生物化學(xué)與分子生物學(xué)02-1核苷酸、DNA和RNA核酸的結(jié)構(gòu)與功能

生物化學(xué)與分子生物學(xué)前言本電子課件依據(jù)《生物化學(xué)與分子生物學(xué)》第八版設(shè)計(jì)制作。選擇的制作軟件主要為MicrosoftPowerPoint。本課件主要為便于師生的教與學(xué)，使用對(duì)象主要為醫(yī)學(xué)院校的生物化學(xué)教師和醫(yī)學(xué)類專業(yè)的五年制學(xué)生，以及研究生入學(xué)考試準(zhǔn)備和各種資格考試時(shí)醫(yī)學(xué)生物化學(xué)的復(fù)習(xí)使用。第八版《生物化學(xué)與分子生物學(xué)》的參編單位有全國21所高等院校。課件光盤由華中科技大學(xué)同濟(jì)醫(yī)學(xué)院生物化學(xué)與分子生物學(xué)系與生物化學(xué)第八版編委會(huì)共同設(shè)計(jì)制作，由人民衛(wèi)生出版社出版發(fā)行。版權(quán)所有，未經(jīng)許可，不得隨便翻刻銷售發(fā)行，違者必究。孫軍、查錫良、藥立波教授負(fù)責(zé)本課件總體設(shè)計(jì)；華中科技大學(xué)同濟(jì)醫(yī)學(xué)院生物化學(xué)與分子生物學(xué)系陳娟、袁萍、段秋紅、尹燕華、盧濤、劉琳、周潔、張穎、田俊、熊宇芳等老師參與了課件設(shè)計(jì)和制作的具體工作；教材全體編委在課件制作過程中提出了寶貴的修改意見并進(jìn)行了審定，在此一并致謝。由于我們水平有限，本課件的缺點(diǎn)再所難免，敬請(qǐng)使用者批評(píng)指正，以便今后修訂。目錄第01章蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)與功能第02章核酸的結(jié)構(gòu)與功能第03章酶第04章聚糖的結(jié)構(gòu)與功能第05章維生素和無機(jī)鹽第06章糖代謝第07章脂類代謝第08章生物氧化第09章氨基酸代謝第10章核苷酸代謝第11章非營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)代謝第12章物質(zhì)代謝的整合與調(diào)節(jié)第13章真核基因與基因組第14章DNA的生物合成第15章DNA損傷與修復(fù)第16章RNA的生物合成第17章蛋白質(zhì)的生物合成第18章基因表達(dá)調(diào)控第19章細(xì)胞信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)的分子機(jī)制第20章常用分子生物學(xué)技術(shù)的原理及其應(yīng)用第21章DNA重組和重組DNA技術(shù)第22章基因結(jié)構(gòu)與功能分析技術(shù)第23章癌基因、腫瘤抑制基因與生長(zhǎng)因子第24章疾病相關(guān)基因的鑒定與基因功能研究第25章基因診斷與基因治療第26章組學(xué)與醫(yī)學(xué)生物化學(xué)/Biochemistry概念、理論、研究、應(yīng)用Conception,theory,research,andapplication ——邏輯和自學(xué)

——LogicandLIY(LearnItYourself)第二章:核酸的結(jié)構(gòu)和功能

核苷酸、DNA和RNA

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FridrichMiescher

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提出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(cè)序方法。1985年Mullis發(fā)明PCR技術(shù)。1990年人類基因組計(jì)劃(HGP)啟動(dòng)1998年AndrewFire和CraigC.Mello發(fā)現(xiàn)RNA干擾2000年LynxTherapeutics開發(fā)了第一臺(tái)下一代高通量測(cè)序商業(yè)機(jī)核酸研究的發(fā)展簡(jiǎn)史核酸的分類及分布(deoxyribonucleicacid,DNA)(ribonucleicacid,RNA)脫氧核糖核酸

核糖核酸存在于細(xì)胞核和線粒體攜帶遺傳信息，并通過復(fù)制傳遞給下一代。

分布于細(xì)胞核、細(xì)胞質(zhì)、線粒體是DNA轉(zhuǎn)錄的產(chǎn)物，參與遺傳信息的復(fù)制、表達(dá)和調(diào)控。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嘌呤（Purine）嘧啶（Pyrimidine）核糖（ribose）脫氧核糖（2-deoxy-D-ribose）戊糖（Pentose）堿基（NitrogenousBases）核苷和脫氧核苷（Nucleoside）磷酸（Phosphate）核酸(DNA和RNA)核苷酸（Nucleotides）核酸（NucleicAcid）組成Nucleotides=NucleosidephosphatesMostnucleotidesareribonucleotidesNitrogenousBasesNucleosidePhosphate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5’

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'糖苷鍵戊糖5碳原子D-核糖（ribose，inRNA）2-脫氧核糖（deoxy-D-ribose，DNA）2’-OHvs.2’-H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)。糖苷鍵的柔性順式反式反式

Nucleosides次黃嘌呤腺嘌呤尿嘧啶胞嘧啶鳥嘌呤胞苷尿苷腺苷鳥苷肌苷嘌呤(purine，Pu)腺嘌呤(adenine,A)鳥嘌呤(guanine,G)662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WhyUinRNAandTinDNA?CytosinespontaneouslydeaminatestoformuracilRepairenzymesreplacetheseUsbacktoCsButhowwouldtherepairenzymesdistinguishnaturalUfrommutantU?Naturesolvesthisdilemmabyusingthymine(5-methyl-U)inplaceofuracil堿基的紫外吸收光譜多磷酸核苷酸環(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核苷酸衍生物核苷酸的功能核苷三磷酸攜帶能量-ATP

是能量代謝的中心-GTP

參與蛋白合成

-CTP

參與脂類合成-UTP

參與碳水化合物代謝核苷酸的堿基為酶提供識(shí)別位點(diǎn)環(huán)化核苷酸是重要的細(xì)胞內(nèi)信號(hào)傳導(dǎo)分子參與蛋白變構(gòu)5′-末端3′-末端CGA磷酸二酯鍵磷酸二酯鍵二、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。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。DNA和RNA的區(qū)別核糖G、C、A、URNA脫氧核糖G、C、A、TDNA堿基核糖核酸核酸種類DNA：一種類型，完成一種使命

RNA：多種類型，分別行使多種使命

編碼RNA（

CodingRNA）

&非編碼RNA（Non-codingRNA，NcRNA）核糖體RNA（ribosomalRNA，rRNA）：核糖體的基本元件，行使核糖體翻譯蛋白質(zhì)的功能信使RNA（messengerRNA，mRNA）：攜帶轉(zhuǎn)錄的遺傳信息轉(zhuǎn)運(yùn)RNA（transferRNA，tRNA）：攜帶氨基酸其他RNAs

（LIY）SmallnuclearRNA(splicesomalRNA)SmallnucleolarRNA(ribosomalRNAprocessing)InterferenceRNA(genesilencing)-RNAimicroRNA(translationregulation)VirusRNA(codevirusgenome)。。。。。。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AGP5PTPGPCPTPOH3書寫方法：5pApCpTpGpCpT-OH

35

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(zhǎng)度可以高達(dá)幾十萬個(gè)堿基。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(duì)位置關(guān)系。一、DNA的二級(jí)結(jié)構(gòu)是雙螺旋結(jié)構(gòu)RosalindElsieFranklin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26.024.990.9950.11.04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29.01.011.0042.41.01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(duì)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(duì)堿基配對(duì)關(guān)系稱為互補(bǔ)堿基對(duì)(complementarybasepair)。DNA的兩條鏈則互為互補(bǔ)鏈(complementarystrand)。堿基對(duì)平面與螺旋軸垂直。堿基互補(bǔ)配對(duì):胞嘧啶/鳥嘌呤堿基互補(bǔ)配對(duì):胸腺嘧啶/腺嘌呤大溝與小溝堿基堆積力和互補(bǔ)堿基對(duì)的氫鍵共同維系著DNA結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。相鄰兩個(gè)堿基對(duì)會(huì)有重疊，產(chǎn)生了疏水性的堿基堆積力(basestackinginteraction)。3.氫鍵和疏水作用力共同維系著DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。5’5’3’3’Samestrandstackingcross-strandstackingDNA二級(jí)結(jié)構(gòu)（三）DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的多樣性A-DNA：多存在于脫水樣品、雙鏈RNA和DNA/RNA雜合雙鏈中。B-DNA：水溶液和體內(nèi)DNA的主要結(jié)構(gòu)形式。Z-DNA：少量存在于一些結(jié)合了特殊蛋白質(zhì)的DNA中。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。

（一）原核生物DNA的環(huán)狀超螺旋結(jié)構(gòu)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)扭轉(zhuǎn)數(shù)（T；twistingnumber）纏繞數(shù)（W；writhingnumber）與連環(huán)數(shù)（L；Linkingnumber）之間的關(guān)系可寫成：L=T+WL（連環(huán)數(shù)）:當(dāng)一個(gè)環(huán)狀雙螺旋DNA分子平鋪在平面時(shí)，一條鏈跨越另一條鏈的次數(shù)T（扭轉(zhuǎn)數(shù)）:一條鏈繞雙螺旋假想軸纏繞的圈數(shù)W（纏繞數(shù)）:亦稱為超螺旋數(shù)（NumberOfTurnsOfSuperhelix）（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)?；驈慕Y(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。真核生物中，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)合成中的模板原核與真核生物中mRNA的區(qū)別1原核與真核生物中mRNA的區(qū)別2hnRNA內(nèi)含子(intron)mRNA真核生物mRNA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(zhǎng)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)