第三章核酸的結構與功能分子生物學詳解演示文稿現在是1頁\一共有74頁\編輯于星期四優選第三章核酸的結構與功能分子生物學現在是2頁\一共有74頁\編輯于星期四3.1細胞內的遺傳物質3.1.1DNA是主要的遺傳物質

1869年，瑞士的內科醫生FriedrichMiescher從外科醫院包扎傷口的繃帶上的膿細胞核中提取到一種富含磷元素的酸性化合物，將其稱為核質(nuclein)；后來他又從鯖魚精子中分離出類似的物質，并指出它是由一種堿性蛋白質與一種酸性物質組成的，此酸性物質即是現在所知的核酸(nucleicacid)。現在是3頁\一共有74頁\編輯于星期四1885—1900年間，Kossel、Johnew、Levene證實核酸由不同的堿基組成。其最簡單的單體結構是堿基-核糖-磷酸構成的核苷酸。1929年又確定了核酸有兩種，一種是脫氧核糖核酸(DNA)，另一種是核糖核酸(RNA)。現在是4頁\一共有74頁\編輯于星期四1928年英國科學家Griffith進行了著名的肺炎雙球菌轉化實驗。但轉化源（transformingprinciple）的化學本質仍是一個謎。分離出活的S型細菌現在是5頁\一共有74頁\編輯于星期四16年之后首先用實驗證明基因就是DNA分子的是美國著名的微生物學家Avery（1944）。現在是6頁\一共有74頁\編輯于星期四9年之后1952年D.Hershery和M.Chase再次用T2噬菌體標記實驗證實了DNA是遺傳物質的本質。現在是7頁\一共有74頁\編輯于星期四20世紀50年代Watson和Crick發現了DNA分子的雙螺旋結構，最終確立DNA是遺傳信息的載體。作為遺傳物質的DNA具有以下特性:

①

儲存并表達遺傳信息；②

能把遺傳信息傳遞給子代；③

物理和化學性質穩定；④

有遺傳變異的能力。現在是8頁\一共有74頁\編輯于星期四3.1.2RNA也是遺傳物質1956年美國的兩位科學家A.Gierer和G.Schraman發現煙草花葉病毒（tobaccomosaicvirus,TMV），其遺傳物質是RNA。1957年美國的HeinzFraenkel-Conrat和B.Singre用重建實驗證實了這一結論。現在是9頁\一共有74頁\編輯于星期四現在是10頁\一共有74頁\編輯于星期四

一些病毒采用RNA作為遺傳物質。

類病毒只由RNA組成。類病毒，無殼病毒：一種病毒樣感染顆粒，含單鏈、共價閉環RNA，無蛋白質外殼。類病毒結構上與一些內含子近似，可能代表逃逸的內含子。現在是11頁\一共有74頁\編輯于星期四3.2核酸的化學組成與共價結構

3.2.1核酸的化學組成

核酸（nucleicacid，多核苷酸）

↓

核苷酸（nucleotide，單核苷酸）┌─────┴─────┐

↓

↓

磷酸（phosphate）

核苷（nucleoside）

┌─────┴─────┐

↓

↓

戊糖（amylsugar）含氮堿基（base）現在是12頁\一共有74頁\編輯于星期四1.堿基(base)現在是13頁\一共有74頁\編輯于星期四2.核苷（nucleosides）

戊糖與嘧啶或嘌呤堿以糖苷鍵連接就稱為核苷。現在是14頁\一共有74頁\編輯于星期四1’2’3’4’5’(OH)1’2’3’4’5’(OH)嘧啶的1位N原子、嘌呤的9位N原子與戊糖Ｃ－1所連的羥基形成糖苷鍵。現在是15頁\一共有74頁\編輯于星期四3.核苷酸（nucleotideacid）脫氧核糖堿基磷酸AGCT現在是16頁\一共有74頁\編輯于星期四3.2.2核酸的共價結構1.DNA的一級結構與功能

DNA的一級結構是指DNA分子中核苷酸的排列順序，簡稱為DNA順序（或序列）。由于核苷酸之間的差異僅僅是堿基的不同，故可稱為堿基順序。現在是17頁\一共有74頁\編輯于星期四DNA一級結構的表示法5′3′結構式5′3′

p

p

p

pOH3′ACTG1′線條式5′ACTGCATAGCTCGA3′字母式現在是18頁\一共有74頁\編輯于星期四2.RNA的一級結構與功能

RNA分子中核苷酸的排列順序叫做RNA的一級結構。OHOHOH5′3′

RNA與DNA的差異DNARNA糖脫氧核糖核糖堿基AGCTAGCU不含稀有堿基含稀有堿基現在是19頁\一共有74頁\編輯于星期四3.3DNA的二級結構(雙螺旋模型)Watson&Crick建立雙螺旋模型主要是受到4個方面的影響：1、DNA的X射線衍射分析結果；2、蛋白質的α螺旋模型；3、氫鍵理論；4、1950[英]Chargaff規則（當量定律）。現在是20頁\一共有74頁\編輯于星期四3.3.1雙螺旋模型（doublehelixmodel）特征

(1)

DNA分子由兩條反向平行的多核苷酸鏈組成，形成右手雙螺旋。(2)兩條鏈反向平行，即兩條鏈的方向相反。5′3′5′3′磷酸核糖堿基現在是21頁\一共有74頁\編輯于星期四(3)糖一磷酸鍵是在雙螺旋的外側，堿基對與軸線垂直。(4)糖與附著在糖上的堿基近于垂直。(5)堿基配對時，必須一個是嘌呤，另一個是嘧啶。(6)DNA雙螺旋有大溝（majororwidegroove）和小溝（minorornarrowgroove）的存在。T-A堿基對C-G堿基對現在是22頁\一共有74頁\編輯于星期四（1）堿基對之間的氫鍵（2）堿基堆集力它包括：①疏水作用②范德華力（3）磷酸基的負電荷斥力3.3.2維持DNA雙螺旋的作用力現在是23頁\一共有74頁\編輯于星期四3.3.3DNA二級結構的其他形式(雙螺旋結構的多態性)

在雙螺旋的總體特征之下，能產生各種二級結構的變化，這稱為DNA二級結構的多樣性或多態性(polymorphism)。DNA結構產生多態性的原因在于核苷酸鏈的骨架含許多可轉動的單鍵，從而使糖環可采取不同的折疊形式和苷鍵采取不同構象。DNA的構象現已知有A，B，C，D，E，T，Z7種。現在是24頁\一共有74頁\編輯于星期四（1）B-DNA的構象

Watson和Crick提出的DNA雙螺旋結構模型。相對濕度92%的DNA鈉鹽。是大多數DNA在細胞中的構象。右手雙螺旋。現在是25頁\一共有74頁\編輯于星期四（2）A-DNA的結構右手螺旋。相對濕度為75%的DNA鈉鹽。螺旋體短粗，大溝變得窄而深，小溝變得寬而淺。結晶的A型-DNA纖維在吸收了水分后能夠變長，并轉變為B型-DNA。A-DNA比較常見在RNA分子的雙股發夾螺旋區域、RNA-DNA雜交雙鏈中。現在是26頁\一共有74頁\編輯于星期四（3）Z-DNA的結構1972年Pohl

etal發現poly(dG-dC)在高鹽下旋光性發生改變；1979年WangA.H-J(王惠君),A.Rich對d(CGCGCG)單晶作X衍射分析提出Z－DNA模型。現在是27頁\一共有74頁\編輯于星期四嘌呤和嘧啶交替排列，高鹽。左手螺旋。細長，只有一條窄而深的小溝，大溝消失。

天然DNA的局部可出現Z-DNA。CpG二核苷酸序列中胞嘧啶的甲基化形成5-甲基胞嘧啶，可導致B-DNA向Z-DNA轉化。現在是28頁\一共有74頁\編輯于星期四

Z-DNA構象有轉錄起始的調節活性。Z-DNA構象在轉錄區上游離轉錄區近時，抑制轉錄；若離轉錄區遠時，可以增加轉錄區的負超螺旋程度而促進轉錄。現在是29頁\一共有74頁\編輯于星期四3.4DNA分子的高級結構（其他DNA螺旋結構）3.4.1單鏈核酸形成的二級結構單鏈核酸也可由于部分序列之間的堿基配對而形成分子內或分子間的雙螺旋區域。反向重復序列間間隔較短或無間隔反向重復序列間間隔較長現在是30頁\一共有74頁\編輯于星期四3.4.2短片段的重復序列短片段的重復順序可分為三種類型：（1）正向重復(directrepeats)又叫順向重復；（2）反向重復(invertedrepeats)；（3）回文順序

(Palindromicsequence)5′-GTGAGCTCAC-3′3′-CACTCGAGTG-5′

現在是31頁\一共有74頁\編輯于星期四上海自來水來自海上農學人才多多才人學農畫上荷花和尚畫書臨漢字翰林書順反相同現在是32頁\一共有74頁\編輯于星期四能在DNA或RNA中形成發夾結構。通常是作為一種特別信號。如：限制性內切酶的識別位點；一些調控蛋白的識別位點。限制性內切酶EcoRⅠ的識別位點現在是33頁\一共有74頁\編輯于星期四3.4.3三股螺旋的DNA

1957年，Felsenfeld等發現一股為嘌呤，另一股為嘧啶的核苷酸雙鏈能夠形成三鏈。如：polyA/polyU；polydA/polydT；polyd(AG)/polyd(CT)。

1987年，Mirkin.S.M證明plasmidDNA在pH=4.3的溶液中,有T.SDNA的存在。現在是34頁\一共有74頁\編輯于星期四DNA分子內的三鏈結構

多聚嘌呤多聚嘧啶DNA分子間的三鏈結構三股螺旋DNA的生物學意義：◆參與基因表達調控。◆RNA分子參與表觀遺傳調節。◆基因治療或定向誘變。現在是35頁\一共有74頁\編輯于星期四3.4.4DNA的四鏈結構2002年，一組英國科學家發現染色體端粒DNA可以形成四鏈結構，并測定了其晶體結構。GGGG5‘3‘TTTGGGGGGGGGGGGGGGGTTTTTT現在是36頁\一共有74頁\編輯于星期四功能

（1）穩定真核生物染色體結構

（2）保證DNA末端準確復制

（3）與DNA分子的組裝有關

（4）與染色體的meiosis&mitosis有關

現在是37頁\一共有74頁\編輯于星期四3.4.5DNA的結構的動態性與精細結構1.DNA結構的動態性：不同DNA結構形式相互轉變的現象。在活細胞中，下面幾種因素能使DNA雙螺旋構象發生相互轉變：（1）核苷酸順序（堿基組成）；（2）鹽的種類和濃度；（3）相對濕度。

現在是38頁\一共有74頁\編輯于星期四

DNA雙螺旋結構的呼吸作用:

DNA雙鏈中氫鍵的迅速斷裂和再生過程。在DNA雙螺旋結構中，配對堿基之間的氫鍵處于連續不斷的斷裂和再生的動態平衡之中，局部開鏈的泡狀結構對于DNA結合蛋白識別DNA內部所含信息以及與DNA結合都有重要作用。現在是39頁\一共有74頁\編輯于星期四2.DNA分子的精細結構(局部構象)DNA雙螺旋的許多結構參數不是完全均勻的，是隨著堿基序列的不同而在一定范圍內變化的，稱為DNA雙螺旋的局部構象。在DNA雙螺旋中，依賴于序列的構象變化的主要形式有：（1）螺旋扭轉角：兩個相鄰堿基對之間繞螺旋軸旋轉的夾角在28°-42°變動。（2）螺旋槳效應。現在是40頁\一共有74頁\編輯于星期四3.4.6DNA的超螺旋結構與拓撲學性質1.DNA的超螺旋結構（DNA的三級結構）

螺旋超螺旋現在是41頁\一共有74頁\編輯于星期四超螺旋（superhelix）是雙螺旋DNA進一步扭曲盤繞形成的三級結構。超螺旋是DNA三級結構的一種普遍形式，雙螺旋DNA的松開導致負超螺旋(negativesuperhelix)，而擰緊則導致正超螺旋(positivesuperhelix)。天然的DNA都呈負超螺旋，但體外可得到正超螺旋。現在是42頁\一共有74頁\編輯于星期四超螺旋可能有兩方面的生物學意義：（1）超螺旋DNA比松弛型DNA更緊密，使DNA分子體積變得更小，得以包裝在細胞內；（2）超螺旋能影響雙螺旋的解鏈程度，因而影響DNA分子與其他分子，如酶、蛋白質分子的相互作用。現在是43頁\一共有74頁\編輯于星期四2.DNA超螺旋結構的拓撲學性質

拓撲：是指物體或圖像作彈性移位而又保持物體不變的性質。（1）連環數（linkingnumber,L）：連環數指雙螺旋DNA中兩條鏈互相纏繞交叉的總次數，L為整數。一個閉合環狀DNA分子，只要其主鏈的共價鍵不斷裂，連環數值就不會改變。（2）盤繞數（twistingnumber,T）：盤繞數是DNA分子中雙螺旋的周數，表示DNA分子一條鏈繞另一條鏈的扭轉數。對于松弛態的環狀DNA，以每周10.5個堿基對計算，T=堿基對總數/10.5。即DNA分子中Watson-Crick螺旋數，是雙螺旋自身的性質。現在是44頁\一共有74頁\編輯于星期四（3）超螺旋周數（writhingnumber,W）：超螺旋周數指雙螺旋結構在一定的盤繞數（T）下，DNA分子的超螺旋纏繞數，即整個DNA分子在雙螺旋基礎上，一條雙螺旋鏈繞另一雙螺旋鏈纏繞轉動的周數，它表示DNA超螺旋的程度，負超螺旋的W為負值，正超螺旋的W為正值。White方程：L=T+W（T與W的值可以是小數，但L的值必須是整數）（4）連環數比差（λ）

λ=ΔL/L0=(L-L0)/L0超螺旋密度現在是45頁\一共有74頁\編輯于星期四現在是46頁\一共有74頁\編輯于星期四現在是47頁\一共有74頁\編輯于星期四3.5真核生物的染色體及其組裝3.5.1真核生物的染色體19世紀中葉，發現染色體。染色體只包含1個DNA分子，在細胞不同周期表現為不同形態，間期表現為染色質。其蛋白質與DNA的質量比約為2：1。常染色質染色質組成型異染色質異染色質兼性異染色質洛陽紅

首案紅現在是48頁\一共有74頁\編輯于星期四3.5.2染色體中的組蛋白

組蛋白(histones)是一種堿性蛋白質，等電點一般在pH10.0以上，其特點是富含二種堿性氨基酸(賴氨酸和精氨酸)，根據這兩種氨基酸在蛋白質分子中的相對比例，將組蛋白分為五種類型：H1、H2A、H2B、H3、H4。特點：◆富含賴氨酸和精氨酸；◆進化上的極端保守性；◆無組織特異性；◆氨基酸分布的不對稱性。現在是49頁\一共有74頁\編輯于星期四3.5.3核小體的形成KlugA（英，獲得1982年諾貝爾獎）。核小體是由H2A、H2B、H3、H4各兩個分子生成的八聚體和由大約200bpDNA組成的。八聚體在中間，DNA分子盤繞在外，而H1則在核小體的外面。每個核小體只有一個H1。

若以每堿基對沿螺旋中軸上升距離為0.34nm計，200bpDNA的伸展長度為68nm，形成核小體后僅為11nm，長度壓縮了6～7倍。①染色體DNA的一級包裝——核小體現在是50頁\一共有74頁\編輯于星期四現在是51頁\一共有74頁\編輯于星期四非組蛋白是染色體上與特異DNA序列結合的蛋白質，所以又稱序列特異性DNA結合蛋白，非組蛋白的特性是：①

含有較多的天門冬氨酸、谷氨酸，帶負電荷，屬酸性蛋白質；②

整個細胞周期都進行合成，而組蛋白只在S期合成，并與DNA復制同步進行；③

有明顯的組織特異性。非組蛋白的功能是：①

幫助DNA分子折疊；②

協助啟動DNA復制；③

有調節基因表達的作用。現在是52頁\一共有74頁\編輯于星期四3.5.4染色質的高級結構二級包裝——染色質螺線管(chromatinsolenoid)

在H1組蛋白分子間的相互作用下，核小體鏈進一步盤繞形成一種中空螺線管，其外徑為30nm，每圈含6個核小體。又壓縮了6倍。現在是53頁\一共有74頁\編輯于星期四3三級包裝——染色質纖維環(loopsofchromatinfiber)螺線管纖維相隔一定間距的某些區段被“拉攏”固定在蛋白軸上，從而產生了許多從骨架上伸出的纖維環(loops)。DNA又壓縮約100倍。現在是54頁\一共有74頁\編輯于星期四真核生物染色體DNA組裝不同層次的結構側環模型現在是55頁\一共有74頁\編輯于星期四3.6RNA的結構與功能RNA通常是單鏈線型分子（一級結構），在分子內可自身回折形成局部的雙螺旋（二級結構），進而折疊（三級結構）。除tRNA外，幾乎全部細胞中的RNA都與蛋白質形成核蛋白復合物。現在是56頁\一共有74頁\編輯于星期四3.6.1RNA的結構特點及與DNA的區別（1）堿基組成不同。（2）RNA分子中有許多稀有堿基或微量堿基、修飾堿基。（3）核糖不同。

（4）對整個RNA分子而言，沒有雙螺旋結構。

（5）RNA分子中的堿基不遵守Chargaff法則。

（6）RNA在堿性溶液中十分敏感。

（7）增色效應沒有DNA明顯。

（8）DNA是遺傳信息的儲存者和攜帶者。而RNA是遺傳信息的傳遞者和表達者。

（9）RNA分子攜帶和儲存遺傳信息。（10）某些RNA的特殊結構具有催化功能，稱這些RNA為核酶。現在是57頁\一共有74頁\編輯于星期四3.6.2細胞中RNA的分布細胞質中的RNA（占總RNA的90%）可分為4大類：

①

轉運RNA(transferRNA,tRNA)；

②信使RNA(messengerRNA,mRNA)；

③

核蛋白體RNA(ribosomeRNA,rRNA)。

④細胞質中的小分子RNA叫scRNA。scRNA與細胞內蛋白質轉運有關。比如轉運-信使RNA(transfer-messengerRNA,tmRNA)。tmRNA兼具tRNA分子和mRNA分子的雙重功能。細胞核內的RNA（占總RNA的10%）統稱為nRNA，由兩部分組成：

①一部分是核內mRNA、tRNA和rRNA的初始轉錄混合物；

②

另一小部分是核內小分子RNA(smallnuclearRNA,snRNA)。功能是參與hnRNA的加工。現在是58頁\一共有74頁\編輯于星期四3.6.3RNA分類概述1.mRNA的結構（占細胞總RNA的3%-5%

）m7G5’ppp5’Nm(Nm)5’帽子(A)nAAOH3’polyAAAUAAAUGAUAAUAGAUG5’非編碼區3’非編碼區編碼區翻譯起始調節區定位信號真核細胞mRNA的基本結構現在是59頁\一共有74頁\編輯于星期四酵母tRNAAla的二級結構DHU環IGC反密碼子反密碼環氨基酸臂可變環TψC環CCAAla3′5′二級結構特征：單鏈三葉草葉形四臂四環2.tRNA的結構（約占細胞總RNA的15%）現在是60頁\一共有74頁\編輯于星期四tRNA的三級結構：tRNA的三級結構是倒L形。在三葉草型二級結構的基礎上，突環上未配對的堿基由于整個分子的扭曲而配成對，目前已知的tRNA的三級結構均為倒L型。所有tRNA有以下共同特點:（1）含稀有堿基和稀有核苷較多,達核苷酸總量的5%～20%。（2）不同的tRNA盡管核苷酸組分和排列順序各異，但其3′端都含有CCA序列，是所有tRNA接受氨基酰化的特定位置。CCA序列由tRNA合成后酶促加工產生，而非tRNA基因編碼。（3）所有的tRNA分子都折疊成緊密的三葉草二級結構和L形立體構象，結構較穩定，半衰期均在24h以上。現在是61頁\一共有74頁\編輯于星期四5sRNA的二級結構3.rRNA的結構（占細胞總RNA的80%）

基本上都是由部分雙螺旋與部分突環相間排列而成。特征：單鏈，螺旋化程度較tRNA低

與蛋白質組成核糖體后方能發揮其功能。核糖體由RNA和蛋白質組成，真核細胞中兩者比例為1：1，原核細胞為2：1。現在是62頁\一共有74頁\編輯于星期四4.snRNA(smallnuclearRNA,snRNA)細胞核小分子RNA核內小RNA，snRNA是含70～300個核苷酸的小分子RNA，占細胞RNA總量的0.1%-1%。主要參與基因初始轉錄產物加工。5.snoRNA核仁小分子RNA(smallnucleolarRNA,snoRNA)廣泛分布于從酵母到哺乳動物細胞的核仁區，大小一般在幾十到幾百個核苷酸，主要功能是參與rRNA前體的加工。6.非編碼的mRNA（ncRNA）非編碼mRNA與傳統的mRNA一樣可進行剪接和3’端加尾修飾，但不具有典型的可讀框（ORF）；它們參與許多生理過程，是一些調控RNA。現在是63頁\一共有74頁\編輯于星期四DNA的變性過程加熱部分雙螺旋解開無規則線團鏈內堿基配對3.7核酸的變性、復性與分子雜交3.7.1核酸的變性（denaturation）或解鏈（melting）

指DNA分子由穩定的雙螺旋結構松解為無規則線性結構的現象。確切地就是維持雙螺旋穩定性的氫鍵和疏水鍵的斷裂。DNA變性不涉及到其一級結構的改變。凡能破壞雙螺旋穩定性的因素都可以成為變性的條件：1）加熱。2）極端的pH。3）有機試劑甲醇、乙醇、尿素及甲酰胺等。現在是64頁\一共有74頁\編輯于星期四DNA變性后物理性質發生的變化：（1）流體力學的性質發生改變：粘度下降，而沉降速度增加；（2）提高了對紫外線的吸收能力，此稱為增色效應。現在是65頁\一共有74頁\編輯于星期四DNA的變性溫度：

通常將核酸加熱變性過程中，紫外光吸收值達到最大值50%時的溫度稱為DNA的變性溫度（融解溫度，Tm）。

Tm（meltingtemperature）是使DNA雙螺旋鏈解開一半時的溫度。DNATm一般在70—85℃之間。現在是66頁\一共有74頁\編輯于星期四影響DNATm值的因素:(1)DNA的均一性,均一性高,熔解過程會發生在一個很窄的范圍內。(2)G+C的含量,含量越高,Tm值越高。經驗公式為: