第章 核酸結構與功能

二、核酸的發(fā)現(xiàn)和研究工作進展

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1953年

Watson和Crick發(fā)現(xiàn)DNA的雙螺旋結構1968年Nirenberg發(fā)現(xiàn)遺傳密碼1975年Temin和Baltimore發(fā)現(xiàn)逆轉錄酶1981年Gilbert和Sanger建立DNA測序方法1985年Mullis發(fā)明PCR技術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2003年人類基因組計劃完成——

約3萬個基因

目前一頁\總數(shù)四十三頁\編于十二點三、核酸的分類及分布

90%以上分布于細胞核，其余分布于核外如線粒體，葉綠體，質粒等。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，決定細胞和個體的基因型(genotype)。

參與細胞內DNA遺傳信息的表達。某些病毒RNA也可作為遺傳信息的載體。目前二頁\總數(shù)四十三頁\編于十二點第一節(jié)核酸的分子組成目前三頁\總數(shù)四十三頁\編于十二點堿基(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中堿基目前四頁\總數(shù)四十三頁\編于十二點目前五頁\總數(shù)四十三頁\編于十二點(1)嘌呤(purine)

腺嘌呤(adenine,A)鳥嘌呤(guanine,G)1.堿基NNNHN123456789NNNHNNH2NNHNHNNH2O目前六頁\總數(shù)四十三頁\編于十二點(2)嘧啶(pyrimidine)胞嘧啶(cytosine,C)胸腺嘧啶(thymine,T)NHN132456尿嘧啶(uracil,U)NHNHOONNHNH2ONHNHOOCH3目前七頁\總數(shù)四十三頁\編于十二點2.戊糖（構成RNA）1′2′3′4′5′核糖(ribose)（構成DNA）脫氧核糖(deoxyribose)OHOCH2OHOHOHOHOCH2OHOH目前八頁\總數(shù)四十三頁\編于十二點二、基本單位——核苷酸(一)核苷酸(二)核苷1.堿基和核糖(脫氧核糖)通過糖苷鍵連接形成核苷(脫氧核苷)。2.核苷種類

核苷：AR,GR,UR,CR脫氧核苷：dAR,dGR,dTR,dCR1.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）。

核苷酸：AMP,GMP,UMP,CMP脫氧核苷酸：dAMP,

dGMP,

dTMP,

dCMP2.核苷酸種類

目前九頁\總數(shù)四十三頁\編于十二點核苷OHOCH2OHOHOH堿基和核糖(脫氧核糖)通過糖苷鍵連接形成核苷(脫氧核苷)。目前十頁\總數(shù)四十三頁\編于十二點OHOCH2OHOHOH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）核苷酸：AMP,GMP,UMP,CMP脫氧核苷酸：dAMP,

dGMP,

dTMP,

dCMP目前十一頁\總數(shù)四十三頁\編于十二點(三)重要的游離核苷酸及其衍生物1.多磷酸核苷酸NMP，NDP，NTP2.環(huán)化核苷酸cAMP，cGMPATPNOCH2OOHOHNNNNH2POOHOPOOHOPOOHOH腺嘌呤（A）核糖腺嘌呤核苷三磷酸目前十二頁\總數(shù)四十三頁\編于十二點5′端3′端(四)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磷酸二酯鍵目前十三頁\總數(shù)四十三頁\編于十二點交替的磷酸基團和戊糖構成了DNA的骨架。DNA鏈的方向是5

→

35端為磷酸基；3端為羥基；堿基的變化形成了核酸鏈的多樣性。目前十四頁\總數(shù)四十三頁\編于十二點第二節(jié)

DNA的結構與功能

一、核酸的一級結構(一)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。DNA:A、T、G、CRNA:A、U、G、C目前十五頁\總數(shù)四十三頁\編于十二點DNA堿基序列目前十六頁\總數(shù)四十三頁\編于十二點二、DNA的空間結構與功能(一)DNA的二級結構

1.定義即反向平行的右手雙螺旋結構。Watson,Crick于1953提出。2.堿基配對Chargaff規(guī)則：[A]=

[T]

[G]

[C]目前十七頁\總數(shù)四十三頁\編于十二點3.DNA雙螺旋結構模型要點

(1)由兩條相互平行但走向相反的脫氧多核苷酸鏈組成，以右手螺旋方式盤繞中心軸。

(3)DNA雙鏈之間形成了互補堿基對。(2)堿基位于雙鏈內側，核糖與磷酸位于外側。(4)堿基對的疏水作用力和氫鍵共同維持DNA雙螺旋結構的穩(wěn)定。目前十八頁\總數(shù)四十三頁\編于十二點4.DNA雙螺旋結構的多樣性不同類型DNA的結構參數(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每一螺旋的堿基對數(shù)目1110.412螺距2.53nm3.54nm4.56nm相鄰堿基對之間的垂直間距0.23nm0.34nm0.38nmWatson和Crick當年提出的是理想化的DNA雙螺旋模型，后來發(fā)現(xiàn)其各項參數(shù)均與實際的DNA雙螺旋結構有一定差異。

目前十九頁\總數(shù)四十三頁\編于十二點(二)DNA的三級結構1.原核生物DNA的超螺旋結構(1)定義即在DNA二級結構的基礎上進一步折疊成環(huán)狀或麻花狀的超螺旋結構(superhelix或supercoil)。環(huán)狀麻花狀

目前二十頁\總數(shù)四十三頁\編于十二點(3)意義

DNA超螺旋結構整體或局部的拓撲學變化及其調控對于DNA復制和RNA轉錄過程具有關鍵作用。①正超螺旋(positivesupercoil)盤繞方向與DNA雙螺旋方同相同。②負超螺旋(negativesupercoil)盤繞方向與DNA雙螺旋方向相反。(2)種類目前二十一頁\總數(shù)四十三頁\編于十二點2.真核生物DNA的超螺旋結構①真核生物染色體由DNA和蛋白質構成，其基本單位是核小體。(1)真核生物細胞核內DNA形成高度有序的致密結構

②核小體的組成DNA：約200bpH1H2A，H2BH3H4組蛋白目前二十二頁\總數(shù)四十三頁\編于十二點(三)DNA的功能1.DNA的基本功能是以基因的形式荷載遺傳信息，并作為基因復制和轉錄的模板。它是生命遺傳的物質基礎。2.DNA具有高度穩(wěn)定性的特點，用來保持生物體系遺傳的相對穩(wěn)定性。同時，DNA又表現(xiàn)出高度復雜性的特點，它可以發(fā)生各種重組和突變，適應環(huán)境的變遷，為自然選擇提供機會。

目前二十三頁\總數(shù)四十三頁\編于十二點第三節(jié)

RNA的結構與功能

根據(jù)RNA的功能可分為mRNA、tRNA、rRNA等多種。IF-3IF-1IF-2GTPAUG5'3'目前二十四頁\總數(shù)四十三頁\編于十二點1.真核生物mRNA的5′-端有特殊的帽子結構

一、mRNA是蛋白質合成中的模板2.真核生物mRNA的3′-端有多聚腺苷酸尾巴5’3’目前二十五頁\總數(shù)四十三頁\編于十二點AUGGUG······GCGAGGTGTATTGA······UAAAAAA······Anm7Gpppp5/帽子結構5/非編碼區(qū)編碼區(qū)3/非編碼區(qū)3/多聚A尾3.mRNA的堿基序列決定蛋白質的氨基酸序列從編碼區(qū)5端AUG（起始密碼子）至3端UAA（終止密碼子）為止，每3個核苷酸為一組，稱為三聯(lián)密碼子。每3個核苷酸（即一組三聯(lián)密碼子），經翻譯后對應于1個氨基酸分子。編碼區(qū)指能夠直接指導合成蛋白質的區(qū)域，而非編碼區(qū)主要對合成過程進行調控，本身不翻譯成相應的蛋白質。目前二十六頁\總數(shù)四十三頁\編于十二點(二)mRNA的功能DNAmRNA蛋白轉錄翻譯原核細胞

細胞質細胞核DNA內含子外顯子轉錄轉錄后剪接轉運mRNAhnRNA翻譯蛋白真核細胞

1.構成遺傳密碼，傳遞DNA所攜帶的遺傳信息。

2.用連續(xù)三個核苷酸作為密碼子以決定其合成蛋白質的氨基酸排列順序。目前二十七頁\總數(shù)四十三頁\編于十二點hnRNA內含子(intron)mRNA真核生物mRNA成熟過程

外顯子(exon)目前二十八頁\總數(shù)四十三頁\編于十二點二、tRNA的結構與功能轉運RNA(transferRNA,tRNA)在蛋白質合成（翻譯過程）中作為各種氨基酸的載體,按照三聯(lián)密碼子的配對原則將氨基酸轉呈給mRNA，從而最終將mRNA上的信息與氨基酸序列對應。由74～95核苷酸組成；具有很好的穩(wěn)定性。目前二十九頁\總數(shù)四十三頁\編于十二點(二)tRNA的結構氨基酸臂OHACCAGAGGGCCCCCCGCAAGCCGCUCUCGUAUCTΨCCGGGGGGGCAAGmDDGGDDDAACAGUUAAAAψGUUCCDmAACA反密碼子環(huán)反密碼子tRNA的二級結構

(1)

tRNA的二級結構為平面卷曲的三葉草構型。(2)頭部：反密碼子環(huán)，與mRNA上的密碼子配對。(3)尾部：氨基酸臂，攜帶活化的氨基酸。(4)不同的氨基酸需要不用的tRNA進行運輸：反密碼子與攜帶的氨基酸具有的對應性。目前三十頁\總數(shù)四十三頁\編于十二點2.tRNA的三級結構(三)tRNA的功能1.破譯遺傳密碼（反密碼子）；

2.活化、搬運氨基酸到核糖體，參與蛋白質的翻譯（氨基酸臂）。X線衍射結構證明，tRNA的共同三級結構為倒L形。目前三十一頁\總數(shù)四十三頁\編于十二點目前三十二頁\總數(shù)四十三頁\編于十二點(二)rRNA由單鏈卷曲構成的多莖環(huán)結構。三、rRNA的結構與功能(三)rRNA參與組成核糖體的大、小亞基，作為蛋白質生物合成的場所。(一)rRNA占總RNA的80％以上。(四)根據(jù)沉降系數(shù)，rRNA在原核生物中有5S,23S,16S三種；在真核生物中有5S,28S,5.8S,18S四種。目前三十三頁\總數(shù)四十三頁\編于十二點目前三十四頁\總數(shù)四十三頁\編于十二點目前三十五頁\總數(shù)四十三頁\編于十二點紫外吸收

由于嘌呤和嘧啶中含有共軛雙鍵，核酸在260nm或附近處有最大吸收峰。該特點常用于核酸定量分析。堿基的紫外光譜240250260270280波長(nm)2000400060008000100001200014000分子消光系數(shù)AMPGMPUMPCMPdTMP第四節(jié)核酸的理化性質目前三十六頁\總數(shù)四十三頁\編于十二點目前三十七頁\總數(shù)四十三頁\編于十二點DNA的變性與復性(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。本質是雙鏈間氫鍵的斷裂。2.因素強酸，強堿，高溫，高壓，變性試劑如尿素以及某些有機溶劑如乙醇等。目前三十八頁\總數(shù)四十三頁\編于十二點(二)復性

1.DNA復性(renaturation)的定義(1)當變性因素去除后，變性DNA的兩條互補鏈可恢復天然的