核酸的結(jié)構(gòu)與功能

StructureandFunctionofNucleicAcid5′端3′端CGA

單核苷酸為基本單位組成的生物大分子。是生物遺傳的物質(zhì)基礎(chǔ)。核酸(nucleicacid):

脫氧核糖核酸（DNA）

核糖核酸（RNA）

核酸mRNAtRNArRNA第一節(jié)核酸的化學(xué)組成和一級結(jié)構(gòu)TheChemicalComponentofNucleicAcid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)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(ribose)（構(gòu)成DNA）脫氧核糖(deoxyribose)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）。

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+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CGA5′端3′端核苷酸之間以磷酸二酯鍵連接形成多核苷酸鏈，即核酸。CGAA

G

P5

P

T

PG

PC

PT

P

OH3

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DimensionalStructureandFunctionofDNADNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的研究背景

20世紀(jì)20年代，大多數(shù)科學(xué)家認為蛋白質(zhì)是遺傳物質(zhì)，而不是DNA1944年Avery等利用從致病肺炎球菌中提取的DNA使另一種非致病性（無夾膜

）肺炎球菌的遺傳性狀改變而成為致病菌（有夾膜

），證實了遺傳物質(zhì)是DNA而不是蛋白質(zhì)

AveryDNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的研究背景

1951年，Pauling利用X線晶體衍射技術(shù)研究α角蛋白的空間結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)了蛋白質(zhì)的α螺旋結(jié)構(gòu)

α螺旋結(jié)構(gòu)理論首次用分子形成螺旋這種方式解釋生物大分子的空間結(jié)構(gòu)

LinusPaulingα螺旋結(jié)構(gòu)的提出對DNA二級結(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn)也起了很重要的啟發(fā)作用

DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的研究背景

1952年，Chargaff等科學(xué)家采用層析和紫外吸收光譜分析等技術(shù)發(fā)現(xiàn)了DNA堿基的組成規(guī)律（Chargaff定律）

ChargaffChargaff定律腺嘌呤和胸腺嘧啶的摩爾數(shù)相等（即A=T），鳥嘌呤和胞嘧啶的摩爾數(shù)也相等（即G=C）

來自不同種屬的DNA的4種堿基組成不同

同一種屬不同組織的DNA樣品具有相同的堿基組成，即堿基組成沒有組織和器官的特異性

這一定律揭示了DNA分子堿基之間存在A與T，G與C的互補配對關(guān)系

DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的研究背景

1953年，F(xiàn)ranklin獲得高質(zhì)量的DNAX射線衍射圖譜

DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的研究背景

1953年，Wilkins發(fā)表了DNAX射線衍射的分析數(shù)據(jù)

DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的研究背景

綜合了前人的研究成果，Watson和Crick提出了DNA分子的雙螺旋結(jié)構(gòu)模型，并于1953年4月在英國《Nature》雜志上發(fā)表

Watson

Crick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)提出的依據(jù)

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

（二）DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型要點（Watson,Crick,1953）DNA分子是反向平行的互補雙鏈結(jié)構(gòu)，兩鏈以-脫氧核糖-磷酸-為骨架，以右手螺旋方式繞公共軸盤旋。螺旋直徑為2nm，形成大溝及小溝相間。（二）DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型要點（Watson,Crick,1953）堿基垂直螺旋軸在內(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。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。（三）DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的多樣性二、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)（supercoil）

DNA雙螺旋鏈再盤繞即形成超螺旋結(jié)構(gòu)。

負超螺旋正超螺旋DNA雙螺旋拓撲異構(gòu)酶（二）原核生物DNA的三級結(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的功能以基因的形式荷載遺傳信息，并作為基因復(fù)制和轉(zhuǎn)錄的模板。基因：是指DNA分子中的特定區(qū)段，包含有編碼生物活性產(chǎn)物的信息單位。

第三節(jié)

RNA的結(jié)構(gòu)與功能StructureandFunctionofRNA一、信使RNA（mRNA

）二、轉(zhuǎn)運RNA（tRNA

）三、核糖體RNA（rRNA

）RNA的種類、分布、功能一、信使RNA的結(jié)構(gòu)與功能hnRNA核內(nèi)不均一RNA內(nèi)含子(intron)mRNA*真核生物mRNA成熟過程

外顯子(exon)*mRNA含量較少(占細胞總RNA的3％～5％),

種類最多*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*真核生物mRNA結(jié)構(gòu)特點1.5′末端形成帽子結(jié)構(gòu)：m7GpppNm-。2.3′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)和PolyA尾巴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：

tRNA是細胞內(nèi)分子量最小的RNA（占總RNA的15％）二、轉(zhuǎn)運RNA的結(jié)構(gòu)與功能

含10~20%稀有堿基包括雙氫尿嘧啶(DHU)、假尿嘧啶(ψ)和甲基化的嘌呤等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

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)tRNA的二級結(jié)構(gòu)——三葉草形*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。*細胞內(nèi)含量最多的

RNA,占RNA總量的80％以上

三、核糖體RNA的結(jié)構(gòu)與功能*rRNA的功能參與組成核糖體，作為蛋白質(zhì)生物合成的場所。核糖體的組成原核生物（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(xué)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)。

snmRNAs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。核酸的理化性質(zhì)ThePhysicalandChemicalCharactersofNucleicAcid第四節(jié)腺嘌呤1.DNA或RNA的定量A260=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:A260/A280比值=1.8RNA純品:A260/A280比值=2.0一、

A260的應(yīng)用二、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，尿素、酰胺、有機溶劑(如乙醇、丙酮)等。變性后理化性質(zhì)變化：A260增高 粘度下降 生物活性喪失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(yīng)：DNA變性時其溶液A260增高的現(xiàn)象。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值作圖，所得的曲線。A260

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，又稱熔解溫度(meltingtemperature,Tm)。其大小與G+C含量成正比。A260三、DNA的復(fù)性與分子雜交DNA復(fù)性(renaturation)在適當(dāng)條件下，變性DNA的兩條互補鏈可恢復(fù)天然的雙螺旋構(gòu)象。熱變性的DNA經(jīng)緩慢冷卻后即可復(fù)性，這一過程稱為退火(annealing)

。在DNA復(fù)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，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)。這種現(xiàn)象稱為核酸分子雜交。核酸分子雜交(hybridization)DNA-DNA雜交雙鏈分子不同來源的DNA分子核酸分子雜交的應(yīng)用1.研究DNA分子中某一種基因的位置2.鑒定兩種核酸分子間的序列相似性3.檢測某些專一序列存在與否4.是基因芯片技術(shù)的基礎(chǔ)

第六節(jié)

核酸酶

Nuclease核酸酶是指所有可以水解核酸的酶依據(jù)底物不同分類DNA酶(deoxyribonuclease,DNase)RNA酶(ribonuclease,RNase)依據(jù)切割部位不同核酸內(nèi)切酶核酸外切酶參與DNA的合成、修復(fù)及RNA剪接等負責(zé)清除多余的、結(jié)構(gòu)和功能異常的核酸降解食物中的核酸以利吸收體外重組DNA技術(shù)中的重要工具酶

核酸酶的功能

核酶催化性DNA(DNAzyme)人工合成的寡聚脫氧核苷酸片段，也能序列特異性降解RNA。催化性RNA(ribozyme)

作為序列特異性的核酸內(nèi)切酶降解mRNA。核酶（