第三章核酸的結(jié)構(gòu)與功能2

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。當(dāng)前1頁，總共75頁。一、核酸的發(fā)現(xiàn)和研究工作進(jìn)展1868年FridrichMiescher從膿細(xì)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基本框架當(dāng)前2頁，總共75頁。二、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。分布于胞核、胞液。(deoxyribonucleicacid,DNA)(ribonucleicacid,RNA)脫氧核糖核酸核糖核酸攜帶遺傳信息，決定細(xì)胞和個體的基因型(genotype)。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。當(dāng)前3頁，總共75頁。第一節(jié)核酸的化學(xué)組成及其一級結(jié)構(gòu)TheChemicalComponentandPrimaryStructureofNucleicAcid當(dāng)前4頁，總共75頁。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)當(dāng)前5頁，總共75頁。嘌呤(purine)腺嘌呤(adenine,A)鳥嘌呤(guanine,G)堿基當(dāng)前6頁，總共75頁。嘧啶(pyrimidine)胞嘧啶(cytosine,C)尿嘧啶(uracil,U)胸腺嘧啶(thymine,T)當(dāng)前7頁，總共75頁。稀有堿基嘌呤——次黃嘌呤、1-甲基次黃嘌呤、N2、N2-二甲基鳥嘌呤。嘧啶——5-甲基胞嘧啶、5-羥甲基胞嘧啶、二氫尿嘧啶、4-巰尿嘧啶都是基本堿基的化學(xué)修飾型。當(dāng)前8頁，總共75頁。鳥嘌呤次黃嘌呤1-甲基次黃嘌呤當(dāng)前9頁，總共75頁。戊糖（構(gòu)成RNA）1′2′3′4′5′核糖(ribose)（構(gòu)成DNA）脫氧核糖(deoxyribose)當(dāng)前10頁，總共75頁。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當(dāng)前11頁，總共75頁。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）。

當(dāng)前12頁，總共75頁。例如：AMPadenosinemonophosphate腺苷一磷酸或一磷酸腺苷簡稱：腺苷酸dAMPdeoxyadenosinemonophosphate脫氧一磷酸腺苷/一磷酸脫氧腺苷簡稱：脫氧腺苷酸默認(rèn)情況下核苷酸均為5'-核苷酸當(dāng)前13頁，總共75頁。體內(nèi)重要的游離核苷酸及其衍生物多磷酸核苷酸：NMP，NDP，NTP能量的直接共體能量直接共體當(dāng)前14頁，總共75頁。

環(huán)化核苷酸:cAMP，cGMP細(xì)胞內(nèi)的第二信使當(dāng)前15頁，總共75頁。含核苷酸的生物活性物質(zhì)：NAD+、NADP+、CoA-SH、FAD等都含有AMPNADP+NAD+當(dāng)前16頁，總共75頁。核苷酸的生物學(xué)功用作為核酸合成的原料體內(nèi)能量的利用形式參與代謝和生理調(diào)節(jié)組成輔酶活化中間代謝物當(dāng)前17頁，總共75頁。5′端3′端3.核苷酸的連接核苷酸之間以磷酸二酯鍵連接形成多核苷酸鏈，即核酸。CGA當(dāng)前18頁，總共75頁。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CGA方向當(dāng)前19頁，總共75頁。AGP5PTPGPCPTPOH3書寫方法5pApCpTpGpCpT-OH

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ACTGCT

3當(dāng)前20頁，總共75頁。第二節(jié)DNA的空間結(jié)構(gòu)與功能DimensionalStructureandFunctionofDNA當(dāng)前21頁，總共75頁。一、DNA的二級結(jié)構(gòu)——雙螺旋結(jié)構(gòu)當(dāng)前22頁，總共75頁。（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-線衍射圖譜分析當(dāng)前23頁，總共75頁。A.DNA堿基互補(bǔ)原則腺嘌呤胸腺嘧啶鳥嘌呤胞嘧啶其他組合易相互排斥例如G:T＊因此，DNA的雙股系藉著A:T和G

:

C的配對關(guān)系互相結(jié)合。當(dāng)前24頁，總共75頁。DNA一股的核苷酸序列與另一股的序列

互補(bǔ)（A-T、G-C）。當(dāng)前25頁，總共75頁。B.二級結(jié)構(gòu)—B型雙螺旋結(jié)構(gòu)大部分DNA所具有的雙螺旋結(jié)構(gòu)，亦稱為B型小溝大溝1.反向、平行、右手螺旋5`3`5`3`2.鏈間堿基配對相連3.每10個堿基對螺旋上升一周當(dāng)前26頁，總共75頁。C.雙螺旋結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定因素DNA雙螺旋在生理狀態(tài)下十分穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)不發(fā)生變化。提問：起穩(wěn)定作用的有哪些力呢？答案：疏水作用力（主要）

（又稱堿基堆積力）

氫鍵

范德華力當(dāng)前27頁，總共75頁。（二）DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型要點

（Watson,Crick,1953）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(bǔ)配對形式：A=T;GC）。相鄰堿基平面距離0.34nm，螺旋一圈螺距3.4nm，一圈10對堿基。當(dāng)前28頁，總共75頁。堿基互補(bǔ)配對TAGC當(dāng)前29頁，總共75頁。（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。當(dāng)前30頁，總共75頁。（三）DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的多樣性Z型DNAB型DNAA型DNA當(dāng)前31頁，總共75頁。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)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(fù)超螺旋(negativesupercoil)盤繞方向與DNA雙螺旋方向相反當(dāng)前32頁，總共75頁。原核生物以及真核生物細(xì)胞器環(huán)狀DNA的超螺旋三級結(jié)構(gòu)葉綠體中含有環(huán)狀DNA線粒體中含有環(huán)狀DNA細(xì)菌等原核生物質(zhì)粒染色體當(dāng)前33頁，總共75頁。固定負(fù)超螺旋（右手拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)）反之，則為正超螺旋自然界通常為負(fù)超螺旋。提問：DNA形成三級結(jié)構(gòu)及染色體的意義何在？答案：壓縮分子空間人體每個體細(xì)胞DNA長2m,細(xì)胞直徑0.1mm,細(xì)胞核0.05mm環(huán)狀DNA右旋當(dāng)前34頁，總共75頁。DNA的三級結(jié)構(gòu)：DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)進(jìn)一步盤曲形成的復(fù)雜結(jié)構(gòu)。以超螺旋最為常見負(fù)超螺旋模型（多見）正超螺旋當(dāng)前35頁，總共75頁。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)控對于DNA復(fù)制和RNA轉(zhuǎn)錄過程具有關(guān)鍵作用。當(dāng)前36頁，總共75頁。（三）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)。核小體的組成DNA：約200bp組蛋白：H1H2A，H2BH3H4當(dāng)前37頁，總共75頁。當(dāng)前38頁，總共75頁。串珠狀核小體結(jié)構(gòu)當(dāng)前39頁，總共75頁。串珠狀核小體DNA雙螺旋片段染色質(zhì)纖維伸展形染色質(zhì)片段密集形染色質(zhì)片段整個染色體當(dāng)前40頁，總共75頁。核小體螺線管真核生物染色體DNA組裝當(dāng)前41頁，總共75頁。.真核細(xì)胞染色體的DNA念珠狀三級結(jié)構(gòu)當(dāng)前42頁，總共75頁。三、DNA的功能DNA的基本功能是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。它是生命遺傳的物質(zhì)基礎(chǔ)，也是個體生命活動的信息基礎(chǔ)?；驈慕Y(jié)構(gòu)上定義，是指DNA分子中的特定區(qū)段，其中的核苷酸排列順序決定了基因的功能。當(dāng)前43頁，總共75頁。第三節(jié)

RNA的結(jié)構(gòu)與功能StructureandFunctionofRNA當(dāng)前44頁，總共75頁。RNA的種類、分布、功能當(dāng)前45頁，總共75頁。一、信使RNA的結(jié)構(gòu)與功能hnRNA內(nèi)含子(intron)mRNA*mRNA成熟過程

外顯子(exon)當(dāng)前46頁，總共75頁。*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)：m7GpppNm-。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。當(dāng)前47頁，總共75頁。帽子結(jié)構(gòu)當(dāng)前48頁，總共75頁。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尾的功能當(dāng)前49頁，總共75頁。*mRNA的功能把DNA所攜帶的遺傳信息，按堿基互補(bǔ)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(xì)胞細(xì)胞質(zhì)細(xì)胞核DNA內(nèi)含子外顯子轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)錄后剪接轉(zhuǎn)運(yùn)mRNAhnRNA翻譯蛋白真核細(xì)胞當(dāng)前50頁，總共75頁。*

tRNA的一級結(jié)構(gòu)特點含10~20%稀有堿基，如DHU3′末端為—CCA-OH5′末端大多數(shù)為G

具有TC二、轉(zhuǎn)運(yùn)RNA的結(jié)構(gòu)與功能當(dāng)前51頁，總共75頁。N,N二甲基鳥嘌呤N6-異戊烯腺嘌呤雙氫尿嘧啶4-巰尿嘧啶稀有堿基當(dāng)前52頁，總共75頁。*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)氨基酸臂額外環(huán)當(dāng)前53頁，總共75頁。*tRNA的三級結(jié)構(gòu)——倒L形*tRNA的功能活化、搬運(yùn)氨基酸到核糖體，參與蛋白質(zhì)的翻譯。當(dāng)前54頁，總共75頁。*rRNA的結(jié)構(gòu)三、核蛋白體RNA的結(jié)構(gòu)與功能*rRNA的功能參與組成核蛋白體，作為蛋白質(zhì)生物合成的場所。當(dāng)前55頁，總共75頁。*rRNA的種類（根據(jù)沉降系數(shù)）真核生物5SrRNA28SrRNA5.8SrRNA18SrRNA原核生物5SrRNA23SrRNA16SrRNA當(dāng)前56頁，總共75頁。核蛋白體的組成當(dāng)前57頁，總共75頁。四、其他小分子RNA及RNA組學(xué)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)稱為非mRNA小RNA(smallnon-messengerRNAs,snmRNAs)。

snmRNAs當(dāng)前58頁，總共75頁。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(yùn)。當(dāng)前59頁，總共75頁。RNA組學(xué)研究細(xì)胞中snmRNAs的種類、結(jié)構(gòu)和功能。同一生物體內(nèi)不同種類的細(xì)胞、同一細(xì)胞在不同時間、不同狀態(tài)下snmRNAs的表達(dá)具有時間和空間特異性。RNA組學(xué)當(dāng)前60頁，總共75頁。核酸的理化性質(zhì)ThePhysicalandChemicalCharactersofNucleicAcid第四節(jié)目錄當(dāng)前61頁，總共75頁。當(dāng)前62頁，總共75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)用目錄當(dāng)前63頁，總共75頁。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，變性試劑如尿素、酰胺以及某些有機(jī)溶劑如乙醇、丙酮等。變性后其它理化性質(zhì)變化：OD260增高 粘度下降比旋度下降 浮力密度升高酸堿滴定曲線改變 生物活性喪失目錄當(dāng)前64頁，總共75頁。DNA變性的本質(zhì)是雙鏈間氫鍵的斷裂當(dāng)前65頁，總共75頁。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OD260增高的現(xiàn)象。目錄當(dāng)前66頁，總共75頁。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（absorbance，A，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。目錄當(dāng)前67頁，總共75頁。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