第二章核酸.docx

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第二章核酸

第二章核酸的结构与功能

StructuresandFunctionsofNucleicAcids

核酸的发现和研究工作进展:

1868年FridrichMiescher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

1968年Nirenberg发现遗传密码

1975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

核酸（nucleicacid）：

是以核苷酸为基本组成单位的生物大分子，担负着生命信息的储存和传递。

天然存在的核酸依据其分子中含有戊糖种类的不同分两类，一类为脱氧核糖核酸（deoxyribonucleicacid，DNA），另一类为核糖核酸（ribonucleicacid,RNA）。

DNA主要分布在细胞核和线粒体内，携带遗传信息，决定细胞和个体的基因型。

RNA存在于细胞质中和细胞核内，负责遗传信息的表达，即直接参与体内蛋白质的合成。

病毒中，RNA也可作为遗传信息的载体。

Therearetwokindsofnucleicacids,DNAandRNA.Themonomersofnucleicacidsarenucleotides.

第一节核酸的化学组成及一级结构

TheChemicalComponentsandPrimaryStructureofNucleicAcid

一、核苷酸的结构

核酸在核酸酶的作用下水解为核苷酸，核苷酸完全水解可释放出等摩尔量的含氮碱基、戊糖和磷酸。

因此，核酸的基本组成单位是核苷酸（nucleotide），而核苷酸则由碱基、戊糖和磷酸三种成分连接而成。

（一）、碱基（base）

核苷酸的碱基主要有五种，分属于嘌呤（purine）和嘧啶（pyrimidine）两类含氮杂环化合物。

嘌呤类化合物包括腺嘌呤（adenine，A）和鸟嘌呤（guanine，G）它们既存在于DNA也存在于RNA分子中。

嘧啶类化合物有三种，DNA和RNA分子中均含有胞嘧啶（cytosine，C），胸腺嘧啶（thymine，T）仅出现于DNA分子中，而尿嘧啶（uracil,U）仅出现于RNA分子中。

构成核酸的五种碱基成分中的酮基或氨基均位于杂环上氮原子的邻位，受介质pH的影响可形成酮式或烯醇式两种互变异构体和氨基或亚氨基的互变异构体。

嘌呤和嘧啶环中均含有共轭双键，因此对波长260nm左右的紫外光有较强吸收。

这一重要的理化性质被用于对核酸、核苷酸、核苷及碱基进行定性定量分析。

（二）、戊糖（ribose）

构成DNA分子的核苷酸的戊糖是β-D-2-脱氧核糖，构成RNA分子的核苷酸的戊糖为β-D-核糖。

为区别于碱基中的碳原子编号，核糖或脱氧核糖中的碳原子标以C-1'，C-2'。

（三）、核苷

戊糖的第一位碳原子（C1'）上的半缩醛羟基与嘧啶碱基上的第一位氮原子（N1）或嘌呤碱基上的第九位氮原子（N9）上的氢脱水缩合成糖苷键。

碱基和核糖或脱氧核糖通过糖苷键相连而成核苷或脱氧核苷。

Anindividualnucleotideconsistsofthreeparts—abase,asugar,andaphosphoricacidresidue—allofwhicharecovalentlybondedtogether.Theorderofbasesinthenucleicacidsspecifiesthegeneticcode.Thenucleicacidbases（alsocallednucleobases）areoftwotypes,purinsandpyrimidines.Thecommonpurinebasesareguanineandadenine,bothofwhicharefoundinbothDNAandRNA.Threepyrimidinebases,cytosine,uracil,andthymine,commonlyoccur.CytosineisfoundinbothRNAandDNA.UraciloccursonlyinRNA.InDNAthymineissubstitutedforuracil.

（四）、核苷酸（nucleotide）

核苷糖环上第五位碳原子（C-5'）上的游离羟基能与磷酸发生酯化反应。

核苷（脱氧核苷）与磷酸通过酯键结合即构成核苷酸（脱氧核苷酸）。

生物体内多数核苷酸却都是5'核苷酸，即磷酸基团位于核糖的第五位碳原子C-5'上。

有一个磷酸基团的核苷酸称为核苷一磷酸（nucleoside　monophosphate，NMP），含有两个磷酸基团的核苷酸称为核苷二磷酸（nucleoside　diphosphate，NDP），含有三个磷酸基团的磷酸称为核苷三磷酸（nucleoside　triphosphate，NTP），再加上碱基名称就构成了各种核苷酸的命名。

核苷酸的其他生理功能:

核苷酸在体内除构成核酸外，还参加各种物质代谢。

例如：

尿苷二磷酸（UDP）参与体内糖的互变作用，而胞苷三磷酸（CTP）则在磷脂的生物合成中起重要作用。

腺苷三磷酸（ATP）是生物的直接供能物质，在细胞的能量代谢中，无论是单细胞生物或者人类，能量的释放，贮存和利用等都是以ATP为中心。

鸟苷三磷酸（GTP）是体内合成蛋白质时的供能物质。

环腺苷酸（cyclic　AMP，cAMP）和环鸟苷酸（cGMP）则在细胞信号转导过程具有重要调控作用。

Anucleotideisacompoundthatconsistsofabaseandasugarcovalentlylinkedtogether.InRNA,thesugarisD-ribose;whereasDNAutilizesβ-D-2-deoxy-D-ribose.Whenphosphoricacidisesterifiedtooneofthehydroxylgroupsofthesugarportionofanucleoside,anucleotideisformed.Thepolymerizationofnucleotidesgivesrisetonucleicacids.Therepeatedlinkagebetweenmonomersinnucleicacidsisa3’,5’-phosphodiesterbond.

二、核酸的一级结构（primarystructureofnucleotide）

（一）、核苷酸的连接

由前一核苷酸的的3'—OH与下一位核苷酸的5'位磷酸间形成3'，5'磷酸二酯键，从而构成一个没有分支的线性大分子（多核苷酸链）。

连接的特点：

有严格的方向性，多核苷酸链的两个末端分别称为5'末端（游离磷酸基）和3'末端（游离羟基）。

通常以5'3'的方向为正向。

（二）、核酸的一级结构

DNA链中脱氧核苷酸（碱基）的排列顺序，称DNA的一级结构。

RNA链中核苷酸（碱基）的排列顺序，称RNA的一级结构。

DNA和RNA的一级结构是指其中核苷酸的排列顺序，称为核苷酸序列。

由于核苷酸间的差异主要是碱基不同，因此也称为碱基序列（basesequence）。

核酸分子中的核糖（脱氧核糖）和磷酸共同构成其骨架结构，不参与信息的贮存和表达。

DNA和RNA对遗传信息的携带和传递是依靠核苷酸中的碱基排列顺序变化而实现的。

TheprimarystructureofDNAisthesequenceofbases,whichcarriesthegeneticinformation.

第二节DNA的空间结构与功能

DimensionalStructureandFunctionofDNA

一、DNA的二级结构——双螺旋结构模型

ThesecondarystructureofDNAisthedoublehelix.

InaDNAdoublehelix,thetwostrandsofDNAareantiparallelandwoundroundeachotherwiththebasesontheinsideandthesugar-phosphatebackbonesontheoutside.ThetwoDNAchainsareheldtogetherbyhydrogenbondsbetweenpairsofbases.

（一）、DNA双螺旋结构的研究背景

20世纪40年代末至50年代初期，ErwinChargaff等人采用层析和紫外吸收分析等技术研究了DNA分子的碱基成分。

他们提出了以下有关DNA分子的碱基组成的Chargaff规则：

①腺嘌呤与胸腺嘧啶的摩尔数总是相等（A=T），鸟嘌呤的含量总是与胞嘧啶相等（G=C）；②不同生物种属的DNA碱基组成不同：

③同一个体不同器官、不同组织的DNA具有相同的碱基组成。

这里已经预示着DNA分子中的碱基A与T，C与G以互补配对方式存在的可能性。

此后，RosalindFranklin获得了高质量的X线衍射照片，显示出DNA是螺旋形分子，从密度上也提示了DNA为双链分子。

1953年，核酸研究取得了历史性突破。

JamesWatson和FrancisCrick两人巧妙地综合了当时所能够得到的这些研究成果，提出了DNA的双螺旋结构模型，亦称为Watson-Crick结构模型。

根据这一模型阐述了DNA半保留复制的设想。

这一结构模型揭示了生物界遗传性状得以世代相传的分子奥秘。

Watson和Crick因其杰出的贡献获得1962年诺贝尔化学奖，“DNA的双螺旋结构模型”揭开了现代分子生物学研究的序幕，为分子遗传学的发展奠定基础。

（二）、DNA双螺旋结构模型要点

1．DNA是一反向平行的互补双链结构在DNA双链结构中，亲水的脱氧核糖基和磷酸基骨架位于双链的外侧，而碱基位于内侧，两条链的碱基之间以氢键相结合。

腺嘌呤始终与胸腺嘧啶配对存在，形成两个氢键（A：

：

：

：

T），鸟嘌呤始终与胞嘧啶配对存在形成三个氢键（G：

：

：

：

C）。

碱基平面与线性分子结构的长轴相垂直，脱氧核糖平面与长轴平行、与碱基平面相垂直。

两条链呈反平行走向，碱基互补配对，一条链的走向是5'3'，另一条链的走向是3'5'。

2．DNA是右手螺旋结构DNA线性长分子作为初始的折叠，DNA形成了一个右手螺旋式结构。

DNA双螺旋直径为2nm。

螺旋每旋转一周包含了10对碱基，每个碱基的旋转角度为36，每个碱基平面之间的距离为0.34nm，螺距为3.4nm。

从外观上看，DNA双螺旋表面形成两个凹沟，一条较深，一条较浅，分别称为大沟和小沟，目前认为这些沟状结构与蛋白质和核酸的的识别有关。

（双螺旋表面的沟对DNA和蛋白质的相互识别是很重要的，因为只有在沟内才能觉察到碱基的顺序，而双螺旋表面的脱氧核糖和磷酸的重复结构，没有信息可言）。

3．DNA双螺旋结构稳定的维系DNA双螺旋结构的稳定横向靠两条链间互补碱基的氢键维系，纵向则靠碱基平面间的疏水性堆积力维持。

尤以碱基堆积力更为重要。

（碱基堆积力是由于芳香族碱基的π电子之间的相互作用而引起的，DNA碱基层层堆积，在DNA内部形成了一个疏水核心，核心内几乎没有游离的水分子，所以互补的碱基形成氢键）

右手双螺旋结构模型的提出之所以具有划时代的意义，是因为这一结构模型揭示了遗传信息稳定传递的半保留复制的机制。

（三）、DNA双螺旋结构的多样性

DNA双螺旋可以不同的构象形式存在。

在改变了溶液的离子强度和湿度时，DNA螺旋结构的沟的深浅、螺距、旋转角等都会发生一些变化。

目前从天然及合成的核酸X线衍射分析，已知的DNA构象形式有三族类型：

1高湿度低盐度下的B-DNA，即Watson-Crick模型，B-DNA结构是细胞内DNA存在的形式。

2低湿度高盐度下的A-DNA。

A和B型DNA均为右手双螺旋结构，差别主要为双螺旋的密度不同。

3在研究人工合成的寡聚嘌呤-嘧啶核苷酸如CGCGCG的晶体结构时发现左手螺旋结构的Z-DNA。

A-DNA及Z-DNA在细胞中也可存在。

在体内，不同构象的DNA在功能上有所差异，可能参与基因表达的调节和控制。

ThesecondarystructureofDNAisthedoublehelix.InaDNAdoublehelix,thetwostrandsofDNAareantiparallelandwoundroundeachotherwiththebasesontheinsideandthesugar-phosphatebackbonesontheoutside.ThetwoDNAchainsareheldtogetherbyhydrogenbondsbetweenpairsofbases.Adenineononestrandpairswiththymineontheoppositestrandofdoublehelix.Theyarelinkedwithtwohydrogenbonds.Thesameistruefortheothertwobases:

guanineononestrandpairswithcytosineonanoppositestrand.Theyarelinkedwiththreehydrogenbonds.

ThestructureforDNAproposedbyWatsonandCrickiscalledBformDNA.Itisaright-handedhelixandthoughttobetheprincipalformthatoccursinnature.

二、DNA的超螺旋结构及其在染色质中的组装

在细胞中，DNA双螺旋结构可以进一步盘曲折叠，长度大大缩短。

（一）、DNA的超螺旋结构（superhelix或supercoil）

DNA双螺旋链再盘绕即形成超螺旋结构。

盘绕方向与DNA双螺旋方向相同为正超螺旋（positivesupercoil）；盘绕方向与DNA双螺旋方向相反则为负超螺旋（negativesupercoil）。

自然界的闭合双链DNA主要是以负超螺旋形式存在。

Superhelix：

Thefurthertwistingandcoilingofthedoublehelix.

（二）、原核生物DNA的高级结构

绝大部分原核生物的DNA都是共价封闭的环状双螺旋分子。

这种双螺旋分子还需再次螺旋化形成超螺旋结构以保证其可以较致密的形式存在于细胞内。

（三）、DNA在真核生物细胞核内的组装

在真核生物内，DNA和蛋白质结合以非常致密的形式存在于细胞核内。

在细胞间期的以染色质（细微纤丝）的形式出现，在细胞分裂期形成高度凝集的染色体。

染色体是DNA的超级结构形式。

染色质和染色体是同一物质在细胞间期和分裂期的不同形态结构的表现。

染色质的基本结构单位是核小体（nucleosome）。

核小体由五种组蛋白（H2A，H2B，H3、H4和H1）和200个碱基对的DNA组成。

其中组蛋白H2A，H2B，H3、H4各两分子共同构成了组蛋白八聚体（又称核心组蛋白），DNA双螺旋分子缠绕在这一核心1又3/4圈（相当于146bp的长度）构成了直径为11nm的核小体核心颗粒。

核小体的核心颗粒之间再由DNA（约60个碱基对，bp）和组蛋白H1构成的连接区连接起来形成串珠样的结构。

核小体的形成仅是DNA在细胞核内紧密压缩的第一步。

第二层次的折叠是核小体又进一步旋转折叠，形成纤维状结构及襻状结构、第三层次的折叠是30nm纤维再折叠，最后形成棒状的染色体，将近lm长的DNA分子容纳于直径只有数微米的细胞核中。

Nucleosome：

Inelectronmicrographs,chromatinresemblesbeadsonastring.Each“bead”isanucleosomeconsistingofDNAwrappedaroundahistonecore.

ThetertiarystructureofDNAissupercoilingwhichisfurthertwistingandcoilingofthedoublehelix.

三、DNA的功能

DNA作为遗传信息载体。

遗传学家长期使用的基因（gene）就是DNA分子中的某一段，经过复制可以遗传给子代，经过转录和翻译可以保证支持生命活动的各种蛋白质在细胞内有序的地合成。

DNA的基本功能就是作为生物遗传信息复制的模板和基因转录的模板，它是生命遗传繁殖的物质基础，也是个体生命活动的基础。

第三节RNA的结构与功能

StructureandFunctionofRNA

RNA在生命活动中同样具有重要作用，目前已知它和蛋白质共同负责基因的表达和表达过程的调控。

RNA通常以单链形式存在，但也可以有局部的二级结构或三级结构。

RNA分子比DNA分子小得多，小的仅有数十个核苷酸，大的数千个核苷酸组成。

由于它的功能是多样性的，因此，RNA的种类、大小和结构都比DNA多样化。

一、信使RNA的结构与功能

DNA决定蛋白质合成的作用已经得到了公认，但是DNA主要存在于细胞核内，而蛋白质合成是在细胞质进行的，使得这一作用难以确切解释。

当人们发现有一类大小不一的RNA是在细胞核内合成、然后转移到细胞质这一重要事实时，很自然就推断出DNA决定蛋白质合成的作用是通过这类特殊的RNA来实现。

这种作用很像一种信使作用，因此这类RNA被命名为信使RNA（messengerRNA,mRNA）。

在细胞核内合成的mRNA初级产物比成熟的mRNA大得多，这种初级时RNA被称为不均一核RNA（heterogeneousnuclearRNA，hnRNA），它们在细胞核内存在时间极短，经过加工：

5'-端加帽，3'-端加多聚A尾，剪接（切除内含子，拼接外显子），成为成熟的mRNA并移位到细胞质（见十二章）。

成熟的mRNA它的结构特点如下：

1．5'-端帽子结构mRNA5'-端这种7-甲基鸟嘌呤核苷三磷酸鸟（腺）苷“m7GPPPN（G或A）m”结构被称为帽子结构（capsequence）。

5'-端帽子结构是由鸟苷酸转移酶加到转录后的mRNA上的，与mRNA中所有其它核苷酸呈相反方向。

帽子结构的鸟苷酸及相邻的A或G都可以发生甲基化，由于甲基位置的差别可产生数种不同的帽结构帽子结构。

mRNA的帽结构可以与一类称为帽结合蛋白（CBPｓ）的分子结合,这种mRNA和CBPｓ复合物对于mRNA从细胞核向细胞的转移,促进与核蛋白体的结合、与翻译起始因子的结合，同时增强mRNA的稳定性的维系等均有重要作用。

2．3'-端多聚A尾在真核mRNA的3'末端，大多数有一段长短不一的多聚腺苷酸（polyA）结构常称为多聚A尾。

一般由数十个至一百几十个腺苷酸连接而成。

因为在基因内没有找到它相应的结构，因此认为它是在mRNA转录完成后额外加入,催化这一反应的酶为polyA转移酶。

PolyA在细胞内与polyA结合蛋白（PABP）相结合而存在，所以真核细胞的mRNA的3'-端实际上是polyA和蛋白质多聚体形成的复合物，一个随着mRNA存在时间的延续，这段聚A尾巴慢慢变短。

因此，目前认为这种3'-末端结构可能与mRNA从核内向胞质的转位及mRNA的稳定性以及翻译起始的调控有关。

原核生物的mRNA未发现有这种特殊的首、尾结构。

3.遗传密码mRNA从5'至3'方向，AUG开始，每3个核苷酸为一组，可以决定肽链上的一个氨基酸，称为三联体密码或遗传密码。

生物体内各种mRNA的长短差别很大，主要是由其转录的模板DNA区段大小所决定的。

mRNA分子的长短，又决定了由它翻译出的蛋白质分子量的大小。

在各种RNA分子中，mRNA的半衰期最短，由几分钟到数小时不等，这是细胞内蛋白质合成速度的调控点之一。

mRNA的功能是把核内DNA的碱基顺序（遗传信息），按照碱基互补的原则，抄录并转送至胞质，在蛋白质合成中用以翻译成蛋白质中氨基酸的排列顺序。

二、转运RNA的结构与功能

转运RNA（transferRNA，tRNA）是细胞内分子量最小的一类核酸。

tRNA的功能是在细胞蛋白质合成过程中作为各种氨基酸的载体并将其转呈给mRNA。

tRNA具有以下结构特点：

1．tRNA的分子中含有约10％-20％的稀有碱基（rarebases）。

稀有碱基是指除A、G、C、U外的一些碱基，包括双氢尿嘧啶（DHU）、假尿嘧啶（Ψ）和甲基化的嘌呤。

一般的嘧啶核苷以杂环上N-1与糖环的C-1'连成糖苷键，假尿嘧啶核苷则用杂环上的C-5与糖环的C-1'相连。

2．组成tRNA的几十个核苷酸中存在着一些能局部互补配对的区域，可以形成局部双链，所有tRNA的二级结构均类似三叶草型（图3-13a）：

局部配对的碱基双链构成茎状，中间不能配对的部分则膨出形成环状或襻状。

位于左右两侧的环状结构根据其含有的稀有碱基为特征，分别称为DHU环和Tψ环，位于下方的环叫作反密码环。

反密码环中间的3个碱基称为反密码子（anticoden），与mRNA上相应的三联体密码子可形成碱基互补。

例如负责转运酪氨酸的tRNA的反密码子5'-GUA-3'与mRNA上相应的三联体密码子，5'-UAC-3'，（编码酪氨酸）呈反向互补。

所有tRNA的3'-末端均有CCA-OH结构，此结构为氨基酸连接部位。

不同的tRNA依照其转运的氨基酸的差别，有不同的反密码子。

蛋白质生物合成时，tRNA就是靠反密码子来辨认mRNA上相应的密码子，才能将氨基酸正确地定位在合成的肽链上。

通过X射线衍射等结构分析方法，发现tRNA的共同三级结构是倒L型。

从tRNA的倒L形三级结构中可以看出：

Tψ环与DHU环在三叶草形的二级结构上各处一方，但在三级结构上却相距很近。

总结：

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TC。

三、核蛋白体RNA的结构与功能

核蛋白体RNA（ribosomalRNA，rRNA）是细胞内含量最多的RNA，约占RNA重量的80％以上。

rRNA与核蛋白体蛋白共同构成核蛋白体或称为核糖体（ribosome），原核生物和真核生物的核蛋白体均由易于解聚的大、小两个亚基组成。

核蛋白体蛋白有数十种，大多是分子量不大的多肽类。

原核生物的rRNA共有5S、16S、23S三种（S是大分子物质在超述离心沉降中的一个物理学单位，可间接反映分子量的大小）。

其中16SrRNA与20多种蛋白质