核酸的结构与功能 1

提要 核酸的一级结构 DNA的二级结构 DNA的三级结构 染色体结构 RNA的二级、三级结构 核酸的性质 2

核酸的分类 DNA —— 一种类型，一种功能 RNA —— 多种类型，多种功能 编码RNA和非编码 (NcRNA) DNA和RNA的结构异同 性质 RNA DNA 戊糖 D-核糖 2′-D-脱氧核糖 碱基 A、G、C、U A、G、C、T 多聚核苷酸链的数目 多为单链 多为双链 双螺旋 A型 B型和Z型 种类 多种 只有一种 功能 功能多样 一种功能:充当遗传物质 碱溶液下的稳定性 不稳定，很容易水解 稳定 11

英文缩写 全称 功能 存在 mRNA 信使RNA 翻译模板 所有的细胞 tRNA 转移RNA 携带氨基酸，参与翻译 同上 rRNA 核糖体RNA 核糖体组分，参与翻译 SnRNA 小分子细胞核RNA 参与真核mRNA前体的剪接 真核细胞 SnoRNA 小分子细胞核仁RNA 参与真核rRNA前体的后加工 7SLRNA 7S长RNA 参与蛋白质的定向和分泌 tmRNA 转移信使RNA 兼有mRNA和tRNA的功能 原核细胞 micRNA 信使干扰互补RNA 调节mRNA的翻译 gRNA 指导RNA 参与真核mRNA的编辑 某些真核细胞 vRNA 病毒RNA 作为RNA病毒的遗传物质 RNA病毒 RNAi (siRNA和miRNA) 干扰RNA 调节基因的表达 Ribozyme 核酶 催化特定的生化反应 原核细胞、真核细胞和某些RNA病毒 Xist RNA 调节雌性哺乳动物一条X染色体转变成巴氏小体 雌性哺乳动物

核酸的一级结构 什么是一级结构？ 任何表示一级结构？ 如何确定一级结构?

构成DNA和RNA核苷酸的结构和连接方式

核酸一级结构的缩写

DNA & RNA 的差别? 为什么DNA含有T? C自发脱氨基变成U 修复酶能够识别这些突变，以用C取代这些U。 如何区分正常的U和突变而来的U? 使用T就很容易解决以上问题。 18

DNA & RNA 的差别? 为什么DNA 2‘-脱氧，RNA不是? RNA临近的-OH使其更容易 DNA缺乏2‘-OH更加稳定 遗传物质必须更加稳定 RNA需要的时候合成，不需要的时候需要迅速降解。 19

DNA的二级结构 DNA的二级结构主要是各种形式的螺旋，特别是B-型双螺旋，此外还有A-型双螺旋、Z-型双螺旋、三链螺旋和四链螺旋等

Happy Birthday, Double Helix

Crick（右）在讨论DNA双螺旋结构模型 已步入古稀之年的Watson（左）和 Crick（右）在讨论DNA双螺旋结构模型

B型双螺旋 DNA二级结构的主要形式为James Watson和Francis Crick于1953年提出的B型双螺旋，其主要内容是： （2）组成右手双螺旋的两条链是互补的，它们通过特殊的碱基对结合在一起，碱基配对规则是一条链上的A总是与另一条链的T，G总是和C以氢键配对。其中AT碱基对有二个氢键，GC碱基对有3个氢键； （3）碱基对位于双螺旋的内部，并垂直于暴露在外的脱氧核糖磷酸骨架。碱基对之间通过疏水键和范德华力相互垛叠在一起，对双螺旋的稳定起一定的作用； （4）双螺旋的表面含有明显的大沟和小沟（，其宽度分别为2.2nm和1.2nm； （5）双螺旋的其它常数包括相邻碱基对距离为0.34nm，并相差约36°。螺旋的直经为2nm，每一转完整的螺旋含有10个碱基对，其高度为3.4nm。

AT和GC碱基对的配对性质

B-型DNA双螺旋结构的主要特征

DNA双螺旋结构的证据 （1）X射线衍射数据 （2）Chargaff 规则 （3）碱基的互变异构

DNA湿纤维的X射线衍射图

不同物种DNA的A/T、G/C和A/G的比率 人 1.00 1.56 大麻哈鱼 1.02 1.43 小麦 0.97 1.22 酵母 1.03 1.67 大肠杆菌 1.09 0.99 1.05 粘质沙雷菌 0.95 0.86 0.70

DNA分子中不同碱基之间的可能配对

稳定双螺旋的因素 （1）氢键 氢键固然重要，但它们主要决定碱基配对的特异性，而对双螺旋稳定的贡献不是最重要的。对双螺旋稳定起决定性作用的是碱基的堆集力。 （2）碱基堆集力 这是碱基对之间在垂直方向上的相互作用所产生的力。它包括疏水作用和范德华力。碱基间相互作用的强度与相邻碱基之间环重叠的面积成正比。总的趋势是嘌呤与嘌呤之间>嘌呤与嘧啶之间>嘧啶与嘧啶之间。另外碱基的甲基化能提高碱基的堆积力。 （3）阳离子或带正电荷的化合物对磷酸基团的中和。

DNA双螺旋的ABZs A-DNA A-RNA 小沟 大沟

A型双螺旋、B型双螺旋和Z型双螺旋的比较 外形 短而宽 长而瘦 长而细 每碱基对上升距离 0.23nm 0.332±0.19nm 0.38nm 螺旋直经 2.55nm 2.37nm 1.84nm 螺旋方向 右手 左手 螺旋内每重复单位的bp数 1 2 每圈bp数 ～11 ～10 12 碱基夹角 32.7° 34.6° 60°/2 螺距 2.46nm 3.32nm 4.56nm 碱基对倾角 ＋19° 1.2°±4.1° －9° 螺旋轴位置 大沟 穿过碱基对 小沟 极度窄、很深 很宽，深度中等 平坦 很宽、浅 窄，深度中等 糖苷键构象 反式 C为反式，G为顺式 糖环折叠 C3′内式 C2′内式 嘧啶C2′内式，嘌呤C3′内式 存在 双链RNA，RNA/DNA杂交双链，低湿度 DNA（75％） 双链DNA（高湿度，92％） 嘧啶和嘌呤交替存在的双链DNA或DNA链上嘧啶和嘌呤交替存在的区域

DNA的非标准二级结构 细胞内的DNA在特殊的条件下还可能形成其它几种非标准的二级结构。这些特殊的条件包括：DNA受到某些蛋白质的作用（如组蛋白）；DNA本身所具有的特殊基序，例如反向重复序列，回文结构，镜像重复，直接重复，高嘌呤序列，高嘧啶序列，富含A序列和富含G序列。 （1）弯曲 （2）十字形 （3）P-DNA （4）三链螺旋与H-DNA （5）四链螺旋与G-四联体 （5）滑动错配DNA（SMP-DNA）

十字形DNA的形成 P-DNA与B-DNA的比较

滑动错配DNA

DNA的三级结构——超螺旋 如果通过某种手段使得DNA双螺旋每一圈的碱基对数目多于或少于10对，将导致DNA双螺旋缠绕过多或缠绕不足；如果这时的DNA两端被固定或者DNA本来是共价闭环的，的张力无法释放而自发地形成超螺旋结构。 DNA超螺旋分为正超螺旋和负超螺旋，其中正超螺旋为左手超螺旋，由DNA双螺旋过度缠绕引起，负超螺旋为右手超螺旋，由DNA双螺旋缠绕不足引起。

DNA复制过程中正超螺旋DNA的形成

从DNA双螺旋到染色体

电镜下的核小体结构

核小体结构模型

RNA的二级结构 RNA的二级结构主要取决于它的碱基组成，其二级结构的多样性可以和蛋白质相媲美。少数病毒RNA由两条互补的多聚核糖核苷酸链组成，它的二级结构为A型双螺旋。多数RNA仅由一条链组成，它们的二级结构主要是由链内碱基的互补性决定的：链内互补的碱基可以相互作用形成链内A型双螺旋，非互补的碱基则游离在双螺旋之外，形成各种二级结构。在RNA双螺旋内常常可以发现GU碱基对。 RNA分子中的GU碱基对

RNA的三级结构 构成RNA的三级结构的主要元件有假节结构、“吻式”发夹结构和发夹环突触结构（等三种形式。tRNA则可形成倒L型三级结构

tRNA tRNA分子只由一条链组成，含有73~94个核苷酸，其中有不少是修饰的核苷酸或修饰的碱基，3′-端的最后三个核苷酸总是CCA，链内的大多数碱基通过氢键相连，但几乎所有的tRNA分子上不变的核苷酸都在三叶草结构上非氢键区域。构成tRNA二级结构的要素有：环、茎和臂。一个典型tRNA的二级结构像三叶草，含有四个环和四个茎。环由链内没有配对的碱基突出而成，茎则是链内互补的碱基之间配对形成的局部A-型双螺旋，臂则是紧靠着茎又不属于环的非配对核苷酸。 tRNA三级结构形成的原因是D环上的碱基与不变碱基以及TψC环上的碱基之间的发生的氢键作用。这些氢键将D臂和TψC臂折叠到一起，并将三叶草二级结构弯曲成稳定的倒L型三级结构。参与三级结构形成的许多氢键并不是通常的AU和GC碱基对。 17

RNA的倒L形三级结构 图12-31 tRNA三级结构之中的氢键配对

tRNA三级结构之中的氢键配对

tRNA三级结构之中的氢键配对

rRNA 核糖体合成蛋白质 所有的核糖体都含有大小两个亚基 rRNA约占据核糖体的2/3 高度的链内互补序列导致大量的碱基配对 大肠杆菌的23S rRNA是转肽酶! 一级结构上相似性并不高，但它们的二级结构却惊人地相似。 核糖体的整体构象由rRNA决定，核糖体蛋白质一般正好位于RNA螺旋之间 19

16S rRNA的二级结构

原核生物核糖体小亚基rRNA的三维结构

原核生物核糖体大亚基rRNA的三维结构

mRNA DNA的转录产物，蛋白质的翻译模板 原核生物多为多顺反子 真核生物多为单顺反子，5′-端具有帽子，3′-端具有多聚腺苷酸尾巴。 出现在mRNA分子上最多的二级结构部件也是茎环结构。mRNA分子的二级结构，特别是两端的二级结构对于翻译有影响，而某些mRNA借助于末端特殊的二级结构对基因的表达进行调控。 14

核酸的理化性质 紫外吸收 酸碱解离 变性 复性和杂交 DNA的变性和复性

变性 核酸的变性是指核酸受到加热、极端的pH或离子强度的降低等因素或特殊的化学试剂的作用，其双螺旋区的氢键断裂，变成单链的过程，其中并不涉及共价键断裂。 核酸在变性时，紫外吸收和浮力密度升高，粘度降低，生物活性（主要是RNA）降低和丧失，其中紫外吸收增加的现象称为增色效应。 双链DNA热变性是在很窄的温度内发生的，与晶体在熔点时突然熔化的情形相似，因此DNA也具有“熔点”，用Tm表示。Tm实际是DNA的双螺旋有一半发生热变性时相应的温度。 DNA的Tm值受到DNA的均一性、G-C含量、离子强度和特殊的化学试剂的影响。

GC含量对DNA Tm的影响

DNA分子中的GC含量与DNA Tm之间的关系曲线

复性 核酸变性在一定条件下也是可逆的。当各种变性因素不复存在的时候，变性时解开的互补单链全部或部分恢复到天然双螺旋结构的现象称为复性。热变性DNA 一般经缓慢冷却后即可复性，此过程被称为退火。 伴随着DNA复性的是其浮力密度和紫外吸收的减少、粘度的增加和生物活性的恢复，其中紫外吸收减少的现象被称为减色效应。 影响DNA复性的因素有温度、离子强度、DNA浓度和DNA序列的复杂度等。

DNA的复性历程

不同DNA的复性动力学曲线

核酸的水解 酸水解 核酸分子内的糖苷键和磷酸二酯键对酸的敏感性不同：糖苷键＞磷酸酯键；而嘌呤糖苷键＞嘧啶糖苷键 碱水解 RNA的磷酸二酯键对碱异常敏感，得到2′-或3′-核苷酸的混合物；DNA对碱的作用并不敏感，其抗碱水解的生理意义在于作为遗传物质的DNA应更稳定，不易水解。而RNA（主要是mRNA）是DNA的信使，完成任务后应该迅速降解。 3. 酶促水解 20