核酸结构和功能

1、核酸结构和功能学习目的：学习目的：学会使用科学的语言和方式来描述核酸的分学会使用科学的语言和方式来描述核酸的分子结构。子结构。理理解核酸的分子结构与其功能属性之间的关解核酸的分子结构与其功能属性之间的关系。系。核酸核酸存在于细胞中的一类大分子酸性物质。存在于细胞中的一类大分子酸性物质。核糖核酸（ribonucleic acid, RNA）脱氧核糖核酸（deoxyribonucleic acid, DNA）RNA和和DNA的基本组成单位的基本组成单位单核苷酸（单核苷酸（nucleotide）主要生理功能主要生理功能RNA主要参与遗传信息的表达。主要参与遗传信息的表达。DNA是遗传信息的载体。是遗

2、传信息的载体。Section 1 The Chemical Composition and Primary Structure of Nucleic Acid核酸的水解产物1. 1. 嘧啶碱嘧啶碱（pyrimidine） (一)核苷酸中的碱基组成(Bases in Nucleotides)一、核苷酸是构成核酸的基本单位 The Basic Units of Nucleic Acids are Nucleotides2. 2. 嘌呤碱嘌呤碱（purine） ( (二二) )戊糖与核苷戊糖与核苷(Pentose and Nucleoside)1 1戊糖戊糖（pentose）： 2 2核苷核苷（nu

3、cleoside）： 核苷是由戊糖与含氮碱基经脱水缩合（核苷是由戊糖与含氮碱基经脱水缩合（ ，N糖苷键）而生成的化合物。糖苷键）而生成的化合物。 “稀有核苷稀有核苷”是由是由“稀有碱基稀有碱基”所生成的核苷。所生成的核苷。( (三三) )核苷酸的结构与命名核苷酸的结构与命名(Structure and Nomenclature of Nucleotide)核苷酸核苷酸由核苷与磷酸脱水缩合后生成的磷酸酯类化合物。由核苷与磷酸脱水缩合后生成的磷酸酯类化合物。核糖核苷酸脱氧核糖核苷酸核苷酸5-核苷酸2-核苷酸3-核苷酸最常见的核苷酸是最常见的核苷酸是5 -核苷酸（核苷酸（5 常被省略）。常被省略）。

4、 5 -核苷酸又可按其在核苷酸又可按其在5 位缩合的磷酸基数目的多少，分位缩合的磷酸基数目的多少，分为：为： 一磷酸核苷（核苷酸）二磷酸核苷三磷酸核苷环核苷酸的分子结构环核苷酸的分子结构环一磷酸鸟苷环一磷酸鸟苷（环鸟苷酸）（环鸟苷酸）环一磷酸腺苷（环腺苷酸）核苷酸的命名及缩写符号核苷酸的命名及缩写符号脱氧碱基磷酸基数目磷酸dAMPGDTTCU二、核酸的一级结构是核苷酸的排列顺序二、核酸的一级结构是核苷酸的排列顺序Primary Structure of Nucleic Acid Is Sequence of Nucleotides一分子核苷酸的一分子核苷酸的3 -位羟基与另一分子核苷酸位羟基与

5、另一分子核苷酸的的5 -位磷酸基通过脱水可形成位磷酸基通过脱水可形成3 ,5 -磷酸二酯磷酸二酯键，从而将两分子核苷酸连接起来。键，从而将两分子核苷酸连接起来。核酸就是由许多核苷酸单位通过核酸就是由许多核苷酸单位通过3 ,5 -磷酸二磷酸二酯键连接起来形成的不含侧链的长链状化合酯键连接起来形成的不含侧链的长链状化合物，称为多核苷酸链。物，称为多核苷酸链。3,5-3,5-磷酸二酯键的形成磷酸二酯键的形成核酸是具有方向性的长链核酸是具有方向性的长链状化合物，多核苷酸链的状化合物，多核苷酸链的两端，一端称为两端，一端称为5 -端，端，另一端称为另一端称为3 -端。端。5端3端CGADNA分子主要由分

6、子主要由dAMP、dGMP、dCMP和和dTMP四种脱氧核糖核苷酸所组成。四种脱氧核糖核苷酸所组成。重要概念：重要概念：primary structure of DNADNA的一级结构的一级结构就是指就是指DNA分子中脱氧核糖分子中脱氧核糖核苷酸的排列顺序及连接方式（核苷酸的排列顺序及连接方式（3 ,5 -磷酸二磷酸二酯键）。酯键）。RNA分子主要由分子主要由AMP，GMP，CMP，UMP四种核糖核苷酸组成。四种核糖核苷酸组成。重要概念：重要概念：primary structure of RNARNA的一级结构的一级结构就是指就是指RNA分子中核糖核苷分子中核糖核苷酸的排列顺序及连接方式。酸的

7、排列顺序及连接方式。DNA的一级结构：的一级结构： 5 -AGTCCATG-3 AGTCCATG 3 -TCAGGTAC-5 RNA的一级结构：的一级结构： 5 -AGUCCAUG-3 AGUCCAUG 核酸一级结构的表示方法核酸一级结构的表示方法Section 2 Dimensional Structure and Function of DNA一、一、DNADNA的二级结构的二级结构双螺旋结构模型双螺旋结构模型Secondary Structure of DNA Double-helix Structural ModelDNA双螺旋结构是双螺旋结构是DNA二级结构的一种二级结构的一种重要形

8、式，它是重要形式，它是Watson和和Crick两位两位科学家于科学家于1953年提出来年提出来的一种结构模型（获的一种结构模型（获1962年度诺贝尔奖）。年度诺贝尔奖）。James Dewey Watson(1928- )Francis Crick (1916-2004 )( (一一) )对对DNADNA双螺旋结构模型作出贡献的科学家双螺旋结构模型作出贡献的科学家Oswald Avery (1877-1955)Linus Pauling (1901-1994) Maurice Wilkins (1916-2004 )1953年由Franklin和Wilkins等人完成的研究工作，发现了DNA

9、晶体的X线衍射图谱中存在两种周期性反射，并证明DNA是一种螺旋构象。 Rosalind Franklin (1920-1958) Fig. 51Chargaff 研究小组的贡献研究小组的贡献19501953，Chargaff研究小研究小组对组对DNA的化学组成进行了分的化学组成进行了分析研究，发现：析研究，发现： DNA碱基组成有物种差异，且物碱基组成有物种差异，且物种亲缘关系越远，差异越大；种亲缘关系越远，差异越大； 相同物种，不同组织器官中相同物种，不同组织器官中DNA碱基组成相同，而且不因年龄、碱基组成相同，而且不因年龄、环境及营养而改变；环境及营养而改变； DNA分子中四种碱基的摩尔百

10、分分子中四种碱基的摩尔百分比具有一定的规律性，即比具有一定的规律性，即A=T、G=C、A+G=T+C。这一规律被。这一规律被称为称为Chargaff规则规则。 Erwin Chargaff (1905-2002) B B型型DNADNA双螺旋结构模式图双螺旋结构模式图(二)DNA双螺旋结构模型（Double-helix Model of DNA）碱基配对及氢键形成1. 为右手、反平行双螺旋；为右手、反平行双螺旋；2. 主链位于螺旋外侧，碱基位于内侧；主链位于螺旋外侧，碱基位于内侧；3. 两条链间存在碱基互补：两条链间存在碱基互补：A与与T或或G与与C配对形成氢配对形成氢键，称为碱基互补原则（键

11、，称为碱基互补原则（A与与T为两个氢键，为两个氢键，G与与C为三个氢键）；为三个氢键）；4. 螺旋的稳定因素为氢键（横向）和疏水性碱基堆螺旋的稳定因素为氢键（横向）和疏水性碱基堆砌力（纵向）；砌力（纵向）；5. 螺旋的螺距为螺旋的螺距为3.54nm，直径为，直径为2.37nm，每一个螺，每一个螺旋有旋有10.5个碱基对。个碱基对。 B型双螺旋DNA的结构特点除除 B 构 象 之 外 ，构 象 之 外 ，DNA的二级结构还的二级结构还包括右手双螺旋结包括右手双螺旋结构的构的A构象、构象、C构象构象和和D构象等多种构构象等多种构象，以及左手双螺象，以及左手双螺旋结构的旋结构的Z构象。构象。A fo

12、rmZ formB form( (三三)DNA)DNA双螺旋结构的多态性双螺旋结构的多态性二、二、DNADNA的高级结构是超螺旋结构的高级结构是超螺旋结构Superhelix is Super-structure of DNA超螺旋结构（超螺旋结构（superhelix 或或supercoil）DNA双螺旋链再盘绕即形成超螺旋结构。双螺旋链再盘绕即形成超螺旋结构。正超螺旋（正超螺旋（positive supercoil）盘绕方向与盘绕方向与DNA双螺旋方同相同。双螺旋方同相同。负超螺旋（负超螺旋（negative supercoil）盘绕方向与盘绕方向与DNA双螺旋方向相反。双螺旋方向相反。

13、绝大多数原核生物的绝大多数原核生物的DNA都是共价封闭的环都是共价封闭的环状双螺旋。如果再进一步盘绕则形成麻花状状双螺旋。如果再进一步盘绕则形成麻花状的超螺旋结构。的超螺旋结构。 （一）原核生物DNA的高级结构（Super-structure of DNA in Prokaryote）（二）（二）DNADNA在真核生物细胞核内的组装在真核生物细胞核内的组装（Assembly of DNA in Nuclei of Eukaryotic Cells）在真核生物中，双螺旋的在真核生物中，双螺旋的DNA分子围绕一蛋分子围绕一蛋白质八聚体进行盘绕，从而形成特殊的串珠白质八聚体进行盘绕，从而形成特殊的串

14、珠状结构，称为核小体（状结构，称为核小体（nucleosome）。）。核小体的结构核小体的结构核小体的组成：DNA： 约150bp 组蛋白：H1、H2A，H2B、H3、H4核小体、染色质与染色体三、三、DNADNA是遗传信息的载体是遗传信息的载体DNA is a Carrier of Inherit InformationDNA的基本功能是作的基本功能是作为遗传信息的载体，为遗传信息的载体，为生物遗传信息复制为生物遗传信息复制以及基因信息的转录以及基因信息的转录提供模板。提供模板。重要概念：重要概念：geneDNA分子中具有特定生物学功能的片段称为分子中具有特定生物学功能的片段称为基因基因。重

15、要概念：重要概念：genome一个生物体的全部一个生物体的全部DNA序列称为序列称为基因组基因组。基因组的大小与生物的复杂性有关，如病毒基因组的大小与生物的复杂性有关，如病毒SV40的基因组大小为的基因组大小为5.1103bp，大肠杆菌，大肠杆菌为为5.7106bp，人为，人为3.2109bp。Section 3 Structure and Function of RNARNA通常以单链形式存在，但也可形成局部通常以单链形式存在，但也可形成局部的双螺旋结构。的双螺旋结构。RNA分子的种类较多，分子大小变化较大，分子的种类较多，分子大小变化较大，功能多样化。功能多样化。主要的主要的RNA种类有种

16、类有rRNA、mRNA、tRNA、HnRNA、SnRNA、SnoRNA、ScRNA等。等。 RNA的种类、分布与功能的种类、分布与功能一、一、mRNAmRNA是蛋白质合成的模板是蛋白质合成的模板mRNA is a Template for Protein SynthesismRNA为单链核酸，在各种为单链核酸，在各种RNA分子中，其含分子中，其含量最少，但总类最多，半衰期最短。量最少，但总类最多，半衰期最短。mRNA可形成局部双螺旋结构的二级结构。可形成局部双螺旋结构的二级结构。mRNA在真核生物中的初级产物称为在真核生物中的初级产物称为hnRNA，经剪接过程转变为成熟的经剪接过程转变为成熟的

17、mRNA。hnRNA 内含子(intron)mRNA 外显子(exon)大多数真核生物成熟的大多数真核生物成熟的mRNA分子具有典型分子具有典型的的5 -端的端的7-甲基鸟苷三磷酸（甲基鸟苷三磷酸（m7GTP）帽子帽子结构和结构和3 -端的端的多聚腺苷酸多聚腺苷酸(polyA)尾巴结构。尾巴结构。 真核生物真核生物mRNA 5 - -端帽子结构端帽子结构m7GTP真核生物真核生物mRNA 3 -端的端的polyA结构结构mRNA分子中带有遗传密码，其功能是为蛋白分子中带有遗传密码，其功能是为蛋白质的合成提供模板（质的合成提供模板（template）。）。重要概念：重要概念：genetic co

18、donmRNA分子中每三个相邻的核苷酸组成一组，分子中每三个相邻的核苷酸组成一组，在蛋白质翻译合成时代表一个特定的氨基酸，在蛋白质翻译合成时代表一个特定的氨基酸，这种核苷酸三联体称为这种核苷酸三联体称为遗传密码遗传密码。二、二、tRNAtRNA是蛋白质合成的氨基酸载体是蛋白质合成的氨基酸载体tRNA is a Carrier of Amino Acids for Protein SynthesistRNA是含有稀有碱基最多的是含有稀有碱基最多的RNA，其稀有，其稀有碱基的含量可多达碱基的含量可多达20%。tRNA是保守性最强的是保守性最强的RNA。tRNA是单链核酸，但其分子中的某些局部也是单

19、链核酸，但其分子中的某些局部也可形成双螺旋结构。可形成双螺旋结构。 ( (一一)tRNA)tRNA的二级结构的二级结构tRNA的二级结构由于局部双螺旋的形成而呈的二级结构由于局部双螺旋的形成而呈现现“三叶草三叶草”形，故称为形，故称为“三叶草三叶草”结构。结构。携带氨基酸辨认并结合氨基酰tRNA合成酶识别mRNA上的密码识别并结合核糖体氨基酸臂DHU臂反密码臂可变臂TC臂( (二二)tRNA)tRNA的三级结构的三级结构三、以三、以rRNArRNA为组分的核糖体是蛋白质合成的场所为组分的核糖体是蛋白质合成的场所Ribosome Containing rRNA is a Place for Pr

20、otein SynthesisrRNA是细胞中含量最多的是细胞中含量最多的RNA，占总量的，占总量的80%。rRNA与蛋白质一起构成核糖体（核蛋白与蛋白质一起构成核糖体（核蛋白体），作为蛋白质生物合成的场所。体），作为蛋白质生物合成的场所。Section 4 The Physical and Chemical Characters of Nucleic Acids核酸具有酸性；粘核酸具有酸性；粘度大；能吸收紫外度大；能吸收紫外光，最大吸收峰为光，最大吸收峰为260nm。故常用紫外分光光故常用紫外分光光度法测定核酸的含度法测定核酸的含量。量。一、核酸能吸收紫外光Nucleic Acids cou

21、ld Absorb Ultraviolet二、二、DNADNA变性是双链解离为单链的过程变性是双链解离为单链的过程Denaturation of DNA is a Process of Double-helix Separated into Single Chains重要概念：重要概念：denaturation of DNA在理化因素作用下，在理化因素作用下，DNA双螺旋的两条互补双螺旋的两条互补链松散而分开成为单链，从而导致链松散而分开成为单链，从而导致DNA的理的理化性质及生物学性质发生改变，这种现象称化性质及生物学性质发生改变，这种现象称为为DNA的变性的变性。引起引起DNA变性的因素主

22、要有：高温，强变性的因素主要有：高温，强酸强碱，有机溶剂等。酸强碱，有机溶剂等。 增色效应（增色效应（hyperchromic effect）：指）：指DNA变性后对变性后对260nm紫外光的光吸收度紫外光的光吸收度增加的现象；增加的现象； 旋光性下降；旋光性下降； 粘度降低；粘度降低； 生物学功能丧失或改变。生物学功能丧失或改变。DNA变性后的性质改变重要概念：重要概念：melting temperature of DNA加热加热DNA溶液，使其对溶液，使其对260nm紫外光的吸收紫外光的吸收度突然增加，达到其最大值一半时的温度，度突然增加，达到其最大值一半时的温度，就是就是DNA的变性温度的变性温度（融解温度，（融解温度，Tm）。）。Tm的高低与的高低与DNA分子中分子中G+C的含量有关，的含量有关，G+C的含量越高，则的含量越高，则Tm越高。越高。三、三、DNADNA的复性与分子杂交的复性与分子杂交Renaturation of DNA and Molecular Hybridization将热变性后的