1、第二章 核酸結(jié)構(gòu)與功能,核酸的概念和重要性,核酸的組成成分,DNA的結(jié)構(gòu),DNA和基因組及基因組學,RNA的結(jié)構(gòu)和功能,核酸的性質(zhì),核酸的序列測定,核酸的生物學功能和實踐意義,一、核酸的概念和重要性,1869年Miescher從細胞核中分離出核素（nuclein）。,1889年Altman制備了核酸（nucleic acid）。,193040年，Kossel (5,368 堿基對)完全測序，成為第一個測定的基因組。,1995年，嗜血流感菌（Haemophilus influenzae，1.8Mb）測序完成，是第一個測定的自由生活物種。從這時起，基因組測序工作迅速展開。 2001年，人類基因組計

2、劃公布了人類基因組草圖，為基因組學研究揭開新的一頁。 基因組學是研究生物基因組的組成,組內(nèi)各基因的精確結(jié)構(gòu)、相互關(guān)系及表達調(diào)控的科學。,五、RNA的結(jié)構(gòu)與功能,RNA分子是含短的不完全的螺旋區(qū)的多核苷酸鏈。,（一）tRNA,tRNA約占RNA總量的15%，主要作用是轉(zhuǎn)運氨基酸用于合成蛋白質(zhì)。,tRNA分子量為4S，1965年Holley 測定AlatRNA一級結(jié)構(gòu)，提出三葉草二級結(jié)構(gòu)模型。,主要特征：1.四臂四環(huán)；2.氨基酸臂3端有CCAOH的共有結(jié)構(gòu)；3.D環(huán)上有二氫尿嘧啶（D）；4.反密碼環(huán)上的反密碼子與mRNA相互作用；5.可變環(huán)上的核苷酸數(shù)目可以變動；6.TC環(huán)含有T和；7.含有修飾堿

3、基和不變核苷酸。,（二）rRNA,占細胞RNA總量的80%，與蛋白質(zhì)（40%）共同組成核糖體。,（三）mRNA與hnRNA,mRNA約占細胞RNA總量的35%，是蛋白質(zhì)合成的模板。,真核生物mRNA的前體在核內(nèi)合成，包括整個基因的內(nèi)含子和外顯子的轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物，形成分子大小極不均勻的hnRNA。,（四）snRNA和asRNA,snRNA主要存于細胞核中，占細胞RNA總量的0.11%，與蛋白質(zhì)以RNP（核糖核酸蛋白）的形式存在，在hnRNA和rRNA的加工、細胞分裂和分化、協(xié)助細胞內(nèi)物質(zhì)運輸、構(gòu)成染色質(zhì)等方面有重要作用。,asRNA可通過互補序列與特定的mRNA結(jié)合，抑制mRNA的翻譯，還可抑制DNA

4、的復制和轉(zhuǎn)錄。,（五）RNA的其它功能,1981年，Cech發(fā)現(xiàn)RNA的催化活性，提出核酶（ribozyme）。,大部分核酶參加RNA的加工和成熟，也有催化C-N鍵的合成。23SrRNA具肽酰轉(zhuǎn)移酶活性。,RNA在DNA復制、轉(zhuǎn)錄、翻譯中均有一定的調(diào)控作用，與某些物質(zhì)的運輸與定位有關(guān)。,六、核酸的性質(zhì),（一）一般理化性質(zhì),1.為兩性電解質(zhì)，通常表現(xiàn)為酸性。,2.DNA為白色纖維狀固體，RNA為白色粉末，不溶于有機溶劑。,3.DNA溶液的粘度極高，而RNA溶液要小得多。,4.RNA能在室溫條件下被稀堿水解而DNA對堿穩(wěn)定。,5.利用核糖和脫氧核糖不同的顯色反應鑒定DNA與RNA。,（二）核酸的紫

5、外吸收性質(zhì),核酸的堿基具有共扼雙鍵，因而有紫外吸收性質(zhì)，吸收峰在260nm（蛋白質(zhì)的紫外吸收峰在280nm）。,核酸的光吸收值比各核苷酸光吸收值的和少3040%，當核酸變性或降解時光吸收值顯著增加（增色效應），但核酸復性后，光吸收值又回復到原有水平（減色效應）。,（三）核酸結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性,1.堿基對間的氫鍵；2.堿基堆積力；3.環(huán)境中的正離子。,（四）核酸的的變性,：雙螺旋區(qū)氫鍵斷裂，空間結(jié)構(gòu)破壞，形成單鏈無規(guī)線團狀，只涉及次級鍵的破壞。,DNA變性是個突變過程，類似結(jié)晶的熔解。將紫外吸收的增加量達到最大增量一半時的溫度稱熔解溫度(melting temperature, Tm)。,Tm,Tm,

6、影響Tm的因素：,（1）G-C的相對含量 （G+C）% =（Tm 69.3） 2.44,（2）介質(zhì)離子強度低，Tm低。,（3）高pH下堿基廣泛去質(zhì)子而喪失形成氫鍵的能力。,（4）變性劑如甲酰胺、尿素、甲醛等破壞氫鍵，妨礙堿基堆積，使Tm下降。,（五）核酸的復性（退火）,：變性核酸的互補鏈在適當條件下重新締合成雙螺旋的過程。,影響復性速度的因素：,（1）單鏈片段濃度,（2）單鏈片段的大小,（3）片段內(nèi)重復序列的多少,（4）溶液離子強度的大小,（5）溶液溫度的高低 （T 25）,（六）分子雜交,：在退火條件下，不同來源的DNA互補區(qū)形成氫鍵，或DNA單鏈和RNA鏈的互補區(qū)形成DNA-RNA雜合雙鏈

7、的過程。,探針：用放射性同位素或熒光標記的DNA或RNA片段。,原位雜交技術(shù)：直接用探針與菌落或組織細胞中的核酸雜交，未改變核酸所在的位置。,點雜交：將核酸直接點在膜上，再與核酸雜交。,Southern印跡法：將電泳分離后的DNA片段從凝膠轉(zhuǎn)移到硝酸纖維素膜上，再進行雜交。,Northern印跡法：將電泳分離后的RNA吸印到纖維素膜上再進行分子雜交。,七、核酸的序列測定,目前多采用Sanger的酶法和Gilbert的化學法,|,八、核酸的生物學功能和實踐意義,核酸是基本遺傳物質(zhì)，在蛋白質(zhì)的生物合成上又占有重要位置，因而在個體的生長、生殖、遺傳、變異和轉(zhuǎn)化等一系列生命現(xiàn)象中起決定性作用。,（一）

8、核酸與遺傳信息的傳遞,DNA是基本遺傳物質(zhì) 有了一定結(jié)構(gòu)的DNA，才能產(chǎn)生一定結(jié)構(gòu)的蛋白質(zhì)，由一定結(jié)構(gòu)的蛋白質(zhì)才有一定形態(tài)和生理特征，所以根據(jù)DNA的特定遺傳密碼產(chǎn)生的蛋白質(zhì)就代表特定生物的遺傳性。在遺傳過程中DNA的具體作用：（1）在細胞分裂時按照自己的結(jié)構(gòu)精確復制傳給后代；（2）作為模板將所貯遺傳信息傳給mRNA。,RNA在傳遞遺傳信息上的作用 mRNA是蛋白質(zhì)合成的模板；tRNA識別mRNA上的遺傳密碼，轉(zhuǎn)運特定氨基酸到核糖體上合成肽鏈；rRNA是核糖體的主要成分，是翻譯工作的場所。,（二）核酸與蛋白質(zhì)的生物合成,DNA轉(zhuǎn)錄為mRNA是有選擇的，tRNA和rRNA也是DNA的轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物。,

9、（三）核酸結(jié)構(gòu)改變與生物變異,一切生物的變異和進化都可以說是由于DNA的結(jié)構(gòu)改變而引起蛋白質(zhì)改變的結(jié)果。,生物遺傳的變異起源于DNA堿基配對的改變，有的由于DNA堿基的顛倒（如TA被顛倒為AT）或被調(diào)換（如GC被換為TA）；有的由于在DNA復制過程中被遺漏了一對或多了一對核苷酸，或者在轉(zhuǎn)譯時發(fā)生了差誤，如氨酰tRNA合成酶錯將一個結(jié)構(gòu)與正常氨基酸十分相似的物質(zhì)交給tRNA。還有一些生物的遺傳性狀發(fā)生了突變。,（四）DNA與細菌轉(zhuǎn)化,一種細菌的遺傳性狀因吸收了另一種細菌的DNA而發(fā)生改變的現(xiàn)象，稱為細菌的轉(zhuǎn)化。,（五）核酸與病變,遺傳性疾病是由于遺傳缺陷而產(chǎn)生的，也就是DNA結(jié)構(gòu)改變的結(jié)果。鐮刀

10、型紅細胞貧血和白化病(albinism)。,病毒對活細胞的侵染是寄主發(fā)生疾病，主要是由于核酸的的作用。流感、肝炎、帶狀皰疹、脊髓灰質(zhì)炎、白血病、煙草斑紋病。,（六）遺傳工程,遺傳工程是用人工方法改組DNA，從而培育新型生物品種的技術(shù)。,實驗室中將細菌作材料研究遺傳工程過程可分為：（1）重組DNA分子（基因重組）；（2）將重組DNA引入受體細胞（轉(zhuǎn)化或轉(zhuǎn)導）。,有利：（1）有可能培育出高產(chǎn)抗病、耐旱、耐寒、耐鹽堿的優(yōu)良性能的動植物新品種；（2）改良微生物品種使產(chǎn)生人工難以制得的生物活性物質(zhì)如胰島素、干擾素等；（3）解決某些疾病病因和控制這些疾病。,不利：引起某些疾病的廣泛流行和使某些細菌失去對抗

11、菌素的敏感性，或者使某些酶或激素失去應有的生物活性等。,（七）克隆與克隆化,由單一親代細胞用無性繁殖產(chǎn)生的子代細胞稱克隆，形成克隆的過程稱克隆化。,提要,本章主要介紹核酸的化學本質(zhì)、結(jié)構(gòu)和功能。總的要求是： 1.了解核酸的化學本質(zhì)及DNA和RNA在組分、結(jié)構(gòu)和功能上的差異。 2.弄清嘌呤、嘧啶、核苷、核苷酸和核酸在分子結(jié)構(gòu)上的關(guān)系。 3.了解核酸的結(jié)構(gòu)和它們的性質(zhì)、功能的相互關(guān)系。 認識核酸在生物科學上的重要性及其實踐意義。,注意：（1）核苷酸是核酸的基本組成單位，應以腺苷酸和胞苷酸為代表，徹底弄清核苷酸的化學結(jié)構(gòu)和化學性質(zhì)。結(jié)合有機化學把嘌呤和嘧啶的基本結(jié)構(gòu)搞清楚，同時把核酸中存在的A、T、

12、U、C、G的結(jié)構(gòu)記熟。（2）注意嘌呤、嘧啶同核糖在哪個部位連接成核苷，核苷如何同磷酸連接成核苷酸，核苷酸又如何連接成一級結(jié)構(gòu)的核苷酸鏈。要特別注意核酸的二、三級結(jié)構(gòu)中堿基的配對規(guī)律。（3）從分析比較核酸分子的組成和結(jié)構(gòu)上的特點，進而聯(lián)系它們的性質(zhì)和生物功能。,主要特征：1.四臂四環(huán)；2.氨基酸臂3端有CCAOH的共有結(jié)構(gòu)；3.D環(huán)上有二氫尿嘧啶（D）；4.反密碼環(huán)上的反密碼子與mRNA相互作用；5.可變環(huán)上的核苷酸數(shù)目可以變動；6.TC環(huán)含有T和；7.含有修飾堿基和不變核苷酸。,模板,引物,GGC,GGCC,GGCCATC,C,ddCTP,GGCCA,GGCCATCGTTGA,ddATP,A,

13、GGCCATCG,GGCCATCGTTG,G,ddGTP,GGCCAT,GGCCATCGT,GGCCATCGTT,T,ddTTP,核酸的種類、分布、功能,種類,脫氧核糖核酸（DNA）：是主要的遺傳物質(zhì)。,核糖核酸（RNA）,tRNA (15%),mRNA (3-5%),rRNA (80%),其它RNA：如反義RNA等,所有生物細胞都含有DNA和RNA這兩類核酸，而病毒只含DNA或RNA。 真核生物染色體DNA是線型雙鏈DNA。原核生物的染色體DNA、質(zhì)粒DNA和真核生物的細胞器DNA都是環(huán)狀雙鏈DNA。 細胞RNA通常都是線型單鏈，但病毒RNA則有線型與環(huán)狀、雙鏈與單鏈之分。,分布,DNA,原

14、核生物,真核生物,擬核,質(zhì)粒,染色體（質(zhì)）,細胞器：如線粒體、葉綠體等,RNA：核內(nèi)（snRNA、hnRNA）、胞質(zhì)(scRNA)、細胞器,質(zhì)粒DNA為cccDNA。類病毒為環(huán)狀ssRNA。 衛(wèi)星病毒或衛(wèi)星RNA是指沒有輔助性病毒協(xié)助時，不能在宿主細胞內(nèi)復制的病毒或RNA。,功能,DNA：是主要的遺傳物質(zhì)，遺傳信息以密碼形式編碼在核酸分子上，表現(xiàn)為特定的核苷酸序列。,RNA,參與蛋白質(zhì)合成,tRNA： 轉(zhuǎn)運、識別,rRNA： 裝配、催化,mRNA：信使、模板,多種細胞功能,RNA的5種功能,控制蛋白質(zhì)合成,作用于RNA轉(zhuǎn)錄后加工與修飾,基因表達與細胞功能調(diào)節(jié)：如反義RNA、RNAi （RNA干

15、擾）,生物催化與細胞持家功能（細胞基本功能）,遺傳信息的加工與進化,生物體通過DNA復制將遺傳信息由親代傳遞給子代。通過RNA轉(zhuǎn)錄和蛋白質(zhì)翻譯使遺傳信息在子代中得以表達。 基因是指具有遺傳效應的DNA片段或RNA，它能編碼蛋白質(zhì)或功能RNA。某些病毒的基因組是RNA。,核酸結(jié)構(gòu),核酸分子的組成 核酸的四級結(jié)構(gòu),基本內(nèi)容,核 酸,核酸分子組成,核苷酸,磷酸,核苷,戊糖,堿基,A,G,T,C,U,核糖,脫氧 核糖,堿基結(jié)構(gòu)、稀有堿基、核苷三磷酸、環(huán)化核苷酸,磷酸基的位置 在RNA分子中，磷酸在2、3、5均可；在DNA分子中，磷酸在3、5（ D-2-脫氧核糖 ）。 核酸分子的形成 由多個核苷酸分子聚

16、合而成，無分支結(jié)構(gòu)。核苷酸分子之間以 3，5磷酸二酯鍵相連。磷酸二酯鍵的走向為3 5。 DNA與RNA的四級結(jié)構(gòu)與蛋白質(zhì)四級結(jié)構(gòu)比較。,DNA的四級結(jié)構(gòu),一級結(jié)構(gòu)：由多個4種脫氧核苷酸分子通過3，5磷酸二酯鍵連接形成的直線型或環(huán)型多聚體。,二級結(jié)構(gòu)：在堿基互補配對的基礎(chǔ)上形成的DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)。,三級結(jié)構(gòu)：在二級結(jié)構(gòu)上，DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)通過折疊和扭曲所形成的特定構(gòu)象。如超螺旋等。,四級結(jié)構(gòu)：指DNA與蛋白質(zhì)形成的復合物。如染色體（質(zhì)）。,重要概念,堿基互補配對與Chargaff規(guī)則 DNA雙螺旋結(jié)構(gòu) DNA雙螺旋的幾種構(gòu)象 超螺旋 染色體（質(zhì)）的結(jié)構(gòu),堿基互補配對 指堿基A、T配對，堿基G、

17、C配對。它們之間分別通過2個氫鍵和3個氫鍵配對。即A=T G =C 。 Chargaff規(guī)則 在雙鏈DNA分子中，堿基摩爾數(shù)存在下列關(guān)系：A=T G=C A+C=G+T A+G=T+C DNA雙螺旋結(jié)構(gòu) 1953年，Watson和Crick在前人工作的基礎(chǔ)上提出DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型。該模型的特征如下： 兩條反向平行的多核苷酸鏈圍繞同一中心軸相互纏繞，且兩條鏈均為右手螺旋。堿基平面與縱軸垂直，糖環(huán)平面與縱軸平行；,嘌呤與嘧啶堿基位于雙螺旋的內(nèi)側(cè)； 雙螺旋的平均直徑為2nm， 兩個相鄰堿基對之間的距離為0.34nm，即堿基堆積距離為0.34nm；沿中心軸每旋轉(zhuǎn)一周有10個核苷酸，故每一轉(zhuǎn)的高度為3.4nm，即螺距為3.4nm；兩個核苷酸之間的夾角為36； 兩條核苷酸鏈依靠堿基之間形成的氫鍵而結(jié)合在一起，即A與T配對，C與G配對； 堿基在一條鏈上的排列順序不受限制，但一旦確定后，即可決定另一條互補鏈上的序列。 該模型中的DNA結(jié)構(gòu)稱為B型構(gòu)象，表示DNA鈉鹽在較高濕度下制得的纖維的結(jié)構(gòu)，可能比較接近大部分DNA在細胞中的構(gòu)象；DNA能以多