第三章(总) 核酸

基酸）
提出并证实了Operon作为调节细菌细胞代谢的分子机制并首次预言mRNA分子的存在
一、核酸的发现及研究
1969年 Nirenberg（美） Holly ＆ Khorana诺贝尔生理医学奖
Marshall W. Nirenberg Robert W. Holley
Har Gobind Khorana
3` 末端
核苷酸顺序又称碱基顺序
（一）核酸的一级结构
RNA的一级结 构
• 核糖核苷酸通过磷酸二 酯键相连形成的长链
DNA的一级结构
DNA具有严格的化学组成，还具有特殊的空间结构，它 主要以有规则的双螺旋形式存在，其基本特点是: • (l)DNA分子是由两条互相平行的脱氧核苷酸长链盘绕而成的; • (2)DNA分子中的脱氧核糖和磷酸交替连接，排在外侧，构成 基本骨架，碱基排列在内侧。 • 两条链上的碱基通过氢键结合形成碱基对，它的组成规律是 嘌呤与嘧啶配对。即A与T, G与C。 • 组成DNA分子的碱基虽然只有4种，但碱基可以任何顺序排 列，构成了DNA分子的多样性。DNA的ATGC的排列方式几 乎是无限的。每个DNA分子所具有的特定的碱基排列顺序构 成了DNA分子的特异性，不同的DNA链可以编码出完全不同 的多肽。
第三章 核酸
主要内容
• 核酸的组成成分 • 核酸的结构 • DNA和基因组 • RNA的结构和功
能
第一节 核酸的组成成分
一、核酸的发现及研究
1868年，F.Miescher，核酸最早分 离自外科绷带脓细胞的细胞核，并发现 其含磷量超过当时发现的任何一种有机 物，且含有很强的酸性，得名核酸。
一、核酸的发现及研究
破译了遗传密码
酵母丙氨酸tRNA的核苷酸序列并证 第一个合成了核酸分子， 明了所有tRNA三级结构的相似性 并人工复制了酵母基因
二、核酸的种类和分布
核酸分为两大类： • 脱氧核糖核酸（DNA）
Deoxyribonucleic Acid • 核糖核酸（RNA） Ribonucleic Acid
二、核酸的种类和分布
• DNA的两条反向平行的多核苷酸链围绕同一中心轴构成螺 旋结构。
• 多核苷酸的方向由核苷酸间的磷酸二酯键的走向决定，一 条从5’→3’，另一条从3‘→5’。链间有螺旋型的凹槽， 一条小沟;一条大沟。
• 两条链上的碱基以氢键相连，G与C配对，A与T配对。碱基 对层叠于双螺旋的内侧。相邻碱基对平面之间的距离为 0.34nm，以3.4nm为一个结构重复周期。
• 非组蛋白包括酶类，收缩蛋白、骨架蛋白、肌 动蛋白、肌球蛋白、微管蛋白、原肌蛋白等。
染色质和核小体
由DNA和组蛋白组成的染色质纤维细丝是许多核小体 连成的念珠状结构。核小体是由H2A、H2B、H3、H4 各两个分子生成的8聚体和由大约200bpDNA组成的。 八聚体在中间，DNA分子盘绕在外，而Hl则在核小体的 外面。每个核小体只有一个Hl。用核酸酶水解核小体后产 生的核心颗粒含146bpDNA和组蛋白八聚体， 146bpDNA
• 除了性细胞以外，真核细胞的染色体都是二倍体，而性细胞 的染色体数目是体细胞的一半，称为单倍体。
• 染色体被大量蛋白质及核膜包围，DNA的转录和翻译在不 同的空间和时间上进行，其基因表达调控与DNA的序列和 染色体的结构有关。
（二）真核细胞的染色体
• 染色体上的蛋白质主要包括组蛋白和非组蛋白。 组蛋白是染色体的结构蛋白，它与DNA组成 核小体。组蛋白分别为Hl、H2A、H2B、H3 及H4。它们含有大量的赖氨酸和精氨酸。
③磷酸基上的负电荷与介质中的阳离子或组蛋 白的正离子之间形成离子键，中和了磷酸基 上的负电荷间的斥力，有助于DNA稳定。
④碱基处于双螺旋内部的疏水环境中，可免受 水溶性活性小分子的攻击。
3、DNA双螺旋结构的多样性
• DNA的类型
类型 结晶状态 螺距 碱基距离 每圈 旋转
(nm)
(nm) bp数 方向
（二）含氮碱基
嘧啶环
嘌呤环
三、核酸的组成成分
（三）磷酸基团
三、核酸的组成成分 （四）核苷及核苷酸
（四）核苷及核苷酸
核苷酸之间的连接-3’-5’磷酸二 酯键
核酸骨架
糖-磷酸骨架
三、核酸的组成成分
核酸的组成
核酸
核苷酸
水
解
磷酸
核苷
戊糖
碱基
核酸的结构
• 核酸的一级结构 • DNA的二级结
• 核苷酸的磷酸基团与脱氧核糖在外侧，通过磷酸二酯键相 连接而构成DNA分子骨架。
• 脱氧核糖环平面与纵轴大致平行。
• 双螺旋的直径为2.0nm。
1、结构特征
（1）两条反向平 行的多核苷酸链围 绕同一中心轴缠绕, 为右手螺旋。
（2）
碱基位于双螺旋的内侧，
磷酸和核糖在外侧，
通过3’，5’－磷酸二酯 键构成骨架。
绕在核心外面形成1·75圈，每圈约8Obp。
许多核小体构成了连续的染色质DNA细丝。
染色质和核小体
核 小 体 之 间 的 连 接
（三）原核生物基因组
• 原核生物的基因组很小，大多只有一条染色体，且 DNA含量少。（注意染色体外遗传基因的概念： 即细菌的质粒、真核生物的线粒体、高等植物的叶 绿体等所含有的DNA和功能基因）。
mRNA (信使
RNA)
Messenger RNA
• 约占总RNA的5%
• 不同细胞的mRNA链长和分子量差异 很大
• 其功能是将DNA的遗传信息传递到蛋 白质合成基地 ----核糖核蛋白体。
tRNA(转移RNA)
Transfer RNA
• 约占总RNA的10-15% • 在蛋白质生物合成中翻译AA信息、将相
DNA的二级结构
DNA的二级结构
二、DNA的二级结构
• DNA的二级结构是指两条多核苷酸链反向 平行盘绕所生成的双螺旋结构。在生物活 体中，通常情况下，DNA的二级结构以两 大类存在: 右手螺旋（A－DNA、B－DNA） 和左手螺旋（Z－DNA）。
• 通常情况下DNA的构象为B-DNA。
DNA的二级结构特 点
• 有重叠基因：在一些细菌和动物病毒中同一段DNA 能携带两种不同蛋白质的信息。重叠基因主要有以 下几种情况:(1)一个基因完全在另一个基因里面；
• (2)部分重叠；(3)两个基因只有一个碱基对的重叠。 • 有的重叠基因的重叠部分翻译相同序列的肽段；有
的翻译不同的肽段，这是因为翻译起点错位引起的。
重叠基因
通过对DNA分子的X射线衍射 研究证实了DNA Double Helix Model
一、核酸的发现及研究
1965年 Jacob ＆ Monod （法国）诺贝尔生理医学奖
此外，1953年
Zamecnik发现
蛋白质的合成场
所是核糖体（无
细胞系统放射性
同位素标记的氨
Francis Jacob
Jacques Monod
构 • DNA的高级结
构
（一）核酸的一级结构
核酸的一级 结构：各核 苷酸残基沿 多核苷酸链 排列的顺序 （序列）
核 酸 的 一 级 结 构
DNA一级结构的简写形式
A 3`-OH
P 5`-磷酸 戊糖
核苷酸
A GC TG P P P PP
源自文库5` 首端
pApCpTpG -pA-C-T-G
C P OH
与蛋白质的生物合成，参与基因表达调控等）。
脱氧核糖核酸（DNA）
• DNA大多为双链分 子
• 大多数是线性链状结 构，少部分呈环状
• 分子量一般都很大
核糖核酸（RNA）
• RNA为单链分子 • RNA主要负责DNA遗传信息的翻译和
表达 • 分子量比DNA小得多。
RNA的种类1）mRNA 2)tRNA 3)rRNA
• Hershey和Chase（1952）关于DNA是遗 传物质的实验（T2噬菌体侵染大肠杆菌实 验）；
一、核酸的发现及研究
1962年Watson（美） ＆ Crick（英） ＆ Wilkins（新西兰）
1953年Watson＆ Crick提出DNA 反向平行双螺旋模型； Crick于1954
年提出了中心法则
（二）真核细胞的染色体
• 真核细胞的染色体位于核仁内，DNA与蛋白质完全融合在 一起，其蛋白质与相应DNA的质量比约为2：1；其中蛋白 质包括组蛋白和非组蛋白，
• 真核生物染色体的组成：由DNA、组蛋白、非组蛋白及部 分RNA（主要是尚未完成转录而仍与模板DNA相连接的那 些RNA，其含量不到DNA的10%）组成。
（四）真核生物基因组
（四）真核生物基因组 真核细胞基因组含有大量的重复序列，功
• 1902，E. Fischer研究糖和嘌呤而获诺贝尔 化学奖。核酸中的嘌呤和嘧啶主要由Kossel 等人所鉴定。
• 1910，Kossel 因核酸化学研究中的成就而 获诺贝尔生理学奖。
• 1946，E. Chargaff测定了DNA碱基，提出 Chargaff法则。
一、核酸的发现及研究
• Griffith（1928）及Avery（1944）等人 关于致病力强的光滑型（S型）肺炎链球菌 DNA导致致病力弱的粗糙型（R型）细菌发 生遗传转化的实验；
一、脱氧核糖核酸(deoxyribonucleic acid, DNA) 90%以上分布于细胞核，其余分布于核外如
线粒体，叶绿体，质粒等(携带遗传信息，决定 细胞和个体的基因型)(genotype)。
二、核糖核酸(ribonucleic acid, RNA) 分布于胞核、胞液（携带遗传信息，指导或参
从而控制整个生命过程; • 能够产生可遗传的变异。
（一）、原核细胞的染色体
1、位于一个类似“核”的结构—“类核体”上，由 DNA和外裹的稀疏蛋白质组成，其中一部分蛋白与 DNA的折叠有关，另一些则参与DNA复制、重组 及转录。 2、原核生物中一般只有一条染色体，且大都带有 单拷贝基因；只有很少数基因（如rRNA基因）是 以多拷贝形式存在；整个染色体DNA几乎全部由功 能基因与调控序列所组成；几乎每个基因序列都与 它所编码的蛋白质序列呈线性对应状态。（无内含 子）
A＝T G≡C （5）碱基在一条链上的排列顺序不受任何限 制。但根据碱基配对原则，一条核苷酸链序列 可决定另一条互补链的序列。
双螺旋的补充：
（1）夹角和碱基对的数目变化
（2）碱基对沿长轴旋转一定的角度
2、稳定双螺旋结构的因素
①碱基堆积力形成疏水环境（主要因素） 。
②碱基配对的氢键。GC含量越多，越稳定。
• 结构简练：原核DNA分子的绝大部分是用来编码 蛋白质的，只有非常小的一部分不转录。而且，这 些不转录DNA序列通常是控制基因表达的序列。
（三）原核生物基因组
• 存在转录单元：原核DNA序列中功能相关的基因丛 集在基因组的特定部位，形成转录单元，它们可被 一起转录为可翻译多个蛋白质的mRNA分子，这种 mRNA叫多顺反子mRNA。
应AA转运到核糖核蛋白体 • 每一个AA至少有一个相应的tRNA。 • tRNA分子大小相似一般为73-78个核苷
酸。
rRNA(核糖体RNA)
Ribosome RNA • 约占全部RNA的80% • 是核糖核蛋白体的主要组成部分 • 功能与蛋白质生物合成相关。
三、核酸的组成成分
（一）戊糖
三、核酸的组成成分
MOV : PBC\A0267501\supercoiling of DNA
真核生物染色体的结构
一、染色体概述
1、染色体的发现—19世纪中 叶在有丝分裂中发现的一种易 被碱性染料染成深色的物质；
2、染色体的组成—DNA和蛋白 质 3、染色体的功能—遗传物质的主要载体
第一节 染色体
4、染色体的重要特征 • 分子结构相对稳定; • 能够自我复制; • 能够指导蛋白质的合成，
碱基平面与纵轴垂直，
糖环平面与纵轴平行。
大沟：宽1.2nm，深 0.85nm，小沟：宽 0.6nm，深0.75nm。
（3）主要参数
双螺旋的直径为2nm，
碱基堆积距离为 0.34nm，
两个核苷酸之间的夹角 36°，
每圈螺旋含10个核苷 酸，螺距3.4nm。
（4）两条核苷酸链依靠碱基间形成的氢键而 结合。
A 相对湿度75% 2.8 0.256 11 右手
DNA钠盐
B 相对湿度92% 3.4 DNA钠盐
C 相对湿度66% 3.1 DNA锂盐
Z d(GCGCGC) 4.44
0.34 10 右手 0.332 9.3 右手 0.37 12 左手
DNA的二级结构
三、DNA的高级结构
DNA的高级结构是指 DNA双螺旋进一步扭曲盘 绕所形成的特定空间结构。 超螺旋结构是DNA高级结 构的主要形式，可分为正 超螺旋与负超螺旋两大类。