生物化学

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第二章核酸的化学第二章核酸的化学

DNA 与 RNA 的结构

了解核酸的功能、分布。掌握核酸基本组成、各个组分的性质和结构特点。

掌握核酸的结构、性质


【目的与要求】

§2.1 核酸概述§2.2 核酸的组成成分

§2.3 DNA 结构

§2. ５ RNA 的结构与功能

§2.4 DNA 和基因组


核酸的概念和重要性

1868 年，瑞士的内科医生 Friedrich Miescher 从外科医院包扎伤口的绷带上的脓细胞核中提取到一种富含磷元素的酸性化合物，将其称为核素 (nuclein) ；后来他又从鲑鱼精子中分离出类似的物质，并指出它是由一种碱性蛋白质与一种酸性物质组成的，此酸性物质即是现在所知的核酸 (nucleic acid) 。

§2.1 §2.1 核酸概述核酸概述


1944 年 ,Oswald Avery,Colin Macleod 和 Maclyn McCarty 发现，一种有夹膜、表面光滑、具致病性的肺炎球菌中提取的核酸 DNA(deoxyribonucleic acid,脱氧核糖核酸 )，可使另一种无夹膜，表面粗糙、不具致病性的肺炎球菌的遗传性状发生改变，转变为有夹膜，具有致病性的肺炎球菌，且转化率与 DNA 纯度呈正相关，若将 DNA 预先用 DNA 酶降解，转化就不发生。该项实验彻底纠正了蛋白质携带遗传信息这一错误认识，确立了核酸是遗传物质的重要地位；



DNA 遗传作用的进一步肯定来自 Alfred Hershey 和Martha Chase 对一个感染大肠杆菌的病毒的研究。即用放谢性同位素 32P 标记噬菌体 DNA ， 35S 标记其蛋白质外壳，再用标记的噬菌体去感染培养的大肠杆菌，结果发现进入细菌体内，使细菌生长、繁殖发生变化的是 32P 标记的 DNA ，而不是 35S 标记的蛋白质，并且新繁殖生成的噬菌体不含 35S ，只含 32P 。



1953 年 ,Watson 和 Crick 创立的 DNA 双螺旋结构模型，不仅阐明了 DNA 分子的结构特征，而且提出了 DNA 作为执行生物遗传功能的分子，从亲代到子代的 DNA复制 (replication)过程中，遗传信息的传递方式及高度保真性，为遗传学进入分子水平奠定了基础，成为现代分子生物学发展史上最为辉煌的里程碑。



后来的研究又发现了另一类核酸：核糖核酸 RNA(ribonucleic acid) ， RNA 在遗传信息的传递中起着重要的作用。从此，核酸研究的进展日新月异，如今，由核酸研究而产生的分子生物学及其基因工程技术已渗透到医药学、农业、化工等领域的各个学科，人类对生命本质的认识进入了一个崭新的天地。


核酸的水解

核酸经水解可得到很多核苷酸，因此核苷酸是核酸的基本单位。核酸就是由很多单核苷酸聚合形成的多聚核苷酸。核苷酸可被水解产生核苷和磷酸，核苷还可再进一步水解，产生戊糖和含氮碱基。如下图所示：

§2.2 §2.2 核酸的组成成分核酸的组成成分



一、核糖和脱氧核糖

核酸中的戊糖有核糖 (ribose) 和脱氧核糖 (deoxyribose)两种，分别存在于核糖核苷酸和脱氧核糖核苷酸中。为了与碱基标号相区别，通常将戊糖的 C原子编号都加上“ ′”，如 C1′表示糖的第一位碳原子。核糖的结构如下：



二、嘌呤碱和嘧啶碱核苷酸中的碱基均为含氮杂环化合物，它们分别属于嘌呤衍生物和嘧啶衍生物。核苷酸中的嘌呤碱 (purine)主要是鸟嘌呤 (guanine,G) 和腺嘌呤 (adenine,A) ，嘧啶碱 (pyrimidine)主要是胞嘧啶 (cytosine,C) 、尿嘧啶 (uracil,U) 和胸腺嘧啶 (thymine,T) 。


碱基的结构式如下图所示 :



核酸中五种碱基中的酮基和氨基，均位于碱基环中氮原子的邻位，可以发生酮式 -烯醇式或氨基 - 亚氨基之间的结构互变。这种互变异构在基因的突变和生物的进化中具有重要作用。


有些核酸中还含有修饰碱基 (modified component)或稀有碱基（ unusual component），这些碱基大多是在上述嘌呤或嘧啶碱的不同部位被甲基化 (methylation)或进行其它的化学修饰而形成的衍生物。一般这些碱基在核酸中的含量稀少，在各种类型核酸中的分布也不均一。 DNA 中的修饰碱基主要见于噬菌体 DNA ，如 5- 甲基胞嘧啶 (m5C) ， 5- 羟甲基胞嘧啶 hm5C ； RNA 中以 tRNA 含修饰碱基最多，如 1- 甲基腺嘌呤 (m1A) ， 2,2- 二甲基鸟嘌呤 (m22G) 和 5,6- 二氢尿嘧啶 (DHU)等。



嘌呤和嘧啶环中含有共轭双键，对 260nm左右波长的紫外光有较强的吸收。碱基的这一特性常被用来对碱基、核苷、核苷酸和核酸进行定性和定量分析 .

三、核苷戊糖与嘧啶或嘌呤碱以糖苷键连接就称为核苷，通常是戊糖的 C1′与嘧啶碱的 N1或嘌呤碱的 N9

相连接。



四、核苷酸及其衍生物的结构（ 1）核苷酸的结构式如下图


（ 2）脱氧核苷酸的结构如下图所示：


(3)( 脱氧 )核苷二磷酸、 (脱氧 )核苷三磷酸、双脱氧核苷酸结构

ADP 、 ATP是生物体中重要的能量转换体。ddNTP 在 DNA的序列测定中使用。


(4)环化核苷酸 cAMP 、 cGMP：被称为第二信使，有放大激素作用。


（ 5）、辅酶： NAD+、 NADP+、 FAD 、 FMN 、 HSC0A 是核酸的衍生物，在物质代谢和能量代谢中起重要作用。五、核苷酸的连接方式

构成 DNA 的脱氧核苷酸按照一定的排列顺

序，通过

3’,5’- 磷酸二酯键相连形成的线形结构。




一、 DNA 一级结构

概念：构成 DNA 的脱

氧核苷酸按照一定的排

列顺序，通过 3’,5’- 磷

酸二酯键相连形成的线

形结构。

§2.3 DNA§2.3 DNA 的结构的结构


二、 DNA 的二级结构——双螺旋结构

Watson, Crick （ 1953）在 Chargaff法则及 Wilkins,Franklin 的 X 线衍射工作基础上提出 DNA 的双螺旋（ double helix）结构模型：


1 、双螺旋结构模型的要点 : (1) DNA 双螺旋中的两股链走向是反平行的，一股链是 5′→3′ 走向，另一股链是 3′→5′ 走向。两股 DNA链围绕一假想的共同轴心形成一右手螺旋结构，双螺旋的螺距为 3.4nm，直径为 2.0nm。表面形成一条大沟，一条小沟。大沟与小沟是蛋白质识别 DNA 的碱基序列，与其发生作用的基础。


(2) 链的骨架 (backbone) 由交替出现的亲水的脱氧核糖基和磷酸基构成，位于双螺旋的外侧。碱基位于双螺旋的内侧，两股链中的嘌呤和嘧啶碱基以其疏水的、近于平面的环形结构彼此密切相近，平面与双螺旋的长轴相垂直。


(3) 一股链中的嘌呤碱基与另一股链中位于同一平面的嘧啶碱基之间以氢链相连，称为碱基互补配对或碱基配对 (base pairing) ，碱基对层间的距离为0.34nm。碱基互补配对总是出现于 A 与 T 之间 (A=T) ，形成两个氢键；或者出现于 G与 C之间 (G=C) ，形成三个氢键。


DNA 的双螺旋结构如图所示 :


碱基配对的结构如图所示 :§2.3 DNA§2.3 DNA 的结构的结构

DNA 结构双螺旋结构的提出，被认为是本世

纪生命科学史最重要的贡献之一，同时也是自

然科学史上的重大贡献。它直接解释了生物遗

传信息的传递与表达的规律，使生命科学从此

进入一个崭新的时代即分子生物学时代。


2 、稳定 DNA二级结构的作用力：

氢键（横向作用力）

碱基堆积力（纵向作用

力）


3 、 DNA 双螺旋的构象类型所谓 DNA二级结构的多态性，是指 DNA 不仅具有多种形式的双螺旋结构，而且还能形成三链、四链结构，说明 DNA 的结构是动态的，而不是静态的。核酸的构型的多样性是由于核酸主干链上各键和碱基的旋转造成的，而多链的 DNA 是特定的碱基序列导致的结果。



DNA 双螺旋的不同构型：(1) B-DNA 螺旋：标准的 Watson, Crick 双螺旋，细

胞

正常状态下 DNA存在的构型。

(2) A-DNA 螺旋： DNA 在 75%相对湿度的钠盐中的构型

。

(3) C-DNA 螺旋： DNA 在 66%相对湿度的锂盐中的构型

。

(4) Z-DNA 螺旋：左手的 DNA 螺旋，这种螺旋可能在基

因表达或遗传重组中起作用。



双螺旋碱基倾

角／（ °）

碱基夹角（ °

）碱基间距

/nm螺距／ n

m每轮碱

基数大沟

小沟

B-DNA

0 36.0 0.34 3.6 10.5 很宽、较深窄、深

Z-DNA

9 -60.0 0.38 4.56 12 平坦较窄、很深

A-DAN

20 32.7 0.256 2.8 11 很窄、很深很宽、浅

C-DNA

6 38 0.331 3.1 9.3 较宽、较深很窄、很深


4 、与 DNA 碱基顺序相关的特殊二级结构 :

(1) 回文序列

所谓回文序列就是指 DNA某一片段旋转 180 。后 ,顺序不变的序列，回文序列中的单链可形成发夹结构。双链可形成十字架结构。这种发夹结构或十字架结构在大肠杆菌细胞 DNA 中已有发现 .


核酸分子中的回文序列


回文序列中的单链可形成发卡结构


双链回文序列可形成十字架结构


（ 2）镜象结构所谓镜象结构就是指 DNA某一片段在一条链上出现颠倒重复的序列。


多嘌呤 -多嘧啶的镜象序列可形成三

螺旋结构 (H-螺旋或 Hoogsteen 螺旋 ):

该螺旋常处在许多真核细胞基因的表达

调节区。可能与基因表达的调节有关 .




5 、四链 DNA：可能存在于真核细胞染色体的端粒中。


三、 DNA 的三级结构和真核细胞 DNA 的组装1 、 DNA 的三级结构 :超螺旋

双螺旋 DNA 进一步扭曲盘绕则形成其三级结构，超螺旋是 DNA三级结构的主要形式。自从 1965 年 Vinograd等人发现多瘤病毒的环形 DNA的超螺旋以来，现已知道绝大多数原核生物都是共价封闭环 (covalently closed circle,CCC) 分子，这种双螺旋环状分子再度螺旋化成为超螺旋结构 (superhelix或supercoil) 。


有些单链环形染色体 (如φ×174)或双链线形染色体(如噬菌体入 )，在其生活周期的某一阶段，也必将其染色体变为超螺旋形式。对于真核生物来说，虽然其染色体多为线形分子但其 DNA均与蛋白质相结合，两个结合点之间的 DNA形成一个突环 (loop) 结构，类似于 CCC 分子，同样具有超螺旋形式。超螺旋按其方向分为正超螺旋和负超螺旋两种。真核生物中， DNA 与组蛋白八聚体形成核小体结构时，存在着负超螺旋。研究发现，所有的 DNA超螺旋都是由 DNA拓扑异构酶产生的。






一、 DNA 和基因组生物的遗传特征是由 DNA 中特定的核苷酸序列决定的．DNA通过自我复制合成出完全相同的分子，从而将遗传信息由亲代传到子代．　　遗传学将 DNA 分子中最小的功能单位称作基因．为RNA或蛋白质编码的基因称结构基因， DNA 中还有一些只有调节功能，而并不转录生成 RNA 的片断称调节基因．某生物所有的全部基因称生物体的基因组．

§2.4 DNA§2.4 DNA 和基因组和基因组

二、原核生物基因组结构特点 1.基因组较小，没有核膜包裹，且形式多样，如病毒基因组可能是 DNA ，也可能是 RNA ，可能是单链的，也可能是双链的，可能是闭环分子，也可能是线性分子；细菌染色体基因组则常为环状双链 DNA 分子，并与其中央的 RNA 和支架蛋白构成一致密的区域，称为类核 (nucleoid) 。

2.功能相关的结构基因常常串连在一起，并转录在同一个mRNA 分子中，称为多顺反子 mRNA(polycistronic mRNA) ，然后再加工成各种蛋白质的模板 mRNA 。


3. DNA 分子绝大部分用于编码蛋白质，不编码部分(又称间隔区 )通常包含控制基因表达的顺序。例如，噬菌体ψX 174 中只有 5%是非编码区。

4. 基因重叠是病毒基因组的结构特点，即同一段 DNA片段能够编码两种甚至三种蛋白质分子。5. 除真核细胞病毒外，基因是连续的，即不含内含子序列。


三、真核生物基因组结构特点

1. 真核生物基因组 DNA 与蛋白质结合形成染色体，储存于细胞核内，除配子细胞外，体细胞内的基因组是双份的 (即双倍体， diploid) ，即有两份同源的基因组。 2. 真核细胞基因转录产物为单顺反子 (monocistron) ，即一个结构基因转录、翻译成一个 mRNA 分子，一条多肽链。


3. 存在大量重复序列，即在整个 DNA 中有许多重复出现的核苷酸顺序，重复序列长度可长可短，短的仅含两个核苷酸，长的多达数百、乃至上千。重复频率也不尽相同：（ 1）高度重复序列：重复频率可达 106次，约5～ 100bp，这种序列 G-C 含量高于 DNA 的其它结构，因此在氯化铯密度梯度离心时，常在 DNA 的主峰旁显示一个小峰，此小峰称为卫星峰，故将这部分 DNA 称为卫星 DNA 。


（ 2）中度重复序列：重复频率可达 103～ 104次，长度约 100～ 300bp， rRNA 基因、 tRNA基因、组蛋白基因等，大多为中度重复序列。此外在这类重复序列中，还有一类可移动的片段，称为逆转座子（ retroposon），它们可能在进化过程中发挥重要作用。


（ 3）单拷贝或低度重复序列：指在整个基因组中只出现一次或很少几次的核苷酸序列。在真核细胞中，除组蛋白以外，其它所有蛋白质都是由 DNA 中这种单拷贝序列决定的。这种序列大小不等，每一个顺序决定一个蛋白质的结构，称之为结构基因。在人基因组中占约 60～ 65%，因此所含信息量最大。


4. 基因组中不编码的区域多于编码区域。5. 基因是不连续的，在真核生物结构基因的内部存在许多不编码蛋白质的间隔序列 (intervening sequences) ，称为内含子 (intron) ，编码区则称为外显子 (exon) 。内含子与外显子相间排列，转录时一起被转录下来，然后 RNA 中的内含子被切掉，外显子连接在一起成为成熟的 mRNA ，作为指导蛋白质合成的模板。6. 基因组远大于原核生物的基因组。


四、真核细胞染色体的组装染色体的基本结构单位是核小体。核小体是由 DNA 和组蛋白组成的。组蛋白有五种， H2A,H2B,H3,H4 各两分子构成一个八聚体，其外再由双螺旋 DNA绕其旋转 1.75圈 ( 为 DNA 的三级结构 )，约含 140bp 。称为核小体的核心颗 (coreparticle) 。两个核心颗粒之间由一段双螺旋 DNA链 (约 60bp) 相连，称为连接部。组蛋白 H1 结合在此部位。若干个核小体再螺旋形成核小体纤维，再进一步螺旋化形成染色体。从双螺旋 DNA 到染色体， DNA总共压缩了约 8000～ 10000倍 .



核小体结构如图所示 :





染色体组装的层次如下图所示：


一、 RNA 的种类

§2.5 RNA§2.5 RNA 的结构与功能的结构与功能

RNA主要有下几种：1 、 rRNA (ribosome RNA ) ，核糖体 RNA ，细胞中最主要的 RNA ，占细胞中总 RNA80%左右。大肠杆菌 rRNA

中有三种，分别是： 16SrRNA 、 23SrRNA 、 5SrRNA ；真核细胞 rRNA 中有四种，分别是： 28SrRNA 、 18SrRN

A 、 5.8SrRNA 、 5SrRNA 。核糖体是蛋白质合成的场所。 2 、 tRNA (transfer RNA) ，转移 RNA ，是细胞中最小的一种 RNA 分子，占细胞总 RNA 的 15%左右。是结构研究最清楚的一类 RNA 。在蛋白质的生物合成中， tRNA起携带氨基酸的作用。


3 、 mRNA (messenger RNA) ，信使 RNA ，占细胞总 RNA 的 5% 左右，含量最少，代谢活跃。 mRNA 在蛋白质的生物合成中起模板作用。它将 DNA 的遗传信息传递给蛋白质。另外，在细胞质里还存在胞质小 RNA(sc RNA).

上述 RNA存在于细胞质，另外在细胞核里面还存在一些 RNA ，如核不均一 RNA（ hnRNA）、核内小 RNA（ snRNA）、核仁小 RNA 、反义 RNA（ asRNA）等。


二、 RNA 的一级结构：

组成 RNA 的核苷酸按特定序列通过 3’,5’-磷酸二酯键连接的线性结构。

对于 RNA 的一级结构，研究最多的是 tRNA 。 tRNA 的5 ， -末端总是磷酸化，而且常是 pG ； 3 ， -末端最后三个氨基酸顺序相同，总是 CCAOH ； tRNA 中含有较多的稀有碱基，每分子含 7～ 15 个，稀有碱基中最常见的是甲基化的碱基。


在 rRNA 分子中，研究最多的是 5SrRNA 和 16SrRNA 。大肠杆菌中的 5SrRNA 的 5 ， -端常出现 pppU，

3 ， -端为 UOH ；第 43～ 47位的核苷酸顺序为 CGA

AC（真核细胞此序列则出现在 5.8SrRNA），这是rRNA 与 tRNA 相互识别、相互作用的部位；原核细胞 16SrRNA 的 3 ， -端总存在序列 ACCUCCU，这是 mRNA 的识别位点。


mRNA 相对分子质量不均一，代谢活跃，这给一级结构的研究带来一定困难。真核细胞 mRNA 与原核 mRNA比较，在结构上具有明显的区别。真核细胞 mRNA 的 3 ， -末端有一段可长达 200个左右的聚腺苷酸（ poly A），称为“尾”结构；5 ， -末端有一个甲基化的鸟苷酸 ,称为“帽”结构，表示 m7

Gp5p5pXpmY，其中 X、 Y为任意碱基。这种“尾”和“帽”的结

构在 mRNA 功能表现中具有重要作用。


三、 RNA二级结构

单链 RNA 自行盘绕形成局部双螺旋的多“茎”多

“环”结构，螺旋部分称为“茎”或“臂”，非螺

旋部分称为“环”，在螺旋区， A与 U 配对， G与

C配对。



tRNA 的二级结构：三叶草形状 RNA三叶草型的二级结构可分为：氨基酸接受区、反密码区、二氢尿嘧啶区、 TΨC区和可变区。除氨基酸接受区外，其余每个区都含有一个突环和一个臂。




四、 RNA 的三级结构 : tRNA 的三级结构：倒 "L"形

所有的 tRNA折叠后形成大小相似及三维构象相似的三级结构，这有利于携带的氨基酸的 tRNA 进入核糖体的特定部位。





§2.1 核酸概述

§2.2 核酸的组成成分§2.3 DNA 结构

§2. ５ RNA 的结构与功能

§2.4 DNA 和基因组


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