核酸的结构与功能讲课文档

核酸的结构与功能第1页，共68页。核酸(nucleicacid)

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.第2页，共68页。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第3页，共68页。核酸的分类及分布

存在于细胞核和线粒体

分布于细胞核、细胞质、线粒体(deoxyribonucleicacid,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。是DNA转录的产物，参与遗传信息的复制与表达。某些病毒RNA也可作为遗传信息的载体第4页，共68页。核酸的化学组成核酸的分子结构核酸的理化性质DNARNA主要内容：第5页，共68页。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组成DNA的组成单位是脱氧核糖核苷酸（deoxyribonucleotide）RNA的组成单位是核糖核苷酸（ribonucleotide）。第6页，共68页。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)一、核苷酸是构成核酸的基本组成单位第7页，共68页。碱基(base)是含氮的杂环化合物。碱基嘌呤嘧啶腺嘌呤鸟嘌呤尿嘧啶胸腺嘧啶胞嘧啶存在于DNA和RNA中仅存在于RNA中仅存在于DNA中碱基第8页，共68页。嘌呤(purine，Pu)腺嘌呤(adenine,A)鸟嘌呤(guanine,G)第9页，共68页。嘧啶(pyrimidine，Py)胞嘧啶(cytosine,C)尿嘧啶(uracil,U)胸腺嘧啶(thymine,T)第10页，共68页。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)一、核苷酸是构成核酸的基本组成单位第11页，共68页。戊糖（构成RNA）1´2´3´4´5´β-D-核糖(ribose)（构成DNA）β-D-2′脱氧核糖(deoxyribose)第12页，共68页。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)一、核苷酸是构成核酸的基本组成单位核苷第13页，共68页。脱氧核苷嘌呤N-9与脱氧核糖C-1

通过β-N-糖苷键相连形成脱氧核苷(deoxyribonucleoside)。第14页，共68页。

嘧啶N-9与核糖C-1

通过β-N-糖苷键相连形成核苷(ribonucleoside)。核苷NNNN9NH2OOHOHHHHCH2OHH1'2'糖苷键第15页，共68页。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)一、核苷酸是构成核酸的基本组成单位核苷第16页，共68页。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(ribonucleotide)NNNN9NH2OOHOHHHHCH2H1'2'OPO-HOO糖苷键酯键第17页，共68页。多磷酸核苷酸第18页，共68页。环化核苷酸：cAMP、cGMP，是细胞信号转导中的第二信使。cAMP核苷酸衍生物第19页，共68页。烟酰胺腺嘌呤二核苷酸，nicotinamideadeninedinucleotide,NAD+）生物氧化体系的重要成分，在传递质子或电子的过程中具有重要的作用。第20页，共68页。二、DNA通过3

,5

-磷酸二酯键连接一个脱氧核苷酸3

的羟基与另一个核苷酸5

的α-磷酸基团缩合形成磷酸二酯键(phosphodiesterbond)。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(polydeoxynucleotide)，即DNA链。第21页，共68页。5´-末端3´-末端CGA磷酸二酯键磷酸二酯键第22页，共68页。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

第23页，共68页。三、RNA具3

,5

-磷酸二酯键的线性大分子RNA也是多个核苷酸分子通过3

,5

-磷酸二酯键连接形成的线性大分子，也具有5

→3

方向性;RNA的戊糖是核糖；

RNA的嘧啶是胞嘧啶和尿嘧啶。构成RNA的四种基本核苷酸是AMP、GMP、CMP和UMP。第24页，共68页。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CGA四、核酸的一级结构是核苷酸的排列顺序第25页，共68页。AGP5

PTPGPCPTPOH3

核酸的一级结构5

pApCpTpGpCpT-OH

3

5

ACTGCT

3

ACTGCT第26页，共68页。单链DNA和RNA分子的大小常用核苷酸数目（nucleotide，nt）表示；双链核酸分子的大小常用碱基(base或kilobase)数目来表示。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。第27页，共68页。核酸的化学组成核酸的分子结构核酸的理化性质DNARNA主要内容：第28页，共68页。DNA的空间结构又分为二级结构(secondarystructure)和高级结构。DNA的空间结构构成DNA的所有原子在三维空间的相对位置关系。第29页，共68页。一、DNA的二级结构是双螺旋结构第30页，共68页。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

对于一特定组织的DNA，其碱基组分不随年龄、营养状态和环境而变化[A]=[T]，[G]=[C]Chargaff规则（一）DNA双螺旋结构的实验基础获得了高质量的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。第31页，共68页。两条多聚核苷酸链在空间的走向呈反向平行(anti-parallel)。两条链中一条链的5

→3

方向是自上而下，而另一条链的5

→3

方向是自下而上。两条链围绕着同一个螺旋轴形成右手螺旋(right-handed)的结构。双螺旋结构的直径为2.37nm，螺距为3.54nm。（二）DNA双螺旋结构模型要点1.DNA由两条多聚脱氧核苷酸链组成第32页，共68页。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。双螺旋结构的表面形成了一个大沟(majorgroove)和一个小沟(minorgroove)。2.核糖与磷酸位于外侧第33页，共68页。DNA双螺旋结构的示意图DNA双螺旋结构的俯视图第34页，共68页。3.DNA双链之间形成了互补碱基对碱基配对关系称为互补碱基对(complementarybasepair)。DNA的两条链则互为互补链(complementarystrand)。碱基对平面与螺旋轴垂直。第35页，共68页。碱基互补配对:鸟嘌呤/胞嘧啶第36页，共68页。碱基互补配对:腺嘌呤/胸腺嘧啶第37页，共68页。相邻两个碱基对会有重叠，产生了疏水性的碱基堆积力(basestackinginteraction)。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。4.碱基对的疏水作用力和氢键共同维持着DNA双螺旋结构的稳定第38页，共68页。（三）DNA双螺旋结构的多样性第39页，共68页。DNA的空间结构又分为二级结构(secondarystructure)和高级结构。DNA的空间结构构成DNA的所有原子在三维空间的相对位置关系。第40页，共68页。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。第41页，共68页。DNA：约200bp组蛋白：H1H2A，H2BH3H4核小体的组成第42页，共68页。核小体串珠样的结构第43页，共68页。核酸的化学组成核酸的分子结构核酸的理化性质DNARNA主要内容：第44页，共68页。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。RNA的结构功能第45页，共68页。动物细胞内主要的RNA种类及功能RNA种类缩写细胞内位置功能核糖体RNArRNA细胞质核糖体组成成分信使RNAmRNA细胞质蛋白质合成模板转运RNAtRNA细胞质转运氨基酸微RNAmicroRNA细胞质翻译调控胞质小RNAscRNA/7SL-RNA细胞质信号肽识别体的组成成分不均一核RNAhnRNA细胞核成熟mRNA的前体核小RNAsnRNA细胞核参与hnRNA的剪接、转运核仁小RNAsnoRNA核仁rRNA的加工和修饰线粒体核糖体RNAmtrRNA线粒体核糖体组成成分线粒体信使RNAmtmRNA线粒体蛋白质合成模板线粒体转运RNAmttRNA线粒体转运氨基酸第46页，共68页。信使RNA(messengerRNA,mRNA)是细胞内合成蛋白质的模板。生物体内mRNA的丰度最小、种类最多、大小也各不相同、寿命最短。mRNA的初级产物为不均一核RNA(hnRNA)，含有内含子(intron)和外显子(exon)。hnRNA经过剪切后成为成熟的mRNA。一、mRNA是蛋白质合成中的模板第47页，共68页。hnRNA内含子(intron)mRNA

mRNA成熟过程

外显子(exon)第48页，共68页。成熟的mRNA由氨基酸编码区和非编码区构成。5

-末端的帽子(cap)结构和3

-末端的多聚A尾(poly-Atail)结构。成熟的真核生物mRNA第49页，共68页。转运RNA(transferRNA,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。由74～95核苷酸组成；占细胞总RNA的15%；具有很好的稳定性。二、tRNA是蛋白质合成中的氨基酸载体第50页，共68页。1.tRNA中含有多种稀有碱基稀有碱基（rarebase）是指除A、G、C、U外的一些碱基。第51页，共68页。tRNA具有局部的茎环(stem-loop)结构或发卡(hairpin)结构。2.tRNA含有茎环结构tRNA的二级结构——三叶草形氨基酸臂，DHU环，反密码环，TψC环，附加叉第52页，共68页。tRNA的倒L三级结构第53页，共68页。tRNA的反密码子环上有反密码子(anticodon)。tRNA上的反密码子通过碱基互补识别mRNA上的密码子。3.tRNA的反密码子识别mRNA的密码子第54页，共68页。核糖体RNA(ribosomalRNA，rRNA)是细胞内含量最多的RNA(>80％)。rRNA与核糖体蛋白结合组成核糖体(ribosome)，为蛋白质的合成提供场所。三、rRNA为组分的核糖体是蛋白质合成的场所第55页，共68页。核糖体的组成原核生物（大肠杆菌）真核生物（小鼠肝）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%第56页，共68页。核酸的化学组成核酸的分子结构核酸的理化性质DNARNA主要内容：第57页，共68页。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。一、核酸分子具有强烈的紫外吸收第58页，共68页。DNA或RNA的定量A260=1.0相当于50μg/ml双链DNA(dsDNA)40μg/ml单链DNA(ssDNAorRNA)20μg/ml寡核苷酸确定样品中核酸的纯度

纯

DNA:A260/A280=1.8

纯

RNA:A260/A280=2.0紫外吸收的应用第59页，共68页。二、DNA变性是双链解离为单链的过程某些理化因素导致DNA双链互补碱基对之间的氢键发生断裂，DNA双链解离为单链的过程。

定义DNA变性的本质是双链