核酸分子結(jié)構(gòu)第1頁/共61頁核酸的結(jié)構(gòu)與功能1核酸通論2核酸基本構(gòu)件單位—核苷酸3DNA的分子結(jié)構(gòu)4RNA的分子結(jié)構(gòu)第2頁/共61頁1核酸通論1.1核酸的研究歷史和重要性1.2核酸的種類和分布第3頁/共61頁1.1核酸的研究歷史和重要性1869

Miescher從膿細(xì)胞的細(xì)胞核中分離出了一種含磷酸的有機(jī)物，當(dāng)時稱為核素（nuclein）,后稱為核酸（nucleicacid）；此后幾十年內(nèi)，弄清了核酸的組成及在細(xì)胞中的分布。1944Avery等成功進(jìn)行肺炎球菌轉(zhuǎn)化試驗；1952年Hershey等的實驗表明32P-DNA可進(jìn)入噬菌體內(nèi)，證明DNA是遺傳物質(zhì)。1953

Watson和Crick建立了DNA結(jié)構(gòu)的雙螺旋模型，說明了基因的結(jié)構(gòu)、信息和功能三者間的關(guān)系，推動了分子生物學(xué)的迅猛發(fā)展。1958

Crick提出遺傳信息傳遞的中心法則，

60年代RNA研究取得大發(fā)展（操縱子學(xué)說，遺傳密碼，逆轉(zhuǎn)錄酶）。第4頁/共61頁核酸的研究歷史和重要性（續(xù)）歷史70年代建立DNA重組技術(shù)，改變了分子生物學(xué)的面貌，并導(dǎo)致生物技術(shù)的興起。80年代RNA研究出現(xiàn)第二次高潮：ribozyme、反義RNA、“RNA世界”假說等等。90年代以后實施人類基因組計劃（HGP）,開辟了生命科學(xué)新紀(jì)元。人類基因組測序完成后，生命科學(xué)進(jìn)入后基因組時代：功能基因組學(xué)（functionalgenomics）

Hapmap(單體型圖

)(基于SNP)

蛋白質(zhì)組學(xué)（proteomics）第5頁/共61頁

1.2核酸種類和分布脫氧核糖核酸（deoxyribonucleicacid,DNA）:遺傳信息的貯存和攜帶者，生物的主要遺傳物質(zhì)。在真核細(xì)胞中，DNA主要集中在細(xì)胞核內(nèi)，線粒體和葉綠體中均有各自的DNA。原核細(xì)胞沒有明顯的細(xì)胞核結(jié)構(gòu)，DNA存在于稱為擬核（nucleoid)的結(jié)構(gòu)區(qū)。每個原核細(xì)胞一般只有一個染色體，每個染色體含一個雙鏈環(huán)狀DNA。

第6頁/共61頁核糖核酸（ribonucleicacid,RNA）：主要參與遺傳信息的傳遞和表達(dá)過程，細(xì)胞內(nèi)的RNA主要存在于細(xì)胞質(zhì)中，少量存在于細(xì)胞核中，病毒中RNA本身就是遺傳信息的儲存者如逆轉(zhuǎn)錄病毒（retrovirus)。另外在植物中還發(fā)現(xiàn)了一類比病毒還小得多的侵染性致病因子稱為類病毒（viroid)和擬病毒（virusoidorsatelliteRNA)，還發(fā)現(xiàn)有些RNA具生物催化作用（ribozyme）。第7頁/共61頁2核酸的基本結(jié)構(gòu)單位—核苷酸2.1核苷酸的化學(xué)組成與命名

2.1.1

堿基、核苷、核苷酸的概念和關(guān)系

2.1.2

常見堿基的結(jié)構(gòu)與命名法

2.1.3

常見（脫氧）核苷酸的基本結(jié)構(gòu)與命名

2.1.4

稀有核苷酸

2.1.5細(xì)胞內(nèi)游離核苷酸及其衍生物2.2核苷酸的生物學(xué)功能

第8頁/共61頁5′-磷酸核苷酸的基本結(jié)構(gòu)OO（N=A、G、C、U、T）HH(O)H1′2′NOHCH2HH5′4′3′PO-OOO-核糖(pentosesugar)磷酸(phosphate)堿基(nitrogenousbase)第9頁/共61頁2.1.1堿基(base)、核苷(nucleoside)、核苷酸(nucleotide)的概念和關(guān)系

NitrogenousbasePentosesugarHOCH2HOHDeoxyribose(inDNA)HOCH2HOOHRibose(inRNA)PhosphatePyrimidineCytosineThymineUracilCUTPurineAdenineGuanineAG核苷酸磷酸核苷戊糖堿基第10頁/共61頁2.1.2基本堿基結(jié)構(gòu)和命名嘌呤（purine)嘧啶(pyrimidine)Adenine

(A)Guanine

(G)Cytosine(C)Uracil(U)Thymine(T)第11頁/共61頁核苷酸的結(jié)構(gòu)和命名腺嘌呤核苷酸（AMP）

Adenosine

monophosphate脫氧腺嘌呤核苷酸（dAMP）Deoxyadenosine

monophosphate鳥嘌呤核苷酸（GMP）胞嘧啶核苷酸（CMP）尿嘧啶核苷酸（UMP）脫氧鳥嘌呤核苷酸（dGMP）脫氧胞嘧啶核苷酸（dCMP）脫氧胸腺嘧啶核苷酸（dTMP）HOH2.1.3常見（脫氧）核苷酸的結(jié)構(gòu)和命名第12頁/共61頁PPPPPPPP鳥嘌呤核苷酸（GMP）尿嘧啶核苷酸（UMP）胞嘧啶核苷酸（CMP）腺嘌呤核苷酸（AMP）脫氧腺嘌呤核苷酸（dAMP）脫氧鳥嘌呤核苷酸（dGMP）脫氧胞嘧啶核苷酸（dCMP）脫氧胸腺嘧啶核苷酸（dTMP）第13頁/共61頁2.1.4幾種稀有核苷假尿苷（）二氫尿嘧啶（DHU）AmCH3CH3H3Cm2GHHHH62`-O-甲基腺苷N6，N6-二甲基腺苷第14頁/共61頁2.1.5細(xì)胞內(nèi)游離核苷酸及其衍生物

多磷酸核苷酸

環(huán)核苷酸輔酶類核苷酸。第15頁/共61頁

5′-NMP5′-NDP5′-NTPN=A、G、C、U

5′-dNMP5′-dNDP5′-dNTPN=A、G、C、T腺苷酸及其多磷酸化合物

AMPAdenosine

monophosphate

ADPAdenosine

diphosphate

ATPAdenosine

triphosphate第16頁/共61頁OPOOHOA(G)OOOHCH2HHHHcAMP(cGMP)的結(jié)構(gòu)

3`，5`-Cyclicadenylic(Guaninic)acid第17頁/共61頁2.2核苷酸的生物學(xué)功能作為核酸的單體細(xì)胞中的攜能物質(zhì)（如ATP、GTP、CTP、TTP）酶的輔助因子的結(jié)構(gòu)成分（如NAD）(nicotinamideadeninedinucleotide,煙酰胺腺嘌呤二核苷酸)細(xì)胞通訊的媒介（如cAMP、cGMP）第18頁/共61頁

3DNA的分子結(jié)構(gòu)

3.1核酸分子中的共價鍵3.2DNA

一級結(jié)構(gòu)

3.3DNA堿基組成的Chargaff規(guī)則3.4DNA的二級結(jié)構(gòu)3.5DNA的三級結(jié)構(gòu)

3.6DNA與蛋白質(zhì)復(fù)合物的結(jié)構(gòu)第19頁/共61頁55333.1核酸分子中核苷酸之間的共價鍵3-5磷酸二酯鍵第20頁/共61頁3.2DNA的一級結(jié)構(gòu)

DNA分子中各脫氧核苷酸之間的連接方式（3′-5′磷酸二酯鍵）和排列順序叫做DNA的一級結(jié)構(gòu)，簡稱為堿基序列。一級結(jié)構(gòu)的走向的規(guī)定為5′→3′。不同的DNA分子具有不同的核苷酸排列順序，因此攜帶有不同的遺傳信息。

一級結(jié)構(gòu)的表示法結(jié)構(gòu)式，線條式，字母式5′3′第21頁/共61頁DNA一級結(jié)構(gòu)的表示法5′3′結(jié)構(gòu)式5′3′

p

p

p

pOH3′ACTG1′線條式5′

ACTGCATAGCTCGA3′字母式第22頁/共61頁3.3DNA堿基組成的Chargaff規(guī)則

Chargaff首先注意到DNA堿基組成的某些規(guī)律性，在1950年總結(jié)出DNA堿基組成的規(guī)律：

腺嘌呤和胸腺嘧啶的摩爾數(shù)相等，即A=T。

鳥嘌呤和胞腺嘧啶的摩爾數(shù)也相等，即G=C。

含氨基的堿基總數(shù)等于含酮基堿基總數(shù)，即

A+C=G+T。嘌呤的總數(shù)等于嘧啶的總數(shù)，即A+G=C+T。第23頁/共61頁

DNA一級結(jié)構(gòu)5′3′DNA、RNA的一級結(jié)構(gòu)OHOHOH5′3′RNA一級結(jié)構(gòu)第24頁/共61頁3.4DNA的二級結(jié)構(gòu)

（1）DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)(Watson-Crick模型)（2）

DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)特征及意義（3）DNA雙螺旋的多態(tài)性（4）DNA的三股螺旋（tripkex）第25頁/共61頁DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)的形成5′3′5′3′5′3′5′3′磷酸核糖堿基T-A堿基對C-G堿基對第26頁/共61頁DNA的雙螺旋模型特點

a.兩條反向平行的多聚核苷酸鏈沿一個假設(shè)的中心軸右旋相互盤繞而形成。

b.磷酸和脫氧核糖單位作為不變的骨架組成位于外側(cè)，作為可變成分的堿基位于內(nèi)側(cè)，鏈間堿基按A—T，G—C配對（堿基配對原則，Chargaff定律）

c.螺旋直徑2nm，相鄰堿基平面垂直距離0.34nm,螺旋結(jié)構(gòu)每隔10個堿基對（basepair,bp）重復(fù)一次，間隔為3.4nm第27頁/共61頁A:angstrom第28頁/共61頁

氫鍵堿基堆集力磷酸基上負(fù)電荷被胞內(nèi)組蛋白或正離子中和堿基處于疏水環(huán)境中DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)穩(wěn)定因素

第29頁/共61頁DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)的意義

該模型揭示了DNA作為遺傳物質(zhì)的穩(wěn)定性特征，最有價值的是確認(rèn)了堿基配對原則，這是DNA復(fù)制、轉(zhuǎn)錄和反轉(zhuǎn)錄的分子基礎(chǔ)，亦是遺傳信息傳遞和表達(dá)的分子基礎(chǔ)。該模型的提出是20世紀(jì)生命科學(xué)的重大突破之一，它奠定了生物化學(xué)和分子生物學(xué)乃至整個生命科學(xué)飛速發(fā)展的基石。第30頁/共61頁DNA雙螺旋的不同構(gòu)象

第31頁/共61頁三種DNA雙螺旋構(gòu)象比較A-DNAZ-DNAB-DNAABZ外型粗短適中細(xì)長螺旋方向右手右手左手螺旋直徑2.55nm2.37nm1.84nm堿基直升0.23nm0.34nm0.38nm每圈堿基數(shù)111012堿基傾角2000070大溝很窄很深很寬較深平坦小溝很寬、淺窄、深較窄很深第32頁/共61頁三鏈DNA既可以是B-DNA與另一條DNA鏈結(jié)合成的鏈間的三鏈DNA，又可以是B-DNA與其自身的一條鏈結(jié)合形成的鏈內(nèi)的三鏈DNA。(第9頁)分子內(nèi)三鏈DNA于1987年由Mirkin在超螺旋中發(fā)現(xiàn)。其形成要求雙螺旋中存在連續(xù)的嘌呤或嘧啶序列，而且必須是鏡像重復(fù)序列。

第33頁/共61頁DNA分子內(nèi)的三鏈結(jié)構(gòu)DNA分子間的三鏈結(jié)構(gòu)DNA三鏈間的堿基配對T-A-TC-G-C第34頁/共61頁鏡像重復(fù)序列：由反方向完全相同的兩個序列組成。5′GGAATCGATCTTTTCTAGCTAAGG3′3′CCTTAGCTAGAAAAGATCGATTCC5′第35頁/共61頁第36頁/共61頁反轉(zhuǎn)重復(fù)（invertedrepeated)：由反方向互補(bǔ)的兩個DNA片段組成，兩個反轉(zhuǎn)重復(fù)序列又叫回文序列(palindromesequence)。(第47頁)鏡像重復(fù)(mirrorrepeat)：由反方向完全相同的兩個序列組成。直接重復(fù)(directrepeat)：由同一方向完全相同的兩個序列組成。正向重復(fù)序列、順向重復(fù)序列。第37頁/共61頁3.5

DNA的三級結(jié)構(gòu)——超螺旋（supercoil）

生物體閉環(huán)DNA都以超螺旋形式存在，如細(xì)菌質(zhì)粒、病毒、線粒體DNA。線性DNA分子或環(huán)狀DNA分子中有一條鏈有缺口時不能形成超螺旋。超螺旋的意義：緊密，體積更小；能影響雙螺旋的解鏈程序，因而影響DNA分子與其它分子之間的相互作用。第38頁/共61頁螺旋和超螺旋電話線螺旋超螺旋DNA的三級結(jié)構(gòu)超螺旋是DNA三級結(jié)構(gòu)的一種普遍形式，雙螺旋DNA的松開導(dǎo)致負(fù)超螺旋，而擰緊則導(dǎo)致正超螺旋。第39頁/共61頁4

RNA的分子結(jié)構(gòu)

4.1RNA一級結(jié)構(gòu)和類別4.2tRNA的分子結(jié)構(gòu)4.3rRNA的分子結(jié)構(gòu)4.4mRNA的分子結(jié)構(gòu)第40頁/共61頁4.1.1RNA的一級結(jié)構(gòu)(第10頁)

RNA分子中各核苷之間的連接方式（3′-5′磷酸二酯鍵）和排列順序叫做RNA的一級結(jié)構(gòu)OHOHOH5′3′

RNA與DNA的差異

DNA

RNA糖脫氧核糖核糖堿基AGCTAGCU不含稀有堿基含稀有堿基第41頁/共61頁4.1.2RNA的類別

信使RNA（messengerRNA，mRNA）：在蛋白質(zhì)合成中起模板作用；核糖體RNA（ribosomalRNA，rRNA）：與蛋白質(zhì)結(jié)合構(gòu)成核糖體（ribosome）,核糖體是蛋白質(zhì)合成的場所；轉(zhuǎn)移RNA（transferRNA，tRNA）：在蛋白質(zhì)合成時起著攜帶活化氨基酸的作用。第42頁/共61頁4.2tRNA的結(jié)構(gòu)二級結(jié)構(gòu)特征：單鏈三葉草葉形四臂四環(huán)三級結(jié)構(gòu)特征：在二級結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上進(jìn)一步折疊扭曲形成倒L型第43頁/共61頁第44頁/共61頁第45頁/共61頁tRNA的三級結(jié)構(gòu)第46頁/共61頁

4.3rRNA的分子結(jié)構(gòu)特征：單鏈，螺旋化程度較tRNA低

與蛋白質(zhì)組成核糖體后方能發(fā)揮其功能5SRNA的二級結(jié)構(gòu)S:TheodorSvedberg第47頁/共61頁rRNA與核糖體蛋白共同構(gòu)成核糖體，后者是蛋白質(zhì)合成的場所。核糖體的組成原核生物（70S，小30s大50S）真核生物（80S,小40s大60s）小亞基rRNA蛋白質(zhì)16S(有mRNA識別結(jié)合位點)18S(有mRNA識別結(jié)合位點)21種33種大亞基rRNA23S、5S（識別、結(jié)合tRNA）28S、5S、5.8S(識別、結(jié)合tRNA)蛋白質(zhì)34種49種

一切生物的遺傳密碼都要在核糖體上翻譯。病毒本身沒有核糖體，其mRNA要靠宿主細(xì)胞的核糖體來翻譯。

核糖體蛋白如何識別rRNA上的結(jié)合位點，如何和rRNA結(jié)合，不同核糖體蛋白彼此如何識別，怎樣互相聯(lián)結(jié)，組裝成為功能性的核糖體，尚在研究之中。目前只知道彼此所處的相對位置，聯(lián)結(jié)的細(xì)節(jié)不明。第48頁/共61頁

4.4mRNA的分子結(jié)構(gòu)(第11頁)原核生物mRNA特征：

先導(dǎo)區(qū)+翻譯區(qū)（多順反子）+末端序列真核生物mRNA特征：

“帽子”（m7G-5′ppp5′-N-3′p）+單順反子+“尾巴”（PolyA）第49頁/共61頁mRNA

原核生物mRNA結(jié)構(gòu)特點：1、多順反子（polycistron）:一分子mRNA帶有幾種蛋白質(zhì)的遺傳信息，可以作為幾種蛋白質(zhì)的模板，能翻譯出幾種蛋白質(zhì)。2、mRNA5′端無帽子結(jié)構(gòu),3′端一般無多聚A的尾巴。3、一般沒有修飾堿基。第50頁/共61頁原核細(xì)胞mRNA的結(jié)構(gòu)特點5′3′順反子順反子順反子插入順序插入順序先導(dǎo)區(qū)末端順序第51頁/共61頁真核生物mRNA結(jié)構(gòu)的特點1、5′末端有帽子結(jié)構(gòu)。第52頁/共61頁2、3′端多數(shù)帶有多聚A的尾巴(polyadenylatetail),其長度為20~200個A.3、分子中可能有修飾堿基,主要是甲基化.4、分子中有編碼區(qū)與非編碼區(qū)。非編碼區(qū)（untranslatedregionUTR）位于編碼區(qū)的兩端；5′非編碼區(qū)有翻譯起始信號。5、只編碼一條肽鏈。第53頁/共61頁真核細(xì)胞mRNA的結(jié)構(gòu)特點AAAAAAA-OH5′

“帽子”PolyA

3′

順反子m7G-5′ppp-N-3′p第54頁/共61頁核內(nèi)不均一RNA（hnRNA）真核細(xì)胞轉(zhuǎn)錄生成mRNA的前體。（第11頁）加工過程包括：5′加帽；3′端加尾；內(nèi)含子的切除和外顯子的拼接；分子內(nèi)部的甲基化修飾作用；核苷酸序列的編輯作用。（第五章第五節(jié)）第55頁/共61頁小分子核內(nèi)RNA(snRNA)

（第14頁）真核細(xì)胞核內(nèi)一組小分子RNA,含70~300堿基,序列中尿嘧啶含量較高,因此又用U命名.既非任何RNA的前體,也非某種RNA代謝的中間產(chǎn)物,而是具有獨特功能且獨立存在的實體,參與mRNA的加工（第五章）。常與多種特異的蛋白質(zhì)結(jié)合在一起，形成小分子核內(nèi)核蛋白顆粒（smallnuclearribonucleoproteinparticle，snRNP）第56頁/共61頁反義RNA（第19頁）堿基序列正好與有意義mRNA互補(bǔ)的RNA，又稱為調(diào)節(jié)RNA。可與mRNA配對結(jié)合形成雙鏈，最終抑制mRNA作為模板進(jìn)行翻譯。還可作為DNA復(fù)制的抑制因子，與引物RNA互補(bǔ)結(jié)合抑制DNA復(fù)制，及在轉(zhuǎn)錄水平上與mRNA5′端互補(bǔ)，阻止RNA合成轉(zhuǎn)錄?？梢匀斯ず铣煞戳xRNA來調(diào)節(jié)基因的表達(dá),用于疾病治療。原核生物中也有一種mRNA干擾互補(bǔ)RNA（MrnainterferingcomplementaryRNA，micRNA），也可與特異mRNA結(jié)合并阻止翻譯。第57頁/共61頁(五).試述反