第三章核酸的結(jié)構(gòu)與功能

什么是核酸(nucleicacid)

天然存在的核酸可分為核糖核酸(RNA)和脫氧核糖核酸(DNA)兩大類。核酸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。第一頁，共五十三頁。核酸的分類及分布

90%以上分布于細(xì)胞核，其余分布于核外，如線粒體、葉綠體、質(zhì)粒等。攜帶遺傳信息，決定細(xì)胞和個(gè)體的基因型。分布于胞核、胞液。參與細(xì)胞內(nèi)DNA遺傳信息的表達(dá)。某些病毒RNA也可作為遺傳信息的載體。(DNA)(RNA)脫氧核糖核酸

核糖核酸第二頁，共五十三頁。第一節(jié)核酸的化學(xué)組成及其一級(jí)結(jié)構(gòu)TheChemicalComponentandPrimaryStructureofNucleicAcid3第三頁，共五十三頁。一、核酸的化學(xué)組成1.

元素組成C、H、O、N、P（9~10%，定磷法測(cè)核酸含量。）2.

分子組成組成單位——核苷酸戊糖：核糖，脫氧核糖堿基：嘌呤堿，嘧啶堿磷酸4第四頁，共五十三頁。嘌呤(purine)腺嘌呤(adenine,A)鳥嘌呤(guanine,G)（一）堿基5第五頁，共五十三頁。

嘧啶(pyrimidine)胞嘧啶(cytosine,C)尿嘧啶(uracil,U)胸腺嘧啶(thymine,T)稀有堿基！?。?，次黃嘌呤等第六頁，共五十三頁。（二）戊糖（五碳糖）（構(gòu)成RNA）1′2′3′4′5′核糖(ribose)（構(gòu)成DNA）脫氧核糖(deoxyribose)7第七頁，共五十三頁。核苷：AR,GRUR,CR脫氧核苷：dAR,dGR，dTR,dCR（三）核苷核苷(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）8第八頁，共五十三頁。核苷酸：AMP,GMP,

UMP,CMP脫氧核苷酸：dAMP,dGMP,dTMP,dCMP

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）。

（四）核苷酸(ribonucleotide)9第九頁，共五十三頁。Pi糖苷鍵OOHOCH2HOHNNNH2O磷酸酯鍵OPOOOHOHOCH2HOHNNNH2O第十頁，共五十三頁。重要的核苷酸衍生物

多磷酸核苷酸：NMP，NDP，NTPADPATPNOCH2OOHOHNNNNH2POOHOPOOHOPOOHOH11第十一頁，共五十三頁。5′端3′端(五)核苷酸的連接1.核苷酸之間以磷酸二酯鍵連接形成多核苷酸鏈，即核酸。CANH2NNOPOHHOOOH3COOHPHOOOH3COOHNH2NNNN磷酸二酯鍵第十二頁，共五十三頁。A

G

P5PT

PG

PC

PTPOH3書寫方法5pApGpTpGpCpT-OH

35

AGT

G

C

T

3第十三頁，共五十三頁。第二節(jié)DNA的結(jié)構(gòu)與功能(StructureandFunctionofDNA)一、DNA的一級(jí)結(jié)構(gòu)(一)定義核酸（DNA或RNA）中核苷酸從5’末端到3’末端的排列順序。由于脫氧核苷酸間的差異主要是堿基不同，所以也稱為堿基序列。DNA:A、T、G、CRNA:A、U、G、C第十四頁，共五十三頁。二、DNA的二級(jí)結(jié)構(gòu)——雙螺旋結(jié)構(gòu)15第十五頁，共五十三頁。1.定義即平行反向的右手雙螺旋結(jié)構(gòu)。Watson,Crick于1953提出。2.研究背景(1)堿基組成分析Chargaff規(guī)則：[A]=

[T][G]

[C](2)堿基的理化數(shù)據(jù)分析A-T、G-C以氫鍵配對(duì)較合理(3)X-線衍射圖譜分析

第十六頁，共五十三頁。（二）DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型要點(diǎn)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中心軸。螺旋直徑為2.4nm.螺旋表面形成大溝(majorgroove)及小溝(minorgroove)相間。溝狀與DNA、蛋白質(zhì)之間的相互作用有關(guān)。17第十七頁，共五十三頁。堿基垂直螺旋軸居雙螺旋內(nèi)側(cè)，與對(duì)側(cè)堿基形成氫鍵配對(duì)（互補(bǔ)配對(duì)形式：A=T;GC）。相鄰堿基平面距離0.34nm，螺旋一圈螺距3.54nm，一圈10.5對(duì)堿基。（二）DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型要點(diǎn)18第十八頁，共五十三頁。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。（二）DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型要點(diǎn)ATCGHNNNNNHOHNNCH3ONNNNOHHNHNNNOHH19第十九頁，共五十三頁。（三）.DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的多樣性不同類型DNA的結(jié)構(gòu)參數(shù)

A型－DNAB型－DNAZ型－DNA螺旋旋向右手螺旋右手螺旋左手螺旋螺旋直徑2.55nm2.37nm1.84nm每一螺旋的堿基對(duì)數(shù)目1110.412螺距2.53nm3.54nm4.56nm相鄰堿基對(duì)之間的垂直間距0.23nm0.34nm0.38nmWatson和Crick當(dāng)年提出的是理想化的DNA雙螺旋模型，后來發(fā)現(xiàn)其各項(xiàng)參數(shù)均與實(shí)際的DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)有一定差異。

第二十頁，共五十三頁。(四)DNA的高級(jí)結(jié)構(gòu)1.原核生物DNA的超螺旋結(jié)構(gòu)(1)定義即在DNA二級(jí)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上進(jìn)一步折疊成環(huán)狀或麻花狀的超螺旋結(jié)構(gòu)(superhelix或supercoil)。環(huán)狀麻花狀

第二十一頁，共五十三頁。(3)意義DNA超螺旋結(jié)構(gòu)整體或局部的拓?fù)鋵W(xué)變化及其調(diào)控對(duì)于DNA復(fù)制和RNA轉(zhuǎn)錄過程具有關(guān)鍵作用。①正超螺旋(positivesupercoil)盤繞方向與DNA雙螺旋方同相同。②負(fù)超螺旋(negativesupercoil)盤繞方向與DNA雙螺旋方向相反。(2)種類第二十二頁，共五十三頁。2.DNA在真核生物細(xì)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)。23第二十三頁，共五十三頁。

核心顆粒核小體連接區(qū)核心顆粒：由長(zhǎng)約150bp的雙螺旋DNA以超螺旋方式纏繞組蛋白八聚體1.75圈組成。連接區(qū)：由連接區(qū)DNA和組蛋白H1組成連接區(qū)DNA：連接相鄰兩個(gè)核心顆粒核小體的構(gòu)成

連接區(qū)DNA（約60bp）組蛋白H1DNA（約150bp）組蛋白八聚體24第二十四頁，共五十三頁。組蛋白（histone)組蛋白種類：

H1、H2A、H2B、H3、H4組蛋白八聚體（核心組蛋白）：由各二分子H2A、H2B、H3、H4組成八聚體H1

：位于連接區(qū)H1

25第二十五頁，共五十三頁。StructureandFunctionofRNA第三節(jié)RNA的結(jié)構(gòu)與功能26第二十六頁，共五十三頁。RNA的種類、分布、功能27第二十七頁，共五十三頁。*mRNA結(jié)構(gòu)特點(diǎn)1.大多數(shù)真核mRNA的5′末端均在轉(zhuǎn)錄后加上一個(gè)7-甲基鳥苷三磷酸，形成帽子結(jié)構(gòu)：m7GpppN。2.大多數(shù)真核mRNA的3′末端有一個(gè)多聚腺苷酸(polyA)結(jié)構(gòu)，稱為多聚A尾。一、信使RNA的結(jié)構(gòu)與功能28第二十八頁，共五十三頁。真核生物mRNA的帽子結(jié)構(gòu)5＇5＇3.帽子結(jié)構(gòu)和多聚A尾的功能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。第二十九頁，共五十三頁。

轉(zhuǎn)錄核內(nèi)DNA遺傳信息的堿基排列順序，并攜帶至細(xì)胞質(zhì)，指導(dǎo)蛋白質(zhì)合成中的氨基酸排列順序。

DNAmRNA蛋白轉(zhuǎn)錄翻譯原核細(xì)胞mRNA的功能遺傳密碼：每三個(gè)相鄰的核苷酸組成堿基三聯(lián)體，決定蛋白質(zhì)中氨基酸的排列順序。

30第三十頁，共五十三頁。1.tRNA分子含有較多的稀有堿基含10-20%稀有堿基，如DHU3′末端為—CCA-OH二、轉(zhuǎn)運(yùn)RNA的結(jié)構(gòu)與功能31第三十一頁，共五十三頁。

稀有堿基第三十二頁，共五十三頁。tRNA的二級(jí)結(jié)構(gòu)

tRNA的二級(jí)結(jié)構(gòu)為平面卷曲的三葉草構(gòu)型。(2)由單鏈卷曲形成局部環(huán)狀雙鏈。(3)反密碼環(huán)，帶有反密碼子可破譯遺傳密碼。(4)氨基酸臂，直接結(jié)合被活化的氨基酸。2.tRNA的二級(jí)結(jié)構(gòu)第三十三頁，共五十三頁。2.tRNA的二級(jí)結(jié)構(gòu)

——三葉草形莖環(huán)結(jié)構(gòu)（發(fā)夾結(jié)構(gòu)）氨基酸臂

DHU環(huán)反密碼環(huán)附加叉（額外環(huán)）

TΨC環(huán)額外環(huán)氨基酸臂DHU環(huán)反密碼環(huán)環(huán)TΨC環(huán)反密碼子5＇34第三十四頁，共五十三頁。3.tRNA的三級(jí)結(jié)構(gòu)——

倒L形*tRNA的功能搬運(yùn)氨基酸到核糖體和識(shí)別密碼子，參與蛋白質(zhì)的翻譯。35第三十五頁，共五十三頁。4、氨基酸通過酯鍵連接在3’末端的2’-OH或3’-OH上。有的AA有一種tRNA載體，有的AA則有多個(gè)tRNA載體。5、

tRNA的功能破譯遺傳密碼；活化、搬運(yùn)氨基酸到核糖體，參與蛋白質(zhì)的翻譯。第三十六頁，共五十三頁。*rRNA的結(jié)構(gòu)*rRNA的功能參與組成核蛋白體，作為蛋白質(zhì)生物合成的場(chǎng)所。37第三十七頁，共五十三頁。(二)rRNA由單鏈卷曲構(gòu)成的多莖環(huán)結(jié)構(gòu)。(三)rRNA參與組成核糖體的大、小亞基，作為蛋白質(zhì)生物合成的場(chǎng)所。(一)rRNA占總RNA的80％以上。三、核糖體RNA的結(jié)構(gòu)與功能第三十八頁，共五十三頁。(四)rRNA的種類（根據(jù)沉降系數(shù)）真核生物5SrRNA28SrRNA5.8SrRNA18SrRNA原核生物5SrRNA23SrRNA16SrRNA39第三十九頁，共五十三頁。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(gè)核苷酸18S1874個(gè)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(gè)核苷酸120個(gè)核苷酸28S5.8S5S4718個(gè)核苷酸160個(gè)核苷酸120個(gè)核苷酸蛋白質(zhì)31種占總重量的30%49種占總重量的35%40第四十頁，共五十三頁。四、小分子核內(nèi)RNA與RNA組學(xué)(一)snmRNAs

除了上述三種RNA外，細(xì)胞的不同部位存在的許多其他種類的小分子RNA，統(tǒng)稱為小非信使RNA(smallnon-messengerRNAs,snmRNAs)。包括核內(nèi)小RNA、核仁小RNA、胞質(zhì)小RNA、催化性小RNA、小片段干涉RNA。參與hnRNA和rRNA的加工和轉(zhuǎn)運(yùn)。(二)RNA組學(xué)RNA組學(xué)是研究細(xì)胞中snmRNAs的種類、結(jié)構(gòu)和功能。生物的不同細(xì)胞、不同時(shí)間、不同狀態(tài)下snmRNAs的表達(dá)具有時(shí)間和空間特異性。

第四十一頁，共五十三頁。核酸的理化性質(zhì)ThePhysicalandChemicalCharactersofNucleicAcid第四節(jié)42第四十二頁，共五十三頁。

核酸是含磷酸和堿基的兩性電解質(zhì)，通常表現(xiàn)為較強(qiáng)的酸性?？捎秒娪竞碗x子交換分離純化核酸。在堿性條件下，RNA不穩(wěn)定，可在室溫下水解。利用這個(gè)性質(zhì)可以測(cè)定RNA的堿基組成，也可清除DNA溶液中混雜的RNA。核酸是線性的大分子，其在溶液中的粘度很高。RNA分子比DNA短，在溶液中的粘度低于DNA。一、核酸的一般理化性質(zhì)第四十三頁，共五十三頁。一、核酸的一般理化性質(zhì)中性條件下，核酸最大紫外吸收峰在260nm附件。44第四十四頁，共五十三頁。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45第四十五頁，共五十三頁。二、DNA的變性與復(fù)性(一)變性

(denaturation)1.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。本質(zhì)是雙鏈間氫鍵的斷裂。3.變性后其他理化性質(zhì)變化①OD260增高②浮力密度升高 ③粘度下降④酸堿滴定曲線改變⑤比旋度下降⑥生物活性喪失 (1)理化性質(zhì)變化2.因素強(qiáng)酸，強(qiáng)堿，高溫，高壓，變性試劑如尿素以及某些有機(jī)溶劑如乙醇等。第四十六頁，共五十三頁。DNA變性的本質(zhì)是雙鏈間氫鍵的斷裂第四十七頁，共五十三頁。(2)增色效應(yīng)：

DNA變性時(shí)，更多的共軛雙鍵暴露，其溶液OD260增高的現(xiàn)象。DNA的紫外吸收光譜200

2502603001.51.00.5波長(zhǎng)(nm)吸光度值變性狀態(tài)天然狀態(tài)第四十八頁，共五十三頁。(3)Tm：紫外光吸收值達(dá)到最大值的50%時(shí)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。

解鏈曲線：在連續(xù)加熱DNA的過程中，以溫度為橫坐標(biāo)，以吸光度A260為縱坐標(biāo)作圖，所得的曲線稱為解鏈曲線。768084889296100℃OD2600.700.650.600.550.50Tm第四十九頁，共五十三頁。(二)復(fù)性