核酸的结构和功能课件

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。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。分布于细胞核、胞液。(DNA)(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一、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)核苷酸核苷嘌呤(purine)

腺嘌呤(adenine,A)鸟嘌呤(guanine,G)碱基嘧啶(pyrimidine)胞嘧啶(cytosine,C)尿嘧啶(uracil,U)胸腺嘧啶(thymine,T)戊糖（构成RNA）1´2´3´4´5´核糖（构成DNA）脱氧核糖二、核苷酸的结构1.核苷的形成碱基和核糖（脱氧核糖）通过糖苷键连接形成核苷（脱氧核苷）。1´1核苷酸：AMP,GMP,UMP,CMP脱氧核苷酸：dAMP,dGMP,dTMP,dCMP

2.核苷酸的结构与命名核苷（脱氧核苷）和磷酸以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+三、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´端核苷酸的连接方式：

核苷酸之间以磷酸二酯键连接形成多核苷酸链，即核酸。CGA核酸的一级结构AGP5

PTPGPCPTPOH3

书写方法5

pApCpTpGpCpT-OH3

5

ACTGCT

3

第二节DNA的空间结构与功能DimensionalStructureandFunctionofDNA一、DNA的二级结构—双螺旋结构模型（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ErwinChargaff

（1905－1995）Chargaff

规则：

A%＝T%G%＝C%DNA分子X射线衍射照片RosalindFranklin

MauriceWilkins

FrancisHarryComptonCrick

JamesDeweyWatson

MauriceHughFrederickWilkins

TheNobelPrizeinPhysiologyorMedicine1962.

"fortheirdiscoveriesconcerningthemolecularstructureofnucleicacidsanditssignificanceforinformationtransferinlivingmaterial"（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。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。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。碱基互补配对TAGC碱基互补原则：腺嘌呤（A）总是跟胸腺嘧啶（T）配对，形成两个氢键；鸟嘌呤（G）总是跟胞嘧啶（C）配对，形成三个氢键（三）DNA双螺旋结构的多样性不同类型的DNA双螺旋结构B-DNAhelixZ-DNAhelixA-DNAhelix二、DNA超螺旋结构及其在染色质中的组装

所有生物的基因组DNA的长度通常比含有DNA的细胞直径大得多。因此，DNA在形成双螺旋结构的基础上，必须进一步折叠成超级螺旋结构，且在蛋白质的参与下，再进行精密的包装。这样，DNA才能存在于细胞核中。（一）DNA的超螺旋结构

超螺旋结构(superhelix

或supercoil)DNA双螺旋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。（二）原核生物细胞中DNA的高级结构

绝大部分原核生物的DNA都是闭合环状双螺旋结构，不与蛋白质结合，双螺旋分子可进一步螺旋化形成超螺旋。环状DNA结构示意图（三）DNA在真核生物细胞核内的组装

在真核细胞内，DNA分子较原核细胞大得多，所以它们压缩得更为致密。真核细胞的DNA与蛋白质结合，以染色体的形式存在于细胞核内。核小体是真核生物染色体的基本结构单位。

核心颗粒连接区核心组蛋白：组蛋白八聚体（H2A、H2B、H3、H4各2分子）DNA双螺旋分子(140bp)在核心组蛋白缠绕1.75圈DNA（60bp）组蛋白H1

连接核心颗粒核小体的构成核小体组成核小体的折叠及染色体组装2nm11nm30nm300nm1400nm700nm真核生物DNA在细胞核内的组装三、DNA的功能以基因的形式储存、携带和传递遗传信息。是DNA分子中特定区段核苷酸的排列顺序，即碱基序列信息，它决定了基因的功能。基因：基因组：一个遗传体系所有基因总和的一整套遗传信息。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

信使RNA（mRNA）的作用就好像一种信使，将存在于细胞核内的基因的遗传信息转移到细胞质中，作为蛋白质合成的模板，细胞中mRNA的种类最多，代谢最快。真核生物的mRNA前身称为不均一核RNA（hnRNA）。hnRNA在核内经过一系列的剪接、修饰和加工，成为成熟的mRNA并转移到细胞质中。TheNobelPrizeinPhysiologyorMedicine1965InstitutPasteur

Paris,FranceJacquesMonod

AndréLwoff

FrançoisJacob

InstitutPasteur

Paris,FranceInstitutPasteur

Paris,France原核和真核细胞基因表达过程简图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*真核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：m7GpppNpNp……。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。mRNA分子上的每三个核苷酸为一组，构成遗传密码，可以决定多肽链上某一个氨基酸，又称为三联体密码。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尾的功能真核成熟mRNA结构4、mRNA前体（hnRNA）的剪接DNAhnRNA成熟mRNA内含子外显子真核生物mRNA转录后剪接外显子编码序列内含子编码序列TheNobelPrizeinPhysiologyorMedicine1993"fortheirdiscoveriesofsplitgenes"

RichardJ.Roberts

PhillipA.SharpNewEnglandBiolabs

Beverly,MA,USAMassachusettsInstituteofTechnology(MIT),CenterforCancerResearch

Cambridge,MA,USA

二、转运RNA

转运RNA约占细胞中RNA总量的10%～15%，是分子量最小的一类核酸，由74～95个核苷酸构成，含较多稀有碱基（约10~20%）。tRNA的功能是转运氨基酸至核糖体用于蛋白质的合成。二氢尿嘧啶（DHU）

常见的稀有碱基假尿嘧啶（φ）甲基鸟嘌呤*tRNA的二级结构——三叶草形

氨基酸臂

DHU环反密码环额外环

TΨC环氨基酸臂*

tRNA的三级结构——倒L形*tRNA的功能活化、搬运氨基酸到核糖体，参与蛋白质的合成。三、核糖体RNA

核糖体RNA（rRNA）是细胞内含量最多的RNA，约占RNA总量的75%~80%。rRNA与蛋白质共同构成核糖体或称为核蛋白体，是细胞内蛋白质生物合成的场所。原核生物与真核生物的核糖体均由大亚基和小亚基构成。rRNA的结构特征

rRNA一级结构的一个特征就是甲基化残基的存在，主要的修饰位点在D-核糖的C2'-OH。二级结构的模型也已构建出来，rRNA分子内部局部碱基互补，形成许多“茎－环”结构，为核糖体蛋白的结合与组装提供了结构基础。原核生物16SrRNA的二级结构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%局部双链tRNArRNAmRNA三叶草形、倒L形含稀有碱基多反密码子CCA—OH3'呈花状5'—m7GpppNm、3'—polyA编码序列单链局部双链结构蛋白质合成的模板搬运活化的aa到核糖体组成核蛋白体分子大小不一,量<10%,代谢快分子量小

120碱基稳定分子大

120碱基量>80%,稳定三种RNA内容小结功能四、其它小分子RNA及RNA组学核酶:具有催化功能的小RNA.TheNobelPrizeinChemistry1989"

fortheirdiscoveryofcatalyticpropertiesofRNA"SidneyAltmanThomasR.Cech核酸的理化性质ThePhysicalandChemicalCharactersofNucleicAcid第四节一、核酸的一般性质核酸溶液的黏度比较大，核酸粘度降低或消失，即意味着变性或降解。DNA分子的长度与直径之比达到107，极易在机械力的作用下发生断裂。核酸的沉降特性。二、核酸的紫外吸收

嘌呤和嘧啶碱基具有共轭双键，这使核苷、核苷酸及核酸可以吸收紫外光，最大吸收峰位于波长260nm附近，因此经常用A260（在260nm处的吸光度）或OD260（260nm处的光密度值）表示核酸的浓度。利用核酸的紫外吸收特性，可以用紫外分光光度法对DNA和RNA进行定性和定量分析。1.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的应用三、核酸的变性（一）变性（denaturation）

定义：在某些理化因素作用下，DNA双链解成两条单链的过程。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。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。

解链曲线：如果在连续加热DNA的过程中以温度对A260（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.

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(Tm)。其大小与G+C含量成正比。

四、复性与杂交

变性DNA在适当条件下，两条互补的单链重新