第 二 章

核酸的结构和功能Structure and Function of Nucleic AcidStructure and Function of Nucleic Acid

The biochemistry and molecular biology department of CMU

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。

核酸的分类及分布

存在于细胞核和线粒体内。

存在于胞核、胞液和线粒体。

(deoxyribonucleic acid, DNA)

(ribonucleic acid, RNA)

脱氧核糖核酸

核糖核酸

携带遗传信息，决定细胞和个体的遗传型 (genotype) 。

参与遗传信息的复制与表达。某些病毒 RNA 也可作为遗传信息的载体。

第一节

核酸的化学组成及一级结构The Chemical Component and Primary Str

ucture of Nucleic Acid

核酸的基本组成单位是核苷酸 (nucleotide) 。

碱基

戊糖磷酸

核苷酸核苷

核酸

DNA 的基本组成单位是脱氧核糖核苷酸 。RNA 的基本组成单位是核糖核苷酸 。

嘌呤

嘧啶

碱基

腺嘌呤（ A ）

鸟嘌呤（ G ）

胞嘧啶（ C ）

胸腺嘧啶（ T ）

尿嘧啶（ U ）

DNA 、 RNA 均有

DNA 有

RNA 有

一、核苷酸的结构

每种核酸都含有四种碱基 。

嘌呤 (purine)

N

N

NH

N1

23

4

567

89

N

N

NH

N

NH2

腺嘌呤 (adenine, A)

N

NH

NH

N

NH2

O

鸟嘌呤 (guanine, G)

碱 基

N

NH1

32

45

6

嘧啶 (pyrimidine)

胞嘧啶 (cytosine, C)

N

NH

NH2

O

尿嘧啶 (uracil, U)

NH

NH

O

O

胸腺嘧啶 (thymine, T)

NH

NH

O

O

CH3

五种碱基都能形成酮式 - 烯醇式或氨基 - 亚氨基的互变异构。这两种异构体的平衡关系受介质酸碱环境的影响。

HN

HNC

NH2+

O

+HN

NH2

N

NH2

亚氨基 氨基

+ H+

NC

OH

NC

O-

+ H+

酮式 烯醇式

戊 糖

（构成 RNA ）核糖 (ribose)

（构成 DNA ）脱氧核糖 (deoxyribose)

1

2

4

5

3

O

OHOH

HHH

CH2OH

H

OH O

HOH

HHH

CH2OH

H

OH

1

2 3

4

5

碱基和核糖（或脱氧核糖）通过糖苷键连接形成核苷 (nucleoside) （或脱氧核苷）。

ÏÙàÑßʺËÜÕ

N

N

N

N9

NH2

O

OHOH

HH H

CH2OH

H1'

2'

ÌÇÜÕ¼ü

°ûà×à¤ÍÑÑõºËÜÕ

1

N

NO

NH2

1'

2'

O

HOH

HH H

CH2OH

H

ÌÇÜÕ¼ü

核苷酸：AMP, GMP, UMP, CMP

脱氧核苷酸：dAMP, dGMP, dTMP, dCMP

核苷（脱氧核苷）和磷酸以酯键连接形成核苷酸（脱氧核苷酸）。

ÌÇÜÕ¼ü

õ¥¼ü

ÏÙÜÕËá

N

N

N

N9

NH2

O

OHOH

HH H

CH2

H1'

2'

OP

O-

HO

O5'

多磷酸核苷酸： NMP ， NDP ， NTP N

N

N

N9

NH2

O

OHOH

HH H

CH2

H1'

2'

OP

O-

O

O

PO

O-

O

P

O-

-O

O¦Á¦Â¦Ã

Ò»Á×ËáÏÙÜÕ£¨ AMP£©

¶þÁ×ËáÏÙÜÕ£¨ ADP£©

ÈýÁ×ËáÏÙÜÕ£¨ ATP£©

环化核苷酸 : cAMP ， cGMP

N

N

N

N

NH2

O

OHO

HH H

CH2

H

O

PHO

O cAMP

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

核苷酸之间以 3 , 5

- 磷酸二酯键连接形成多核苷酸链，即核酸。

C

G

A

书写方法

P P

A

P

C

P

C

P

T

P

G

OH

C

P

T

P

A

P

A

5' 3'

pApCpTpGpCpTpApApC-OH 3'

5' ACTGCTAAC 3'

5'

DNA 与 RNA 的区别

核酸 碱基 戊糖

DNAA 、 G 、 C

、 T脱氧核糖

RNAA 、 G 、 C

、 U核糖

第二节

DNA 的空间结构与功能 Dimen

sional Structure and Function of DNA

一、 DNA 的二级结构—— 双螺旋结构

（一） DNA 双螺旋结构的研究背景

碱基组成分析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

已知的核酸化学数据

（二） DNA 双螺旋结构模型要点

1. 两条链反向平行，围绕同一中心轴构成右手双螺旋 (double helix) 。螺旋直径 2nm ，表面有大沟和小沟。

2. 磷酸 - 脱氧核糖骨架位于螺旋外侧，碱基垂直于螺旋轴而伸入内侧。每圈螺旋含 10 个碱基对 (bp) ，螺距为 3.4nm 。

碱基平面与纵轴垂直，糖环平面与纵轴平行

3. 两条链通过碱基间的氢键相连， A 对 T 有两个氢键， C 对 G 有三个氢键，这种 A-T 、 C-G 配对的规律，称为碱基互补规则。

4. 维持双螺旋稳定的因素：横向为氢键，纵向为碱基间的堆积力。

碱基互补配对

TTAA GGCC

（三） DNA 双螺旋结构的多样性

Z 型 DNAB 型 DNAA 型 DNA

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： H1H2A ， H2BH3H4

串珠状核小体结构

串珠状核小体

DNA 双螺旋片段

染色质纤维

伸展形染色质片段

密集形染色质片段

整个染色体

核小体螺线管

真核生物染色体 DNA 组装

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。

肺炎双球菌的转化实验Oswald Avery (1944)

实验二，噬菌体的标记实验

第三节

RNA 的结构与功能Structure and Function of RNA

动物细胞内主要 RNA 的种类及功能

核蛋白体RNA

信使RNA

转运RNA

核内不均一RNA

核内小RNA

胞浆小RNA

细胞核和胞液 线粒体 功 能

rRNA

mRNA

mt rRNA

tRNA

mt mRNA

mt tRNA

HnRNA

SnRNA

SnoRNA

scRNA/7SL-RNA

核蛋白体组分蛋白质合成模板

转运氨基酸

成熟mRNA的前体

参与hnRNA的剪接、转运

rRNA的加工、修饰

蛋白质内质网定位合成的信号识别体的组分

核仁小RNA

核蛋白体RNA

信使RNA

转运RNA

核内不均一RNA

核内小RNA

胞浆小RNA

细胞核和胞液 线粒体 功 能

rRNA

mRNA

mt rRNA

tRNA

mt mRNA

mt tRNA

HnRNA

SnRNA

SnoRNA

scRNA/7SL-RNA

核蛋白体组分蛋白质合成模板

转运氨基酸

成熟mRNA的前体

参与hnRNA的剪接、转运

rRNA的加工、修饰

蛋白质内质网定位合成的信号识别体的组分

核仁小RNA

一 、信使 RNA 的结构与功能

hnRNA

内含子(intro

n)

mRNA

* mRNA 成熟过程

外显子

(exon)

* 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： m7GpppNm- 。

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

mRNA 的功能：作为蛋白质合成的模板。

* tRNA 的一级结构特点 含稀有碱基较多 3´末端为 — CCA-OH

5´末端大多数为 G

由 70~90 个核苷酸组成

二、转运 RNA 的结构与功能

稀有碱基

HN NH

O

O

R

5

1

¦×

HN

N

N

N

HN CH2

CH2NO

O

7

O

RI

RDHU

N

N

N

N

OH

R

mG

H2N

CH3

* tRNA 的二级结构—— 三叶草形 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。

核糖体的组成

原核生物 真核生物小亚基 30S 40S

rRNA 16S 18S

蛋白质 21 种 33 种大亚基 50S 60S

rRNA23S5S

28S5.8S5S

蛋白质 33 种 49 种核糖体 70S 80S

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 R

NAs ， snmRNAs) 。

snmRNAs

snmRNAs 的种类核内小 RNA (snRNA)

核仁小 RNA (snoRNA)

胞质小 RNA (scRNA)

催化性小 RNA

小片段干扰 RNA (siRNA)

snmRNAs 的功能

参与 hnRNA 和 rRNA 的转录后加工和转运以及基因表达过程的调控等。

是研究细胞中 snmRNAs 的种类、结构和功能的科学。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 snm

RNAs 的表达具有时间和空间特异性。

RNA 组学 (RNomics)

核酸的理化性质The Physical and Chemical Characters o

f Nucleic Acid

第 四 节

一、核酸的一般理化性质

• 核酸为多元酸，具有较强的酸性；

• DNA 是线性高分子，粘度极大；

• 在 260nm波长有最大吸收峰，是由碱基的共轭双键决定的。这一特性常用作核酸的定性、定量分析。

1. DNA 或 RNA 的定量OD260=1.0 相当于

50 g/ml 双链 DNA

40 g/ml 单链 DNA （或 RNA ）20 g/ml寡核苷酸

2.判断核酸样品的纯度DNA纯品 : OD260/OD280 = 1.8

RNA纯品 : OD260/OD280 = 2.0

OD260 的应用

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。

变性因素：过量酸，碱，加热等。

变性后理化性质的主要改变：

OD260增高 粘度下降

DNA 变性的本质是双链间氢键的断裂

DNA 的紫外吸收光谱

增色效应： DNA 变性时其溶液 OD260增高的现象。

解链曲线：在连续加热 DNA 的过程中以温度对 A260值作图，所得的曲线称为解链曲线。

Tm ：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 (melti

ng temperature,

Tm) 。 其 大 小与 G+C 含量成正比。

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 OD260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) 。

　热变性的 DNA 在复性过程中，具有碱基序列部分互补的不同的 DNA 之间或 DNA 与 RNA 之间形成杂化双链的现象。

核酸分子杂交 (hybridization) ：

变性

复性 复性

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

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)

•RNA酶 (ribonuclease, RNase)

依据切割部位不同分类• 核酸内切酶： 限制性核酸内切酶 非特异性核酸内切酶• 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催化细胞内外核酸的降解

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) •　序列特异性的核酸内切酶•　参与 RNA 转录后加工修饰•　作为针对病毒或肿瘤基因的药物降解mR

NA 。