核酸的结构与功能()

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。核酸研究的发展简史本文档共53页；当前第1页；编辑于星期六\7点10分核酸的分类及分布存在于细胞核和线粒体

分布于细胞液中(DNA)(ribonucleicacid,RNA)脱氧核糖核酸核糖核酸携带遗传信息，并通过复制传递给下一代。DNA的遗传信息通过RNA传递到蛋白质,表达出各种生命现象本文档共53页；当前第2页；编辑于星期六\7点10分第一节核酸的分子组成本文档共53页；当前第3页；编辑于星期六\7点10分核酸的元素组成核酸由C、H、O、N和P元素组成，核酸分子中P含量比较恒定，约占9%-10%，故测定样品中P的含量即可算出其核酸的含量。本文档共53页；当前第4页；编辑于星期六\7点10分核酸(DNA和RNA)核苷酸核苷和脱氧核苷磷酸戊糖碱基嘌呤嘧啶核糖脱氧核糖核酸基本组成本文档共53页；当前第5页；编辑于星期六\7点10分碱基是含氮的杂环化合物。碱基嘌呤嘧啶腺嘌呤(A)鸟嘌呤(G)尿嘧啶(U)胸腺嘧啶(T)胞嘧啶(C)存在于DNA和RNA中仅存在于RNA中仅存在于DNA中碱基本文档共53页；当前第6页；编辑于星期六\7点10分嘌呤(purine，Pu)腺嘌呤(adenine,A)鸟嘌呤(guanine,G)本文档共53页；当前第7页；编辑于星期六\7点10分嘧啶(pyrimidine，Py)胞嘧啶(cytosine,C)尿嘧啶(uracil,U)胸腺嘧啶(thymine,T)本文档共53页；当前第8页；编辑于星期六\7点10分戊糖（构成RNA）1´2´3´4´5´核糖(ribose)（构成DNA）脱氧核糖(deoxyribose)本文档共53页；当前第9页；编辑于星期六\7点10分磷酸OHOPOHOH本文档共53页；当前第10页；编辑于星期六\7点10分核酸的基本组成单位——核苷酸戊糖与碱基通过糖苷键连接而成的化合物称为核苷。核苷与磷酸通过磷酸酯键连接，即为核苷酸。戊糖上的游离羟基均可与磷酸生成酯键结合，当生物体内的核苷酸主要是核苷C-5羟基与磷酸形成酯键的化合物，称为5-核苷酸。本文档共53页；当前第11页；编辑于星期六\7点10分脱氧核苷糖苷键通常是由戊糖C-1的羟基与嘌呤碱N-9或嘧啶碱N-1上的氢脱水结合生成。核苷中的戊糖若为脱氧核糖，称为脱氧核苷。本文档共53页；当前第12页；编辑于星期六\7点10分

嘌呤N-9或嘧啶N-1与核糖C-1通过糖苷键相连形成核苷。核苷NNNN9NH2OOHOHHHHCH2OHH1'2'糖苷键本文档共53页；当前第13页；编辑于星期六\7点10分核苷或脱氧核苷与磷酸通过酯键结合构成核苷酸(ribonucleotide)或脱氧核苷酸(deoxyribonucleotide)。核苷酸NNNN9NH2OOHOHHHHCH2H1'2'OPO-HOO糖苷键酯键本文档共53页；当前第14页；编辑于星期六\7点10分核酸的种类与命名

DNA脱氧腺苷酸(一磷酸脱氧腺苷,dAMP)脱氧鸟苷酸(一磷酸脱氧鸟苷,dGMP)脱氧胞苷酸(一磷酸脱氧胞苷,dCMP)脱氧胸苷酸(一磷酸脱氧胸苷,dTMP)

RNA腺苷酸(一磷酸腺苷,AMP)鸟苷酸(一磷酸鸟苷,GMP)胞苷酸(一磷酸胞苷,CMP)尿苷酸(一磷酸胸苷,UMP)本文档共53页；当前第15页；编辑于星期六\7点10分体内几种重要的核苷酸：多磷酸核苷酸5-核苷酸的磷酸基可进一步磷酸化，生成二磷酸核苷（NDP）和三磷酸核苷（NTP），如5-腺苷磷酸化后可生成二磷酸腺苷（ADP）和（ATP）。上述为ATP结构式。本文档共53页；当前第16页；编辑于星期六\7点10分环化核苷酸：cAMP、cGMP，是细胞信号转导中的第二信使。cAMP体内几种重要的核苷酸：环化核苷酸本文档共53页；当前第17页；编辑于星期六\7点10分第二节核酸的分子结构本文档共53页；当前第18页；编辑于星期六\7点10分一、核酸的一级结构一个脱氧核苷酸3-OH与另一个核苷酸5-磷酸基团缩合形成磷酸二酯键。两个核苷酸借磷酸二酯键连接成二核苷酸；上百个以上核苷酸连接起来就成多核苷酸，即核酸。长链的一端，磷酸只与戊糖C-5相连称5-末端；另一端在戊糖上C-3上具有只有羟基，称3-末端。（一）核苷酸之间的连接方式本文档共53页；当前第19页；编辑于星期六\7点10分5´-末端3´-末端CGA磷酸二酯键磷酸二酯键本文档共53页；当前第20页；编辑于星期六\7点10分AGP5PTPGPCPTPOH3多核苷酸的书写方法：5pApCpTpGpCpT-OH

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3本文档共53页；当前第21页；编辑于星期六\7点10分定义在多核苷酸中核苷酸的排列顺序为核酸的一级结构。由于核苷酸间的差异主要是碱基不同，所以也称为碱基序列也就是说碱基的排列顺序也是核酸的一级结构。所以A、G、C、U、T等既可代表碱基，也可代表核算中的核苷酸5′端3′端CGA（二）核酸的一级结构本文档共53页；当前第22页；编辑于星期六\7点10分二、核酸的空间结构与功能多个（脱氧）核苷酸通过磷酸二酯键构成了具有方向性的线性分子，称为多聚（脱氧）核苷酸，即（DNA）RNA链。本文档共53页；当前第23页；编辑于星期六\7点10分DNA的空间结构又分为二级结构(secondarystructure)和高级结构。DNA的空间结构(spatialstructure)构成DNA的所有原子在三维空间具有确定的相对位置关系。本文档共53页；当前第24页；编辑于星期六\7点10分交替的磷酸基团和戊糖构成了DNA的骨架(backbone)。DNA链的方向是5

→3本文档共53页；当前第25页；编辑于星期六\7点10分一、DNA的二级结构是双螺旋结构本文档共53页；当前第26页；编辑于星期六\7点10分不同生物种属的DNA的碱基组成不同同一个体的不同器官或组织的DNA碱基组成相同。[A]=[T]，[G]=[C]Chargaff规则（一）DNA双螺旋结构的研究背景获得了高质量的DNA分子的X射线衍射照片。提出了DNA分子双螺旋结构(doublehelix)模型。本文档共53页；当前第27页；编辑于星期六\7点10分两条多聚核苷酸链在空间的走向呈反向平行(anti-parallel)。两条链围绕着同一个螺旋轴形成右手螺旋(right-handed)的结构。脱氧核糖和磷酸基团组成的亲水性骨架位于双螺旋结构的外侧，疏水的碱基位于内侧。碱基对平面与螺旋轴垂直双螺旋结构的表面形成了一个大沟(majorgroove)和一个小沟(minorgroove)。

（二）DNA双螺旋结构模型要点1.DNA是反向平行、右手螺旋的双链结构本文档共53页；当前第28页；编辑于星期六\7点10分本文档共53页；当前第29页；编辑于星期六\7点10分亲水性的骨架位于双链的外侧。疏水性的碱基位于双链的内侧。骨架与碱基本文档共53页；当前第30页；编辑于星期六\7点10分2.DNA双链之间形成了互补碱基对链条链同一个平面上的碱基通过氢键形成碱基对，总是A与T，G与C配对，这就是碱基互补规律。碱基配对关系称为互补碱基对;通过碱基互补而结合的两条链则互为互补链A与T之间有两个氢键，G与C之间有三个氢键。碱基对之间距离为0.34nm,每一个螺旋有10对碱基,所以螺距为3.4nm。双螺旋结构的直径为2nm。本文档共53页；当前第31页；编辑于星期六\7点10分相邻两个碱基对会有重叠，产生了疏水性的碱基堆积力，碱基堆积力和互补碱基对的氢键共同维系着DNA结构的稳定。3.疏水作用力和氢键共同维系着DNA双螺旋结构的稳定。本文档共53页；当前第32页；编辑于星期六\7点10分DNA二级结构本文档共53页；当前第33页；编辑于星期六\7点10分二、DNA的高级结构是超螺旋结构超螺旋结构(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。本文档共53页；当前第34页；编辑于星期六\7点10分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。用基因的遗传信息在细胞中合成了有功能意义的各种蛋白质，因此核酸是遗传的物质基础，蛋白质是生命的物质基础三、DNA是遗传信息的物质基础本文档共53页；当前第35页；编辑于星期六\7点10分RNA的空间结构和功能RNA也是多个核苷酸分子通过酯化反应形成的线性大分子，并且具有方向性；RNA的戊糖是核糖；RNA的嘧啶是胞嘧啶和尿嘧啶。本文档共53页；当前第36页；编辑于星期六\7点10分信使RNA(mRNA)，是合成蛋白质的模板。转运RNA(tRNA)，在蛋白质合成过程中作为各种氨基酸的载体,将氨基酸转呈给mRNA核糖体RNA(rRNA)，核糖体的组成部分，核糖体是蛋白质合成的场所RNA的种类及功能本文档共53页；当前第37页；编辑于星期六\7点10分RNA的空间结构RNA通常以单链形式存在，但是单链可以在某些节段回折形成局部的双螺旋结构。局部碱基配对时，不能配对的碱基膨出成环状，这样局部的双链与环形成一种鼓槌形的结构，也称发夹结构。此即RNA的二级结构。所有的rRNA都有三个发夹结构，呈三叶草形。本文档共53页；当前第38页；编辑于星期六\7点10分tRNA具有局部发卡结构。tRNA的二级结构——三叶草形氨基酸臂DHU环反密码环TψC环附加叉本文档共53页；当前第39页；编辑于星期六\7点10分tRNA的倒L三级结构RNA在二级结构的基础上,进一步折叠即成为三级结构。本文档共53页；当前第40页；编辑于星期六\7点10分DNA和RNA的区别核糖G、C、A、URNA脱氧核糖G、C、A、TDNA碱基核糖核酸本文档共53页；当前第41页；编辑于星期六\7点10分RNA与蛋白质共同负责基因的表达和表达过程的调控。RNA通常以单链的形式存在，但有复杂的局部二级结构或三级结构。RNA比DNA小的多。RNA的种类、大小和结构远比DNA表现出多样性。本文档共53页；当前第42页；编辑于星期六\7点10分核酸的理化性质第三节本文档共53页；当前第43页；编辑于星期六\7点10分有三种方式表示核酸分子大小：道尔顿（Dalton)表示其相对分子量大小;碱基对数目(basepair,bp或kb,1kb=1000bp);沉降系数(S),是表示rRNA分子大小的常用方法。小的核酸片段(<50bp)常被称为寡核苷酸(oligonucleotide)。自然界中的DNA和RNA的长度可以高达几十万个碱基。

一、核酸的一般理化性质本文档共53页；当前第44页；编辑于星期六\7点10分核酸在波长260nm处有强烈的吸收，是由碱基的共轭双键所决定的。这一特性常用作核酸的定性和定量分析。核酸分子具有强烈的紫外吸收本文档共53页；当前第45页；编辑于星期六\7点10分碱基的紫外吸收光谱本文档共53页；当前第46页；编辑于星期六\7点10分变性不涉及共价键的断裂，不破坏其一级结构，相对分子量也不发生变化在加热、酸、碱、尿素等理化因素作用下，使DNA分子碱基对之间的氢键断裂，天然有序的双螺旋结构变成任意缠绕的单链分子定义DNA变性的本质是双链间氢键的断裂。本文档共53页；当前第47页；编辑于星期六\7点10分协同性的DNA解链高温或极端的pHDNA的变性本文档共53页；当前第48页；编辑于星期六\7点10分三、DNA的复性和分子杂交变性DNA在一定条件下，分开的两条互补链重新缔合成双螺旋结构，并恢复其原有的理化性质和生物学活性，这个过程为DNA的复性或退火。热变性的DNA经缓慢冷却后即可复性，这一过程称为退火(annealing)。复性受很多因素影响，DNA分子越长，核苷酸组成越复杂，DNA复性也就越困难。变性及复性的原理是PCR技术的基础，现已在医学中得到广泛应用。本文档共53页；当前第49页；编辑于星期六\7点10分两条来源不同的多核苷酸链，只要大部分碱基互相配对，在复性过程中可形成双螺旋结构，称杂交作用。这种杂化