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1、生物化学周爱儒 第六版 第二章 核酸的结构与功能 Structure and Function of Nucleic Acid,核酸的发现和研究工作进展,1868年 Fridrich Miescher从脓细胞中提取“核素” 1944年 Avery等人证实DNA是遗传物质 1953年 Watson和Crick发现DNA的双螺旋结构 1968年 Nirenberg发现遗传密码 1975年 Temin和Baltimore发现逆转录酶 1981年 Gilbert和Sanger建立DNA 测序方法 1985年 Mullis发明PCR 技术 1990年 美国启动人类基因组计划(HGP) 1994年 中国人

2、类基因组计划启动 2001年 美、英等国完成人类基因组计划基本框架,第一节 核酸的化学组成及一级结构,第二节 DNA的空间结构与功能,第三节 RNA 的结构与功能 第四节 核酸的理化性质及其应用,核酸的分类、分布与功能,核糖核酸 （RNA）：,脱氧核糖核酸（DNA）：,m RNA（信使 RNA ） 5 % Pr合成的直接模板,t RNA （转运 RNA ） 15 % 转运AA,r RNA （核蛋白体 RNA） 80 % 充当装配机，提供场所,细胞质，参与蛋白质的生物合成。,核内染色质，遗传的物质基础， 决定遗传特性。,基因 DNA分子中的 功能 片段。,第一节 核酸的化学组成及 一级结构 Th

3、e Chemical Component and Primary Structure of Nucleic Acid,一. 核酸的元素组成,C、H、O、N、P（RNA:9.5%、DNA:9.9%）,二、组成核酸的基本单位：核苷酸,核苷酸,A、G,U、C、T,核 酸,A （腺嘌呤）、G （鸟嘌呤）,U （尿嘧啶）、C （胞嘧啶）、T （胸腺嘧啶）,（1）组成核酸的碱基,腺嘌呤Adenine 鸟嘌呤guanine,尿嘧啶uracil 胞嘧啶cytosine 胸腺嘧啶thymine,嘌呤碱和嘧啶碱分子中都含有共轭双键体系，在紫外区有吸收（260 nm左右）。,酮式烯醇式互变异构,（2）戊糖,组成核酸

4、的戊糖有两种。,（3）核苷 nucleoside,C-N糖苷键,（4）核苷酸nucleotide,A U C G,U,U,UDP,CTP,举例：AMP,A T C G,T,T,dADP,dTTP,dGMP,核苷酸的命名及其符号,磷酸（脱氧） 苷,两类核酸在分子组成上的异同点,RNA,DNA,组 分,磷 酸,磷 酸,戊 糖,核 糖,脱氧核糖,碱 基,嘌 呤,嘧 啶,A G,U,C,T,补充：1.碱基修饰,核酸中也存在一些不常见的稀有碱基。,2.核苷酸的重要衍生物,（1） ATP (腺嘌呤核糖核苷三磷酸),（2）cAMP 和 cGMP,细胞信息传递的重要信使。,1. 核酸一级结构的概念及其连接,概

5、念：核酸中核苷酸的排列顺序，又称为核苷酸序列，或碱基序列。,脱氧核糖核苷酸之间以 磷酸二酯键 相连。 2. 核酸的书写,5PAPCPGPCPTPGPTPA 3 5 ACGCTGTA 3,三、核酸的一级结构,* DNA和RNA对遗传信息的携带和 传递，是依靠碱基排列顺序变化而 实现的。,第二节 DNA的空间结构与功能 Dimensional Structure and Function of DNA,一.DNA的二级结构,1953年，Watson和Crick根据DNA结晶的X-衍射图谱和分子模型，提出了著名的DNA双螺旋结构模型。,1、结构要点：,（1）由逆向平行的两条链组成双螺旋。,（2）两链

6、之间遵循特定的碱基互补规律（碱基配对）。,A T,G C,（ 通过两个氢键相连 ）,（ 通过三个氢键相连 ）,（4）双螺旋结构的稳定 横向：碱基对间的氢键 纵向：疏水性碱基堆积力,（3）右手螺旋，直径：2nm；10bp/周；螺距：3.4nm。,碱基组成分析 Chargaff 规则：A = T、G C,2、生物学意义：,提出了遗传信息的贮存方式、DNA的复制机理,是DNA复制、转录和翻译的分子基础,了解：DNA双螺旋结构的多样性,二. DNA三级结构：超螺旋结构(superhelix ，supercoil) 双螺旋分子进一步螺旋化生成。,如：原核生物DNA的高级结构,三、DNA四级结构：核小体n

7、ucleosome（真核生物） DNA + 组蛋白（H1、H2A、H2B、H3、H4）,四、DNA的功能,DNA的基本功能是以基因的形式荷载遗传信息，并作为基因复制和转录的模板。它是生命遗传的物质基础，也是个体生命活动的信息基础。,基因从结构上定义，是指DNA分子中的特定区段，其中的核苷酸排列顺序决定了基因的功能。,第三节 RNA的结构与功能 Structure and Function of RNA,mRNA的结构特点: 真核细胞mRNA的3-末端有一段长达200个核苷酸左右的聚腺苷酸(polyA)，称为尾结构。 （参与mRNA从细胞核到细胞质的转移；与其半寿期有关。） 5 -末端有一个甲基

8、化的鸟苷酸，称为帽结构。 （与翻译与mRNA的稳定有关。）,一. mRNA,内含子 (intron),* mRNA成熟过程:,外显子 (exon),2. hnRNA（不均一核RNA):即mRNA的初级产物。,3-末端：CCA-OH,反密码环：反密码子（识别mRNA上特定的密码子）。,（携带AA的部位）,三叶草形（三环四臂）,1. t RNA 的二级结构 ,7090个核苷酸组成，沉降系数为4S左右。 分子中含有较多的修饰成分。,二. t RNA,2. tRNA的三级结构倒L型,三. rRNA,小亚基 大亚基 真核细胞 18SrRNA 5SrRNA 5.8SrRNA 28SRNA 原核细胞 16S

9、rRNA 5SrRNA 23SrRNA,mRNA,tRNA,核糖体,RNA的高级结构特点,RNA是单链分子，因此，在RNA分子中，并不遵守碱基种类的数量比例关系，即分子中的嘌呤碱基总数不一定等于嘧啶碱基的总数。 RNA分子中，部分区域也能形成双螺旋结构，不能形成双螺旋的部分，则形成突环，即“发夹型”结构。 在RNA的双螺旋结构中，碱基的配对不如DNA中严格。G 除了可以和C 配对外，也可以和U 配对。不同类型的RNA, 其二级结构有明显的差异。 tRNA中存在较多的稀有碱基，大部分位于突环部分。,RNA的种类、分布、功能,第四节 核酸的理化性质及其应用 The Physical and Che

10、mical Characters of Nucleic Acid,1. DNA或RNA的定量 OD260=1.0相当于 50g/ml双链DNA 40g/ml单链DNA（或RNA） 20g/ml寡核苷酸 2.判断核酸样品的纯度 DNA纯品: OD260/OD280 = 1.8 RNA纯品: OD260/OD280 = 2.0,一、核酸的紫外吸收特性：OD260,二核酸的两性性质及等电点 与蛋白质相似，核酸分子中既含有酸性基团（磷酸基）也含有碱性基团（氨基），因而核酸也具有两性性质。 由于核酸分子中的磷酸是一个中等强度的酸，而碱性（氨基）是一个弱碱，所以核酸的等电点比较低。如DNA的等电点为44.

11、5，RNA的等电点为22.5。 RNA的等电点比DNA低的原因，是RNA分子中核糖基2-OH通过氢键促进了磷酸基上质子的解离。DNA没有这种作用。,三. 核酸的水解 （1）酸或碱水解 DNA和RNA对酸或碱的耐受程度有很大差别。 如：在0.1 mol/L NaOH溶液中，RNA几乎可以完全水解，DNA在同样条件下则不受影响。（这种水解性能上的差别，与RNA核糖基上2-OH的邻基参与作用有关。在RNA水解时，2-OH首先进攻磷酸基，在断开磷酯键的同时形成环状磷酸二酯，再在碱的作用形成水解产物。） （2）酶水解 生物体内存在多种核酸水解酶。 DNA水解酶（DNases）、RNA水解酶（RNases

12、）。 核酸外切酶和核酸内切酶。 限制性核酸内切酶：水解核酸中某些特定碱基顺序的部位。,四. 核酸的变性、复性和杂交 1. 核酸的变性：指核酸双螺旋区的多聚核苷酸链间的氢键断裂，变成单链结构的过程。 核酸的变性并不涉及磷酸二酯键的断裂，所以它的一级结构(碱基顺序)保持不变。 变性核酸：OD260增高，粘度下降，浮力密度升高，失去其部分或全部的 生物活性。 增色效应核酸变性后，其在260 nm处的紫外吸收值将增加。 DNA约增加2540%；RNA约增加1.1%。 核酸变性的因素：温度升高、酸碱度改变、甲醛和尿素等的存在均可引起核酸的变性。,DNA的热变性 DNA的变性过程是突变性的，在很窄的温度区

13、间内完成。因此，通常将引起DNA变性的温度称为融点（解链温度、融解温度、Tm ）。 Tm：DNA热变性达到一半时候的温度。 G和C的含量高，Tm值高：（G+C)%=(Tm-69.3)X2.44,A260,Tm T,解链曲线,2. 复性 变性DNA在适当的条件下，两条彼此分开的单链可以重新缔合成为双螺旋结构，这一过程称为复性。 DNA复性后，一系列性质将得到恢复，但是生物活性一般只能得到部分的恢复。 DNA复性的程度、速率与复性过程的条件有关。 将热变性的DNA骤然冷却至低温时，DNA不可能复性。但是将变性的DNA缓慢冷却时，可以复性。 分子量越大复性越难。浓度越大，复性越容易。此外，DNA的复性也与它本身的组成和结构有关。,粘度,3. 核酸的分子杂交 热变性的DNA单链，在复性时并不一定与同源DNA互补链形成双螺旋结构，它也可以与在某些区域有互补序列的异源DNA单链形成双螺旋结构。这样形成的新分子称为杂交DNA分子。DNA单链与互补的RN