核酸的結(jié)構(gòu)和功能StructureandFunctionofNucleicAcid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。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。分布于細胞核、胞液。(DNA)(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(xué)組成及其一級結(jié)構(gòu)TheChemicalComponentandPrimaryStructureofNucleicAcid一、核酸的化學(xué)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)核苷酸核苷嘌呤(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)戊糖（構(gòu)成RNA）1′2′3′4′5′核糖（構(gòu)成DNA）脫氧核糖二、核苷酸的結(jié)構(gòu)1.核苷的形成堿基和核糖（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.核苷酸的結(jié)構(gòu)與命名核苷（脫氧核苷）和磷酸以酯鍵連接形成核苷酸（脫氧核苷酸）。

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+三、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′端核苷酸的連接方式：

核苷酸之間以磷酸二酯鍵連接形成多核苷酸鏈，即核酸。CGA核酸的一級結(jié)構(gòu)AGP5

PTPGPCPTPOH3

書寫方法5

pApCpTpGpCpT-OH3

5

ACTGCT

3

第二節(jié)DNA的空間結(jié)構(gòu)與功能DimensionalStructureandFunctionofDNA一、DNA的二級結(jié)構(gòu)—雙螺旋結(jié)構(gòu)模型（一）DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的研究背景

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ErwinChargaff

（1905－1995）Chargaff

規(guī)則：

A%＝T%G%＝C%DNA分子X射線衍射照片RosalindFranklin

MauriceWilkins

FrancisHarryComptonCrick

JamesDeweyWatson

MauriceHughFrederickWilkins

TheNobelPrizeinPhysiologyorMedicine1962.

"fortheirdiscoveriesconcerningthemolecularstructureofnucleicacidsanditssignificanceforinformationtransferinlivingmaterial"（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。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。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。堿基互補配對TAGC堿基互補原則：腺嘌呤（A）總是跟胸腺嘧啶（T）配對，形成兩個氫鍵；鳥嘌呤（G）總是跟胞嘧啶（C）配對，形成三個氫鍵（三）DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的多樣性不同類型的DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)B-DNAhelixZ-DNAhelixA-DNAhelix二、DNA超螺旋結(jié)構(gòu)及其在染色質(zhì)中的組裝

所有生物的基因組DNA的長度通常比含有DNA的細胞直徑大得多。因此，DNA在形成雙螺旋結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，必須進一步折疊成超級螺旋結(jié)構(gòu)，且在蛋白質(zhì)的參與下，再進行精密的包裝。這樣，DNA才能存在于細胞核中。（一）DNA的超螺旋結(jié)構(gòu)

超螺旋結(jié)構(gòu)(superhelix

或supercoil)DNA雙螺旋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。（二）原核生物細胞中DNA的高級結(jié)構(gòu)

絕大部分原核生物的DNA都是閉合環(huán)狀雙螺旋結(jié)構(gòu)，不與蛋白質(zhì)結(jié)合，雙螺旋分子可進一步螺旋化形成超螺旋。環(huán)狀DNA結(jié)構(gòu)示意圖（三）DNA在真核生物細胞核內(nèi)的組裝

在真核細胞內(nèi)，DNA分子較原核細胞大得多，所以它們壓縮得更為致密。真核細胞的DNA與蛋白質(zhì)結(jié)合，以染色體的形式存在于細胞核內(nèi)。核小體是真核生物染色體的基本結(jié)構(gòu)單位。

核心顆粒連接區(qū)核心組蛋白：組蛋白八聚體（H2A、H2B、H3、H4各2分子）DNA雙螺旋分子(140bp)在核心組蛋白纏繞1.75圈DNA（60bp）組蛋白H1

連接核心顆粒核小體的構(gòu)成核小體組成核小體的折疊及染色體組裝2nm11nm30nm300nm1400nm700nm真核生物DNA在細胞核內(nèi)的組裝三、DNA的功能以基因的形式儲存、攜帶和傳遞遺傳信息。是DNA分子中特定區(qū)段核苷酸的排列順序，即堿基序列信息，它決定了基因的功能?；颍夯蚪M：一個遺傳體系所有基因總和的一整套遺傳信息。第三節(jié)

RNA的結(jié)構(gòu)與功能StructureandFunctionofRNARNA的種類、分布、功能一、信使RNA的結(jié)構(gòu)與功能

信使RNA（mRNA）的作用就好像一種信使，將存在于細胞核內(nèi)的基因的遺傳信息轉(zhuǎn)移到細胞質(zhì)中，作為蛋白質(zhì)合成的模板，細胞中mRNA的種類最多，代謝最快。真核生物的mRNA前身稱為不均一核RNA（hnRNA）。hnRNA在核內(nèi)經(jīng)過一系列的剪接、修飾和加工，成為成熟的mRNA并轉(zhuǎn)移到細胞質(zhì)中。TheNobelPrizeinPhysiologyorMedicine1965InstitutPasteur

Paris,FranceJacquesMonod

AndréLwoff

Fran?oisJacob

InstitutPasteur

Paris,FranceInstitutPasteur

Paris,France原核和真核細胞基因表達過程簡圖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*真核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)：m7GpppNpNp……。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。mRNA分子上的每三個核苷酸為一組，構(gòu)成遺傳密碼，可以決定多肽鏈上某一個氨基酸，又稱為三聯(lián)體密碼。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尾的功能真核成熟mRNA結(jié)構(gòu)4、mRNA前體（hnRNA）的剪接DNAhnRNA成熟mRNA內(nèi)含子外顯子真核生物mRNA轉(zhuǎn)錄后剪接外顯子編碼序列內(nèi)含子編碼序列TheNobelPrizeinPhysiologyorMedicine1993"fortheirdiscoveriesofsplitgenes"

RichardJ.Roberts

PhillipA.SharpNewEnglandBiolabs

Beverly,MA,USAMassachusettsInstituteofTechnology(MIT),CenterforCancerResearch

Cambridge,MA,USA

二、轉(zhuǎn)運RNA

轉(zhuǎn)運RNA約占細胞中RNA總量的10%～15%，是分子量最小的一類核酸，由74～95個核苷酸構(gòu)成，含較多稀有堿基（約10~20%）。tRNA的功能是轉(zhuǎn)運氨基酸至核糖體用于蛋白質(zhì)的合成。二氫尿嘧啶（DHU）

常見的稀有堿基假尿嘧啶（φ）甲基鳥嘌呤*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*

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)的合成。三、核糖體RNA

核糖體RNA（rRNA）是細胞內(nèi)含量最多的RNA，約占RNA總量的75%~80%。rRNA與蛋白質(zhì)共同構(gòu)成核糖體或稱為核蛋白體，是細胞內(nèi)蛋白質(zhì)生物合成的場所。原核生物與真核生物的核糖體均由大亞基和小亞基構(gòu)成。rRNA的結(jié)構(gòu)特征

rRNA一級結(jié)構(gòu)的一個特征就是甲基化殘基的存在，主要的修飾位點在D-核糖的C2'-OH。二級結(jié)構(gòu)的模型也已構(gòu)建出來，rRNA分子內(nèi)部局部堿基互補，形成許多“莖－環(huán)”結(jié)構(gòu)，為核糖體蛋白的結(jié)合與組裝提供了結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。原核生物16SrRNA的二級結(jié)構(gòu)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%局部雙鏈tRNArRNAmRNA三葉草形、倒L形含稀有堿基多反密碼子CCA—OH3'呈花狀5'—m7GpppNm、3'—polyA編碼序列單鏈局部雙鏈結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)合成的模板搬運活化的aa到核糖體組成核蛋白體分子大小不一,量<10%,代謝快分子量小

120堿基穩(wěn)定分子大

120堿基量>80%,穩(wěn)定三種RNA內(nèi)容小結(jié)功能四、其它小分子RNA及RNA組學(xué)核酶:具有催化功能的小RNA.TheNobelPrizeinChemistry1989"

fortheirdiscoveryofcatalyticpropertiesofRNA"SidneyAltmanThomasR.Cech核酸的理化性質(zhì)ThePhysicalandChemicalCharactersofNucleicAcid第四節(jié)一、核酸的一般性質(zhì)核酸溶液的黏度比較大，核酸粘度降低或消失，即意味著變性或降解。DNA分子的長度與直徑之比達到107，極易在機械力的作用下發(fā)生斷裂。核酸的沉降特性。二、核酸的紫外吸收

嘌呤和嘧啶堿基具有共軛雙鍵，這使核苷、核苷酸及核酸可以吸收紫外光，最大吸收峰位于波長260nm附近，因此經(jīng)常用A260（在260nm處的吸光度）或OD260（260nm處的光密度值）表示核酸的濃度。利用核酸的紫外吸收特性，可以用紫外分光光度法對DNA和RNA進行定性和定量分析。1.DNA或RNA的定量OD260=1.0相當(dāng)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(yīng)用三、核酸的變性（一）變性（denaturation）

定義：在某些理化因素作用下，DNA雙鏈解成兩條單鏈的過程。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。DNA變性的本質(zhì)是雙鏈間氫鍵的斷裂變性引起紫外吸收值的改變DNA的紫外吸收光譜增色效應(yīng)：DNA變性時其溶液OD260增高的現(xiàn)象。

解鏈曲線：如果在連續(xù)加熱DNA的過程中以溫度對A260（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.

Tm：變性是在一個相當(dāng)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(Tm)。其大小與G+C含量成正比。

四、復(fù)性與雜交

變性DNA在適當(dāng)條件下，兩條互補的單鏈重新