生物化學核酸的結構與功能核酸(nucleicacid)

是以核苷酸為基本組成單位的生物大分子，攜帶和傳遞遺傳信息。2生物化學核酸的結構與功能核酸的分類及分布及功能存在于細胞核和線粒體

分布于細胞核、細胞質、線粒體(deoxyribonucleicacid,DNA)(ribonucleicacid,RNA)脫氧核糖核酸核糖核酸攜帶遺傳信息，并通過復制傳遞給下一代。是DNA轉錄的產物，參與遺傳信息的復制與表達。某些病毒RNA也可作為遺傳信息的載體3生物化學核酸的結構與功能第一節(jié)核酸的化學組成及其一級結構(重點內容較少)4生物化學核酸的結構與功能（說明：紅色字表示是這一節(jié)的重點內容）1、核酸的基本組成單位—核苷酸（掌握DNA及RNA分子中的堿基種類；掌握戊糖與堿基通過糖苷鍵相連。）2、DNA是脫氧核苷酸鏈（掌握核苷酸之間通過3/，5/-磷酸二酯鍵相連）3、RNA是核糖核苷酸鏈4、核酸的一級結構

本節(jié)主要內容：5生物化學核酸的結構與功能核酸(DNA和RNA)核苷酸核苷磷酸戊糖堿基嘌呤嘧啶核糖脫氧核糖核酸組成6生物化學核酸的結構與功能分子組成堿基(base)：嘌呤堿，嘧啶堿戊糖(ribose)：核糖，脫氧核糖磷酸(phosphate)一、核苷酸是構成核酸的基本組成單位7生物化學核酸的結構與功能堿基(base)是含氮的雜環(huán)化合物。堿基嘌呤嘧啶腺嘌呤鳥嘌呤尿嘧啶胸腺嘧啶胞嘧啶存在于DNA和RNA中僅存在于RNA中僅存在于DNA中堿基8生物化學核酸的結構與功能嘌呤(purine，Pu)腺嘌呤(adenine,A)鳥嘌呤(guanine,G)9生物化學核酸的結構與功能嘧啶(pyrimidine，Py)胞嘧啶(cytosine,C)尿嘧啶(uracil,U)胸腺嘧啶(thymine,T)10生物化學核酸的結構與功能戊糖（構成RNA）1′2′3′4′5′核糖(ribose)（構成DNA）脫氧核糖(deoxyribose)11生物化學核酸的結構與功能脫氧核苷嘌呤N-9

或嘧啶N-1與脫氧核糖C-1通過β-N-糖苷鍵相連形成脫氧核苷(deoxyribonucleoside)。12生物化學核酸的結構與功能

嘌呤N-9或嘧啶N-1與核糖C-1通過β-N-糖苷鍵相連形成核糖核苷(ribonucleoside)。核糖核苷NNNN9NH2OOHOHHHHCH2OHH1'2'糖苷鍵13生物化學核酸的結構與功能核苷與磷酸通過酯鍵結合構成核苷酸(ribonucleotide)。核苷酸(ribonucleotide)NNNN9NH2OOHOHHHHCH2H1'2'OPO-HOO糖苷鍵酯鍵14生物化學核酸的結構與功能多磷酸核苷酸15生物化學核酸的結構與功能環(huán)化核苷酸：cAMP、cGMP，是細胞信號轉導中的第二信使。cAMP核苷酸衍生物16生物化學核酸的結構與功能二、DNA是脫氧核苷酸通過3’,5’-磷酸二酯鍵連接形成的大分子一個脫氧核苷酸3的羥基與另一個核苷酸5的α-磷酸基團縮合形成磷酸二酯鍵(phosphodiesterbond)。多個脫氧核苷酸通過磷酸二酯鍵構成了具有方向性的線性分子，稱為多聚脫氧核苷酸(polydeoxynucleotide)，即DNA鏈。17生物化學核酸的結構與功能5′-末端3′-末端CGA磷酸二酯鍵磷酸二酯鍵18生物化學核酸的結構與功能交替的磷酸基團和戊糖構成了DNA的骨架(backbone)。DNA鏈的方向是5

→319生物化學核酸的結構與功能三、RNA也是具有3’,5’-磷酸二酯鍵的線性大分子RNA也是多個核苷酸分子通過酯化反應形成的線性大分子，并且具有方向性；RNA的戊糖是核糖；RNA的嘧啶是胞嘧啶和尿嘧啶。20生物化學核酸的結構與功能定義核酸中核苷酸的排列順序。由于核苷酸間的差異主要是堿基不同，所以也稱為堿基序列。5′端3′端CGA四、核酸的一級結構是核苷酸的排列順序21生物化學核酸的結構與功能AGP5PTPGPCPTPOH3書寫方法：5pApCpTpGpCpT-OH

35

ACTGCT

322生物化學核酸的結構與功能核酸分子的大小常用堿基(base或kilobase)數目來表示。小的核酸片段(<50bp)常被稱為寡核苷酸(oligonucleotide)。自然界中的DNA和RNA的長度可以高達幾十萬個堿基。23生物化學核酸的結構與功能DNA和RNA的區(qū)別核糖G、C、A、URNA脫氧核糖G、C、A、TDNA堿基核糖核酸24生物化學核酸的結構與功能第二節(jié)DNA的空間結構與功能（重點內容較多）25生物化學核酸的結構與功能（說明：紅色字表示是這一節(jié)的重點內容）1、DNA的二級結構-雙螺旋結構（掌握Chargaff規(guī)則、DNA雙螺旋結構模型要點。）2、DNA的高級結構3、DNA的功能

本節(jié)主要內容：26生物化學核酸的結構與功能DNA的空間結構又分為二級結構(secondarystructure)和高級結構。DNA的空間結構(spatialstructure)27生物化學核酸的結構與功能一、DNA的二級結構-雙螺旋結構28生物化學核酸的結構與功能不同生物種屬的DNA的堿基組成不同同一個體的不同器官或組織的DNA堿基組成相同。[A]=[T]，[G]=[C]Chargaff規(guī)則（一）DNA雙螺旋結構的研究背景獲得了高質量的DNA分子的X射線衍射照片。提出了DNA分子雙螺旋結構(doublehelix)模型。29生物化學核酸的結構與功能AGCTA/TG/CG+C嘌呤/嘧啶大腸桿菌26.024.925.223.91.090.9950.11.04結核桿菌15.134.935.414.61.030.9970.31.00酵母31.718.317.432.60.971.0535.71.00牛29.021.221.228.71.011.0042.41.01豬29.820.720.729.11.021.0041.41.01人30.419.919.930.11.011.0039.81.01不同生物來源DNA堿基組分和相對比例30生物化學核酸的結構與功能兩條多聚核苷酸鏈在空間的走向呈反向平行(anti-parallel)。兩條鏈圍繞著同一個螺旋軸形成右手螺旋(right-handed)的結構。雙螺旋結構的直徑為2.37nm，螺距為3.54nm。脫氧核糖和磷酸基團組成的親水性骨架位于雙螺旋結構的外側，疏水的堿基位于內側。雙螺旋結構的表面形成了一個大溝(majorgroove)和一個小溝(minorgroove)。（二）DNA雙螺旋結構模型要點1.DNA是反向平行、右手螺旋的雙鏈結構31生物化學核酸的結構與功能32生物化學核酸的結構與功能親水性的骨架位于雙鏈的外側。疏水性的堿基位于雙鏈的內側。骨架與堿基33生物化學核酸的結構與功能2.DNA雙鏈之間形成了互補堿基對堿基配對關系稱為互補堿基對(complementarybasepair)。DNA的兩條鏈則互為互補鏈(complementarystrand)。堿基對平面與螺旋軸垂直。34生物化學核酸的結構與功能堿基互補配對:鳥嘌呤/胞嘧啶35生物化學核酸的結構與功能堿基互補配對:腺嘌呤/胸腺嘧啶36生物化學核酸的結構與功能大溝與小溝37生物化學核酸的結構與功能相鄰兩個堿基對會有重疊，產生了疏水性的堿基堆積力(basestackinginteraction)。堿基堆積力和互補堿基對的氫鍵共同維系著DNA結構的穩(wěn)定。3.疏水作用力和氫鍵共同維系著DNA雙螺旋結構的穩(wěn)定。38生物化學核酸的結構與功能堿基堆積作用力39生物化學核酸的結構與功能DNA二級結構40生物化學核酸的結構與功能（三）DNA雙螺旋結構的多樣性41生物化學核酸的結構與功能旋向螺距(nm)堿基數（每圈）螺旋直徑（nm）骨架走行存在條件A型右手2.3112.5平滑體外脫水B型右手3.4102.3平滑DNA生理條件Z型左手4.5121.8鋸齒型CG序列三種DNA構型的比較42生物化學核酸的結構與功能（四）DNA的多鏈螺旋結構在酸性的溶液中，胞嘧啶的N-3原子被質子化，可與鳥嘌呤的N-7原子形成氫鍵；同時，胞嘧啶的N-4的氫原子也可與鳥嘌呤的O-6形成氫鍵，這種氫鍵被稱為Hoogsteen氫鍵。Hoogsteen氫鍵Hoogsteen氫鍵，不破壞Watson-Crick氫鍵，由此形成了C＋GC的三鏈結構(triplex)。43生物化學核酸的結構與功能三鏈結構44生物化學核酸的結構與功能鳥嘌呤之間通過Hoogsteen氫鍵形成特殊的四鏈結構(tetraplex)。四鏈結構45生物化學核酸的結構與功能真核生物DNA3-末端是富含GT的多次重復序列，因而自身形成了折疊的四鏈結構。46生物化學核酸的結構與功能二、DNA的高級結構是超螺旋結構超螺旋結構(superhelix或supercoil)DNA雙螺旋鏈再盤繞即形成超螺旋結構。47生物化學核酸的結構與功能原核生物DNA多為環(huán)狀，以負超螺旋的形式存在，平均每200堿基就有一個超螺旋形成。48生物化學核酸的結構與功能DNA超螺旋結構的電鏡圖象49生物化學核酸的結構與功能（二）真核生物DNA的高度有序和高度致密的結構真核生物DNA以非常有序的形式存在于細胞核內。在細胞周期的大部分時間里，DNA以松散的染色質(chromatin)形式存在，在細胞分裂期，則形成高度致密的染色體(chromosome)。50生物化學核酸的結構與功能DNA染色質呈現出的串珠樣結構。染色質的基本單位是核小體(nucleosome)。DNA染色質的電鏡圖像51生物化學核酸的結構與功能DNA：約200bp

組蛋白：H1H2A，H2BH3H4核小體的組成52生物化學核酸的結構與功能核小體串珠樣的結構53生物化學核酸的結構與功能雙鏈DNA的折疊和組裝54生物化學核酸的結構與功能DNA經過多次折疊，被壓縮了8000～10000倍，組裝在直徑只有為數微米的細胞核內。55生物化學核酸的結構與功能真核生物的染色體56生物化學核酸的結構與功能DNA的基本功能是以基因的形式荷載遺傳信息，并作為基因復制和轉錄的模板。它是生命遺傳的物質基礎，也是個體生命活動的信息基礎。基因從結構上定義，是指DNA分子中的特定區(qū)段，其中的核苷酸排列順序決定了基因的功能。三、DNA是遺傳信息的物質基礎57生物化學核酸的結構與功能第三節(jié)

RNA的結構與功能（重點內容較多）58生物化學核酸的結構與功能（說明：紅色字表示是這一節(jié)的重點內容）1、mRNA（掌握hnRNA是mRNA的前體，hnRNA既有內含子又有外顯子，mRNA有5/端的帽子及3/端尾巴，真核生物mRNA是單順反子）2、tRNA（tRNA含有稀有堿基最多，二級三葉草形結構的組成）3、rRNA（原核生物核糖體大、小亞基rRNA的種類）4、snmRNA（核酶的化學本質是小分子RNA）

本節(jié)主要內容：59生物化學核酸的結構與功能RNA與蛋白質共同負責基因的表達和表達過程的調控。RNA通常以單鏈的形式存在，但有復雜的局部二級結構或三級結構。RNA比DNA小的多。RNA的種類、大小和結構遠比DNA表現出多樣性。60生物化學核酸的結構與功能RNA的種類、分布、功能61生物化學核酸的結構與功能信使RNA(messengerRNA,mRNA)是合成蛋白質的模板。不均一核RNA(hnRNA)含有內含子(intron)和外顯子(exon)。外顯子是氨基酸的編碼序列，而內含子是非編碼序列。hnRNA經過剪切后成為成熟的mRNA。一、mRNA是蛋白質合成中的模板62生物化學核酸的結構與功能hnRNA內含子(intron)mRNAmRNA成熟過程

外顯子(exon)63生物化學核酸的結構與功能從AUG開始，每三個核苷酸為一組編碼了一個氨基酸，稱為三聯體密碼(codon)。成熟的mRNA由氨基酸編碼區(qū)和非編碼區(qū)構成。5-末端的帽子(cap)結構和3-末端的多聚A尾(poly-Atail)結構。成熟的真核生物mRNA64生物化學核酸的結構與功能帽子結構:m7GpppGm（一）大部分真核細胞mRNA的5‘末端都以三磷酸雙鳥苷為起始結構65生物化學核酸的結構與功能真核生物的mRNA的3-末端轉錄后加上一段長短不一的聚腺苷酸。（二）在真核生物mRNA的3'末端有多聚腺苷酸結構66生物化學核酸的結構與功能mRNA核內向胞質的轉位mRNA的穩(wěn)定性維系翻譯起始的調控帽子結構和多聚A尾的功能67生物化學核酸的結構與功能（三）mRNA依照自身的堿基順序指導蛋白質氨基酸順序的合成從mRNA分子5‘末端起的第一個AUG開始，每3個核苷酸為一組稱為密碼子(codon)或三聯體密碼(tripletcode)。AUG被稱為起始密碼子；決定肽鏈終止的密碼子則稱為終止密碼子。位于起始密碼子和終止密碼子之間的核苷酸序列稱為開放閱讀框(openreadingframe,ORF)，決定了多肽鏈的氨基酸序列。68生物化學核酸的結構與功能（四）mRNA的成熟過程是hnRNA的剪接過程卵清蛋白mRNA的成熟69生物化學核酸的結構與功能轉運RNA(transferRNA,tRNA)在蛋白質合成過程中作為各種氨基酸的載體,將氨基酸轉呈給mRNA。由74～95核苷酸組成；占細胞總RNA的15%；具有很好的穩(wěn)定性。二、tRNA是蛋白質合成中的氨基酸載體70生物化學核酸的結構與功能（一）tRNA中含有多種稀有堿基71生物化學核酸的結構與功能tRNA具有局部的莖環(huán)(stem-loop)結構或發(fā)卡(hairpin)結構。（二）tRNA具有莖環(huán)結構tRNA的二級結構——三葉草形氨基酸臂DHU環(huán)反密碼環(huán)TψC環(huán)附加叉72生物化學核酸的結構與功能tRNA的倒L三級結構73生物化學核酸的結構與功能tRNA的3-末端都是以CCA結尾。3-末端的A與氨基酸共價連結，tRNA成為了氨基酸的載體。不同的tRNA可以結合不同的氨基酸。（三）tRNA的3-末端連接氨基酸74生物化學核酸的結構與功能tRNA的反密碼子環(huán)上有一個由三個核苷酸構成的反密碼子(anticodon)。tRNA上的反密碼子依照堿基互補的原則識別mRNA上的密碼子。（四）tRNA的反密碼子識別mRNA的密碼子75生物化學核酸的結構與功能核蛋白體RNA(ribosomalRNA，rRNA)是細胞內含量最多的RNA(>80％)。rRNA與核蛋白體蛋白結合組成核蛋白體(ribosome)，為蛋白質的合成提供場所。三、以rRNA為組分的核蛋白體是蛋白質合成的場所76生物化學核酸的結構與功能核蛋白體的組成原核生物（以大腸桿菌為例）真核生物（以小鼠肝為例）小亞基30S40SrRNA16S1542個核苷酸18S1874個核苷酸蛋白質21種占總重量的40%33種占總重量的50%大亞基50S60SrRNA23S5S2940個核苷酸120個核苷酸28S5.85S5S4718個核苷酸160個核苷酸120個核苷酸蛋白質31種占總重量的30%49種占總重量的35%77生物化學核酸的結構與功能大腸桿菌的核蛋白體78生物化學核酸的結構與功能18S

rRNA的二級結構79生物化學核酸的結構與功能蛋白質合成時形成的復合體80生物化學核酸的結構與功能RNA組學是研究細胞內snmRNA的種類、結構和功能。同一生物體內不同種類的細胞、同一細胞在不同時空狀態(tài)下snmRNAs表達譜的變化，以及與功能之間的關系。四、snmRNA參與了基因表達的調控細胞的不同部位存在的許多其他種類的小分子RNA，統稱為非mRNA小RNA(smallnon-messengerRNAs,snmRNAs)。snmRNAs81生物化學核酸的結構與功能核內小RNA核仁小RNA胞質小RNA催化性小RNA小片段干涉RNA

參與hnRNA的加工剪接snmRNAs的種類snmRNAs的功能82生物化學核酸的結構與功能核酶某些小RNA分子具有催化特定RNA降解的活性，這種具有催化作用的小RNA亦被稱為核酶(ribozyme)或催化性RNA(catalyticRNA)。83生物化學核酸的結構與功能原核生物基因表達的特異性五、核酸在真核細胞和原核細胞中表現了不同的時空特性84生物化學核酸的結構與功能真核生物基因表達的特異性85生物化學核酸的結構與功能核酸的理化性質（重點不多）第四節(jié)86生物化學核酸的結構與功能（說明：紅色字表示是這一節(jié)的重點內容）1、核酸的紫外吸收性質（掌握核酸分子中的堿基可以吸收260nm的紫外光）2、DNA的變性（掌握變性伴隨增色效應，同時核酸溶液的黏度下降，Ｔm值與DNA分子G+C含量呈正相關）3、復性及雜交

本節(jié)主要內容：87生物化學核酸的結構與功能核酸的酸堿及溶解度性質核酸為多元酸，具有較強的酸性。核酸的高分子性質粘度：DNA>RNAdsDNA>ssDNA88生物化學核酸的結構與功能核酸在波長260nm處有強烈的吸收，是由堿基的共軛雙鍵所決定的。這一特性常用作核酸的定性和定量分析。一、核酸分子具有強烈的紫外吸收89生物化學核酸的結構與功能堿基的紫外吸收光譜90生物化學核酸的結構與功能DNA或RNA的定量A260=1.0相當于50μg/ml雙鏈DNA(dsDNA)40μg/ml單鏈DNA(ssDNAorRNA)20μg/ml寡核苷酸確定樣品中核酸的純度

純DNA:A260/A280=1.8

純RNA:A260/A280=2.0紫外吸收的應用91生物化學核酸的結構與功能二、DNA變性是雙鏈解離為單鏈的過程在某些理化因素作用下，DNA雙鏈解開成兩條單鏈的過程。定義DNA變性的本質是雙鏈間氫鍵的斷裂。92生物化學核酸的結構與功能協同性的DNA解鏈高溫或極端的pHDNA的變性93生物化學核酸的結構與功能部分變性DNA的電鏡圖像94生物化學核酸的結構與功能增色效應(hyperchromiceffect)：DNA變性時其溶液OD260增高的現象。DNA解鏈時的紫外吸收變化95生物化學核酸的結構與功能DNA的解鏈曲線連續(xù)加熱DNA的過程中以溫度相對于A260值作圖，所得的曲線稱為解鏈曲線。解鏈過程中，紫外吸光度的變化達到最大變化值的一半時所對應的溫度。解鏈溫度(meltingtemperature，Tm)96生物化學核酸的結構與功能G+C含量越高，解鏈溫度就越高。解鏈曲線的變化97生物化學核酸的結構與功能三、變性的核酸可以復性或形成雜交雙鏈當變性條件緩慢地除去后，兩條解離的互補鏈可重新配對，恢復原來的雙螺旋結構，這一現象稱為DNA復性(renaturation)。減色效應：DNA復性時，其溶液OD260降低。熱變性的DNA經緩慢冷卻后即可復性，這一過程稱為退火(annealing)。98生物化學核酸的結構與功能不同種類的DNA單鏈分子或RNA分子放在同一溶液中，只要兩種單鏈分子之間存在著一定程度的堿基配對關系，在適宜的條件可以在不同的分子間形成雜化雙鏈(heteroduplex)。這種雜化雙鏈可以在不同的DNA與DNA之間形成，也可以在DNA和RNA分子間或者RNA與RNA分子間形成。這種現象稱為核酸分子雜交。核酸分子雜交(hybridization)

99生物化學核酸的結構與功能核酸分子雜交100生物化學核酸的結構與功能研究DNA分子中某一種基因的位置。監(jiān)定兩種核酸分子間的序列相似性。檢測某些專一序列在待檢樣品中存在與否。核酸分子雜交的應用101生物化學核酸的結構與功能第五節(jié)

核酸酶（了解）

102生物化學核酸的結構與功能5’5’3’3’外切位點外切位點內切位點內切位點104生物化學核酸的結構與功能參與DNA的合成、修復以及RNA的剪接。清除多余的、結構和功能異常的核酸，以及侵入細胞的外源性核酸。降解食物中的核酸。體外重組DNA技術中的重要工具酶。核酸酶的功能105生物化學核酸的結構與功能1996Ａ稀有核苷酸存在于下列哪一類核酸中？Ａ．rRNＡＢ．mRNＡＣ．tRNＡＤ．核仁ＤNＡＥ．線粒體ＤNＡ106生物化學核酸的結構與功能1997A在核酸中，核苷酸之間的連接方式是A．2’，3’—磷酸二酯鍵B．3’，5’—磷酸二酯鍵C．2’，5’—磷酸二酯鍵D．糖苷鍵E．氫鍵107生物化學核酸的結構與功能1998A不同的核酸分子其解鏈溫度（Tm）不同，以下關于Tm的說法正確的是A．DNA中G-C對比例愈高，Tm愈高B．DNA中A-T對比例愈高，Tm愈高C．核酸愈純，Tm范圍愈大D．核酸分子愈小，Tm范圍愈大E．Tm較高的核酸常常是RNA108生物化學核酸的結構與功能1999A下列幾種DNA分子的堿基組成比例各不相同，哪一種DNA的解鏈溫度（Tm）最低？A．DNA中A+T含量占15%B．DNA中G+C含量占25%C．DNA中G+C含量占40%D．DNA中A+T含量占60%E．DNA中G+C含量占70%109生物化學核酸的結構與功能2000A下列關于DNA雙螺旋結構模型的敘述正確的是A．由兩條完全相同的多核苷酸鏈繞同一中心軸盤旋成雙螺旋B．一條鏈是左手螺旋，另一條鏈為右手螺旋C．A十G與C十T的比值為1D．A十T與G十C的比值為1E．兩條鏈的堿基間以共價鍵相連110生物化學核酸的結構與功能2001A