第五章核酸結構功能

核酸的化學第一節(jié)核酸的組成與結構第二節(jié)核酸的分子結構一、DNA的分子結構二、RNA的種類和分子結構第三節(jié)核酸的理化性質第四節(jié)核酸研究常用技術本文檔共81頁；當前第1頁；編輯于星期六\11點25分第一節(jié)核酸的組成與結構一、核酸的生物功能1、核酸是遺傳變異的物質基礎2、核酸與生物遺傳信息的傳遞3、核酸與醫(yī)藥如：核酸類衍生物具有抗病毒及抗癌作用本文檔共81頁；當前第2頁；編輯于星期六\11點25分二、核酸的組成1核酸分子中核苷酸的化學組成與命名(1)堿基、核苷、核苷酸的概念和關系

(2)

核糖和脫氧核糖

（3）常見堿基的結構與命名法

(4)

常見（脫氧）核苷酸的基本結構與命名(5)稀有核苷酸2細胞內游離核苷酸及其衍生物本文檔共81頁；當前第3頁；編輯于星期六\11點25分1）堿基、核苷、核苷酸的概念和關系

NitrogenousbasePentosesugarHOCH2HOHDoxyribose(inDNA)HOCH2HOOHRibose(inRNA)PhosphatePyrimidinesCytosineThymineUracilCUTPurihesAdenineGuanineAG本文檔共81頁；當前第4頁；編輯于星期六\11點25分2）核糖和脫氧核糖本文檔共81頁；當前第5頁；編輯于星期六\11點25分3）常見堿基結構和命名嘌呤嘧啶Adenine

(A)Guanine

(G)Cytosine(C)Uracil(U)Thymine(T)本文檔共81頁；當前第6頁；編輯于星期六\11點25分5′-磷酸核苷酸的基本結構OO（N=A、G、C、U、T）HH(O)H1′2′NOHCH2HH5′4′3′PO-OOO-本文檔共81頁；當前第7頁；編輯于星期六\11點25分核苷酸的結構和命名腺嘌呤核苷酸（AMP）Adenosine

monophosphate脫氧腺嘌呤核苷酸（dAMP）Deoxyadenosine

monophosphateOH鳥嘌呤核苷酸（GMP）胞嘧啶核苷酸（CMP）尿嘧啶核苷酸（UMP）脫氧鳥嘌呤核苷酸（dGMP）脫氧胞嘧啶核苷酸（dCMP）脫氧胸腺嘧啶核苷酸（dTMP）H本文檔共81頁；當前第8頁；編輯于星期六\11點25分PPPPPPPP4）常見（脫氧）核苷酸的結構和命名鳥嘌呤核苷酸（GMP）尿嘧啶核苷酸（UMP）胞嘧啶核苷酸（CMP）腺嘌呤核苷酸（AMP）脫氧腺嘌呤核苷酸（dAMP）脫氧鳥嘌呤核苷酸（dGMP）脫氧胞嘧啶核苷酸（dCMP）脫氧胸腺嘧啶核苷酸（dTMP）本文檔共81頁；當前第9頁；編輯于星期六\11點25分5）幾種稀有核苷酸假尿苷（）二氫尿嘧啶（DHU）AmCH3CH3H3Cm26AHH5本文檔共81頁；當前第10頁；編輯于星期六\11點25分2、細胞內游離核苷酸及其衍生物1、多磷酸核苷酸

2、環(huán)核苷酸

3、輔酶類核苷酸。本文檔共81頁；當前第11頁；編輯于星期六\11點25分

5′-NMP5′-NDP5′-NTPN=A、G、C、U

5′-dNMP5′-dNDP5′-dNTPN=A、G、C、T腺苷酸及其多磷酸化合物

AMPAdenosine

monophosphate

ADPAdenosine

diphosphate

ATPAdenosine

triphosphate本文檔共81頁；當前第12頁；編輯于星期六\11點25分OPOOHOA(G)OOOHCH2HHHHcAMP(cGMP)的結構

Cyclicadenylie(Guanine)acid本文檔共81頁；當前第13頁；編輯于星期六\11點25分

第二節(jié)核酸的分子結構

一、DNA的分子結構二、RNA的分子結構本文檔共81頁；當前第14頁；編輯于星期六\11點25分（一）DNA的一級結構

DNA分子中各脫氧核苷酸之間的連接方式（3′-5′磷酸二酯鍵）和排列順序叫做DNA的一級結構，簡稱為堿基序列。一級結構的走向的規(guī)定為5′→3′。不同的DNA分子具有不同的核苷酸排列順序，因此攜帶有不同的遺傳信息。

一級結構的表示法結構式，線條式，字母式

一級結構測定5′3′本文檔共81頁；當前第15頁；編輯于星期六\11點25分DNA一級結構的表示法5′3′結構式5′3′

p

p

p

pOH3′ACTG1′線條式5′

ACTGCATAGCTCGA3′字母式本文檔共81頁；當前第16頁；編輯于星期六\11點25分2、DNA、RNA的一級結構

DNA一級結構5′3′OHOHOH5′3′RNA一級結構本文檔共81頁；當前第17頁；編輯于星期六\11點25分（二）真核生物DNA與原核生物DNA的比較

真核生物基因組的特點1、有重復順序1）高度重復順序（衛(wèi)星DNA）：基礎順序短，含5-100bp，重復次數(shù)達幾百萬次，富含AT或GC2）中度重復順序：基礎順序長，含300bp或更長，重復次數(shù)從幾百到幾千。如組蛋白基因、rRNA基因、tRNA基因等。3）單一順序：重復幾次或不重復。如：除組蛋白外的其他蛋白質基因。本文檔共81頁；當前第18頁；編輯于星期六\11點25分2、有間隔順序與插入順序（內含子）3、有回紋結構：DNA分子以一個假想軸旋轉180度后，兩部分結構完全重合。本文檔共81頁；當前第19頁；編輯于星期六\11點25分DNA回文序列及幾種結構形式回文序列發(fā)夾式結構十字形結構中心區(qū)域本文檔共81頁；當前第20頁；編輯于星期六\11點25分

原核生物基因組的特點

1、有基因重疊現(xiàn)象2、功能相關的基因常串聯(lián)在一起，并轉錄在同一mRNA分子中3、DNA分子中大部分是為結構基因，無重復序列。結構基因是連續(xù)的，一般不含插入或間隔序列本文檔共81頁；當前第21頁；編輯于星期六\11點25分（三）DNA的二級結構

本文檔共81頁；當前第22頁；編輯于星期六\11點25分1、DNA的雙螺旋結構的形成5′3′5′3′5′3′5′3′磷酸核糖堿基T-A堿基對C-G堿基對本文檔共81頁；當前第23頁；編輯于星期六\11點25分2、DNA的雙螺旋模型特點

兩條反向平行的多聚核苷酸鏈沿一個假設的中心軸右旋相互盤繞而形成。

磷酸和脫氧核糖單位作為不變的骨架組成位于外側，作為可變成分的堿基位于內側，鏈間堿基按A—T，G—C配對（堿基配對原則，Chargaff定律）

螺旋直徑2nm，相鄰堿基平面垂直距離0.34nm,螺旋結構每隔10個堿基對（basepair,bp）重復一次，間隔為3.4nmCG間形成三個氫鍵，AT

間形成二個氫鍵，且氫鍵與中心軸垂直螺旋表面有一條大溝一條小溝本文檔共81頁；當前第24頁；編輯于星期六\11點25分

氫鍵堿基堆集力（兀電子之間相互作用的結果）堿基處于疏水環(huán)境中磷酸基上負電荷被胞內組蛋白或正離子中和3、DNA的雙螺旋結構穩(wěn)定因素

本文檔共81頁；當前第25頁；編輯于星期六\11點25分4、DNA的雙螺旋結構的意義

該模型揭示了DNA作為遺傳物質的穩(wěn)定性特征，最有價值的是確認了堿基配對原則，這是是DNA復制、轉錄和反轉錄的分子基礎，亦是遺傳信息傳遞和表達的分子基礎。該模型的提出是20世紀生命科學的重大突破之一，它奠定了生物化學和分子生物學乃至整個生命科學飛速發(fā)展的基石。本文檔共81頁；當前第26頁；編輯于星期六\11點25分5、DNA雙螺旋的多態(tài)性DNA雙螺旋的不同構象

本文檔共81頁；當前第27頁；編輯于星期六\11點25分DNA雙螺旋構象的類型本文檔共81頁；當前第28頁；編輯于星期六\11點25分DNA二級結構的多樣性DNA分子中十字形結構的形成富于AT富于ATHolliday結構本文檔共81頁；當前第29頁；編輯于星期六\11點25分DNA三鏈間的堿基配對DNA分子內的三鏈結構多聚嘌呤多聚嘧啶DNA分子間的三鏈結構本文檔共81頁；當前第30頁；編輯于星期六\11點25分（四）DNA的三級結構

在細胞內，由于DNA分子與其它分子（主要是蛋白質）的相互作用，使DNA雙螺旋進一步扭曲形成的高級結構.實例：超螺旋

染色體（chromosome）

病毒（virus）本文檔共81頁；當前第31頁；編輯于星期六\11點25分

本文檔共81頁；當前第32頁；編輯于星期六\11點25分DNA超螺旋結構的形成

負超螺旋：螺旋方向與DNA螺旋方向相反（螺旋處于松緾狀態(tài)）

正超螺旋：螺旋方向與DNA螺旋方向相同（螺旋處于緊緾狀態(tài)）本文檔共81頁；當前第33頁；編輯于星期六\11點25分核小體盤繞及染色質示意圖本文檔共81頁；當前第34頁；編輯于星期六\11點25分組蛋白與DNA的結合本文檔共81頁；當前第35頁；編輯于星期六\11點25分真核生物染色體DNA組裝不同層次的結構

DNA

（2nm）核小體鏈（11nm，每個核小體200bp）纖絲（30nm，每圈6個核小體）突環(huán)（150nm，每個突環(huán)大約75000bp）玫瑰花結（300nm，6個突環(huán)）螺旋圈（700nm，每圈30個玫瑰花）染色體（1400nm，每個染色體含10個玫瑰花200bp）本文檔共81頁；當前第36頁；編輯于星期六\11點25分噬菌體T2結構頭部頸圈尾部基板尾絲尖釘DNA本文檔共81頁；當前第37頁；編輯于星期六\11點25分

被膜（脂蛋白、碳水化合物）衣殼（蛋白質）核酸突起（糖蛋白）病毒粒（DNA或RNA）本文檔共81頁；當前第38頁；編輯于星期六\11點25分（五）基因和基因組基因：指含有合成一個功能性生物分子（蛋白質或RNA）所需信息的一個特定DNA片段。遺傳學上將DNA分子中最小的功能單位稱為基因。

基因組：基因組指單倍體細胞中包括編碼序列和非編碼序列在內的全部DNA分子。

本文檔共81頁；當前第39頁；編輯于星期六\11點25分操縱子

原核基因組中，基因表達的協(xié)同單位。由操縱基因、啟動子和結構基因三部分組成。

操縱基因

操縱基因控制結構基因的轉錄速度，是RNA聚合酶能否通過的“開關”。位于結構基因的附近，本身不能轉錄成mRNA。

本文檔共81頁；當前第40頁；編輯于星期六\11點25分酶的阻遏操縱子模型B.有活性阻遏蛋白加誘導劑A.有活性阻遏蛋白操縱基因啟動基因調節(jié)基因結構基因阻遏蛋白(有活性)阻遏蛋白阻擋操縱基因結構基因不表達誘導物誘導物與阻遏蛋白結合,使阻遏蛋白不能起到阻擋操縱基因的作用,結構基因可以表達酶蛋白mRNA本文檔共81頁；當前第41頁；編輯于星期六\11點25分一個基因包括：編碼蛋白質或RNA的序列轉錄所必需的調節(jié)序列編碼序列上游5’端非編碼序列編碼序列下游3’端非編碼序列內含子本文檔共81頁；當前第42頁；編輯于星期六\11點25分基因組DNA序列基因序列與非基因序列編碼序列與非編碼序列單一序列與重復序列本文檔共81頁；當前第43頁；編輯于星期六\11點25分二、RNA的分子結構

1、RNA一級結構和類別2、tRNA的分子結構3、rRNA的分子結構4、mRNA的分子結構本文檔共81頁；當前第44頁；編輯于星期六\11點25分RNA的一級結構

RNA分子中各核苷之間的連接方式（3′-5′磷酸二酯鍵）和排列順序叫做RNA的一級結構OHOHOH5′3′

RNA與DNA的差異

DNA

RNA糖脫氧核糖核糖堿基AGCTAGCU不含稀有堿基含稀有堿基本文檔共81頁；當前第45頁；編輯于星期六\11點25分1、RNA的種類和分子結構本文檔共81頁；當前第46頁；編輯于星期六\11點25分

本文檔共81頁；當前第47頁；編輯于星期六\11點25分沉降系數(shù)（S）

生物大分子在單位離心力場作用下的沉降速度稱為沉降系數(shù)。即沉降系數(shù)是微顆粒在離心力場的作用下，從靜止狀態(tài)到達極限速度所需要的時間。其單位用Svedberg，即s表示，s=1×10-13秒。

沉降系數(shù)（S）與分子量（M）的關系M=RTsD(1-)Svederg方程:本文檔共81頁；當前第48頁；編輯于星期六\11點25分4）小的干涉RNA和微RNA小的干涉RNA（siRNAs）：是含有21－22個單核苷酸長度的雙鏈RNA，能促使核酸酶水解與其互補的mRNA，從而抑制與其互補的mRNA的表達。將由dsRNA誘導的這種基因沉默效應定義為RNAi即RNA干涉。本文檔共81頁；當前第49頁；編輯于星期六\11點25分本文檔共81頁；當前第50頁；編輯于星期六\11點25分本文檔共81頁；當前第51頁；編輯于星期六\11點25分微小RNA（miRNAs)：miRNAs是一類含19-25單核苷酸的單鏈RNA，在3’-端有1-2個堿基長度變化，廣泛存在于真核生物中，不編碼任何蛋白，本身不具有開放閱讀框架，具有保守性、時序性和組織特異性。成熟的miRNA可以和上游或下游序列不完全配對而形成基環(huán)結構。其功能是抑制靶mRNA的翻譯

本文檔共81頁；當前第52頁；編輯于星期六\11點25分本文檔共81頁；當前第53頁；編輯于星期六\11點25分本文檔共81頁；當前第54頁；編輯于星期六\11點25分2、tRNA的結構

tRNA一級結構：由70－90個核苷酸組成,富含稀有堿基，3’末端為－C－C－AOH，沉降系數(shù)為4S。本文檔共81頁；當前第55頁；編輯于星期六\11點25分酵母tRNAAla

的二級結構

DHU環(huán)AA活化酶結合部位IGC反密碼子反密碼環(huán)氨基酸臂可變環(huán)TψC環(huán)核糖體結合CCAAla3′5′單鏈三葉草葉形四臂四環(huán)本文檔共81頁；當前第56頁；編輯于星期六\11點25分tRNA的三級結構在二級結構基礎上進一步折疊扭曲形成倒L型本文檔共81頁；當前第57頁；編輯于星期六\11點25分

3、rRNA的分子結構特征：

單鏈，螺旋化程度較tRNA低分子大小不均一,真核有4種，原核有3種

二級結構無規(guī)律

與蛋白質組成核糖體后方能發(fā)揮其功能

本文檔共81頁；當前第58頁；編輯于星期六\11點25分本文檔共81頁；當前第59頁；編輯于星期六\11點25分本文檔共81頁；當前第60頁；編輯于星期六\11點25分

4、mRNA的分子結構原核生物mRNA特征：

先導區(qū)+翻譯區(qū)（多順反子）+末端序列真核生物mRNA特征：

“帽子”（m7G-5′ppp5′-N-3′p）+單順反子+“尾巴”（PolyA）本文檔共81頁；當前第61頁；編輯于星期六\11點25分原核細胞mRNA的結構特點5′3′順反子順反子順反子插入順序插入順序先導區(qū)末端順序本文檔共81頁；當前第62頁；編輯于星期六\11點25分真核細胞mRNA的結構特點AAAAAAA-OH5′

“帽子”PolyA

3′

順反子m7G-5′ppp-N-3′p帽子結構功能*使mRNA免遭核酸酶的破壞*使mRNA能與核糖體小亞基結合并開始合成蛋白質*被蛋白質合成的起始因子所識別，從而促進蛋白質的合成。Poly(A)尾巴的功能*是mRNA由細胞核進入細胞質所必需的形式*它大大提高了mRNA在細胞質中的穩(wěn)定性

本文檔共81頁；當前第63頁；編輯于星期六\11點25分第三節(jié)核酸的理化性質

一、一般理化性質性質

二、核酸的紫外吸收特性（λmax=260nm）三、核酸的變性、復性和分子雜交四、核酸的熔解溫度（Tm）

本文檔共81頁；當前第64頁；編輯于星期六\11點25分一、一般理化性質1、兩性電解質2、DNA為白色纖維狀固體，RNA為白色粉未；微溶于水，不溶于一般的有機溶劑。3、DNA是極不對稱的線形分子，因此溶液的粘度比RNA高很多。4、兩者都能被酸、堿或酶水解成各種成分（RNA在室溫下被稀堿水解成核苷酸而DNA對堿較穩(wěn)定）本文檔共81頁；當前第65頁；編輯于星期六\11點25分二、DNA的紫外吸收光譜天然DNA變性DNA核苷酸總吸收值1232202402602800.10.20.30.4波長（nm）光吸收123增色效應DNA變性后在260nm處光吸收增加的現(xiàn)象。

本文檔共81頁；當前第66頁；編輯于星期六\11點25分三、DNA的變性過程加熱部分雙螺旋解開無規(guī)則線團鏈內堿基配對本文檔共81頁；當前第67頁；編輯于星期六\11點25分核酸的變性、復性和雜交變性（加熱）探針雜交（緩慢冷卻）復性（緩慢冷卻）

變性：在物理、化學因素影響下，DNA堿基對間的氫鍵斷裂，雙螺旋解開，這是一個是躍變過程，伴有A260增加（增色效應）,DNA的功能喪失。復性：在一定條件下，變性DNA單鏈間堿基重新配對恢復雙螺旋結構，伴有A260減?。p色效應）,DNA的功能恢復。本文檔共81頁；當前第68頁；編輯于星期六\11點25分分子雜交的原理示意圖

不同來源的DNA單鏈間或單鏈DNA與RNA之間只要有堿基配對的區(qū)域，在復性時可形成局部雙螺旋區(qū)，稱核酸分子雜交（hybridization）制備特定的探針（probe）通過雜交技術可進行基因的檢測和定位研究。實例：southern印跡法本文檔共81頁；當前第69頁；編輯于星期六\11點25分Southern印跡法DNA分子限制片段限制性酶切割瓊脂糖電泳轉移至硝酸纖維素膜上與放射性標記DNA探針雜交放射自顯影帶有DNA片段的凝膠凝膠濾膜用緩沖液轉移DNA吸附有DNA片段的膜本文檔共81頁；當前第70頁；編輯于星期六\11點25分四、Tm：熔解溫度（meltingtemperature）Polyd(A-T)DNAPolyd(G-C)

DNA的變性發(fā)生在一個很窄的溫度范圍內，通常把熱變性過程中A260達到最大值一半時的溫度稱為該DNA的熔解溫度，用Tm表示。

Tm的大小與DNA分子中（G+C）的百分含量成正相關，測定Tm值可推算核酸堿基組成及判斷DNA純度。某些DNA的Tm值60801001.01.41.2100%A260t\0CTmTmTm123123本文檔共81頁；當前第71頁；編輯于星期六\11點25分影響Tm值的因素G－C對的含量溶液的離子強度。溶液的離子強度低，Tm值也低溶液的PH值，PH值大于11.3時，DNA完全變性，PH值小于5時DNA易脫嘌呤變性劑使Tm值下降本文檔共81頁；當前第72頁；編輯于星期六\11點25分第四節(jié)核酸的分離與含量測定一、核酸分離純化1、分離核酸的一般原則：防止降解2、DNA的分離用1mol/LNaCl抽提，稀釋至0.14mol/L鹽溶液中，RNP(RNA蛋白）溶解，DNP（DNA蛋白）溶解度最小。3、RNA的分離二、核酸含量測定

1、紫外吸收法

2、定糖法

3、定磷法本文檔共81頁；當前第73頁；編輯于星期六\11點25分第六節(jié)DNA研究進展

一、人類基因組計劃簡介（HumanGenomeProject，HGP）二、DNA芯片技術簡介（DNAchip）本文檔共81頁；當前第74頁；編輯于星期六\11點25分人類基因組計劃簡介

（HumanGenomeProject，HGP）

該計劃是美國科學家在1985年率先提出，1990年正式啟動。美、英、德、法、日先后參加了此項工作，1999年我國成為HGP的第六個成員國。

HGP旨在闡明人類基因組DNA所具有的3×109核苷酸的序列，發(fā)現(xiàn)所有的人類基因并闡明其在染色體上的位置，破譯人類的全部遺傳信息，使得人類第一次在分子水平上全面地認識自我。到目前為止，已完成了人類基因組的框架圖，測序的工作已基本完成。

HGP的實施，揭開了生命科學新的一頁，它可以造福于人類，但也面臨的倫理的挑戰(zhàn)。本文檔共81頁；當前第75頁；編輯于星期六\11點25分HGP取得的成就

完成了人類基因組工作草圖繪制,揭示了人類基因組若干細節(jié)基本上測定了人類基因組上的堿基序列一些模式生物(果蠅、擬南介等)和作物（如水稻）基因草圖繪制成功，測序基本完成促進了生物信息學、蛋白質組學、糖組學的迅猛發(fā)展人類基因組草圖繪就，中國科學家功不可沒本文檔共81頁；當前第76頁；編輯于星期六\11點25