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。一、核酸的發(fā)現(xiàn)和研究工作進展1868年FridrichMiescher從膿細胞中提取“核素”1944年

Avery等人證實DNA是遺傳物質(zhì)1953年

Watson和Crick發(fā)現(xiàn)DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)1965年Nirenberg發(fā)現(xiàn)遺傳密碼1970年Temin和Baltimore發(fā)現(xiàn)逆轉(zhuǎn)錄酶1981年Gilbert和Sanger建立DNA測序方法1985年Mullis發(fā)明PCR技術(shù)1990年美國啟動人類基因組計劃(HGP)

1994年中國人類基因組計劃啟動2001年美、英等國完成人類基因組計劃基本框架二、核酸的分類及分布90%以上分布于細胞核，其余分布于核外如線粒體，葉綠體，質(zhì)粒等。分布于胞核、胞液。(deoxyribonucleicacid,DNA)(ribonucleicacid,RNA)脫氧核糖核酸

核糖核酸攜帶遺傳信息，決定細胞和個體的基因型(genotype)。參與細胞內(nèi)DNA遺傳信息的表達。某些病毒RNA也可作為遺傳信息的載體。第一節(jié)核酸的化學組成及其一級結(jié)構(gòu)TheChemicalComponentandPrimaryStructureofNucleicAcid核酸的化學組成1.元素組成C、H、O、N、P（9~10%）2.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)嘌呤(purine)腺嘌呤(adenine,A)鳥嘌呤(guanine,G)堿基嘧啶(pyrimidine)胞嘧啶(cytosine,C)尿嘧啶(uracil,U)胸腺嘧啶(thymine,T)

堿基的互變異構(gòu)酮式－烯醇

C=OC-OHNN氨基－亞氨基

C-NH2C=NH2+

+HNHN

受介質(zhì)pH影響戊糖（構(gòu)成RNA）1′2′3′4′5′核糖(ribose)（構(gòu)成DNA）脫氧核糖(deoxyribose)H核苷：AR,GR,UR,CR脫氧核苷：dAR,dGR,dTR,dCR一、核苷酸的結(jié)構(gòu)1.核苷(ribonucleoside)的形成堿基和核糖（脫氧核糖）通過糖苷鍵連接形成核苷（脫氧核苷）。1′1核苷酸：AMP,GMP,UMP,CMP脫氧核苷酸：dAMP,dGMP,dTMP,dCMP

2.核苷酸(ribonucleotide)的結(jié)構(gòu)與命名核苷（脫氧核苷）和磷酸以磷酸酯鍵連接形成核苷酸（脫氧核苷酸）。

電腦模型圖簡化式酯鍵糖苷鍵體內(nèi)重要的游離核苷酸及其衍生物含核苷酸的生物活性物質(zhì)：NAD+、NADP+、CoA-SH、FAD

等都含有

AMP

多磷酸核苷酸：NMP，NDP，NTP

環(huán)化核苷酸:cAMP，cGMPAMPADPATPcAMPNADP+NAD+5′端3′端3.核苷酸的連接核苷酸之間以磷酸二酯鍵連接形成多核苷酸鏈，即核酸。CGA二、核酸的一級結(jié)構(gòu)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CGAAGP5

PTPGPCPTPOH3

書寫方法5

pApCpTpGpCpT-OH

3

5

ACTGCT

3

目錄第二節(jié)DNA的空間結(jié)構(gòu)與功能DimensionalStructureandFunctionofDNADNA的二級結(jié)構(gòu)-雙螺旋結(jié)構(gòu)DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的研究背景和歷史意義DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型要點DNA的超螺旋結(jié)構(gòu)及其在染色質(zhì)中的組裝DNA的超螺旋結(jié)構(gòu)原核生物DNA的高級結(jié)構(gòu)DNA在真核生物細胞核內(nèi)的組裝DNA的功能一、DNA的二級結(jié)構(gòu)——雙螺旋結(jié)構(gòu)（一）DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的研究背景和歷史意義

堿基組成分析Chargaff規(guī)則：[A]=

[T][G]

[C]

堿基的理化數(shù)據(jù)分析A-T、G-C以氫鍵配對較合理DNA纖維的X-線衍射圖譜分析目錄Chargaff規(guī)則任何一種生物中各堿基相對比例相同

即：A=T，G=C；不同生物的DNA,其堿基組成不同；同一個體不同器官、組織的DNA,其堿基組成相同。DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)的歷史意義：揭示了生物體遺傳信息儲存及表達的分子機制開創(chuàng)了現(xiàn)代分子生物學是生物學發(fā)展史上的里程碑（二）DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型要點（Watson,Crick,1953）DNA分子由兩條相互平行但走向相反的脫氧多核苷酸鏈組成，兩鏈以-脫氧核糖-磷酸-為骨架，以右手螺旋方式繞同一公共軸盤。螺旋直徑為2nm，形成大溝(majorgroove)及小溝(minorgroove)相間。目錄（二）DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型要點

（Watson,Crick,1953）堿基垂直螺旋軸居雙螺旋內(nèi)側(cè)，與對側(cè)堿基形成氫鍵配對（互補配對形式：A=T;G

C）。相鄰堿基平面距離0.34nm，螺旋一圈螺距3.4nm，一圈10對堿基。目錄堿基互補配對

TAGC（二）DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型要點

（Watson,Crick,1953）氫鍵維持雙鏈橫向穩(wěn)定性，堿基堆積力維持雙鏈縱向穩(wěn)定性。目錄（三）DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的多樣性目錄B-二、DNA的超螺旋結(jié)構(gòu)及其在染色質(zhì)中的組裝（一）DNA的超螺旋結(jié)構(gòu)超螺旋結(jié)構(gòu)(superhelix或supercoil)DNA雙螺旋鏈再盤繞即形成超螺旋結(jié)構(gòu)。正超螺旋(positivesupercoil)盤繞方向與DNA雙螺旋方同相同負超螺旋(negativesupercoil)盤繞方向與DNA雙螺旋方向相反意義DNA超螺旋結(jié)構(gòu)整體或局部的拓撲學變化及其調(diào)控對于DNA復制和RNA轉(zhuǎn)錄過程具有關(guān)鍵作用。（二）原核生物DNA的高級結(jié)構(gòu)（三）DNA在真核生物細胞核內(nèi)的組裝真核生物染色體由DNA和蛋白質(zhì)構(gòu)成，其基本單位是核小體(nucleosome)。核小體的組成DNA：約200bp組蛋白：H1H2A，H2BH3H4三、DNA的功能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(zhuǎn)錄的模板。它是生命遺傳的物質(zhì)基礎，也是個體生命活動的信息基礎?；驈慕Y(jié)構(gòu)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。第三節(jié)

RNA的結(jié)構(gòu)與功能StructureandFunctionofRNAPre-RNAMatureRNA

加帽（Capping）加尾（Tailing）剪接（Splicing）堿基修飾（Basesmodification）編輯（Editing

）轉(zhuǎn)錄后加工的主要方式:RNA加工修飾主要對象:hnRNA：mRNA前體pre-rRNA：rRNA前體pre-tRNA：tRNA前體RNA的種類、分布、功能一、信使RNA的結(jié)構(gòu)與功能hnRNA內(nèi)含子(intron)mRNA*mRNA成熟過程

外顯子(exon)目錄*mRNA結(jié)構(gòu)特點1.大多數(shù)真核mRNA的5′末端均在轉(zhuǎn)錄后加上一個7-甲基鳥苷，同時第一個核苷酸的C′2也是甲基化，形成帽子結(jié)構(gòu)：m7GpppNm-。2.大多數(shù)真核mRNA的3′末端有一個多聚腺苷酸(polyA)結(jié)構(gòu)，稱為多聚A尾。帽子結(jié)構(gòu)（一）5′-端加上帽子結(jié)構(gòu)（mGpppNp—）1、帽子的種類

帽子0（Cap-0）

m7GpppXpYpm7G7-甲基鳥苷三磷酸

帽子1（Cap-1）

m7GpppXmpYp

第一個核苷酸的2′-O位上產(chǎn)生甲基化（AN6位甲基化）帽子2（Cap-2）

m7GpppXmpYmp

第二個核苷酸的2′-O位上產(chǎn)生甲基化（A、G、C、U）☆單細胞真核生物只有Cap-0☆Cap-1是其余真核生物的主要帽子形式☆Cap-2存在于某些真核生物中mRNA核內(nèi)向胞質(zhì)的轉(zhuǎn)位mRNA的穩(wěn)定性維系翻譯起始的調(diào)控帽子結(jié)構(gòu)和多聚A尾的功能eIF4A帽結(jié)合蛋白（CBPs)polyA結(jié)合蛋白(PAB)①使mRNA免受核酸酶的降解，增加mRNA的穩(wěn)定性；②有助于mRNA越過核膜，進入細胞質(zhì)；③被蛋白質(zhì)起始因子識別，使mRNA能與核糖體小亞基結(jié)合并開始合成蛋白質(zhì)。*mRNA的功能把DNA所攜帶的遺傳信息，按堿基互補配對原則，抄錄并傳送至核糖體，用以決定其合成蛋白質(zhì)的氨基酸排列順序。DNAmRNA蛋白轉(zhuǎn)錄翻譯原核細胞細胞質(zhì)細胞核DNA內(nèi)含子外顯子轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)錄后剪接轉(zhuǎn)運mRNAhnRNA翻譯蛋白真核細胞3′-端加上多聚腺苷酸尾巴（polyA）幾乎所有真核生物成熟的mRNA末端都有一串約250個腺嘌呤核苷酸尾巴。它們并非模板DNA編碼，而是在轉(zhuǎn)錄完成時由poly(A)多聚酶合成。加尾位置不在轉(zhuǎn)錄物的最末端，而是在接近末端的內(nèi)部位點。在切除mRNA3'末端的一段序列后，再加上多聚腺苷酸。加尾是在核內(nèi)完成，先于mRNA中段的剪接，和轉(zhuǎn)錄終止同時進行。新合成的mRNA的3′-端含兩個明顯的加尾信號。第一個加尾信號位于poly(A)上游，一致順序為5′

AAUAAA

3′；第二個加尾信號位于5′

AAUAAA

3′順序下游約15-24nt位置處，有一段富GU序列，緊隨其后通常有一串富U的順序。5'-AAUAAA-----15~24bp----GUGUGUUGGAAUUUUUUGUGU--3'如果改變5′

AAUAAA

3′位置，加尾位點改變；缺失，則不發(fā)生加尾。富GU序列和緊隨其后的富U序列對正常的加尾不可缺一。

ploy（A）加尾信號poly（A）的生物學功能①提高mRNA在細胞質(zhì)中的穩(wěn)定性。②協(xié)助mRNA從細胞核向細胞質(zhì)轉(zhuǎn)運。③作為核糖體的識別信號，使mRNA分子有效翻譯。④對基因的表達調(diào)控有重要作用。mRNA的內(nèi)部甲基化真核生物mRNA分子中有許多甲基化的堿基；具體的甲基化位點還不太清楚；主要是：N6-甲基腺嘌呤（m6A）；推測可能為mRNA的剪切提供信號。核mRNA前體的剪接（Splicing）真核不連續(xù)基因的初級轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物中，外顯子與內(nèi)含子交替出現(xiàn)----割裂基因（Splitgene）；轉(zhuǎn)錄后把內(nèi)含子切除而把外顯子連接起來產(chǎn)生成熟RNA分子的過程，叫RNA剪接（RNAsplicing）。內(nèi)含子在真核基因中所占的比例很高，甚至超過99%。核mRNA內(nèi)含子剪接位點特征內(nèi)含子總是由GU開始，以AG結(jié)束，其規(guī)律稱為GU-AG法則（GU-AGrule)或Chambon法則。5′端剪接位點(供位)相鄰的保守序列：5′-AG↓GUPuAGU-3′3′端剪接位點(納位)相鄰的保守序列：5′-(Py)nNCAG-3′分枝點保守序列：Py80NPy87Pu75APy95，其中A為百分之百保守，且具有2′-OH。mRNA前體正確剪接所必需的思考題：真核生物和原核生物mRNA差別結(jié)構(gòu)功能運作模式1、原核生物mRNA的特征半衰期短多以多順反子的形式存在5′端無“帽子”結(jié)構(gòu)2、真核生物mRNA的特征5′端存在“帽子”結(jié)構(gòu)3′端沒有或只有較短的poly（A）尾巴多數(shù)mRNA3′端具有poly（A）尾巴以單順反子的形式存在*

tRNA的一級結(jié)構(gòu)特點含10~20%稀有堿基，如DHU（二氫尿甘酸）3′末端為—CCA-OH5′末端大多數(shù)為G

具有T

C二、轉(zhuǎn)運RNA的結(jié)構(gòu)與功能----假尿苷酸，135p1082,3,5三種N,N二甲基鳥嘌呤N6-異戊烯腺嘌呤雙氫尿嘧啶4-巰尿嘧啶

稀有堿基DHU*tRNA的二級結(jié)構(gòu)——三葉草形

氨基酸臂

DHU環(huán)反密碼環(huán)額外環(huán)

TΨC環(huán)氨基酸臂額外環(huán)堿基修飾（1）（1）（3）（2）（4）（2）還原反應

如：UDHU（3）核苷內(nèi)的轉(zhuǎn)位反應

如：Uψ（4）脫氨反應

如：A

I

如：AAm（1）甲基化D臂反密碼子臂額外臂TψC臂受體臂*tRNA的三級結(jié)構(gòu)——倒L形*tRNA的功能活化、搬運氨基酸到核糖體，參與蛋白質(zhì)的翻譯。*rRNA的結(jié)構(gòu)三、核蛋白體RNA的結(jié)構(gòu)與功能*rRNA的功能參與組成核蛋白體，作為蛋白質(zhì)生物合成的場所。（二）rRNA前體的加工過程①切除5′端的前導序列，45S初始轉(zhuǎn)錄本變成41S中間產(chǎn)物；②從41S的中間產(chǎn)物中先切下18S的片段，產(chǎn)物分別為20S（含18SrRNA片段）和32S；③32S中間產(chǎn)物（含5.8S和28SrRNA）中的5.8S和28S之間進行部分退火，形成發(fā)夾結(jié)構(gòu)；④通過外切酶等將20S中殘余的ITS切除；將已退火的32S中的ITS切除掉。已知整個加工過程是在核糖體上進行的，而不是以游離的rRNA進行加工的。*rRNA的種類（根據(jù)沉降系數(shù)）真核生物5SrRNA28SrRNA5.8SrRNA18SrRNA原核生物5SrRNA23SrRNA16SrRNA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(zhì)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(zhì)31種占總重量的30%49種占總重量的35%四、其他小分子RNA及RNA組學除了上述三種RNA外，細胞的不同部位存在的許多其他種類的小分子RNA，統(tǒng)稱為非mRNA小RNA(smallnon-messengerRNAs,snmRNAs)。

snmRNAssnmRNAs的種類核內(nèi)小RNA核仁小RNA胞質(zhì)小RNA催化性小RNA小片段干涉RNA

snmRNAs的功能參與hnRNA和rRNA的加工和轉(zhuǎn)運。RNA組學研究細胞中snmRNAs的種類、結(jié)構(gòu)和功能。同一生物體內(nèi)不同種類的細胞、同一細胞在不同時間、不同狀態(tài)下snmRNAs的表達具有時間和空間特異性。RNA組學核酸和蛋白質(zhì)的比較核酸的理化性質(zhì)ThePhysicalandChemicalCharactersofNucleicAcid第四節(jié)目錄1.DNA或RNA的定量OD260=1.0相當于50μg/ml雙鏈DNA40μg/ml單鏈DNA（或RNA）20μg/ml寡核苷酸2.判斷核酸樣品的純度DNA純品:OD260/OD280=1.8RNA純品:OD260/OD280=2.0OD260的應用目錄二、DNA的變性(denaturation)定義：在某些理化因素作用下，DNA雙鏈解開成兩條單鏈的過程。方法：過量酸，堿，加熱，變性試劑如尿素、酰胺以及某些有機溶劑如乙醇、丙酮等。變性后其它理化性質(zhì)變化：OD260增高 粘度下降比旋度下降 浮力密度升高酸堿滴定曲線改變 生物活性喪失目錄DNA變性的本質(zhì)是雙鏈間氫鍵的斷裂例：變性引起紫外吸收值的改變DNA的紫外吸收光譜增色效應：DNA變性時其溶液OD260增高的現(xiàn)象。目錄熱變性解鏈曲線：如果在連續(xù)加熱DNA的過程中以溫度對A260（absorbance，A，A260代表溶液在260nm處的吸光率）值作圖，所得的曲線稱為解鏈曲線。目錄Tm：變性是在一個相當窄的溫度范圍內(nèi)完成，在這一范圍內(nèi)，紫外光吸收值達到最大值的50%時的溫度稱為DNA的解鏈溫度，又稱融解溫度(meltingtemperature,Tm)。其大小與G+C含量成正比。目錄三、DNA的復性與分子雜交

DNA復性(renaturation)的定義在適當條件下，變性DNA的兩條互補鏈可恢復天然的雙螺旋構(gòu)象，這一現(xiàn)象稱為復性。減色效應DNA復性時，其溶液OD260降低。熱變性的DNA經(jīng)緩慢冷卻后即可復性，這一過程稱為退火(annealing)。目錄在DNA變性后的復性過程中，如果將不同種類的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(guān)系，在適宜的條件（溫度及離子強度）下，就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(xiàn)象