核酸的結(jié)構(gòu)與功能第1頁，共68頁。核酸(nucleicacid)

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.第2頁，共68頁。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)。1968年Nirenberg發(fā)現(xiàn)遺傳密碼。1975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。核酸研究的發(fā)展簡史第3頁，共68頁。核酸的分類及分布

存在于細胞核和線粒體

分布于細胞核、細胞質(zhì)、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(fù)制傳遞給下一代。是DNA轉(zhuǎn)錄的產(chǎn)物，參與遺傳信息的復(fù)制與表達。某些病毒RNA也可作為遺傳信息的載體第4頁，共68頁。核酸的化學(xué)組成核酸的分子結(jié)構(gòu)核酸的理化性質(zhì)DNARNA主要內(nèi)容：第5頁，共68頁。核酸(DNA和RNA)核苷酸核苷和脫氧核苷磷酸戊糖堿基嘌呤嘧啶核糖脫氧核糖核酸組成DNA的組成單位是脫氧核糖核苷酸（deoxyribonucleotide）RNA的組成單位是核糖核苷酸（ribonucleotide）。第6頁，共68頁。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(gòu)成核酸的基本組成單位第7頁，共68頁。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中堿基第8頁，共68頁。嘌呤(purine，Pu)腺嘌呤(adenine,A)鳥嘌呤(guanine,G)第9頁，共68頁。嘧啶(pyrimidine，Py)胞嘧啶(cytosine,C)尿嘧啶(uracil,U)胸腺嘧啶(thymine,T)第10頁，共68頁。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(gòu)成核酸的基本組成單位第11頁，共68頁。戊糖（構(gòu)成RNA）1′2′3′4′5′β-D-核糖(ribose)（構(gòu)成DNA）β-D-2′脫氧核糖(deoxyribose)第12頁，共68頁。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(gòu)成核酸的基本組成單位核苷第13頁，共68頁。脫氧核苷嘌呤N-9與脫氧核糖C-1

通過β-N-糖苷鍵相連形成脫氧核苷(deoxyribonucleoside)。第14頁，共68頁。

嘧啶N-9與核糖C-1

通過β-N-糖苷鍵相連形成核苷(ribonucleoside)。核苷NNNN9NH2OOHOHHHHCH2OHH1'2'糖苷鍵第15頁，共68頁。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(gòu)成核酸的基本組成單位核苷第16頁，共68頁。核苷或脫氧核苷與磷酸通過酯鍵結(jié)合構(gòu)成核苷酸(ribonucleotide)或脫氧核苷酸(deoxyribonucleotide)。核苷酸(ribonucleotide)NNNN9NH2OOHOHHHHCH2H1'2'OPO-HOO糖苷鍵酯鍵第17頁，共68頁。多磷酸核苷酸第18頁，共68頁。環(huán)化核苷酸：cAMP、cGMP，是細胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo)中的第二信使。cAMP核苷酸衍生物第19頁，共68頁。煙酰胺腺嘌呤二核苷酸，nicotinamideadeninedinucleotide,NAD+）生物氧化體系的重要成分，在傳遞質(zhì)子或電子的過程中具有重要的作用。第20頁，共68頁。二、DNA通過3

,5

-磷酸二酯鍵連接一個脫氧核苷酸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(gòu)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。第21頁，共68頁。5′-末端3′-末端CGA磷酸二酯鍵磷酸二酯鍵第22頁，共68頁。交替的磷酸基團和戊糖構(gòu)成了DNA的骨架(backbone)。DNA鏈的方向是5

→

3

第23頁，共68頁。三、RNA具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3

,5

-磷酸二酯鍵連接形成的線性大分子，也具有5

→3

方向性;RNA的戊糖是核糖；

RNA的嘧啶是胞嘧啶和尿嘧啶。構(gòu)成RNA的四種基本核苷酸是AMP、GMP、CMP和UMP。第24頁，共68頁。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(jié)構(gòu)是核苷酸的排列順序第25頁，共68頁。AGP5

PTPGPCPTPOH3

核酸的一級結(jié)構(gòu)5

pApCpTpGpCpT-OH

3

5

ACTGCT

3

ACTGCT第26頁，共68頁。單鏈DNA和RNA分子的大小常用核苷酸數(shù)目（nucleotide，nt）表示；雙鏈核酸分子的大小常用堿基(base或kilobase)數(shù)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。第27頁，共68頁。核酸的化學(xué)組成核酸的分子結(jié)構(gòu)核酸的理化性質(zhì)DNARNA主要內(nèi)容：第28頁，共68頁。DNA的空間結(jié)構(gòu)又分為二級結(jié)構(gòu)(secondarystructure)和高級結(jié)構(gòu)。DNA的空間結(jié)構(gòu)構(gòu)成DNA的所有原子在三維空間的相對位置關(guān)系。第29頁，共68頁。一、DNA的二級結(jié)構(gòu)是雙螺旋結(jié)構(gòu)第30頁，共68頁。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

對于一特定組織的DNA，其堿基組分不隨年齡、營養(yǎng)狀態(tài)和環(huán)境而變化[A]=[T]，[G]=[C]Chargaff規(guī)則（一）DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的實驗基礎(chǔ)獲得了高質(zhì)量的DNA分子的X射線衍射照片。提出了DNA分子雙螺旋結(jié)構(gòu)(doublehelix)模型。第31頁，共68頁。兩條多聚核苷酸鏈在空間的走向呈反向平行(anti-parallel)。兩條鏈中一條鏈的5

→3

方向是自上而下，而另一條鏈的5

→3

方向是自下而上。兩條鏈圍繞著同一個螺旋軸形成右手螺旋(right-handed)的結(jié)構(gòu)。雙螺旋結(jié)構(gòu)的直徑為2.37nm，螺距為3.54nm。（二）DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型要點1.DNA由兩條多聚脫氧核苷酸鏈組成第32頁，共68頁。脫氧核糖和磷酸基團組成的親水性骨架位于雙螺旋結(jié)構(gòu)的外側(cè)，疏水的堿基位于內(nèi)側(cè)。雙螺旋結(jié)構(gòu)的表面形成了一個大溝(majorgroove)和一個小溝(minorgroove)。2.核糖與磷酸位于外側(cè)第33頁，共68頁。DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的示意圖DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的俯視圖第34頁，共68頁。3.DNA雙鏈之間形成了互補堿基對堿基配對關(guān)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。第35頁，共68頁。堿基互補配對:鳥嘌呤/胞嘧啶第36頁，共68頁。堿基互補配對:腺嘌呤/胸腺嘧啶第37頁，共68頁。相鄰兩個堿基對會有重疊，產(chǎn)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(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。4.堿基對的疏水作用力和氫鍵共同維持著DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定第38頁，共68頁。（三）DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的多樣性第39頁，共68頁。DNA的空間結(jié)構(gòu)又分為二級結(jié)構(gòu)(secondarystructure)和高級結(jié)構(gòu)。DNA的空間結(jié)構(gòu)構(gòu)成DNA的所有原子在三維空間的相對位置關(guān)系。第40頁，共68頁。二、DNA的高級結(jié)構(gòu)是超螺旋結(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。第41頁，共68頁。DNA：約200bp組蛋白：H1H2A，H2BH3H4核小體的組成第42頁，共68頁。核小體串珠樣的結(jié)構(gòu)第43頁，共68頁。核酸的化學(xué)組成核酸的分子結(jié)構(gòu)核酸的理化性質(zhì)DNARNA主要內(nèi)容：第44頁，共68頁。RNA與蛋白質(zhì)共同負責(zé)基因的表達和表達過程的調(diào)控。RNA通常以單鏈的形式存在，但有復(fù)雜的局部二級結(jié)構(gòu)或三級結(jié)構(gòu)。RNA比DNA小的多。RNA的種類、大小和結(jié)構(gòu)遠比DNA表現(xiàn)出多樣性。RNA的結(jié)構(gòu)功能第45頁，共68頁。動物細胞內(nèi)主要的RNA種類及功能RNA種類縮寫細胞內(nèi)位置功能核糖體RNArRNA細胞質(zhì)核糖體組成成分信使RNAmRNA細胞質(zhì)蛋白質(zhì)合成模板轉(zhuǎn)運RNAtRNA細胞質(zhì)轉(zhuǎn)運氨基酸微RNAmicroRNA細胞質(zhì)翻譯調(diào)控胞質(zhì)小RNAscRNA/7SL-RNA細胞質(zhì)信號肽識別體的組成成分不均一核RNAhnRNA細胞核成熟mRNA的前體核小RNAsnRNA細胞核參與hnRNA的剪接、轉(zhuǎn)運核仁小RNAsnoRNA核仁rRNA的加工和修飾線粒體核糖體RNAmtrRNA線粒體核糖體組成成分線粒體信使RNAmtmRNA線粒體蛋白質(zhì)合成模板線粒體轉(zhuǎn)運RNAmttRNA線粒體轉(zhuǎn)運氨基酸第46頁，共68頁。信使RNA(messengerRNA,mRNA)是細胞內(nèi)合成蛋白質(zhì)的模板。生物體內(nèi)mRNA的豐度最小、種類最多、大小也各不相同、壽命最短。mRNA的初級產(chǎn)物為不均一核RNA(hnRNA)，含有內(nèi)含子(intron)和外顯子(exon)。hnRNA經(jīng)過剪切后成為成熟的mRNA。一、mRNA是蛋白質(zhì)合成中的模板第47頁，共68頁。hnRNA內(nèi)含子(intron)mRNA

mRNA成熟過程

外顯子(exon)第48頁，共68頁。成熟的mRNA由氨基酸編碼區(qū)和非編碼區(qū)構(gòu)成。5

-末端的帽子(cap)結(jié)構(gòu)和3

-末端的多聚A尾(poly-Atail)結(jié)構(gòu)。成熟的真核生物mRNA第49頁，共68頁。轉(zhuǎn)運RNA(transferRNA,tRNA)在蛋白質(zhì)合成過程中作為各種氨基酸的載體,將氨基酸轉(zhuǎn)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(zhì)合成中的氨基酸載體第50頁，共68頁。1.tRNA中含有多種稀有堿基稀有堿基（rarebase）是指除A、G、C、U外的一些堿基。第51頁，共68頁。tRNA具有局部的莖環(huán)(stem-loop)結(jié)構(gòu)或發(fā)卡(hairpin)結(jié)構(gòu)。2.tRNA含有莖環(huán)結(jié)構(gòu)tRNA的二級結(jié)構(gòu)——三葉草形氨基酸臂，DHU環(huán)，反密碼環(huán)，TψC環(huán)，附加叉第52頁，共68頁。tRNA的倒L三級結(jié)構(gòu)第53頁，共68頁。tRNA的反密碼子環(huán)上有反密碼子(anticodon)。tRNA上的反密碼子通過堿基互補識別mRNA上的密碼子。3.tRNA的反密碼子識別mRNA的密碼子第54頁，共68頁。核糖體RNA(ribosomalRNA，rRNA)是細胞內(nèi)含量最多的RNA(>80％)。rRNA與核糖體蛋白結(jié)合組成核糖體(ribosome)，為蛋白質(zhì)的合成提供場所。三、rRNA為組分的核糖體是蛋白質(zhì)合成的場所第55頁，共68頁。核糖體的組成原核生物（大腸桿菌）真核生物（小鼠肝）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%第56頁，共68頁。核酸的化學(xué)組成核酸的分子結(jié)構(gòu)核酸的理化性質(zhì)DNARNA主要內(nèi)容：第57頁，共68頁。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第58頁，共68頁。DNA或RNA的定量A260=1.0相當(dāng)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(yīng)用第59頁，共68頁。二、DNA變性是雙鏈解離為單鏈的過程某些理化因素導(dǎo)致DNA雙鏈互補堿基對之間的氫鍵發(fā)生斷裂，DNA雙鏈解離為單鏈的過程。

定義DNA變性的本質(zhì)是雙鏈