生化课件生秀梅章核酸

第二章

核酸的结构和功能StructureandFunctionofNucleicAcid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，叶绿体，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及其一级结构TheChemicalComponentandPrimaryStructureofNucleicAcid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(ribose)：核糖，脱氧核糖——磷酸(phosphate)碱基这5种碱基上的酮基或氨基，均位于N的临位，可形成酮式-烯醇式的相互异构，或氨基-亚氨基的互变异构。这两种异构体的平衡关系受到介质酸碱环境的影响。嘌呤和嘧啶环中都含有共轭双键，因此在260nm左右波长的紫外光有较强的吸收，可用来对碱基、核苷、核苷酸、核酸进行定性定量分析。除了基本碱基外，RNA中还含有一些稀有碱基，稀有碱基种类很多，大多是甲基化碱基。核酸中的碱基甲基化主要发生在核酸大分子的生物合成后，对核酸的生物学功能有很重要的意义。如：2-甲基腺嘌呤，7-甲基鸟嘌呤，5-甲基胞嘧啶，5，6-二氢尿嘧啶等。戊糖(五碳糖）（构成RNA）1´2´3´4´5´核糖(ribose)（构成DNA）脱氧核糖(deoxyribose)核苷：AR,GR,UR,CR脱氧核苷：dAR,dGR,dTR,dCR一、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）。1´1N-9C-1’N-1C-1’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）。

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，cGMPAMPADPATPcAMPNADP+NAD+碱基核苷核苷酸RNA核糖核酸5’-核苷酸（NMP）腺嘌呤（A）腺苷（AR）腺苷酸（AMP）鸟嘌呤（G）鸟苷（GR）鸟苷酸（GMP）胞嘧啶（C）胞苷（CR）胞苷酸（CMP）尿嘧啶（U）尿苷（UR）尿苷酸（UMP）DNA脱氧核糖核酸5’-脱氧核苷酸（dNMP）腺嘌呤（A）脱氧腺苷（dAR）脱氧腺苷酸（dAMP）鸟嘌呤（G）脱氧鸟苷（dGR）脱氧鸟苷酸（dGMP）胞嘧啶（C）脱氧胞苷（dCR）脱氧胞苷酸（dCMP）胸腺嘧啶（T）脱氧苷（dTR）脱氧苷酸（dTMP）5´端3´端3.核苷酸的连接核苷酸之间以磷酸二酯键连接形成多核苷酸链，即核酸。CGA二、核酸的一级结构定义核酸中核苷酸的排列顺序。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。5′端3′端CGAAGP5

PTPGPCPTPOH3

书写方法5

pApCpTpGpCpT-OH

3

5

ACTGCT

3

目录第二节DNA的空间结构与功能DimensionalStructureandFunctionofDNADNA的二级结构-双螺旋结构DNA双螺旋结构的研究背景和历史意义DNA双螺旋结构模型要点DNA的超螺旋结构及其在染色质中的组装DNA的超螺旋结构原核生物DNA的高级结构DNA在真核生物细胞核内的组装DNA的功能一、DNA的二级结构——双螺旋结构（一）DNA双螺旋结构的研究背景

碱基组成分析Chargaff规则：[A]=

[T][G]

[C]

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-线衍射图谱分析目录Chargaff规则20世纪50年代，chargaff发现DNA碱基组成有一些共同规律，如下：1）.几乎所有的DNA中，总的嘧啶摩尔含量=总的嘌呤摩尔含量，即A+G=T+C，且A=T，C=G。2）不同生物来源的DNA碱基组成不同，表现在A+T/G+C比值的不同。3）同一生物的不同组织的DNA碱基相同，即对于某种特定的生物，它所有的体细胞的DNA的碱基组成都是相同的，可以作为该物种的特征。4）一种生物DNA碱基组成不随年龄、营养状态或者环境变化而变化。5）亲缘相近的生物碱基组成相似，不同生物的碱基组成则有很大区别（含量）（二）DNA双螺旋结构模型要点（Watson,Crick,1953）DNA分子由两条相互平行但走向相反的脱氧多核苷酸链组成，两链以-脱氧核糖-磷酸-为骨架，以右手螺旋方式绕同一公共轴盘。螺旋直径为2nm，形成大沟(majorgroove)及小沟(minorgroove)相间，为蛋白质识别DNA，并与之发生相互作用的部位。目录（二）DNA双螺旋结构模型要点

（Watson,Crick,1953）戊糖和磷酸构成双螺旋的外侧，平行于中心轴。碱基垂直螺旋轴居双螺旋内側，与对側碱基形成氢键配对（互补配对形式：A=T;G

C）。相邻碱基平面距离0.34nm，螺旋一圈螺距3.4nm，一圈10对碱基。目录碱基互补配对TAGC（二）DNA双螺旋结构模型要点

（Watson,Crick,1953）氢键维持双链横向稳定性，碱基堆积力维持双链纵向稳定性。目录二、DNA的超螺旋结构及其在染色质中的组装（一）DNA的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双螺旋方向相反意义DNA超螺旋结构整体或局部的拓扑学变化及其调控对于DNA复制和RNA转录过程具有关键作用。（二）原核生物DNA的高级结构（三）DNA在真核生物细胞核内的组装真核生物染色体由DNA和蛋白质构成，其基本单位是核小体(nucleosome)。核小体的组成DNA：约200bp组蛋白：

H1H2A，H2BH3H4碱性蛋白质，富含Arg和Lys60bp1¾圈，146bp

三、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StructureandFunctionofRNARNA的种类、分布、功能一、信使RNA的结构与功能hnRNA内含子(intron)mRNA*mRNA成熟过程

外显子(exon)目录mRNA种类繁多，但只占RNA总量的3％，发现的比rRNA，tRNA都晚。原核生物mRNA特征：多顺反子即一条mRNA链可以编码多种蛋白质。真和生物mRNA特征：单顺反子即一条mRNA只编码一条多肽链*mRNA结构特点1.大多数真核mRNA的5´末端均在转录后加上一个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。3.不含内含子帽子结构mRNA核内向胞质的转位mRNA的稳定性维系翻译起始的调控帽子结构和多聚A尾的功能*mRNA的功能把DNA所携带的遗传信息，按碱基互补配对原则，抄录并传送至核糖体，用以决定其合成蛋白质的氨基酸排列顺序。DNAmRNA蛋白转录翻译原核细胞细胞质细胞核DNA内含子外显子转录转录后剪接转运mRNAhnRNA翻译蛋白真核细胞*tRNA占总量的15％，分子量小，由70－120个核苷酸组成

*

tRNA的一级结构特点含10~20%稀有碱基，如DHU3´末端为—CCA-OH5´末端大多数为G

具有T

C二、转运RNA的结构与功能N,N二甲基鸟嘌呤N6-异戊烯腺嘌呤双氢尿嘧啶4-巯尿嘧啶

稀有碱基*tRNA的二级结构——三叶草形

氨基酸臂，富含G，未端为CCA－OH,接受活化的氨基酸

DHU环反密码环，识别密码子（以碱基互补配对原则于mRNA的密码子形成氢键）额外环

TΨC环，可能参与核蛋白体的结合。氨基酸臂额外环*tRNA的三级结构——倒L形*tRNA的功能活化、搬运氨基酸到核糖体，参与蛋白质的翻译。*rRNA含量大，80％，与蛋白质形成核糖体，结构如右图三、核蛋白体RNA的结构与功能*rRNA的功能参与组成核蛋白体，作为蛋白质生物合成的场所。16SrRNA的二级结构*rRNA的种类（根据沉降系数）真核生物5SrRNA28SrRNA5.8SrRNA18SrRNA原核生物5SrRNA23SrRNA16SrRNA核蛋白体的组成原核生物（以大肠杆菌为例）真核生物（以小鼠肝为例）小亚基30S40SrRNA16S1542个核苷酸18S1874个核苷酸蛋白质21种占总重量的40%33种占总重量的50%大亚基50S60SrRNA23S5S2940个核苷酸120个核苷酸28S5.85S5S4718个核苷酸160个核苷酸120个核苷酸蛋白质31种占总重量的30%49种占总重量的35%四、其他小分子RNA及RNA组学除了上述三种RNA外，细胞的不同部位存在的许多其他种类的小分子RNA，统称为非mRNA小RNA(smallnon-messengerRNAs,snmRNAs)。

snmRNAssnmRNAs的种类核内小RNA核仁小RNA胞质小RNA催化性小RNA小片段干涉RNA

snmRNAs的功能参与hnRNA和rRNA的加工和转运。RNA组学研究细胞中snmRNAs的种类、结构和功能。同一生物体内不同种类的细胞、同一细胞在不同时间、不同状态下snmRNAs的表达具有时间和空间特异性。RNA组学核酶

1981年，Cech在四膜虫的核rRNA前体种发现，有些RNA分子本身具有自我催化能力，能够完成RNA的自我剪接，我们把这种具有催化能力的RNA称为核酶。核酸的理化性质ThePhysicalandChemicalCharactersofNucleicAcid第四节目录DNA的酸碱性及溶解度性质：DNA具有磷酸和碱基，所以和蛋白质一样是一种两性大分子，但是磷酸解离度大于碱基，所以偏酸性。可与金属离子成盐，但是不溶于乙醇或异丙醇。DNA的高分子性质：粘度DNA>RNA，dsDNA>ssDNA，具有沉降行为。DNA的紫外吸收：260nm有吸收峰，可用来定性定量检测核酸，或分析核酸的纯度。其中单核苷酸>单链DNA>双链DNA1.DNA或RNA的定量OD260=1.0相当于50μg/ml双链DNA40μg/ml单链DNA（或RNA）20μg/ml寡核苷酸2.判断核酸样品的纯度DNA纯品:OD260/OD280=1.8RNA纯品:OD260/OD280=2.0OD260的应用目录二、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，变性试剂如尿素、酰胺以及某些有机溶剂如乙醇、丙酮等。变性后其它理化性质变化：OD260增高 粘度下降比旋度下降 浮力密度升高酸碱滴定曲线改变 生物活性丧失目录DNA变性的本质是双链间氢键的断裂例：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。目录热变性解链曲线：如果在连续加热DNA的过程中以温度对A260（absorbance，A，A260代表溶液在260nm处的吸光率）值作图，所得的曲线称为解链曲线。目录Tm：变性是在一个相当窄的温度范围内完成，在这一范围内，紫外光吸收值达到最大值的50%时的温度称为DNA的解链温度，又称融解温度(meltingtemperature,Tm)。其大小与G+C含量成正比。目录（G+C)%=(Tm-69.3)*2.44三、DNA的复性与分子杂交

DNA复性(renaturation)的定义在适当条件下，变性DNA的两条互补链可恢复天然的双螺旋构象，这一现象称为复性。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)。目录在DNA变性后的复性过程中，如果将不同种类的DNA单链分子或RNA分子放在同一溶液中，只要