA 18S rRNA 原核生物 5S rRNA 23S rRNA 16S rRNA

核蛋白体的组成 原核生物（以大肠杆菌为例）真核生物（以小鼠肝为例） 小亚基 30S40S rRNA16S 1542 个核苷酸 18S 1874 个核苷酸 蛋白质 21 种占总重量的 40%33 种占总重量的 50% 大亚基 50S60S rRNA23S 5S 2940 个核苷酸 120 个核苷酸 28S 5.85S 5S 4718 个核苷酸 160 个核苷酸 120 个核苷酸 蛋白质 31 种占总重量的 30%49 种占总重量的 35%

四 、其他小分子 RNA 及 RNA 组学 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 非 mRNA 小 RNA(small non-messenger RNAs, snmRNAs) 。 snmRNAs

snmRNAs 的种类 核内小 RNA 核仁小 RNA 胞质小 RNA 催化性小 RNA 小片段干涉 RNA snmRNAs 的功能 参与 hnRNA 和 rRNA 的加工和转运。

RNA 组学研究细胞中 snmRNAs 的种类、 结构和功能。同一生物体内不同种类的细胞、 同一细胞在不同时间、不同状态下 snmRNAs 的表达具有时间和空间特异性。 RNA 组学

核酸和蛋白质的比较

核 酸 的 理 化 性 质 The Physical and Chemical Characters of Nucleic Acid 第 四 节第 四 节 目 录目 录

1. DNA 或 RNA 的定量 OD 260 =1.0 相当于 50 μ g/ml 双链 DNA 40μg/ml 单链 DNA （或 RNA ） 20μg/ml 寡核苷酸 2. 判断核酸样品的纯度 DNA 纯品 : OD 260 /OD 280 = 1.8 RNA 纯品 : OD 260 /OD 280 = 2.0 OD 260 的应用 目 录目 录

二、 DNA 的变性 (denaturation) 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。 方法：过量酸，碱，加热，变性试剂如尿素、 酰胺以及某些有机溶剂如乙醇、丙酮等。 变性后其它理化性质变化： OD 260 增高粘度下降 比旋度下降浮力密度升高 酸碱滴定曲线改变生物活性丧失 目 录目 录

DNA 变性的本质是双链间氢键的断裂

例：变性引起紫外吸收值的改变 DNA 的紫外吸收光谱  增色效应： DNA 变性时其溶液 OD 260 增高的现象。 目 录目 录

热变性  解链曲线： 如果在连续加热 DNA 的过程中以 温度对 A260 （ absorbance ， A ， A260 代表溶液 在 260nm 处的吸光率）值作图，所得的曲线称 为解链曲线。 目 录目 录

 Tm ：变性是在一个相当窄的温度范围内完成， 在这一范围内，紫外光吸收值达到最大值的 50% 时的温度称为 DNA 的解链温度，又称融解 温度 (melting temperature, Tm) 。其大小与 G+C 含量成正比。 目 录目 录

三、 DNA 的复性与分子杂交 DNA 复性 (renaturation) 的定义 在适当条件下，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。 减色效应 DNA 复性时，其溶液 OD 260 降低。 热变性的 DNA 经缓慢冷却后即可复性， 这一过程称为退火 (annealing) 。 目 录目 录

在 DNA 变性后的复性过程中，如果将不 同种类的 DNA 单链分子或 RNA 分子放在同一 溶液中，只要两种单链分子之间存在着一定 程度的碱基配对关系，在适宜的条件（温度 及离子强度）下，就可以在不同的分子间形 成杂化双链 (heteroduplex) 。 这种杂化双链可以在不同的 DNA 与 DNA 之间形成，也可以在 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。 核酸分子杂交 (hybridization)

DNA-DNA 杂交双链分子 变性 复性 不同来源的 DNA 分子

核酸分子杂交的应用 研究 DNA 分子中某一种基因的位置 定两种核酸分子间的序列相似性 检测某些专一序列在待检样品中存在与否 是基因芯片技术的基础

探针  在核酸杂交的基础上发展起来的一种 用于研究核酸和基因诊断的新技术称 为探针技术。  探针：单链的核苷酸聚合体标记后， 就可以称为探针。

第 五 节 核 酸 酶 Nuclease

核酸酶是指所有可以水解核酸的酶  依据底物不同分类  DNA 酶 (deoxyribonuclease, DNase) ： 专一降解 DNA 。  RNA 酶 (ribonuclease, RNase) ： 专一降解 RNA 。  依据切割部位不同  核酸内切酶：分为限制性核酸内切酶和非 特异性限制性核酸内切酶。  核酸外切酶： 5´→3´ 或 3´→5´ 核酸外切酶。

 参与 DNA 的合成与修复及 RNA 合成后的剪 接等重要基因复制和基因表达过程  负责清除多余的、结构和功能异常的核酸， 同时也可以清除侵入细胞的外源性核酸  在消化液中降解食物中的核酸以利吸收  体外重组 DNA 技术中的重要工具酶 生物体内的核酸酶负责细胞内外催化核酸的降解 核酸酶的功能

核 酶  催化性 DNA (DNAzyme) 人工合成的寡聚脱氧 核苷酸片段，也能序列特异性降解 RNA 。  催化性 RNA (ribozyme) 作为序列特异性的核 酸内切酶降解 mRNA 。

小 结  DNA 的组成与结构及性质性质 一级：碱基序列 二级：双螺旋结构 三级：核小体、超螺旋等  RNA 的组成与结构 mRNA ：密码子、 5’ 帽子、 3’poly 尾 tRNA ：三叶草、倒 L 型结构、反密码子 rRNA ：大、小亚基的组装  DNA 与 RNA 的区别：组成、结构、功能区别

核酸的性质  OD 260 /OD 280  变性与复性  增色效应与减色效应  解链曲线与解链温度  分子杂交与探针技术

DNA 和 RNA 的比较