第二章基础知识：核酸2008

1、第一节 核酸的化学组成核酸（nucleic acid） = N 核苷酸 （nucleotide） = N（核苷nucleoside+磷酸） = N（碱基base+戊糖pentose+磷酸） = N（腺嘌呤or鸟嘌呤or胞嘧啶or胸腺嘧啶噢or尿嘧啶 +核糖or脱氧核糖 + 磷酸） = N（A, G, C, T + ribose, deoxyribose + Phosphoric acid ） 核酸大分子水解后得到的基本单位为核苷酸。核苷酸进一步水解生成核苷和磷酸。核苷进一步分解生成不同的碱基(base)和戊糖（pentose）。核酸的连接a核苷酸之间（跟碱基没有关系）： 由核苷上戊糖5 上的羟

2、基与磷酸基团以酯键形式连接就形成了核苷酸。每个核苷酸的戊糖3羟基都可以与另一个核苷酸上的5 磷酸基团以酯键相连接。 核酸单链一端是5 碳原子上带有磷酸基团的核苷酸（称为5 端），另一端是3 碳原子上仍保留游离羟基的核苷酸残基（称为3 端）。每股核酸都有5 和3 两个不同的末端，所以核酸分子是有方向性的。 核苷酸还可以环化形成cAMP和cGMP。核酸的连接碱基与核苷 碱基与戊糖的1 位羟基形成糖苷键(glycosidic bond)碱基之间 其中多个原子都有形成部分双键的特性，使得碱基有很强的共轭性。(波长为260nm的紫外线有最大吸收)。 轴向相邻的碱基由于具有很强的疏水作用，因此在水相溶液中

3、会自发的堆积在一起，形成碱基堆积力（ 包括范德华力和疏水作用 ），使得核酸形成更为稳定的三维结构。 碱基的配对模式维持碱基配对的力是：氢键和碱基堆积力。戊糖的特点参与组成核酸分子的有两种核糖，D-核糖和D-脱氧核糖，分别形成RNA和DNA两种核酸，RNA分子上的核糖比DNA上的脱氧核糖多一个2羟基，导致其容易发生自水解作用。第二节DNA的结构DNA的一般结构：一级结构：核苷酸的排列顺序（碱基的排列顺序）。C值：单染色体所含DNA的量。二级结构：双螺旋结构，不同构象。三级结构：单链和双链、双链和双链相互作用形成的三链和四链结构。四级结构：核酸与蛋白相互作用形成的结构二级结构：DNA不同的构象 A

4、，B，C，D，Z等构象。 B构象是一般状态下的构象，大小沟深浅一致，大沟宽； A构象（矮胖）：湿度变低，大沟变窄变深、小沟变宽变浅；A、B之间在一定条件下可以转换（般绕的松紧，离子，发生RNA替换等）。 Z构象属于左手螺旋构象，嘌呤和嘧啶相间排列，其存在时，DNA活性明显降低，天然状态下的Z-DNA可能与调节转录的起始活性有关。如猴病毒SV40增强子和纤毛虫的大小核。DNA的三级结构 三链核酸： 单链DNA或RNA在双分子链的大沟与碱基形成配对。(同源重组时单链DNA就侵入双螺旋形成三链结构。) 但侵入的单链必须与双螺旋结构中的一条链形成配对，形成平行汇接结构（paranemic joint）

5、。此时需要蛋白参与结构才能稳定。H-DNA（hinged DNA，铰链） 这种结构存在于高嘌呤或高嘧啶的双链DNA区域，且有对映重复序列。 在真核细胞DNA的复制、转录和重组的起始以及调节区域的许多位点上都有存在。 反义DNA技术：ODN（oligodeoxyribonucleotides） 四螺旋DNA鸟嘌呤（G）可以形成碱基四聚体（base tetrad）。在体内主要是端粒端粒DNA有此结构。在复制过程中保持DNA的稳定性。二、DNA的环形结构及其拓扑学特性 DNA在体内采取紧密的形式存在。所有细菌、多种病毒以及真核细胞中的线粒细菌、多种病毒以及真核细胞中的线粒体或叶绿体的体或叶绿体的DN

6、A都是环形分子都是环形分子，即没有游离端的封闭结构。一些病毒的DNA在线形和环形之间变化。 线形DNA分子闭合形成环形分子后，双螺旋的纵轴进一步扭曲而形成超螺旋（superhelix）。环状DNA的拓扑参数 连环数L（linking number）：一条链以右手螺旋缠绕另一条链的总次数。一级结构相同而连环数不同的DNA的环形DNA分子称为拓扑异构体。 缠绕数T（twisting number）：双螺旋中两条链的缠绕次数，即Watson-Crick螺旋的数目。 超螺旋数W（writhing number） 三者的相互关系：L=W+T DNA分子都有维持其B构象的趋势，所以一般情况下T值是固定的，

7、改变L值（拧松或拧紧双螺旋）会导致超螺旋的出现。拓扑异构酶 拓扑异构酶（topoisomerases ）有两种，一种是拓扑异构酶I，可以剪断双链中的一条链，使连环数改变1，解超螺旋。一种是拓扑异构酶II，也称解旋酶（ gyrase ），可以剪断两条链是连环数改变2，促进超螺旋。Topology Topology：不考虑图形的大小、形状，仅考虑点和线的个数。 俄罗斯加里宁格勒的普莱格尔河的哥尼斯堡七桥问题，欧拉。三、DNA的特殊结构回文序列（palindromic sequence） 正反书写完全相同的词或句子。指的是DNA结构沿同一方向（如5-3 ）序列相同的结构。即碱基序列的反向重复（inv

8、erted repeats，与对映重复结构mirror repeats不同）。这种二重对称的结构要求两条DNA链中的每一条都能发生链内互不配对，可以形成发夹结构（hairpin）或在双链中形成十字架结构（cruciform structure）。而对映结构则不可以形成这些结构。 回文结构是许多内切酶识别位点。也是DNA结合蛋白的特定的识别位点和结合位点。第三节 RNA的结构一、RNA的结构特征 核糖（2 有羟基，易水解）。 尿嘧啶U代替胸腺嘧啶T。 所含的稀有碱基和修饰碱基比DNA多。 一般为单链结构，也有局部的双螺旋结构。这些结构中遵循AU，GC配对原则，但不严格，也有GU配对的情况。二、R

9、NA的主要功能参与基因表达：mRNA：模板 5%tRNA：运送氨基酸根据密码合成肽链。15%rRNA：核糖体的主要成分，催化合成肽链。80%mRNA细菌与人体mRNA的不同之处：1、功能不同：细菌的一条mRNA能编码合成多种蛋白，称为多顺反子，而人体一条mRNA只能合成一种蛋白称为单顺反子。细菌的mRNA的转录和蛋白的合成发生在细胞的同一区域；而人体则分别发生在细胞核和胞质的核糖体上。细菌的mRNA寿命只有几分钟而人体mRNA寿命可达几小时。2、结构不同 人体mRNA3 端有一个长约200个碱基的多聚A尾巴（polyA），这段序列不是DNA编码的，而是转录结束后由polyA聚合酶加上去的。上面

10、结合有polyA结合蛋白（PABP），防止其降解。此结构对分离mRNA非常有用。细菌没有这样的结构。 人体mRNA有5-m7Gppp帽子结构，而细菌、叶绿体、线粒体没有此种结构。此结构的功能在于帮助mRNA穿越核膜；帮助核糖体mRNA结合；稳定mRNA。rRNA细菌和人体的核糖体区别细菌和人体的核糖体区别： 1、细菌核糖体RNA与蛋白比例为2/1，人体为1/1。 2、细菌核糖体沉降系数为70S，分别由30S（含有16S rRNA ）小亚基和50S（含有23S和5S rRNA ）大亚基组成。人体核糖体为80S，由40S（含有18S rRNA ）小亚基和60S（含有28S和5.8S rRNA ）大

11、亚基组成。 3、线粒体和叶绿体的核糖体与细菌类似。rRNA在进化研究上的作用 5S或5.8S rRNA在进化上有很高的保守性。 不同生物的16S和23S以及结构有高度同源性的序列且二级结构类似，说明所有的核糖体可能有共同的祖先。第四节 核酸的性质一、核酸的变性： 双螺旋的氢键断裂，变成单链，但并不涉及共价键的断裂。变性在一个很窄的温度区间发生（6-8度）。 热变性和化学试剂变性。 双螺旋解开一半时的温度称为DNA的熔解温度Tm。 双螺旋在260nm下，有最大吸收。当浓度为50ug/ml时，A=1.00；Tm时， A=1.185；完全变性时， A=1.37；同浓度等比例单核苷酸混合时， A=1.

12、60。DNA变性引起的光吸收度增加称为增色效应。1、核酸的提取分离技术： DNA和核酸的提取、分离、纯化。2、核酸的电泳技术：琼脂糖电泳，脉冲场凝胶电泳，变性梯度电泳，双向琼脂糖电泳，聚丙烯酰胺凝胶电泳，凝胶滞后实验和干扰试验。3、聚合酶链反应（polymerase chain reaction, PCR）技术：基本PCR技术，RT-PCR技术，锚式PCR技术，差异显示，免疫PCR，ELISA- PCR技术。4、序列测定。5、基因工程技术：载体（质粒、l噬菌体、粘粒丝和状噬菌体），酶（限制性内切酶、甲基化酶、聚合酶、连接酶和核酸酶等），转化与转染，文库的构建和筛选，基因的表达（细菌、酵母、哺乳动物细胞等）。6、杂交技术和生物芯片：核酸的检测和作图，各种杂交方法，生物芯片。7、分子标记：分子标记概念的界定，分子标记的种类（限制性片段长度多态性(restriction fragment length polymorphism，缩写RFLP)，一般选择单拷贝探针，随机扩增多态性D