1、 核酸（核酸（DNA和和RNA）是是线性多聚核苷酸，线性多聚核苷酸，基本结构单元是基本结构单元是核苷酸核苷酸 DNA与与RNA结构相似，组成成份上略有不同结构相似，组成成份上略有不同核酸的组成核酸的组成核酸核酸核苷酸核苷酸磷酸磷酸核苷核苷戊糖戊糖碱基碱基水水解解核核 酸酸代表代表戊糖戊糖，对，对DNADNA而言为而言为脱氧核糖脱氧核糖，对对RNARNA而言为而言为核糖核糖；代表代表碱基碱基 代表代表磷酸基磷酸基核苷酸核苷酸（一）（一）碱基碱基嘌呤碱：腺嘌呤、鸟嘌呤嘌呤碱：腺嘌呤、鸟嘌呤嘧啶碱：胸腺嘧啶、胞嘧啶、尿嘧啶嘧啶碱：胸腺嘧啶、胞嘧啶、尿嘧啶稀有碱基：稀有碱基：嘌呤环嘌呤环 嘧啶环嘧啶环
2、（1）嘌呤碱）嘌呤碱（2）嘧啶碱）嘧啶碱(uracil)(cytosine)(thymine)尿嘧啶尿嘧啶 U胸腺嘧啶胸腺嘧啶 T胞嘧啶胞嘧啶 C鸟嘌呤鸟嘌呤 G腺嘌呤腺嘌呤 A 胺胺式式亚亚胺胺式式互互变变异异构构酮酮式式烯烯醇醇式式互互变变异异构构（3）稀有碱基）稀有碱基（二）核苷：核糖（二）核苷：核糖+碱基碱基lDNA含含-D-2-脱氧核糖脱氧核糖lRNA含含-D-核糖核糖OHHOHHOHOHHHOCH2HOCH2OHHOHHHOHHD-核糖D-2-脱氧核糖 糖与碱基之间的糖与碱基之间的C-NC-N键：键：C-NC-N糖苷键，糖苷键，且都是且都是糖苷键。糖苷键。C1N1C1N1（嘧啶）（
3、嘧啶）C1N9C1N9（嘌呤）（嘌呤）碱基与糖环平面垂直。碱基与糖环平面垂直。胞嘧啶核苷尿嘧啶核苷鸟嘌呤核苷腺嘌呤核苷NNOHHONNNH2HONNOHH2NNNNNNNNH2OHHOHHOHHHOCH2HOCH2OHHOHHOHHOHHOHHOHHHOCH2OHHOHHOHHHOCH2 稀有核苷：稀有核苷：1 1、2-0-甲基甲基-核糖核糖-核苷核苷 2、稀有碱基、稀有碱基 DHU 3、连接方式连接方式 （假尿（假尿嘧啶核苷）嘧啶核苷）假尿苷，假尿苷，pseudouridine，（三）（三）核苷酸核苷酸磷酸碱基戊糖NNNNNHHNHNHOOOOHOHOHOHCH2POHOOO核苷酸核苷酸碱基
4、连接（核苷键）碱基连接（核苷键）酯酯 键键（对（对DNA为为H）八种核苷酸八种核苷酸 RNA的名称为单的名称为单/二二/三苷酸，三苷酸，DNA在单在单/二二/三前加脱氧两字。三前加脱氧两字。如如AMP称腺苷一磷酸称腺苷一磷酸(或腺苷酸）或腺苷酸）dAMP称为脱氧腺苷一磷酸（脱氧腺苷酸）称为脱氧腺苷一磷酸（脱氧腺苷酸）稀有核苷酸与上类似稀有核苷酸与上类似腺腺嘌嘌呤呤 A鸟鸟嘌嘌呤呤 G胞胞嘧嘧啶啶 C尿尿嘧嘧啶啶 U胸胸腺腺嘧嘧啶啶 TRNA AMPGMPCMPUMP未未发发现现DNAdAMPdGMPdCMP未未发发现现dTMP（四四）核苷酸的衍生物）核苷酸的衍生物 生物体内分布最广和最重要的一
5、种核苷酸衍生物。生物体内分布最广和最重要的一种核苷酸衍生物。（1）ATP(腺嘌呤核糖核苷三磷酸腺嘌呤核糖核苷三磷酸O-POO-NNNNNH2OHHOHHOHHOCH2O-POO-O-POO-三磷酸腺苷(ATP)ATP的性质的性质 是重要的能量转换中间体是重要的能量转换中间体 ATP含两个高能磷酸键：含两个高能磷酸键：水解时水解时 可释放大量自由能，可释放大量自由能，推动体内各种需能反应。推动体内各种需能反应。ATP也是磷酰化剂：磷酰也是磷酰化剂：磷酰化的底物具较高能量（活化的底物具较高能量（活化分子），是许多生物化化分子），是许多生物化学反应的激活步骤学反应的激活步骤。(2)GTP(鸟嘌呤核糖
6、核苷三磷酸鸟嘌呤核糖核苷三磷酸)生物体内游离存在生物体内游离存在，也是一种高能化合物，也是一种高能化合物 具有类似具有类似ATP的结构的结构 主要是作为蛋白质合成中磷酰基供体主要是作为蛋白质合成中磷酰基供体 在许多情况下在许多情况下,ATP 和和 GTP 可以相互转换可以相互转换（3）cAMP 和和 cGMPcAMP 3,5环腺嘌呤核苷一环腺嘌呤核苷一磷酸磷酸cGMP 3,5-环鸟嘌呤核苷一环鸟嘌呤核苷一磷酸磷酸细胞间信使细胞间信使 cAMP 和和 cGMP 的环状磷酯键的环状磷酯键是一个高能键：是一个高能键：pH 7.4时时水解水解能约为能约为43.9 kJ/mol，比比 ATP 水解能高得
7、多。水解能高得多。DNADNA一级结构是指一级结构是指DNADNA上的核苷酸排列顺序。上的核苷酸排列顺序。(核苷酸相当于氨基酸、单糖的角色）核苷酸相当于氨基酸、单糖的角色）（一）（一）DNA的一级结构的一级结构3，5-磷酸二酯键磷酸二酯键35（1 1）核苷酸间以）核苷酸间以3-53-5磷酸二酯键相连磷酸二酯键相连（2 2）一端称为）一端称为5-5-磷酸端（磷酸端（5-P5-P表示）表示）一端称为一端称为3-3-羟基端（羟基端（3-OH3-OH表示）表示）（3 3）多聚核苷酸链具有方向性，表示时，）多聚核苷酸链具有方向性，表示时，需注明方向：需注明方向：5353或是或是3535DNA一级结构的简
8、写形式戊糖P53首端首端末端末端PPPPPP pApCpTpG-pA-C-T-G核苷酸顺序又称核苷酸顺序又称碱基顺序碱基顺序（二）（二）RNARNA的一级结构的一级结构 核糖核苷酸核糖核苷酸通过通过磷酸二磷酸二酯键酯键相连形成的相连形成的长链长链研究最多：研究最多：tRNA、rRNA及一些小分子及一些小分子RNA。1、tRNA分子特点分子特点：约由约由7393个核苷酸组成个核苷酸组成 分子中含有较多的分子中含有较多的修饰成分修饰成分（10-20%）3-末端都具有末端都具有CCAOH的结构的结构 5-末端磷酸化，常为末端磷酸化，常为G（pC）tRNA的功能：的功能：结合活化氨基酸（结合活化氨基酸
9、（3-CCA-OH），），搬运氨基酸到核糖体；搬运氨基酸到核糖体；识别识别mRNA密码子。密码子。参与蛋白质的翻译。参与蛋白质的翻译。5 末端帽子结构：末端帽子结构：m7GpppN3 末端有多聚腺苷酸尾巴结构末端有多聚腺苷酸尾巴结构(polyA)单顺反子（一条单顺反子（一条mRNA链上有一个编码区）链上有一个编码区）2、mRNA一级结构的特点：一级结构的特点：（1）真核细胞）真核细胞mRNA 5帽子 密码子 3polyA m7Gppp-AUG GUG UAA AAAAAA 5端非翻译区 编码区 3非翻译区真核生物真核生物mRNA的共价结构的共价结构帽子结构帽子结构帽子结构：识别翻译起始帽子结构
10、：识别翻译起始 polyA：维持：维持mRNA的稳定性的稳定性功能功能原核生物原核生物mRNA为多顺反子，无修饰碱基。为多顺反子，无修饰碱基。多顺反子多顺反子mRNA(polycistronic mRNA)：一条：一条mRNA链上有多个编码区链上有多个编码区（2）原核细胞）原核细胞mRNAmRNAmRNA的功能的功能 蛋白质合成的模板蛋白质合成的模板。*rRNA的种类（根据沉降系数）的种类（根据沉降系数）真核生物真核生物5S rRNA28S rRNA5.8S rRNA18S rRNA原核生物原核生物5S rRNA23S rRNA16S rRNA3、rRNA一级结构特点一级结构特点rRNA的功能
11、的功能 作为核糖体的骨架；作为核糖体的骨架；催化肽键的形成。催化肽键的形成。4 4、其他小分子、其他小分子RNARNA及及RNARNA组学组学除上述三种除上述三种RNARNA外的其他种类的小外的其他种类的小分子分子RNARNA，统称为，统称为非非mRNAmRNA小小RNA(smallRNA(small non-messenger non-messenger RNAsRNAs,snmRNAssnmRNAs)。1 1、snmRNAssnmRNAs 核内小核内小RNARNA（snRNAsnRNA）核仁小核仁小RNA RNA（snoRNAsnoRNA）snmRNAssnmRNAs 胞质小胞质小RNA
12、RNA（scRNAscRNA）催化性小催化性小RNARNA（即（即ribozymeribozyme）小片段干涉小片段干涉 RNARNA （siRNAsiRNA）snmRNAssnmRNAs的的功能功能参与参与hnRNAhnRNA和和rRNArRNA的加工和转运。的加工和转运。核不均一RNARNARNA组学研究细胞中组学研究细胞中snmRNAs的种的种类、结构和功能类、结构和功能。同一生物体内不同种。同一生物体内不同种类的细胞、同一细胞在不同时间、不同类的细胞、同一细胞在不同时间、不同状态下状态下snmRNAs的表达具有时间和空的表达具有时间和空间特异性。间特异性。RNARNA组学：组学：（一）
13、（一）DNA双螺旋结构的研究背景双螺旋结构的研究背景 碱基组成分析碱基组成分析Chargaff 规则：规则：A=T G C 嘌呤碱嘌呤碱=嘧啶碱嘧啶碱 已知核酸的化学结构已知核酸的化学结构 DNA纤维的纤维的X-射线衍射图谱分析射线衍射图谱分析 ChargaffDNA碱基组成具有：碱基组成具有：生物生物种的特异性种的特异性；无组织无组织/器官特异性；器官特异性；不受生长发育、营养状况及环境条件的影响。不受生长发育、营养状况及环境条件的影响。Chargaff规则：规则：（1）A=T（2）G=C（3）A+C=G+T（4）A+G=C+T腺嘌呤腺嘌呤胸腺嘧啶胸腺嘧啶鸟嘌呤鸟嘌呤胞嘧啶胞嘧啶其他组合易相
14、互排斥其他组合易相互排斥如如 G:T DNA 一一 股股 的的 核核 苷苷 酸酸 序序 列列 与与 另另 一一 股股 的的 序序 列列 互互 补：补：A-T、G-CFranklin,Rosalind Elsie(1920-58),British biophysicist.Born in London,she was educated in physical chemistry at Newnham College,Cambridge.Franklin conducted X-ray diffraction studies on the structure of the DNA molecule
15、,the carrier of hereditary information,while working in the laboratory of British biophysicist Maurice Wilkins.This work enabled American biochemist James Dewey Watson and the British Francis Crick to determine the helical structure of the DNA molecule.(二）二）DNA二级结构二级结构B型双螺旋型双螺旋 James Watson(left)and
16、 Francis Crick,1953 大大 部部 分分 DNA 所所 具具 有有 的的 双双 螺螺 旋旋 结结 构构，亦亦 称称 为为 B 型型 反向、平行、右手螺旋2 2链间碱基配对相连每10个碱基对螺旋上升一周疏水碱基位于内部相邻碱基平面互相平行，垂直于螺旋轴（1 1）两条反向平行的）两条反向平行的 多核苷酸链围绕多核苷酸链围绕 同一中心轴缠绕，同一中心轴缠绕，为右手螺旋。为右手螺旋。1 1、结构特征、结构特征（2 2）碱基位于双螺旋的内侧，碱基位于双螺旋的内侧，磷酸和核糖在外侧，磷酸和核糖在外侧，通过通过3，5磷酸二酯键磷酸二酯键构成骨架。构成骨架。碱基平面与纵轴垂直，碱基平面与纵轴垂
17、直，糖环平面与纵轴平行。糖环平面与纵轴平行。大沟：宽大沟：宽1.2nm1.2nm，深，深0.85nm0.85nm，小沟：宽小沟：宽0.6nm0.6nm，深，深0.75nm0.75nm。（3）主要参数）主要参数双螺旋的直径为双螺旋的直径为2nm，碱基堆积距离为碱基堆积距离为0.34nm，两个核苷酸之间的夹两个核苷酸之间的夹角角36，每圈螺旋含每圈螺旋含10个核苷个核苷酸，螺距酸，螺距3.4nm。（4 4）两条核苷酸链依靠碱基间形成的氢键而两条核苷酸链依靠碱基间形成的氢键而结合。结合。A AT GT GC C（5 5）碱基在一条链上的排列顺序不受任何限）碱基在一条链上的排列顺序不受任何限制。但根据
18、碱基配对原则，一条核苷酸链序列制。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。可决定另一条互补链的序列。双螺旋的补充：双螺旋的补充：（1）夹角和碱基对的数目变化）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）碱基对沿长轴旋转一定的角度碱基堆积力碱基堆积力形成疏水环境（主要因素）形成疏水环境（主要因素）。碱基配对的碱基配对的氢键氢键。GCGC含量越多，越稳定。含量越多，越稳定。磷酸基上的负电荷与介质中的阳离子或组蛋白的正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之间形成离子键离子键，中和了磷酸基上的负电荷，中和了磷酸基上的负电荷间的斥力，有助于间的斥
19、力，有助于DNADNA稳定。稳定。碱基处于双螺旋内部的疏水环境中，可免受水溶性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。活性小分子的攻击。2 2、稳定双螺旋结构的因素、稳定双螺旋结构的因素 3、DNA双螺旋结构的多样性双螺旋结构的多样性 DNADNA的类型的类型类型类型 结晶状态结晶状态 螺距螺距 碱基距离碱基距离 每圈每圈 旋转旋转 (nm)(nm)(nm)(nm)bpbp数数 方向方向A A 相对湿度相对湿度75%2.8 0.256 11 75%2.8 0.256 11 右手右手 DNADNA钠盐钠盐B B 相对湿度相对湿度92%92%3.4 0.34 10 3.4 0
20、.34 10 右手右手 DNADNA钠盐钠盐C C 相对湿度相对湿度66%3.1 0.332 9.3 66%3.1 0.332 9.3 右手右手 DNADNA锂盐锂盐Z Z d(GCGCGCd(GCGCGC)4.44 0.37 12 )4.44 0.37 12 左手左手4、三股螺旋、三股螺旋DNA K.Hoogsteen 1963通常是一条同型寡核苷酸与寡嘧啶核苷酸通常是一条同型寡核苷酸与寡嘧啶核苷酸-寡嘌呤核苷酸双螺寡嘌呤核苷酸双螺旋的大沟结合：旋的大沟结合：oligo(Py):oligo(Pu)oligo(Py/Pu)P 490 图13-11 H-DNA的结构的结构 DNA双螺旋通过扭曲和
21、折叠所形成的特定构象。双螺旋通过扭曲和折叠所形成的特定构象。包括：包括：不同二级结构单元间的相互作用不同二级结构单元间的相互作用 单链与二级结构单元间的相互作用单链与二级结构单元间的相互作用 DNA的拓扑特征的拓扑特征 超螺旋是超螺旋是DNA三级结构的主要形式。三级结构的主要形式。（三）（三）DNA的三级结构的三级结构环形环形DNADNA一条链断裂：开环分子（一条链断裂：开环分子（ocDNAocDNA)两条链断裂：线型分子两条链断裂：线型分子 (linear DNA)(linear DNA)1、环状环状DNA的三种典型构象的三种典型构象 P491 图图13-12（1）、）、松弛环形松弛环形DN
22、A（2）、）、解链环形解链环形DNA（3）、）、正超螺旋与负超螺旋正超螺旋与负超螺旋DNAMOV:PBCA0267501supercoiling of DNA2、三种环形三种环形DNA的拓扑学特性的拓扑学特性连环数连环数（linking number,L）DNA双螺旋中，一条链以右手螺旋绕另一条链缠绕的次数扭转数扭转数（twisting number,T）DNA分子中的Watson-Crick螺旋数目，以T表示超螺旋数超螺旋数（缠绕数（缠绕数,writhing number,W）连环数（L）缠绕数（T）扭曲数W松驰环25250解链环23230超螺旋2325-2L=T+W比连环差比连环差（spe
23、cific linking difference,）表示表示DNA的超螺旋程度的超螺旋程度(Superhelix density)=（LL0）/L0 =每一圈初级螺旋（每一圈初级螺旋（10bp，360）出现超螺旋数出现超螺旋数L0是指松驰环形是指松驰环形DNA的的L值值3、拓扑异构酶拓扑异构酶改变改变DNA拓扑异构体的拓扑异构体的L值。值。拓扑异构酶酶拓扑异构酶酶I（解旋酶）解旋酶）能使双链负超螺旋能使双链负超螺旋DNA转变成松驰形环状转变成松驰形环状DNA，每次每次催化使催化使L值增加值增加1。拓扑异构酶酶拓扑异构酶酶II（促旋酶）促旋酶）能使松驰环状能使松驰环状DNA转变成负超螺旋形转变成
24、负超螺旋形DNA，每次催化每次催化使使L减少减少2。真核细胞真核细胞染色体的染色体的DNA念珠状三级结构念珠状三级结构（H H2A2A、H H2B2B、H H3 3、H H4 4）2 2 含拓扑异构酶含拓扑异构酶（及（及H1H1）与与DNADNA复制及转录有关复制及转录有关RNA和蛋白质核心和蛋白质核心突环由双链突环由双链DNA结合结合碱性蛋白质所组成碱性蛋白质所组成细菌拟核的突环结构细菌拟核的突环结构 RNA通常是通常是单链线形单链线形分子分子 自身回折形成局部双螺旋（自身回折形成局部双螺旋（二级结构二级结构）进而折叠（进而折叠（三级结构三级结构）多数形成核蛋白复合物（多数形成核蛋白复合物（
25、四级结构四级结构），），如核糖体、拼接体、编辑体等。如核糖体、拼接体、编辑体等。RNA病毒是具有感染性的病毒是具有感染性的RNA复合物复合物四、四、RNA的高级结构的高级结构氨基酸臂：氨基酸臂：由由7对对bp组成，富含组成，富含G，末端为末端为CCA，接受活化接受活化AA二氢尿嘧啶环（二氢尿嘧啶环（D环）环）：由由812个核苷酸组成个核苷酸组成反密码环：反密码环：识别密码子识别密码子额外环：额外环：大小是大小是tRNA分类的重要指标分类的重要指标假尿嘧啶核苷假尿嘧啶核苷-胸腺嘧啶核苷环胸腺嘧啶核苷环 （T C环）环）1、二级结构、二级结构（一）（一）tRNA的高级结构的高级结构tRNA的三叶草型二级结构的三叶草型二级结构1 12 23 3反密码子环反密码子环 反密码子反密码子D环环TC环环额外环额外环四四环环四四臂臂2、tRNA的三级结构的三级结构tRNA的三级结的三级结构：构：倒倒“L”形形 核糖体：核糖体：rRNA+蛋白质蛋白质 催化肽键合成的是催化肽键合成的是rRNA，蛋白质维持蛋白质维持rRNA构象，起辅助作用构象，起辅助作用（二）（二）rRNA的高级结构的高级结构大肠杆菌大肠杆菌16s rRNA（三）其它（三）其它RNARNA的高级结构的高级结构
