核酸的組成和結構核酸的組成和結構第1頁2第一節

DNA組成與結構一、DNA（deoxyribonucleicacid）組成

1.核酸是由許多個單核苷酸聚合而成多核苷酸鏈;核苷酸由堿基、戊糖(D-2-脫氧核糖)和磷酸三個別組成。

2.DNA含：A、T、C、G四種堿基嘌呤嘧啶核糖磷酸DNAA，GC，T脫氧核糖磷酸核酸的組成和結構第2頁3二、DNA結構與功效一級結構（Primarystructure）：指DNA分子中核苷酸排列次序。二級結構（Secondarystructure）：雙螺旋（doublehelix）三股螺旋（triplehelix）三（高）級結構（Tertiarystructure）：超螺旋（supercoil）核酸的組成和結構第3頁4（一）DNA一級結構指DNA分子中4種核苷酸連接方式和排列次序。

1.Chargaff法則

Chargaff于1946-1950年依據紙層析、離子交換層析和紫外分光光度試驗結果提出查伽夫定則：四種堿基數量不是等量；同一物種DNA堿基組成不變，而物種間則有很大不一樣；嘌呤堿基總量與嘧啶堿基總量相等(A+G=T+C)，且腺嘌呤與胸腺嘧啶數相等“A”=“T”

、鳥嘌呤與胞嘧啶數相等“G”=“C”。

2.核苷酸序列及其測定查伽夫定則表明：核酸并不是四核苷酸結構簡單重復，核酸堿基序列信息可能含有主要意義。以后研究表明：堿基序列正是核酸生物學功效基礎，是遺傳信息內在形式。核酸序列分析技術是最主要分子生物學研究技術，主要包含：Sanger雙脫氧法和MaxamandGillbert化學法。基于化學法DNA序列自動分析儀已成為常規試驗設備。核酸的組成和結構第4頁55’末端磷酸基團3‘，5’-磷酸二酯鍵3‘末端羥基DNA長度單位：堿基對(bp)，千堿基對(Kb)，百萬堿基對(Mb)核酸的組成和結構第5頁63.DNA一級結構表示方法線條式表示法文字表示法核酸的組成和結構第6頁7（二）DNA二級結構

指兩條核苷酸鏈反向平行盤繞所生成雙螺旋結構。1.DNA雙螺旋結構模型

1953年美國青年生物學家Watsn和英國中年物理學家Crick依據堿基互補配對規律和DNAX射線衍射研究，提出了著名DNA雙螺旋結構模型，并為以后拍攝電鏡直觀形象所證實，從而奠定了分子生物學基礎。（1）關鍵點：DNA分子是由兩條同軸反向相互纏繞多核甘酸鏈組成雙螺旋結構；糖和磷酸排在外面組成骨架,兩鏈對應核甘酸堿基相互配對由氫鍵連接排列在內側；雙螺旋直徑為20A，螺距為34A,包含10對堿基。（2）意義：DNA雙螺旋模型結構同時表明，DNA能夠按堿基互補配對標準進行半保留復制，而在此之前對復制方式大家對一無所知；DNA核苷酸次序要求該基因編碼蛋白質氨基酸次序；DNA中遺傳信息就是堿基序列；并存在某種遺傳密碼(geneticcode)，將核苷酸序列譯成蛋白質氨基酸次序。在其后幾十年中，科學家們沿著這兩條路徑前進，探明了DNA復制、遺傳信息表示與中心法則等內容。核酸的組成和結構第7頁8沃森、克里克和威爾金斯因發覺生命雙螺旋而榮獲1962年諾貝爾醫學生理學獎。（左一：威爾金斯，左三：克里克左五：沃森）

FranklinRE，1920－1958）和同事威爾金斯在1951年率先采取X射線衍射技術拍攝到DNA晶體照片，為推算出DNA分子呈螺旋結構結論，提供了決定性試驗依據。但“科學玫瑰”沒等到分享榮耀，在研究結果被認可之前就已凋謝。核酸的組成和結構第8頁9超高分辨率掃描式電子顯微鏡拍到DNA照片DNA人工模型富蘭克林拍攝DNAX射線衍射圖X衍射技術是用X光透過物質結晶體，使其在照片底片上衍射出晶體圖案技術，這個方法能夠用來推測晶體分子排列；沃森和克里克從衍射圖譜中受到啟示。核酸的組成和結構第9頁10DNA雙螺旋結構模型核酸的組成和結構第10頁11核酸的組成和結構第11頁122.DNA分子構型多態性（1）右手螺旋：A-DNA、B-DNA、C-DNA、

D-DNA、E-DNA、T-DNA；（2）左手螺旋：Z-DNA。B-DNA：為DNA在生理狀態下構型，右手雙螺旋構型（沃森和克里克模型），每螺旋為10個核苷酸對。

A-DNA：為DNA脫水構型，右手螺旋，每螺旋為11個核苷酸對。

Z-DNA：為左手螺旋，每個螺旋含12個核苷酸對。核酸的組成和結構第12頁13DNA分子構型多態性核酸的組成和結構第13頁143.DNA其它螺旋結構（1）回文結構：DNA序列中以某一中心區域為對稱軸，其兩側堿基對次序正讀和反讀都相同雙螺旋結構。即對稱軸一側片段旋轉180°后，與另一側片段對稱重復。回文結構能形成十字結構和發夾結構。核酸的組成和結構第14頁15（2）鏡像重復(mirrorrepeat)

：存在于同一股上一些DNA區段反向重復序列。此序列各單股中沒有互補序列，不能形成十字型或發夾結構。

（3）反轉重復（invertedrepeated)：由反方向互補兩個DNA片段組成，兩個反轉重復序列又叫回文序列(palindromesequence)。（4）直接重復(directrepeat)：由同一方向完全相同兩個序列組成。正向重復序列、順向重復序列。5′GGAATCGATCTTTTCTAGCTAAGG3′3′CCTTAGCTAGAAAAGATCGATTCC5′核酸的組成和結構第15頁16核酸的組成和結構第16頁17（5）DNA三股螺旋（triplestrandsDNA，H-DNA，ts-DNA）：

1957年由Felesnfeld及Davis首先發覺。多聚嘧啶和多聚嘌呤組成DNA螺旋區段，其序列中有較長鏡像重復時，形成局部三股配對，并相互盤繞三股螺旋，其中兩股堿基按Watson-Crick方式配對，第三股多聚嘧啶（鏡像重復）經過TAT和CGC配對，而處于雙螺旋大溝中。三條鏈均為同型嘌呤（Hpu）或同型嘧啶（Hpy），有兩種基礎類型：

Pu-Pu-Py型：在堿性介質中穩定。

Py-Pu-Py型：在偏酸性介質中穩定。三鏈DNA既能夠是B-DNA與另一條DNA鏈結合成鏈間三鏈DNA，又能夠是B-DNA與其本身一條鏈結合形成鏈內三鏈DNA。分子內三鏈DNA于1987年由Mirkin在超螺旋中發覺，其形成要求雙螺旋中存在連續嘌呤或嘧啶序列，而且必須是鏡像重復序列。核酸的組成和結構第17頁18核酸的組成和結構第18頁19（三）DNA高級結構1.超螺旋（supercoilorsuperhelix

）結構（1）超螺旋發覺

1965年Vinograd等用電鏡發覺SV40和多瘤病毒環形DNA超螺旋；超螺旋是雙螺旋DNA深入扭曲盤繞形成高級結構。

a.絕大多數原核生物DNA都是共價封閉環（covalentlyclosedcircle，CCC）分子，雙螺旋環狀分子螺旋化成為超螺旋結構。

b.有些單鏈環形染色體（如φx174）或雙鏈線形染色體（如噬菌體

），在其生活周期某一階段，染色體也變為超螺旋結構。

c.真核生物染色體多為線形分子，但DNA均與蛋白質相結合，一樣含有超螺旋形式。核酸的組成和結構第19頁20核酸的組成和結構第20頁21（2）超螺旋形成

DNA雙螺旋結構中，普通每轉一圈有10個核苷酸對，平時雙螺旋總處于能量最低狀態；若正常DNA雙螺旋額外地多轉或少轉幾圈，使每一圈核苷酸數目大于或小于10，就會出現雙螺旋空間結構改變，在DNA分子中產生額外張力；若此時雙螺旋末端是固定或是環狀分子，雙鏈不能自由轉動，額外張力不能釋放，造成DNA分子內部原子空位置重排，造成扭曲，出現超螺旋。（3）超螺旋方向性

a.正超螺旋：繩子兩股以右旋方向纏繞，假如在一端使繩子向纏緊方向旋轉，再將繩子兩端連接起來，會產生一個左旋超螺旋，以解除外加旋轉造成脅變，這么超螺旋叫正超螺旋。

b.負超螺旋：假如在繩子一端向松纏方向旋轉，再將繩子兩端連接起來，會產生一個右旋超螺旋，以解除外加旋轉所造成脅變，這么超螺旋稱負超螺旋。核酸的組成和結構第21頁22核酸的組成和結構第22頁23c.松旋效應緊旋效應：形成超負螺旋時，旋轉方向與DNA雙螺旋方向相反，旋轉結果使DNA分子內部張力減小，稱為松旋效應（在自然條件下共價封閉環狀DNA呈負超螺旋結構）；與負超螺旋相反，形成正超螺旋時旋轉方向與DNA雙螺旋方向相同，結果加大了DNA分子內部張力，含有緊旋效應。（4）圍繞數和超螺旋關系

White在1969年建立了White方程來對超螺旋進行定量描敘，說明圍繞數和超螺旋關系。L=T+WL（linkingnumber）：鏈環數或稱拓撲圍繞數，指DNA中一條鏈繞另一條鏈總次數。L是整數，在不發生鏈斷裂時其值為常數，右手螺旋對L取正值。T（twistingnumber）：纏繞數，即雙螺旋圈數。T為變量，能夠是非整數，右手螺旋時T為正值。W（writhingnumber）：扭曲數，即超數旋數。W為變量，能夠是非整數，右手螺旋時，W取負值。核酸的組成和結構第23頁24核酸的組成和結構第24頁25核酸的組成和結構第25頁26核酸的組成和結構第26頁27（5）DNA超螺旋密度（λ）

λ=（L-L0）/L0

L0是指松馳環形DNAL值，天然DNA超螺旋密度普通為-0.03~-0.09，平均每100個螺旋出現3-9個負超螺旋。

a.天然DNA都呈負超螺旋，但體外可得到正超螺旋；因為雙鏈DNA是動態改變，其負超螺旋鏈環數也會有所波動。

b.負超螺旋會個別地轉變為單鏈泡狀結構，這種單鏈泡狀結構也是解除松纏作用造成脅變一個路徑；當然蛋白質會與這些單鏈泡狀結構結合參加復制活轉錄；這可能就是為何在生物內DNA總是采取負超螺旋形式主要原因。

c.溴化乙錠（ethidiumbromide）能與DNA緊密結合，使DNA密度降低；它插入DNA分子堿基對之間，引發DNA分子松旋，伴隨EB量增加，負超螺旋DNA就轉變為松弛態；EB深入增加，DNA就轉變為正超螺旋。核酸的組成和結構第27頁28核酸的組成和結構第28頁29（6）不一樣類型DNA高級結構及性質

a.超螺旋使環狀DNA分子變得更致密，在超速離心和在凝膠電泳中遷移速度都增加;瓊脂糖凝膠電泳可將超螺旋僅差一圈DNA分離開。

b.真核生物中，DNA與組蛋白八聚體形成核小體結構時，存在著負超螺旋。

c.DNA超螺旋是由DNA拓撲異構酶產生。

d.坍縮DNA：當閉合環超螺旋變成閉合環松弛形DNA時，經堿變性或熱變性使其氫鍵斷裂，但兩條鏈無法分離，結果生成兩條鏈緊密纏結分子；坍縮DNA含有很高沉降常數，相對沉降常數約3.0（單鏈環狀DNA相對沉降常數大約為1.14；線性單鏈DNA相對沉降常數為1.30）。

e.環連DNA：在DNA復制過程中產物或由拓撲異構酶催化生成，由兩個以上環形DNA分子環連而成。

f.閉合環超螺旋DNA對于溫度和堿性有較強抵抗力，不輕易發生變性；這么，能夠尋找一個臨界條件，使閉合環松弛形和開環松弛形DNA發生變性；而閉合環超螺旋不變性或極少變性。很多分離或判定閉合環超螺旋形DNA方法都是依據其特征而設計。核酸的組成和結構第29頁30核酸的組成和結構第30頁31核酸的組成和結構第31頁32（7）超螺旋意義

a.超螺旋形式是DNA分子復制和轉錄需要：生物體內DNA結構是處于動態之中，超螺旋引入就提升了DNA能量水平，而超螺旋程度改變介導了DNA結構改變，即超螺旋多出能量可能使DNA雙股鏈分開，或局部熔解，這種結構上改變對DNA分子復制和轉錄等開啟很主要。

b.超螺旋可使DNA分子形成高度致密狀態從而得以容納于有限空間。如E.coliDNA總長度是其細胞長度100倍，因為它DNA存在著超螺旋才能包裝成類核（nucleoid）。

c.染色體形成過程：一級結構（核小體，直徑10nm）、二級結構（螺線體，直徑30nm）、三級結構（超螺線體，直徑400nm）、四級結構（染色體，直徑1000nm），DNA雙螺旋深入扭曲盤旋所形成特定空間結構。

核酸的組成和結構第32頁33核酸的組成和結構第33頁34核酸的組成和結構第34頁35第二節、RNA組成與結構一、RNA組成

RNA所含戊糖為D-核糖，堿基為A、C、G、U。二、RNA基礎結構1．RNA一級結構：指RNA分子中4種核苷酸連接方式和排列次序。2.RNA分類及其二級結構（1）mRNA：帽子結構和尾巴，5’端，7’-甲基鳥苷；3’端，polyA尾巴。（2）rRNA：單鏈RNA自行盤繞形成局部雙螺旋多“莖”多“環”結構，螺旋個別稱為“莖”或“臂”非螺旋個別稱為“環”，在螺旋區，A與U配對，G與C配對。5SrRNA和16SrRNA分別組成大亞基和小亞基。（3）tRNA二級結構：三葉草形狀可分為：氨基酸接收區、反密碼區、二氫尿嘧啶區、TΨC區和可變區。除氨基酸接收區外，其余每個區都含有一個突環和一個臂。核酸的組成和結構第35頁363．tRNA三級結構：倒“L”形，全部tRNA折疊后形成大小相同及三維構象相同三級結構，這有利于攜帶氨基酸tRNA進入核糖體特定部位。在翻譯過程中轉運各種氨基酸至核糖體，按mRNA密碼次序合成蛋白質作用。核酸的組成和結構第36頁37三、mRNA詳細結構與功效1.原核生物mRNA結構特點：(1)多順反子（polycistron）:一分子mRNA帶有幾個蛋白質遺傳信息，能夠作為幾個蛋白質模板，能翻譯出幾個蛋白質。(2)mRNA5′端無帽子結構，3′端普通無多聚A尾巴。(3)普通沒有修飾堿基。核酸的組成和結構第37頁382.真核生物mRNA結構特點（1）5′末端有帽子結構。真核生物mRNA在轉錄后,在5’端加上帽子(7－甲基鳥嘌呤核苷)，在蛋白質翻譯時識別起始位置及預防被RNA酶降解。核酸的組成和結構第38頁39（2）3′端多數帶有多聚A尾巴(polyadenylatetail)，其長度為20~200個A.（3）分子中可能有修飾堿基，主要是甲基化。（4）分子中有編碼區與非編碼區。非編碼區（untranslatedregionUTR）位于編碼區兩端；5′非編碼區有翻譯起始信號。核酸的組成和結構第39頁40四、tRNA：轉運氨基酸1．單鏈小分子，含73~93個核苷酸；2．含有很多稀有堿基或修飾堿基，多為甲基化；3．5′端總是磷酸化，且常是pG；4．3′端為CCAOH；5．二級結構為三葉草形；6．三級結構為倒L型。核酸的組成和結構第40頁41五、rRNA原核生物真核生物核糖體70S80S小亞基30S40SrRNA16S(1542個核苷酸)18S（1874個核苷酸）蛋白質21種(占總重量40%)33種（占總重量50%）大亞基50S60SrRNA23S(2940個核苷酸)28S（4718個核苷酸）5S(120個核苷酸)5.8S(160個核苷酸)5S(120個核苷酸)蛋白質31種(占總重量30%)49種(占總重量35%)１．核糖體組成核酸的組成和結構第41頁42２．rRNA二級結構：

單鏈RNA自行盤繞形成局部雙螺旋多“莖”多“環”結構，螺旋個別稱為“莖”或“臂”非螺旋個別稱為“環”，在螺旋區，A與U配對，G與C配對。

核酸的組成和結構第42頁43３．原核生物rRNA特點（１）原核生物16SrRNA3′端有一保守序列ACCUCCU，是mRNA識別結合位點。（２）原核生物5SrRNA43~47位核苷酸為CGAAC序列，可與tRNA上GTΨCG互補。４．真核生物rRNA特點（１）真核生物5.8SrRNA上也有相同CGAAC序列,是tRNA與rRNA相互識別、相互作用部位。（２）rRNA上有許多rRNA之間識別結合部位及蛋白質相互作用部位。核酸的組成和結構第43頁44原核生物70S核糖體真核生物80S核糖體核糖體結構核酸的組成和結構第44頁45六、核酶：有催化活性RNA

１．核酶發覺

1982年，美國ThomasCech在研究四膜蟲rRNA自我剪接時發覺，同時加拿大SidneyAltman發覺RNaseP分子中RNA組分有催化活性；1989年分享了Noble化學獎。

２．核酶發覺意義不但拓寬了生物催化劑領域，而且對RNA生物學功效開創了一個歷史性新認識：RNA不但含有儲存和傳遞遺傳信息功效，而且還含有生物催化劑功效，在一定程度上能夠說，RNA一身兼有DNA和蛋白質兩大類生物大分子功效。核酸的組成和結構第45頁46３．核酶二級結構核酶二級結構對于催化活性很主要。Symons提出“錘頭”狀二級結構，三個螺旋區，13（或11）個保守核苷酸序列。核酸的組成和結構第46頁47

七、核內不均一RNA（hnRNA）真核細胞轉錄生成mRNA前體；加工過程包含：5′加帽；3′端加尾；內含子切除和外顯子拼接；分子內部甲基化修飾作用；核苷酸序列編輯作用。

八、小分子核內RNA（snRNA）真核細胞核內一組小分子RNA，含70~300堿基,序列中尿嘧啶含量較高，所以又用U命名。既非任何RNA前體，也非某種RNA代謝中間產物，而是含有獨特功效且獨立存在實體，參加mRNA加工。常與各種特異蛋白質結合在一起，形成小分子核內核蛋白顆粒（smallnuclearribonucleoproteinparticle，snRNP）核酸的組成和結構第47頁48九、反義RNA１．堿基序列恰好與有意義mRNA互補RNA，又稱為調整RNA。２．可與mRNA配對結合形成雙鏈，最終抑制mRNA作為模板進行翻譯。３．還可作為DNA復制抑制因子，與引物RNA互補結合抑制DNA復制，及在轉錄水平上與mRNA5′端互補，阻止RNA合成轉錄。４．能夠人工合成反義RNA來調整基因表示，用于疾病治療。５．原核生物中也有一個mRNA干擾互補RNA（MrnainterferingcomplementaryRNA，micRNA），也可與特異mRNA結合并阻止翻譯。