核苷酸4、核酸的结构与功能

第四章

核酸的结构和功能StructureandFunctionofNucleicAcid本章内容第一节核酸的化学组成第二节DNA的结构与功能第三节RNA的结构与功能第四节核酸的理化性质核酸(nucleicacid)

是以核苷酸为基本组成单位的生物大分子，携带和传递遗传信息。一、核酸的发现和研究工作进展

1868年FridrichMiescher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……二、核酸的分类及分布

90%以上分布于细胞核，其余分布于核外如线粒体、质粒等。

分布于胞核、胞液。

(deoxyribonucleicacid,DNA)(ribonucleicacid,RNA)脱氧核糖核酸

核糖核酸携带遗传信息，决定细胞和个体的基因型(genotype)。参与细胞内DNA遗传信息的表达。某些病毒RNA也可作为遗传信息的载体。第一节核酸的化学组成TheChemicalComponentofNucleicAcid核酸的化学组成

1.元素组成C、H、O、N、P（9~10%）2.分子组成——碱基(base)：嘌呤碱，嘧啶碱——戊糖(pentose)：核糖，脱氧核糖——磷酸(phosphate)碱基稀有碱基戊糖

核苷酸的结构1.核苷(ribonucleoside)的形成碱基和核糖（脱氧核糖）通过糖苷键连接形成核苷（脱氧核苷）。核苷酸：AMP,GMP,UMP,CMP脱氧核苷酸：dAMP,dGMP,dTMP,dCMP

2.核苷酸(ribonucleotide)的结构与命名核苷（脱氧核苷）和磷酸以磷酸酯键连接形成核苷酸（脱氧核苷酸）。CMP体内重要的游离核苷酸及其衍生物含核苷酸的生物活性物质：NAD+、NADP+、CoA-SH、FAD等都含有AMP

多磷酸核苷酸：NMP，NDP，NTP

环化核苷酸:cAMP，cGMPAMPcAMPNADP+NAD+5´端3´端3.核苷酸的连接

CGA3',5'-磷酸二酯键第二节DNA的结构与功能StructureandFunctionofDNA一、DNA的一级结构DNA中四种脱氧核苷酸的种类、数量、连接方式及排列顺序。由于脱氧核苷酸间的差异主要是碱基不同，所以也称为碱基序列。5′端3′端CGAAG

P5PT

PG

PC

PTP

OH3书写方法5pApCpTpGpCpT-OH

35

ACTGCT

3二、DNA的二级结构-双螺旋结构（一）DNA双螺旋结构的研究背景

碱基的理化数据分析A-T、G-C以氢键配对较合理DNA纤维的X-射线衍射图谱分析

碱基组成分析-chargaff规则“不同的生物具有各自独特的特征，如果这些差异是由DNA的差异产生的，那么在DNA上必然有可以从化学上证明的差异”

E.Chargaff20世纪40年代Chargaff规则-碱基组成分析①DNA碱基组成有种的特异性，但没有组织、器官特异性。

②A=T；G=C；A+G=T+C③年龄、营养状况、环境的改变不影响DNA的碱基组成。

碱基的理化数据分析A-T、G-C以氢键配对较合理DNA纤维的X-线衍射图谱分析3.4nm（二）DNA双螺旋结构模型要点

两条反向平行的脱氧多核苷酸链以右手螺旋方式绕同一公共轴旋转。相邻碱基平面距离0.34nm，螺距3.4nm，每圈螺旋包含10个碱基对。螺旋直径为2nm，大沟(majorgroove)及小沟(minorgroove)相间。碱基垂直螺旋轴居双螺旋内侧，与对侧碱基形成氢键配对(互补配对形式：A=T;GC)。（三）DNA双螺旋结构的多样性相对湿度75%相对湿度92%三螺旋DNAHoogsteen三螺旋三、DNA的三级结构-超螺旋结构(superhelix或supercoil)DNA双螺旋链再盘绕即形成超螺旋结构。正超螺旋(positivesupercoil)盘绕方向与DNA双螺旋方同相同负超螺旋(negativesupercoil)盘绕方向与DNA双螺旋方向相反

DNA在真核生物细胞核内的组装真核生物染色体基本单位是核小体(nucleosome)，由DNA和蛋白质构成。核小体的组成DNA：约200bp组蛋白：H1H2A，H2BH3H4各2分子H1H1四、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。第三节

RNA的结构与功能StructureandFunctionofRNARNA的种类、分布、功能RNA的结构

RNA的一级结构是四种核糖核苷酸（AMP、GMP、CMP、UMP）按一定顺序，通过3´,5´磷酸二酯键连成的线形分子。

RNA的二级结构是茎环结构。

RNA的三级结构是在茎环结构基础上进一步扭曲折叠而成的复杂结构。真核生物mRNA的结构hnRNA不均一核RNA

内含子(intron)mRNA

外显子(exon)

真核生物mRNA结构特点大多数真核mRNA的5´末端在转录过程中加上一个7-甲基鸟苷，同时第一个核苷酸的C´2也是甲基化，形成帽子结构：m7GpppNm-。2.大多数真核mRNA的3´末端有一个多聚腺苷酸(polyA)结构，称为多聚A尾。

分子中含有10%~20%的稀有碱基

tRNA的结构二氢尿嘧啶假尿嘧啶7－甲基鸟嘌呤一级结构中存在一些能局部互补配对的核苷酸序列，可以形成局部双链，使tRNA的二级结构呈三叶草形（cloverleaf）三级结构呈“倒L”形

rRNA的结构*rRNA的种类（根据沉降系数-单位离心力场里的沉降速度）原核及真核生物核糖体的组成核糖体亚单位rRNA蛋白质原核生物(70S)小亚基(30S)大亚基(50S)16SrRNA5SrRNA23SrRNA21种31种真核生物(80S)小亚基(40S)大亚基(60S)18SrRNA5.8SrRNA5SrRNA28SrRNA33种49种16SrRNA的二级结构

核酸的理化性质ThePhysicalandChemicalCharactersofNucleicAcid第四节一、一般性质分子大小：DNAMr106～1010或更大性状：DNA为白色纤维状固体，而RNA为白色粉末。溶解度：DNA和RNA均不溶于一般的有机溶剂，微溶于水，但它们的钠盐在水中溶解度较大。RNAMr104～106或更大紫外吸收碱基含量相同时，单链DNA和双链DNA的紫外吸收哪个更高？二、DNA的变性(denaturation)定义：在某些理化因素作用下，DNA双链解开成两条单链的过程。方法：过量酸、碱、加热、以及有机溶剂（尿素、丙酮）等。DNA变性的本质是双链间氢键的断裂变性引起紫外吸收值的改变DNA的紫外吸收光谱增色效应：DNA变性时其溶液OD260增高的现象。

Tm：变性是在一个较窄的温度范围内完成的。通常将50%的DNA分子发生变性时的温度称为DNA的解链温度，又称熔解温度(meltingtemperature,Tm)。影响Tm值的因素

①DNA的均一性②DNA中G-C对的含量③盐离子强度三、DNA的复性与分子杂交DNA复性(renaturation):

在适当条件下，变性DNA的两条互补链可恢复天然的双螺旋构象。减色效应DNA复性时，其溶液OD260降低。热变性的DNA经缓慢冷却后即可复性，这一过程称为退火(annealing)

。具有碱基互补序列的不同来源的单链核酸分子，通过退火复性，碱基互补区段按照碱基配对原则结合在一起形成双链的过程。核酸分子杂交(hybridization)

DNA-DNADNA-RNARNA-RNA

核酸分子杂交的应用研究DNA分子中某一种基因的位置；测定两种核酸分子间的序列相似性；检测某些专一序列在待检样品中存在与否；是基因芯片技术的基础；本章总结核酸的化学组成：碱基、戊糖、磷酸，核苷酸的连接方式DNA的分子结构：一级结构，二级结构，超螺旋结构RNA的分子结构：一级结构，二级结构核酸的化学性质：紫外吸收，变性和复性(增色效应和减色效应)，Tm补充材料OCH35′5′①细菌转化作用（transformation）肺炎球菌（pneumococcus）

1928年细菌学家Griffith细菌毒性实验

DNA是主要的遗传物质1944年Avery细菌转化实验

转化作用：转化作用的物质称转化因子。

从一种细菌中得到DNA通过一定途径进入另一种细菌，从而引起后者遗传特性的改变。②噬菌体感染实验

1952年美国Hershey噬菌体感染实验核苷核酸的一级结构DNA的二级结构碱基互补规律增色效应减色效应发夹结构核酸变性，复性，退火分子杂交Tm值习题DNA二级结构模型是(

)

A、α一螺旋

B、走向相反的右手双螺旋

C、三股螺旋

D、走向相反的左手双螺旋

E、走向相同的右手双螺旋√DNA碱基配对主要靠（）a．范德华力b．氢键c．疏水作用d．盐键e．共价键√hnRNA是下列哪种RNA的前体（）a．tRNAb．真核rRNAc．真核mRNAd．原核rRNAe．原核mRNA√核酸中核苷酸之间的连接方式是（）a．2＇、3＇-磷酸二酯键b．2＇-5＇-磷酸二酯键c．3＇、5＇-磷酸二酯键d．氢键e．离子键√有关DNA的二级结构，下列叙述那一种是错误的？（）a．DNA二级结构是双螺旋结构b．DNA双螺旋结构是空间结构c．双螺旋结构中两条链方向相同d．双螺旋结构中碱基之间相互配对e．二级结构中碱基之间有一定氢键相连√核酸对紫外线的最大吸收峰在哪一波长附近？A．280nmB．260nmC．200nmD．340nmE．220nm√大部分真核细胞mRNA的3′-末端都具有：A．多聚AB．多聚UC．多聚TD．多聚CE．多聚G√DNA变性是指：A．分子中磷酸二酯键断裂B．多核苷酸链解聚C．DNA分子由超螺旋→双链双螺旋D．互补碱基之间氢键断裂E．DNA分子中碱基丢失√DNATm值较高是由于下列哪组核苷酸含量较高所致？A．G+AB．C+GC．A+TD．C+TE．A+C√某DNA分子中腺嘌呤的含量为15%，则胞嘧啶的含量应为：A．15%B．30%C．40%D．35%E．7%√多选题关于DNA的碱基组成，正确的说法是：A．腺嘌呤与鸟嘌呤分子数相等，胞嘧啶与胸嘧啶分子数相等B．不同种属DNA碱基组成比例不同