n一、核酸的发现和研究简史n二、核酸的种类和分布n三、核酸的生物学功能主要内容主要内容Chapter12 核酸通论核酸通论脱氧核糖核酸（脱氧核糖核酸（DNADNA）核糖核酸（核糖核酸（RNARNA）通常为通常为双链分子双链分子通常为通常为单链分子单链分子主要分布于主要分布于核区核区或或细胞核细胞核主要分布于主要分布于细胞浆细胞浆原核生物：原核生物：核区核区DNADNA、质粒、质粒DNADNA真核生物：真核生物：细胞核细胞核DNADNA、线粒体、线粒体DNADNA、叶绿体、叶绿体DNADNA病毒病毒DNADNA核糖体核糖体RNARNA（rRNArRNA）转移转移RNARNA（tRNAtRNA）信使信使RNARNA（mRNAmRNA）小小RNARNA（sRNA sRNA）遗传信息的载体遗传信息的载体与遗传信息的表达和表与遗传信息的表达和表达调控有关达调控有关 核酸的分类、分布和功核酸的分类、分布和功能能核酸的分类、分布和功能核酸的分类、分布和功能脱氧核糖核酸（脱氧核糖核酸（DNADNA）Chapter12 核酸通论核酸通论二、核酸的种类和分布二、核酸的种类和分布核糖核酸（核糖核酸（RNA）核糖体核糖体RNARNA（rRNArRNA）：构成核糖体的骨架构成核糖体的骨架,起起装配和催化作用装配和催化作用转移转移RNARNA（tRNAtRNA）：）：携带氨基酸并识别密码子携带氨基酸并识别密码子 信使信使RNARNA（mRNAmRNA）：携带携带DNADNA的遗传信息并作为蛋的遗传信息并作为蛋白质合成的白质合成的模板模板小小RNA（sRNA）：）：与遗传信息的表达和表达调与遗传信息的表达和表达调控有关控有关 参与蛋白质参与蛋白质的合成的合成Chapter13 Chapter13 核酸的结构核酸的结构核苷酸核苷酸 核苷酸核苷酸戊糖戊糖碱基碱基磷酸磷酸OBOHOHOH2CPOHHOOB=腺嘌呤，鸟嘌呤，胞嘧啶，尿嘧啶或胸腺密啶核糖核苷酸 OH2CPOHHOOOBOH脱氧核糖核苷酸RNARNA与与DNADNA成分的差别仅在于糖和一成分的差别仅在于糖和一个嘧啶。
在个嘧啶在DNADNA分子中以分子中以D-2-D-2-脱氧脱氧核糖核糖代替了代替了RNARNA的的D-D-核糖，以胸腺核糖，以胸腺嘧啶代替了嘧啶代替了RNARNA的尿嘧啶的尿嘧啶PyrimidinesCytosineThymineUracilCUTPurihesAdenineGuanine AG 1 1 五种基本碱基五种基本碱基 核糖核糖 (Ribose)(Ribose)构成构成 RNARNA脱氧核糖脱氧核糖 (Deoxyribose)(Deoxyribose)构成构成 DNADNA-D-D-核糖核糖-D-2-D-2-脱氧核糖脱氧核糖戊糖戊糖OBOH OHOH2CPOHHOOB=腺嘌呤，鸟嘌呤，胞嘧啶，尿嘧啶或胸腺密啶核糖核苷酸 OH2CPOHHOOOBOH脱氧核糖核苷酸H腺嘌呤核苷酸（腺嘌呤核苷酸（AMP）Adenosine monophosphate脱氧腺嘌呤核苷酸（脱氧腺嘌呤核苷酸（dAMP）Deoxyadenosine monophosphate鸟嘌呤核苷酸（鸟嘌呤核苷酸（GMP）胞嘧啶核苷酸（胞嘧啶核苷酸（CMP）尿嘧啶核苷酸（尿嘧啶核苷酸（UMP）脱氧鸟嘌呤核苷酸（脱氧鸟嘌呤核苷酸（dGMP）脱氧胞嘧啶核苷酸（脱氧胞嘧啶核苷酸（dCMP）脱氧胸腺嘧啶核苷酸（脱氧胸腺嘧啶核苷酸（dTMP）HOHC5 3 结构式结构式（一）、（一）、核酸的一级结构核酸的一级结构 n核苷酸连接方式核苷酸连接方式:磷酸二酯键磷酸二酯键(3535磷酸二酯键磷酸二酯键)。
n两个末端两个末端:C C5 5的磷酸基（的磷酸基（5-5-磷酸磷酸端端,5-P5-P）C C3 3 的羟基（的羟基（3-3-羟基端、羟基端、3-OH3-OH）n方向性方向性:5353或是或是3535脱氧核苷酸之间的脱氧核苷酸之间的连接方式连接方式（3 3-5 5 磷酸二酯键磷酸二酯键）和）和排列顺序排列顺序C线条式线条式字母式字母式5 3 结构结构式式5 5 3 3 3 -5 磷酸二酯键磷酸二酯键（一）、（一）、RNARNA的一级结构和类别的一级结构和类别 Chapter13 核酸的结构核酸的结构OBO HO HO H2CPO HH OOB=腺嘌呤，鸟嘌呤，胞嘧啶，尿嘧啶或胸腺密啶核糖核苷酸 O H2CPO HH OOOBO H脱氧核糖核苷酸RNA1 1RNARNA分子中各核苷之间的分子中各核苷之间的连接方式（连接方式（3 3-5-5 磷酸二酯磷酸二酯键）和排列顺序叫做键）和排列顺序叫做RNARNA的的一级结构一级结构原核生物原核生物mRNAmRNA特征特征：先导区先导区+翻译区（多顺反子）翻译区（多顺反子）+末端序列末端序列真核生物真核生物mRNAmRNA特征：特征：“帽子帽子”（m m7 7G-5G-5 ppp5ppp5-N-3-N-3 p p）+单顺反子单顺反子 +“+“尾巴尾巴”（Poly APoly A）真核生物真核生物mRNAmRNA的一级结构的一级结构NCH3OHOH7-7-甲基鸟苷甲基鸟苷NCH3CH2P P P CH2OH OHOCH3OCH3CH2P7-7-甲基鸟苷甲基鸟苷mRNA 5 mRNA 5 端端5-5 5-5 三三磷酸酯键磷酸酯键帽子结构帽子结构OBO H O HO H2CPO HH OOB=腺嘌呤，鸟嘌呤，胞嘧啶，尿嘧啶或胸腺密啶核糖核苷酸 O H2CPO HH OOOBO H脱氧核糖核苷酸（一）、（一）、DNADNA的一级结构的一级结构 DNADNA分子中各脱氧核苷酸之间分子中各脱氧核苷酸之间的的连接方式连接方式（3 3-5-5 磷酸二酯键磷酸二酯键）和和排列顺序排列顺序叫做叫做DNADNA的一级结构，的一级结构，简称为碱基序列。
一级结构的简称为碱基序列一级结构的走向的规定为走向的规定为5 5 33RNA RNA 与与 DNA DNA 的差异的差异 DNA RNA糖糖 脱氧核糖脱氧核糖 核糖核糖碱基碱基 AGCT AGCU 不含稀有碱基不含稀有碱基 含稀有碱基含稀有碱基P483：是染色体上特定位置的一个遗传单位，：是染色体上特定位置的一个遗传单位，是一段是一段DNA（RNA）片断）片断（double-helical structure）1953年年Watson和和Crick提出了提出了DNA双螺旋结构双螺旋结构Chapter13 核酸的结构核酸的结构5 3 5 3 磷酸磷酸核糖核糖碱基碱基螺旋直径为螺旋直径为2nm2nm，螺距为螺距为3.4 nm3.4 nm相邻碱基平面距离为相邻碱基平面距离为0.34 nm0.34 nm螺旋一圈包含螺旋一圈包含 10 10 对碱基Chapter13 核酸的结构核酸的结构3.4 nm2nm碱基互补原则：碱基互补原则：指腺嘌呤（指腺嘌呤（A）与胸腺嘧啶（）与胸腺嘧啶（T）配对，）配对，鸟嘌呤（鸟嘌呤（G）与胞嘧啶（）与胞嘧啶（C）配对，这种配对关系）配对，这种配对关系成为碱基互补原则。
成为碱基互补原则氢键维持氢键维持 DNA DNA 双链横向稳定性，碱基堆双链横向稳定性，碱基堆积力维持双链纵向稳定性积力维持双链纵向稳定性P486Chapter13 核酸的结构核酸的结构Chapter13 核酸的结构核酸的结构A-DNA：右手螺旋 11 碱基/螺旋 B-DNA：右手螺旋 10 碱基/螺旋 Z-DNA：左手螺旋 12 碱基/螺旋 3 3DNADNA双螺旋的种类双螺旋的种类（二）（二）DNADNA的二级结构的二级结构Chapter13 核酸的结构核酸的结构 A B Z外型外型 粗短粗短 适中适中 细长细长螺旋方向螺旋方向 右手右手 右手右手 左手左手螺旋直径螺旋直径 2.55nm 2.37nm 1.84nm碱基直升碱基直升 0.23nm 0.34nm 0.38nm碱基夹角碱基夹角 32.70 34.60 60.00每圈碱基数每圈碱基数 11 10.4 12轴心与碱轴心与碱基对关系基对关系2.46nm 3.32nm 4.56nm碱基倾角碱基倾角 19 1 9糖苷键构象糖苷键构象 反式反式 反式反式 C/T反式反式,G顺式顺式大沟大沟 很窄很深很窄很深 很宽较深很宽较深 平坦平坦小沟小沟 很宽、浅很宽、浅 窄、深窄、深 较窄很深较窄很深P489DNA分子内的三链结构 铰链DNA 多聚嘌呤多聚嘌呤多聚嘧啶多聚嘧啶5 5 三螺旋三螺旋DNADNA（H-DNAH-DNA）三螺旋三螺旋DNADNA（二）（二）DNADNA的二级结构的二级结构P490（二）、（二）、DNADNA的二级结构的二级结构 （三）（三）、DNADNA的三级结构的三级结构 （一）、（一）、DNADNA的一级结构的一级结构 （四）、（四）、DNADNA与蛋白质复合物的结构与蛋白质复合物的结构 Chapter13 核酸的结构核酸的结构 P490Chapter13 核酸的结构核酸的结构拓扑学拓扑学是数学中一个重要的、基础的分支。
起初它是几何学的一支，研究几何是数学中一个重要的、基础的分支起初它是几何学的一支，研究几何图形在连续变形下保持不变的性质图形在连续变形下保持不变的性质(所谓连续变形，形象地说就是允许伸缩和所谓连续变形，形象地说就是允许伸缩和扭曲等变形，但不许割断和粘合扭曲等变形，但不许割断和粘合)；现在已发展成为研究连续性现象的数学分；现在已发展成为研究连续性现象的数学分支绝大多数绝大多数DNA是以是以超螺旋超螺旋的形式存在的的形式存在的螺旋螺旋超螺旋超螺旋L=25,T=25,W=0松弛环形松弛环形1152010523L=23,T=23,W=0解链环形解链环形15101520231510152025超螺旋超螺旋121482316131510152023右手旋转拧松两匝后的线形右手旋转拧松两匝后的线形DNA(环状环状DNADNA分子分子)超螺旋型超螺旋型DNADNA的形成：的形成：超螺旋（扭紧）、负超螺旋（扭松）超螺旋（扭紧）、负超螺旋（扭松）从能量来讲，从能量来讲，超螺旋更容易形成超螺旋更容易形成从生物学意义来讲，超螺旋型从生物学意义来讲，超螺旋型DNA具有更为致密的结构，可以将具有更为致密的结构，可以将DNA分子压缩在一个极小的体积内分子压缩在一个极小的体积内.生物体内，天然存在的生物体内，天然存在的DNA分子多分子多为为负超螺旋。
负超螺旋T扭转数,DNA分子中的Watson Crick螺旋数W超螺旋数或缠绕数L连环数，DNA双螺旋中一条链以右手螺旋与另一条链缠绕的次数公式:L=T+WL=25,T=25,W=0松弛环形松弛环形1152010523L=23,T=25,W=2负超螺旋负超螺旋12148231613P491L=23,T=23,W=0解链环形解链环形1510152023原核生物两类拓扑异构酶原核生物两类拓扑异构酶 除连环数（除连环数（L L）不同外其他性质均相同的）不同外其他性质均相同的DNADNA分子称为分子称为拓扑异构体拓扑异构体（topoisomerasetopoisomerase）DNADNA拓扑异构酶通过改变拓扑异构酶通过改变DNADNA的的L L值而影响其拓扑结构值而影响其拓扑结构拓扑异构酶拓扑异构酶I I 能使能使超螺旋超螺旋DNADNA转变成转变成松弛型环状松弛型环状DNADNA，每催化一，每催化一次可次可消除一个负超螺旋消除一个负超螺旋，能使，能使L L增加，通过使增加，通过使DNADNA的一条链发生断裂和的一条链发生断裂和再连接，反应无需供给能量再连接，反应无需供给能量拓扑异构酶拓扑异构酶IIII(促旋酶促旋酶)可使可使松弛型环状松弛型环状DNADNA转变成转变成负超螺旋负超螺旋DNADNA，每催化一次，每催化一次，L L 减少，可减少，可引入负超螺旋引入负超螺旋。
它可以使它可以使DNADNA的两条链同时断的两条链同时断裂和再连接，当它引入超螺旋时需要裂和再连接，当它引入超螺旋时需要ATPATP提供能量提供能量细胞内两类拓扑异构酶的含量受严格的控制，使细胞内细胞内两类拓扑异构酶的含量受严格的控制，使细胞内DNADNA保持在保持在一定的超螺旋水平一定的超螺旋水平P492（二）、（二）、DNADNA的二级结构的二级结构 （三）（三）、DNADNA的三级结构的三级结构 （一）、（一）、DNADNA的一级结构的一级结构 （四）、（四）、Chapter13 核酸的结构核酸的结构P4922 2 细菌拟核（细菌拟核（nucleoidnucleoid）P493Chapter13 核酸的结构核酸的结构（四）DNA与蛋白质复合物的结构P494DNA链进一步折叠成染色质纤丝，每圈六个核小体，链进一步折叠成染色质纤丝，每圈六个核小体，直径为直径为30nm DNADNA分子经多级折叠和盘绕，压缩将分子经多级折叠和盘绕，压缩将近一万倍，这样才使每个染色体中几近一万倍，这样才使每个染色体中几厘米长厘米长(如人染色体的如人染色体的DNADNA分子平均长分子平均长度为度为4cm)4cm)的的DNADNA分子容纳在直径数微分子容纳在直径数微米米(如人细胞核的直径为如人细胞核的直径为6 67m)7m)的的细胞核中。
细胞核中真核染色体的折叠原则：在螺旋的基础上形成螺旋，再形成螺旋二氢尿嘧啶二氢尿嘧啶环环反密码环反密码环T C 环环额外环额外环(可变的可变的)tRNA tRNA 的二级结构的二级结构 三叶草形三叶草形反密码子反密码子氨基酸臂氨基酸臂tRNA 的三级结构的三级结构 倒倒 L L 形形rRNA的结构特征的结构特征 rRNA一级结构的一个特征就是甲基一级结构的一个特征就是甲基化残基的存在，主要的修饰位点在化残基的存在，主要的修饰位点在-D-核核糖的糖的C2-OH二级结构的模型也已构建出二级结构的模型也已构建出来，来，rRNA分子内部局部碱基互补，形成分子内部局部碱基互补，形成许多许多“茎环茎环”结构结构，为核糖体蛋白的结，为核糖体蛋白的结合与组装提供了结构基础合与组装提供了结构基础图图1-16 原核生物原核生物16S rRNA的二级结构的二级结构531DNA分子中核苷酸的连接方式分子中核苷酸的连接方式 RNA与与DNA的比较的比较。