《生物化学》课件-项目二：核酸结构与功能

核酸的分子组成什么是核酸（nucleicacid）核酸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。

1869Miescher从

脓细胞中提取“核素”后称为“核酸”1944Avery等人证实DNA是遗传物质1953Wstson和Crick发现DNA的双螺旋结构1958年Crick提出遗传中心法则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年人类基因组计划基本框架完成一、核酸的发现和研究历史携带遗传信息，决定细胞和个体的基因型(genotype)。分布于胞核、胞液。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。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。核酸的分类及分布天然存在的核酸可分为核糖核酸(RNA)和脱氧核糖核酸(DNA)两大类。脱氧核糖核酸(deoxyribonucleicacid,DNA)核糖核酸(ribonucleicacid,RNA)一、核酸的发现和研究历史元素组成组成核酸的主要元素：C、H、O、N、P（9%~10%）二、核酸的分子组成在两类核酸中P元素的含量是相似的大约为9%~10%，因此我们把P元素称为核酸的特征性元素。通过测定P元素的含量可以推算出核酸样品中核酸的含量。二、核酸的分子组成碱基碱基（base）是含氮的杂环化合物。二、核酸的分子组成二、核酸的分子组成二、核酸的分子组成稀有碱基除A、G、C、T、U五种碱基外的其他碱基，在体内比例很少，故称稀有碱基。二、核酸的分子组成嘌呤——次黄嘌呤、1-甲基次黄嘌呤、N2-二甲基鸟嘌呤。嘧啶——5-甲基胞嘧啶、5-羟甲基胞嘧啶、二氢尿嘧啶、4-巯尿嘧啶。稀有碱基二、核酸的分子组成戊糖二、核酸的分子组成基本单位-核苷酸核苷（ribonucleoside）嘌呤环上的N-9或嘧啶环上的N-1与糖的C-1以糖苷键相连。二、核酸的分子组成核苷=碱基+核糖连接方式：糖苷键

核苷的化学结构式二、核酸的分子组成核苷（ribonucleoside）核苷酸（ribonucleotide）二、核酸的分子组成多磷酸核苷酸二、核酸的分子组成重要的游离核苷酸环化核苷酸：cAMP、cGMP，是细胞信号转导中的第二信使。二、核酸的分子组成环化核苷酸核酸是构成生物体重要的生物大分子，由C、H、O、N、P五种主要元素组成，核酸的基本结构单位是核苷酸，基本化学组成包括磷酸、戊糖和碱基。参与核酸构成的戊糖有两种D-核糖参与RNA的构成，D-2-脱氧核糖参与DNA的构成，DNA和RNA中分别含有4种碱基。体内核苷酸大多是以游离的形式存在的，具有提供生命活动所需能量、参与体内重要物质的合成、作为细胞间信使传递信息、参与物质代谢等重要的生物学功能。试比较DNA和RNA在化学组成成分的异同。——DNA的分子结构核酸的分子结构一、核苷酸的连接二、核酸的一级结构核酸的一级结构是指核酸中核苷酸的排列顺序。DNA和RNA一级结构一样都是链状的。由于同一类核酸分子中组成的核苷酸分子中戊糖和磷酸是相同的，只有碱基不同，所以我们也可以用碱基排列的顺序来表示核酸的一级结构，故核酸的一级结构也称为碱基序列。一级结构中多核苷酸链具有游离羟基的两端分别是5′端和3′端，在书写时我们通常是从5′端向3′端的方向书写的。核酸的一级结构二、核酸的一级结构DNA的空间结构

(spatialstructure)DNA分子的空间结构和RNA分子的空间结构是不一样的。DNA的空间结构包括二级结构和高级结构。三、DNA的空间结构与功能DNA的二级结构----双螺旋结构

碱基组成分析——Chargaff规则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-线衍射图谱分析三、DNA的空间结构与功能一、DNA双螺旋结构的研究背景Chargaff规则[A]=[T]，[G]=[C]；[A]+[G]=[T]+[C](嘌呤与嘧啶的总数相等)有种属特异性无组织、器官特异性不受年龄、营养、性别及其他环境等影响E.Chargaff三、DNA的空间结构与功能DNA纤维的X-线衍射图谱分析Franklin获得高质量的DNAX射线衍射图谱(1951)Wilkins通过X射线衍射获得了精确的DNA分析数据三、DNA的空间结构与功能三、DNA的空间结构与功能TheNobelPrizeinPhysiologyorMedicine1962FrancisCrick,Jameswatson,auricewilkinsTheNobelPrizeinPhysiologyorMedicine1962wasawardedjointlytoFrancisHarryComptonCrick,JamesDeweyWatsonandMauriceHughFrederickwilkins"fortheirdiscoveriesconcerningthemolecwiarstructureofnucleicacidsandissignificanceforinformationtransferiniivingmateria!".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。三、DNA的空间结构与功能2.核糖与磷酸位于外侧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)。三、DNA的空间结构与功能DNA双螺旋结构的示意图（侧视图）DNA双螺旋结构的俯视图三、DNA的空间结构与功能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。三、DNA的空间结构与功能碱基互补配对：鸟嘌呤/胞嘧啶三、DNA的空间结构与功能碱基互补配对：腺嘌呤/胸腺嘧啶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。三、DNA的空间结构与功能DNA双螺旋结构的多样性类型螺旋方向螺距nm每圈bp数螺旋直径骨架走形存在条件A型右手螺旋2.311变宽平滑体外脱水B型右手螺旋3.4102nm平滑生理条件下Z型左手螺旋4.512变窄锯齿CG间隔排列区段三种类型DNA双螺旋三、DNA的空间结构与功能DNA的高级结构是超螺旋结构原核生物DNA的环状超螺旋结构原核生物DNA多为环状的双螺旋分子，以负超螺旋的形式存在，平均每200碱基就有一个超螺旋形成。正超螺旋环状DNA负超螺旋三、DNA的空间结构与功能真核生物DNA以核小体为单位形成高度有序致密结构核小体（nucleosome）真核生物染色质（chromatin）DNA是线性双螺旋，缠绕在组蛋白的八聚体上形成核小体。三、DNA的空间结构与功能核小体的组成连接区八聚体核心组蛋白三、DNA的空间结构与功能DNA：约200bp组蛋白：富含Lys，Arg的碱性蛋白质H1H2AH3H4核小体串珠样的结构三、DNA的空间结构与功能DNA染色质的电镜图像DNA染色质呈现出的串珠样结构三、DNA的空间结构与功能在细胞周期的大部分时间里，DNA以松散的染色质(chromatin)形式存在，基本单位是核小体（nucleosome）；在细胞分裂期，则形成高度致密的染色体(chromosome)。三、DNA的空间结构与功能双链DNA的折叠和组装DNA经过多次折叠，被压缩了8,000～10,000倍，组装在直径只有数微米的细胞核内。三、DNA的空间结构与功能DNA是遗传信息的物质基础DNA是生物遗传信息的载体，并为基因复制和转录提供了模板。它是生命遗传的物质基础，也是个体生命活动的信息基础。基因是携带遗传信息的DNA片段。三、DNA的空间结构与功能DNA具有高度稳定性的特点，用来保持生物体系遗传的相对稳定性。DNA又表现出高度复杂性的特点，它可以发生各种重组和突变，适应环境的变迁，为自然选择提供机会。核酸的分子结构包括一级结构和空间结构。DNA和RNA的空间结构不同。DNA的二级结构是双螺旋结构，主要有四个结构要点。在不同相对湿度下DNA双螺旋结构呈现出多样性。DNA的高级结构是超螺旋结构，真核生物DNA以核小体为单位形成高度有序致密的染色体组装在直径只有数微米的细胞核内。B-DNA双螺旋结构要点有哪些？——RNA的种类和分子结构核酸的分子结构RNA的空间结构与功能在生物体内与DNA分子比较RNA分子通常以单链的形式存在，但也可局部形成二级结构或高级结构。RNA的一级结构是指RNA分子中核苷酸的排列顺序。RNA相对分子质量比DNA小得多，从数十个到数千个核苷酸长度不等，但RNA分子的种类、分子大小和结构远比DNA表现出多样性。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线粒体转运氨基酸动物细胞内主要的RNA种类及功能RNA的空间结构与功能信使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。mRNA是蛋白质合成中的模版mRNA成熟过程成熟mRNA结构作为翻译的模板来指导蛋白质的生物合成

mRNA的功能tRNA是蛋白质合成中的氨基酸载体转运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。mRNA的功能tRNA中含有多种稀有碱基tRNA是含稀有碱基最多的核酸mRNA的功能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tRNA含有茎环结构tRNA的三级结构——倒L形活化、搬运氨基酸到核糖体，参与蛋白质的翻译。不同的tRNA结合不同的氨基酸。tRNA的功能rRNA是蛋白质合成的场所核糖体RNA(ribosomalRNA，rRNA)是细胞内含量最多的RNA(>80％)。tRNA的功能rRNA+核蛋白体蛋白核蛋白体(ribosome)大亚基小亚基核糖体的组成功能：参与构成核蛋白体，核蛋白体是蛋白质合成的场所。核糖体的组成短链非编码RNA亦称为非编码小RNA（smallnon-messengerRNA,snmRNAs）催化性小RNA亦被称为核酶（ribozyme）小干扰RNA（smallinterferingRNA，siRNA）：诱导相应mRNA降解。核内小RNA核仁小RNA胞质小RNA功能：参与hnRNA和rRNA的加工和转运，以及基因表达调控。其他RNARNA分子与DNA比较分子通常以单链形式存在，种类、分子大小和结构远比DNA表现出多样性。成熟的mRNA分子结构中包括编码区和非编码区两个区域，mRNA是没有空间结构的核酸分子。tRNA二级结构呈三叶草形，三级结构是倒L形。核糖体RNA是细胞内含量最多的RNA。由rRNA+核蛋白体蛋白构成核糖体结构中包括大亚基和小亚基。体内不直接参与遗传信息传递的RNA我们统称为非编码RNA。试简述mRNA、tRNA、rRNA三种核酸的结构特点。——变性、复性与分子杂交核酸的理化性质1.核酸是含磷酸和碱基的两性电解质，通常表现为较强的酸性。可用电泳和离子交换分离纯化核酸。在碱性条件下，RNA不稳定，可在室温下水解。利用这个性质可以测定RNA的碱基组成，也可清除DNA溶液中混杂的RNA。一、核酸的一般理化性质2.核酸是线性的大分子，其在溶液中的粘度很高。RNA分子比DNA短，在溶液中的粘度低于DNA。3.核酸分子具有强烈的紫外吸收，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、核酸的一般理化性质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=2.0一、核酸的一般理化性质OD260的应用某些理化因素导致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。DNA变性的本质：双链间氢键的断裂二、DNA的变性与复性变性部分变性DNA的电镜图像二、DNA的变性与复性DNA解链时的紫外吸收变化增色效应(hyperchromiceffect)：DNA变性时其溶液OD260增高的现象。DNA的解链曲线连续加热DNA的过程中以温度相对于A260值作图，所得的曲线称为解链曲线。解链温度(meltingtemperature，Tm)解链过程中，紫外吸光度的变化达到最大变化值的一半时所对应的温度。二、DNA的变性与复性解链曲线的变化G+C含量越高，解链温度就越高。二、DNA的变性与复性当变性条件缓慢地除去后，两条解离的互补链可重新配对，恢复原来的双螺旋结构，这一现象称为DNA复性(renaturation)。热变性的DNA经缓慢冷却后即可复性，这一过程称为退火(annealing)。减色效应：DNA复性时，其溶液OD260降低。复性二、DNA的变性与复性核酸分子杂交(hybridization)不同种类的DNA单链分子或RNA分子放在同一溶液中，只要两种单链分子之间存在着一定程度的碱基配对关系，在适宜的条件可以在不同的分子间形成杂化双链(heteroduplex)。这种杂化双链可以在不同的DNA与DNA之间形成，也可以在DNA和RNA分子间或者RNA与RNA分子间形成。这种现象称为核酸分子杂交。二、DNA的变性与复性核酸分子复性和杂交二、DNA的变性与复性核酸分子杂交的应用二、DNA的变性与复性核酸的分子杂交技术是分子生物学研究领域中基本和重要的技术手段，应用在核酸分子间序列相似性、靶基因在待测样品中存在与否等方面。核酸的理化性质包括一般理化性质和特殊理化性质。一般理化性质包括：核酸的特殊理化性质通常指的是DNA的变性和复性。利用DNA分子变性和复性的理化性质。在适宜的条件可以在不同的分子间形成杂化双链。核酸的两性性质核酸的高分子性质核酸的紫外吸收性质试述DNA变性后理化性质有何变化？解病毒密码抗击新冠疫情核酸的结构与功能的课程思政学习导入2019年底那场突如其来的新冠疫情。这场疫情如同一场没有硝烟的战争，席卷全球，给人类带来了前所未有的挑战。而在这场战争中，核酸的研究成为了破解病毒密码、研发疫苗的关键所在。2019年底，一个来历不明的幽灵，闯到了武汉，引发了一种怪病：不明原因肺炎。2020年1月，武汉市卫生健康委员会将这一疾病更名为“新型冠状病毒感染性肺炎”。破解病毒密码

抗击新冠疫情至此，“口罩、健康码、核酸”成为人们日常生活的必备品。在与病毒的抗争过程中，疫苗被视为一张行之有效的终极王牌。而疫苗的研发，离不开对核酸结构与功能的深入研究。在中国，陈薇院士及其团队率先开始了新冠肺炎疫苗的研究。破解病毒密码

抗击新冠疫情时间就是生命，每一刻的延误都可能意味着更多的感染和死亡。因此，他们星夜兼程，全力出击，誓要在