1、第13章 核酸的結構揚州大學生物科學與技術學院核酸的組成核酸核苷酸磷酸核苷戊糖堿基水解基本結構單位核糖脫氧核糖嘌呤AG嘧啶CTU揚州大學生物科學與技術學院戊糖揚州大學生物科學與技術學院核酸的分類就是根據所含戊糖種類不同而分為核糖核酸(RNA)和脫氧核糖核酸(DNA) DNA RNA 嘌 呤 堿 腺嘌呤(adenine)鳥嘌呤(guanine) 腺嘌呤(adenine)鳥嘌呤(guanine) 嘧 啶 堿 胞嘧啶(cytosine) 胸腺嘧啶(thymine) 胞嘧啶(cytosine) 尿嘧啶(uracil) 戊 糖 D-2-脫氧核糖 D-核糖 酸 磷 酸 磷 酸揚州大學生物科學與技術學院第一

2、節 核苷酸揚州大學生物科學與技術學院核苷酸的分類：（1）(核糖)核苷酸（2）脫氧(核糖)核苷酸兩類。兩者基本化學結構相同，只是所含戊糖不同。揚州大學生物科學與技術學院一、堿基 （base）堿基分兩類：嘧啶堿和嘌呤堿。 1嘧啶堿 嘧啶堿是母體化合物嘧啶的衍生物。 揚州大學生物科學與技術學院2. 嘌呤堿 應用X光衍射分析法已證明了各種嘌呤和嘧啶的三度空間結構。嘌呤和嘧啶環很接近平面，但稍有撓折。 揚州大學生物科學與技術學院3. 稀有堿基 除了5種基本的堿基外，核酸中還有一些含量甚少的堿基，稱為稀有堿基。稀有堿基種類極多，大多數都是甲基化堿基。tRNA中含有較多的稀有堿基，可高達10。 嘌呤次黃嘌呤

3、 I；N6、N6-二甲基腺嘌呤m26A； N1、N2 、 N7 三甲基鳥嘌呤m31,2,7G嘧啶5-甲基胞嘧啶 m5C ；5-羥甲基胞嘧啶 hm5U ；二氫尿嘧啶 DHU揚州大學生物科學與技術學院二、核苷 核苷是一種糖苷，由戊糖和堿基縮合而成。之間以糖苷鍵相連接。一般稱之為N糖苷鍵。核酸分子中的糖苷鍵均為糖苷鍵。 糖的C1與嘌呤堿的N9糖的C1與嘧啶堿的N1揚州大學生物科學與技術學院規律：（1）核苷中的戊糖為呋喃型的D-核糖或D-脫氧核糖，糖苷鍵均為糖苷鍵。（2）對嘧啶核苷來說，糖的C1與嘧啶堿的N1相連；對嘌呤核苷來說，糖的C1與嘌呤堿的N9相連（3）應用X射線衍射法已證明，核苷中的堿基與糖

4、環平面互相垂直。揚州大學生物科學與技術學院三、 核苷酸核苷中的戊糖羥基被磷酸酯化，就形成核苷酸。核苷酸是核苷的磷酸酯。核苷酸核糖核苷酸脫氧核糖核苷酸2、3或5核糖核苷酸堿基堿基3或5脫氧核糖核苷酸生物體內游離存在核苷酸主要是5核苷酸揚州大學生物科學與技術學院核苷酸堿基連接（核苷鍵）酯 鍵（對DNA為H）12345揚州大學生物科學與技術學院八種核苷酸M/單，D/二，T/三；P-磷酸（都表示5磷酸）RNA的名稱為單/二/三苷酸， DNA在單/二/三前加脫氧兩字（d表示）。 如AMP稱腺苷一磷酸(或腺苷酸） dAMP稱為脫氧腺苷一磷酸（脫氧腺苷酸）稀有核苷酸與上類似揚州大學生物科學與技術學院（四）核

5、苷酸的衍生物生物體內分布最廣和最重要的一種核苷酸衍生物。（1）ATP (腺嘌呤核糖核苷三磷酸)揚州大學生物科學與技術學院ATP的性質核酸合成的前體是重要的能量轉換中間體ATP含兩個高能磷酸鍵：水解時 可釋放大量自由能，推動體內各種需能反應。ATP也是磷酰化劑：磷酰化的底物具較高能量（活化分子），是許多生物化學反應的激活步驟。揚州大學生物科學與技術學院 (2)GTP (鳥嘌呤核糖核苷三磷酸)生物體內游離存在，核酸合成的前體，也是一種高能化合物具有類似ATP的結構主要是作為蛋白質合成中磷酰基供體在許多情況下, ATP 和 GTP 可以相互轉換揚州大學生物科學與技術學院（3）cAMP 和 cGMPc

6、AMP 3,5環腺嘌呤核苷一磷酸cGMP 3,5-環鳥嘌呤核苷一磷酸細胞間信使cAMP 和 cGMP 的環狀磷酯鍵是一個高能鍵：pH 7.4時水解能約為43.9 kJ /mol，比 ATP 水解能高得多。揚州大學生物科學與技術學院第二節 核酸的共價結構 揚州大學生物科學與技術學院一、核酸的共價結構也就是核酸的一級結構，通常是指核酸的核苷酸序列。 核酸的酸堿滴定曲線顯示，在核酸分子中的磷酸基只有一級解離，它的另兩個酸基必定與糖環的羥基形成了磷酸二酯鍵。由此可見，核酸中的核苷酸以磷酸二酯鍵彼此相連。發現過程：2.使用特殊的磷酸二酯酶水解核酸的磷酸二酯鍵。（牛脾水解5羥基形成的磷酸酯鍵；蛇毒水解3羥

7、基形成的磷酸酯鍵 ）揚州大學生物科學與技術學院連接方式：3，5磷酸二酯鍵牛脾蛇毒揚州大學生物科學與技術學院核酸一級結構的簡寫形式戊糖3-OHB53PPPPPP A G C T G C OH（1）豎線式，用豎線代表戊糖，B為堿基，P為磷酸基；原則上5端在左側，3端在右側，磷酸二酯鍵的走向為3 5。 P（2）文字式：pApCpTpG .pA-C-T-G 或 5 AGCTGC 3揚州大學生物科學與技術學院二、DNA的一級結構 1.定義一級結構指核酸的核苷酸排列序列。2.特點：（1）堿基組成：A、T、C、G，戊糖為脫氧核糖。（2）各核苷酸之間通過3 5磷酸二酯鍵相連（3）DNA無分支鏈，相對分子質量非

8、常大（4）各物種的DNA基因組結構特點不同揚州大學生物科學與技術學院揚州大學生物科學與技術學院1. 細菌（原核生物）的基因組結構特點連續、無內含子，功能相關的基因組成操縱子，有共同的調控序列，很少有重復序列。內含子（intro）：真核生物的基因通常是斷裂基因，保留在成熟RNA中的序列稱為外顯子（exon），插入的非編碼序列稱為內含子。揚州大學生物科學與技術學院操縱子：指原核生物基因表達的協調單位，包括在功能上彼此相關的基因及其調控部位，調控部位由啟動子和操縱基因（阻遏蛋白結合區）所組成。揚州大學生物科學與技術學院揚州大學生物科學與技術學院2. 真核生物的基因組特點斷裂、有內含子、功能相關基因不

9、形成操縱子，調控序列所占比例大，有大量重復序列。例如：人的基因組大小為3.2X109 bp，但編碼蛋白質的序列僅占基因組的1%-1.4%基因（35%）假基因基因外區域外顯子內含子揚州大學生物科學與技術學院揚州大學生物科學與技術學院3. 病毒基因組的特點基因組較小，但十分緊湊，有的基因是重疊基因。重疊基因：指調控具有獨立性，但部分使用共同基因序列的基因。重疊基因揚州大學生物科學與技術學院三、RNA的一級結構 一級結構共同特點：（1）堿基由A、U、C和G組成，另外還有一些稀有堿基（2）戊糖不是脫氧核糖，而是核糖 （3）組成RNA的核苷酸也是以3 5磷酸二酯鍵彼此連接起來的；所以也是無分支線型多聚核

10、苷酸（4）RNA種類多，結構差異大 主要種類為tRNA, rRNA, mRNA。揚州大學生物科學與技術學院1. tRNA結構特點：tRNA通常由73至93個核苷酸組成，相對分子質量都在25 000左右，沉降常數為4S。含有較多稀有堿基，可達堿基總數的1015。沉降系數：指在單位離心力的作用下粒子的沉降速度，以svedberg表示，簡寫為S，單位為時間，1S = 110-13 s揚州大學生物科學與技術學院2. rRNA結構特點：細菌的rRNA有5S、16S和23S三種，哺乳動物的rRNA有5S、5.8S、18S和28S四種，rRNA核苷酸數一般100多個bp ，少數有稀有堿基揚州大學生物科學與技

11、術學院揚州大學生物科學與技術學院原核生物以操縱子作為轉錄單位，產生多順反子mRNA（一條mRNA鏈上有多個編碼區），5端和3端各有一段非翻譯區(untranslated region，UTR)。原核生物mRNA，包括噬菌體RNA，都無修飾堿基。3. mRNA結構特點：揚州大學生物科學與技術學院真核生物的mRNA都是單順反子，5端有帽子(cap)結構，然后依次是5非編碼區、編碼區、3非編碼區，3端為多聚腺苷酸(polyadenylic acid，poly(A)尾巴。其分子內有時還有極少甲基化的堿基。 5帽子 密碼子 3polyA m7Gppp- AUG GUG UAA AAAAAA 5端非翻譯區

12、 編碼區 3非翻譯區真核生物mRNA的共價結構揚州大學生物科學與技術學院5 帽子結構O型：m7G5ppp5Np I型 ：m7G5ppp5NmpNp 型 ：m7G5ppp5NmpNmpNp 帽子有抗5外切酶能力揚州大學生物科學與技術學院帽子結構：可抵抗5核酸外切酶降解mRNA。 可為核糖體提供識別位點，使mRNA很快與核糖體結合，促進蛋白質合成起始復合物的形成。polyA尾： PolyA是mRNA由核進入胞質所必需的形式。polyA與mRNA半壽期有關， PolyA大大提高mRNA在胞質中的穩定性。揚州大學生物科學與技術學院第三節 DNA的高級結構 揚州大學生物科學與技術學院一、DNA的二級結構

13、Watson和Crick于1953年提出了DNA分子雙螺旋結構模型：（1）兩條反向平行的多核苷酸鏈圍繞同一中心軸相互纏繞；兩條鏈均為右手螺旋。 （2）嘌呤與嘧啶堿位于雙螺旋的內側。磷酸與核糖在外側，彼此通過3，5磷酸二酯鍵相連接，形成DNA分子的骨架。 揚州大學生物科學與技術學院（3）堿基平面與縱軸垂直，糖環的平面則與縱軸平行。 （4）兩條鏈配對偏向一側，形成一條大溝和一條小溝 揚州大學生物科學與技術學院（5）雙螺旋的平均直徑為2nm，兩個相鄰的堿基對之間相距的高度，即堿基堆積距離為0.34 nm，兩個核苷酸之間的夾角為36。因此，沿中心軸每旋轉一周有10個核苷酸。每一周的高度(即螺距)為3.

14、4nm。 揚州大學生物科學與技術學院（6）兩條核苷酸鏈依靠彼此堿基之間形成的氫鍵相連系；根據對堿基構象研究的結果，A只能與T相配對，形成兩個氫鍵；G與C相配對，形成3個氫鍵。 揚州大學生物科學與技術學院二、DNA雙螺旋結構模型提出的依據1. 已知核酸化學結構和核苷酸鍵長和鍵角的數據。2.對DNA纖維的X射線衍射分析結果證實。3. Chargaff規則 的提出揚州大學生物科學與技術學院揚州大學生物科學與技術學院Chargaff規則（1950年總結）(1) 腺嘌呤和胸腺嘧啶的摩爾數相等，即A=T。(2) 鳥嘌呤和胞嘧啶的摩爾數也相等，即G=C。(3) 含氨基的堿基(腺嘌呤和胞嘧啶)總數等于含酮基的

15、堿基(鳥嘌吟和胸腺嘧啶)總數，即A+C=G+T。 (4) 嘌呤的總數等于嘧啶的總數，即A+G=C+T。 所有DNA中堿基組成必定是A=T，G=C，這一規律暗示A與T，G與C相互配對的可能性，為Watson和Crick提出DNA雙螺旋結構提供了重要根據。 揚州大學生物科學與技術學院三、DNA二級結構類型DNA的結構可受環境條件(相對濕度、溶液的鹽濃度、離子類型、有機溶劑等)的影響而改變。A型：相對濕度75%制得的DNA纖維結構；右手螺旋。B型：相對濕度92%制得的DNA纖維結構;右手螺旋（Watson and Crick的結構)。C型、D型：相對濕度4446% ， 60% 制得的DNA纖維結構;

16、右手螺旋Z型：左手雙螺旋；揚州大學生物科學與技術學院A-DNA特點：（1）是由兩條反向的多核苷酸鏈組成的雙螺旋，右手螺旋；（2）但是螺體較寬而短，堿基對與中心軸之傾角也不同，呈19。（3）堿基對的傾角導致大溝變狹；小溝變寬。螺距也發生變化。揚州大學生物科學與技術學院Z型結構特征（1）序列必須含鳥嘌呤，并且嘌呤堿與嘧啶堿交替出現，有利于Z型的形成。 （2）Z型螺旋細長，大溝平坦，磷酸和糖骨架呈Z字形。揚州大學生物科學與技術學院DNA的類型類型 結晶狀態 螺距 堿基距離 每圈 旋轉 (nm) (nm) bp數 方向A 相對濕度75% 2.8 0.256 11 右手 DNA鈉鹽B 相對濕度92% 3

17、.4 0.34 10 右手 DNA鈉鹽Z d(GCGCGC) 4.44 0.37 12 左手P489表13-6三種類型DNA的比較揚州大學生物科學與技術學院三股螺旋DNA K. Hoogsteen 1963通常是一條同型寡核苷酸與寡嘧啶核苷酸-寡嘌呤核苷酸雙螺旋的大溝結合：oligo(Py) : oligo(Pu)oligo(Py/Pu)揚州大學生物科學與技術學院當DNA的一段寡嘧啶（寡嘌呤）構成鏡像重復時可以形成三股螺旋（鉸鏈DNA，hinged DNA , H-DNA)P 490 圖13-11 H-DNA的結構揚州大學生物科學與技術學院DNA三股螺旋結構常出現在DNA復制、轉錄、重組的起始

18、位點或調節位點，如啟動子區。第三股鏈的存在可能使一些調控蛋白或RNA聚合酶等難以與該區段結合，從而阻遏有關遺傳信息的表達。揚州大學生物科學與技術學院四、DNA的三級結構 1. 定義：是指DNA分子(雙螺旋)通過扭曲和折疊所形成的特定構象，包括不同二級結構單元間的相互作用、單鏈與二級結構單元間的相互作用以及DNA的拓撲特征。超螺旋是DNA三級結構的一種形式。 揚州大學生物科學與技術學院超螺旋的類型1.正超：（擰緊螺旋）2.負超：（解螺旋）左旋右旋超螺旋DNA具有更為致密的結構，可以將很長的DNA分子壓縮在一個極小的體積內。天然環狀DNA一般都以負超螺旋構象存在，負超螺旋DNA易于解鏈。有利于DN

19、A的復制、重組和轉錄等過程進行。 揚州大學生物科學與技術學院五、DNA與蛋白質復合物的結構 生物體內的核酸通常與蛋白質結合形成復合物，以核蛋白的形式存在。基因組DNA與蛋白質結合形成染色體。病毒可認為是游離的染色體1.病毒揚州大學生物科學與技術學院揚州大學生物科學與技術學院RNA和蛋白質核心突環由雙鏈DNA結合堿性蛋白質所組成細菌擬核的突環結構2、原核細胞的擬核揚州大學生物科學與技術學院基因組DNA與蛋白質結合最后形成染色體。染色體的基本結構核小體(nucleosome)3、真核細胞的染色體1974年Kornberg根據電鏡觀察和X射線衍射等資料，提出核小體的結構 揚州大學生物科學與技術學院核

20、小體的結構模型特點 1. 由組蛋白核心和盤繞其上的DNA所構成；組蛋白H1將DNA兩條鏈封住。2.核心由組蛋白H2A、H2B、H3和H4各2分子組成一個八聚體；3. DNA以左手螺旋在組蛋白核心上盤繞1.8圈，共146 bp 揚州大學生物科學與技術學院染色質纖絲突環玫瑰花環真核生物染色體DNA組裝成不同層次結構揚州大學生物科學與技術學院第四節 RNA的高級結構 揚州大學生物科學與技術學院一、tRNA的高級結構 1. tRNA的二級結構 三葉草形（5部分）(1)氨基酸臂:由7對堿基組成，富含鳥嘌呤，末端為CCA，接受活化的氨基酸 (2)二氫尿嘧啶環:由8-12個核苷酸組成，具有兩個二氫尿嘧啶 R

21、代表嘌呤Y代表嘧啶二氫尿嘧啶環揚州大學生物科學與技術學院(3)反密碼環:由7個核苷酸組成。環中部為反密碼子，由3個堿基組成。次黃嘌吟核苷酸常出現于反密碼子中。(4)額外環:由318個核苷酸組成。不同的tRNA具有不同大小的額外環，所以是tRNA分類的重要指標。 (5)假尿嘧啶核苷-胸腺嘧啶核糖核苷環(T C 環)：由7個核苷酸組成，幾乎所有tRNA在此環中都含有TC 。 揚州大學生物科學與技術學院2. tRNA的三級結構-倒L形 揚州大學生物科學與技術學院二、rRNA的高級結構 大腸桿菌16S rRNA二級結構示意圖揚州大學生物科學與技術學院（三）其它RNA的高級結構游離mRNA可產生高級結構，但翻譯時需解開核酶的功能與其空間結構密切相關。8種核酶的結構（除rRNA） ：RnaseP的RNA亞基（M1 RNA）、錘頭型、發夾型、丁型肝炎病毒（HDV）基因組和反基因組、Varkud衛星（Vs）質粒、類型和類型自我剪接內含子揚州大學生物科學與技術學院1DNA雙螺旋結構模型是_于_年提出的。2核酸的基本結構單位是_。3B型DNA雙螺旋的螺距為_，每