第二章 核酸的结构与功能

1、第第 二章二章 核酸的结构与功能核酸的结构与功能 概述：概述： 1 1、核酸的发现及命名、核酸的发现及命名 核酸是脱氧核糖核酸（核酸是脱氧核糖核酸（DNA）与核糖核酸与核糖核酸（RNA）的通称的通称 2 2、核酸的分类、分布及生理功用、核酸的分类、分布及生理功用 分分 类类 主要分布主要分布 主要生理功用主要生理功用 DNA 细胞核细胞核 遗传信息的载体遗传信息的载体 RNA 细胞质细胞质 参与蛋白质的生物合成参与蛋白质的生物合成 3、核酸的水解核酸的水解核酸核酸核苷酸核苷酸磷酸磷酸核苷核苷戊糖戊糖碱基碱基水水解解基本结构单位基本结构单位*：核苷酸核苷酸；基本组成成分；基本组成成分*：磷酸、戊

2、糖和碱基磷酸、戊糖和碱基一、核酸的化学组成及特点一、核酸的化学组成及特点组成核苷酸的元素：，组成核苷酸的元素：，与蛋白质相比组成上的两大特点：与蛋白质相比组成上的两大特点：核酸不含元素，核酸不含元素，核酸中元素的含量多核酸中元素的含量多, 且恒定（）且恒定（） (可用于核酸含量测定可用于核酸含量测定)第一节第一节 核酸的化学组成及一级结构核酸的化学组成及一级结构(H)HHHOHOHHOCH2H12345OHRAN: -D-核糖核糖DNA: -D-2-脱氧核糖脱氧核糖. 为区别碱基中的碳原子的为区别碱基中的碳原子的编号编号, 戊糖中的碳原子标戊糖中的碳原子标以以C-1, C-2 . . .1.戊

3、糖戊糖脱氧部位脱氧部位C-2DNA 比比 RNA 稳定稳定!二、核酸分子中的基本组成成分二、核酸分子中的基本组成成分2. 碱基（碱基（base):嘌呤碱嘌呤碱 (purine)鸟鸟嘌呤嘌呤 (guanine G)腺腺嘌呤嘌呤 (adenine A)嘧啶碱嘧啶碱( (pyrimidinepyrimidine) )胞嘧啶胞嘧啶 (cytosine C)尿尿嘧啶嘧啶( (uracil U)胸腺胸腺嘧啶嘧啶(thymime T)碱基都具有芳香环的结构特征（含共轭双键）碱基都具有芳香环的结构特征（含共轭双键）嘧啶环嘧啶环NN123456嘌呤环嘌呤环NNNN234986751 腺腺 嘌嘌 呤呤 ( A)

4、鸟鸟 嘌嘌 呤呤 ( G) NH2NNN NONNN NH2N 胞嘧啶（胞嘧啶（C） 尿嘧啶（尿嘧啶（U） 胸腺嘧啶胸腺嘧啶 （T）NNONH2NNOONNOOCH3小结：小结：DNADNA、RNARNA基本组成的异同基本组成的异同* * 戊戊 糖糖 碱碱 基基 磷酸磷酸 DNADNA 脱氧核糖脱氧核糖 A A、G G、C C、T T 磷酸磷酸 RNARNA 核核 糖糖 A A、G G、C C、U U 磷酸磷酸 3、核苷（核苷（nucleoside)nucleoside) 1 1）核苷的定义：碱基与戊糖通过）核苷的定义：碱基与戊糖通过糖苷键糖苷键相相 连而成的化合物。连而成的化合物。 2 2）

5、碱基与戊糖的连接部位）碱基与戊糖的连接部位： 3 3）分类：核糖核苷分类：核糖核苷 脱氧核糖核苷脱氧核糖核苷糖苷键糖苷键 4 4、核苷酸、核苷酸( (nucleotide)nucleotide) 1 1）定义：核苷与磷酸通过）定义：核苷与磷酸通过酯键酯键相连而成的化相连而成的化 合物合物 2 2）连接部位：戊糖的）连接部位：戊糖的第五位第五位碳上的羟基磷碳上的羟基磷 酸化酸化 3 3）分类：核糖核苷酸分类：核糖核苷酸 脱氧核糖核苷酸脱氧核糖核苷酸 注：一磷酸核苷注：一磷酸核苷 monophosphatemonophosphate (MP) (MP) 二磷酸核苷二磷酸核苷 diphosphate

6、diphosphate (DP) (DP) 三磷酸核苷三磷酸核苷 triphosphatetriphosphate (TP) (TP) 核苷酸的结构核苷酸的结构碱基连接（糖苷键）碱基连接（糖苷键）酯酯 键键（对（对DNA为为H） 三、核酸的一级结构三、核酸的一级结构 1 1、定义：、定义：组成组成 DNADNA（或（或RNARNA）的脱氧核苷酸）的脱氧核苷酸 （或核苷酸）的排列顺序（或核苷酸）的排列顺序 2 2、连接键：、连接键：3535- - 磷酸二酯键磷酸二酯键 （多核苷酸链的方向：（多核苷酸链的方向：5353） 3 3、表达方式：结构式、表达方式：结构式 线条式线条式 文字式文字式 15

7、5端端3端端CGAA G P5 P T PG PC PT P OH 3 5 pApCpTpGpCpT-OH 3 5 A C T G C T 3 第二节第二节 DNADNA的空间结构与功能的空间结构与功能 一、一、DNA碱基组成的特点碱基组成的特点 1 1、A+T/G+CA+T/G+C的比值有物种特异性，且物种的比值有物种特异性，且物种 亲缘关系越远，差异越大；亲缘关系越远，差异越大； 2 2、无组织器官特异性、无组织器官特异性: : 不同组织器官中不同组织器官中 的的DNA碱基组成相同，而且不因年龄、碱基组成相同，而且不因年龄、 环境及营养变化而改变；环境及营养变化而改变； 3 3、组成的规律

8、性：组成的规律性：DNA分子中四种碱基的分子中四种碱基的 摩尔百分比，即摩尔百分比，即A=T、G=C、A+G=T+CDNA的二级结构的二级结构双螺旋结构双螺旋结构二、二、DNA双螺旋结构模型要点双螺旋结构模型要点（B型）型） 1 1、反向平行的、反向平行的右手双螺旋结右手双螺旋结 构构，螺距为，螺距为 3.43.4nmnm，直径直径 为为2.02.0nmnm。每圈每圈1010对对碱基，碱基， 存在大沟、小沟存在大沟、小沟2、主链位于螺旋外侧，碱基、主链位于螺旋外侧，碱基 位于内侧。位于内侧。3、两链间、两链间A与与T互补形成互补形成两个两个 氢键氢键，G与与C互补形成互补形成三个三个 氢键氢键

9、4、螺旋的稳定因素为、螺旋的稳定因素为氢键和氢键和 碱基堆砌力碱基堆砌力碱基互补配对碱基互补配对 DNA双螺旋结构的多样性双螺旋结构的多样性DNA双螺旋分子在空间进一步折叠或环绕双螺旋分子在空间进一步折叠或环绕成更复杂的结构，即成更复杂的结构，即DNA三级结构。三级结构。（人体每个体细胞（人体每个体细胞DNA长长2m, 细胞直径细胞直径0.1mm, 细胞核细胞核0.05mm）（一）一）DNA 超螺旋超螺旋 原核生物原核生物DNA高级结构高级结构正正超螺旋超螺旋:盘旋方向与盘旋方向与DNA双螺旋方向相同双螺旋方向相同负超螺旋负超螺旋：盘旋方向与盘旋方向与DNA双螺旋方向相反双螺旋方向相反超螺旋超

10、螺旋核核小小体体（二）（二）DNA 在真核细胞内的组装在真核细胞内的组装四、四、DNA的功能的功能:基因基因：DNA分子中有功能的特定区段分子中有功能的特定区段基因组基因组：泛指一个有生命体、病毒或细胞器的：泛指一个有生命体、病毒或细胞器的全部遗传物质；在真核生物，基因组是指一套全部遗传物质；在真核生物，基因组是指一套染色体（单倍体）染色体（单倍体）DNA。 DNA的基本功能是以的基本功能是以基因基因的形式荷载遗传信息，的形式荷载遗传信息，并作为基因复制和转录的模板。它是生命遗传并作为基因复制和转录的模板。它是生命遗传的物质基础，也是个体生命活动的信息基础。的物质基础，也是个体生命活动的信息基

11、础。 人类的遗传物质是人类的遗传物质是DNA，它的总和就是它的总和就是人类基因组，由大约人类基因组，由大约30亿碱基对组成，亿碱基对组成，分布在细胞核的分布在细胞核的23对染色体中。对染色体中。 “人类基因组计划人类基因组计划”的核心，就是测定的核心，就是测定人类基因组的全部人类基因组的全部DNA序列序列 2-2.52-2.5万个基因万个基因 3737个基因个基因4.6 x 104.6 x 109 9碱基对（碱基对（bpbp）16.6 x 1016.6 x 103 3碱基对碱基对双链线状双链线状双链环状双链环状结构基因只占结构基因只占3%3%几乎全是结构基因几乎全是结构基因基因组学基因组学(g

12、enomics)(genomics)就是发展和应用就是发展和应用DNA制图、测序新制图、测序新技术以及计算机程序，分析生命体（包技术以及计算机程序，分析生命体（包括人类）全部基因组括人类）全部基因组结构及功能。结构及功能。基因组学的概念基因组学的概念: :基因组学包括基因组学包括3 3个不同的亚领域个不同的亚领域 亚领域亚领域 研究内容研究内容结构基因组学结构基因组学 整个基因组的遗传制图、物理制整个基因组的遗传制图、物理制 图、图、DNA测序测序 功能基因组学功能基因组学 认识、分析整个基因组所包含的认识、分析整个基因组所包含的 基因、非基因序列及其功能基因、非基因序列及其功能 比较基因组学

13、比较基因组学 比较不同物种的整个基因组，增比较不同物种的整个基因组，增 强对各个基因组功能及发育相强对各个基因组功能及发育相 关性的认识关性的认识 转录组学转录组学（transcriptomics） 1.转录组转录组:是指转录后的所有是指转录后的所有mRNA的总称。的总称。 2.研究细胞在某一功能状态下所含研究细胞在某一功能状态下所含mRNA的的 类型类型与与拷贝数拷贝数。 3.与基因组不同的是，转录组的定义中包含与基因组不同的是，转录组的定义中包含 了了时间时间和和空间空间的限定。的限定。RNA的种类、分布、功能的种类、分布、功能核核蛋蛋白白体体RNA信信使使RNA转转运运RNA核核内内不不

14、均均一一RNA核核内内小小RNA胞胞浆浆小小RNA 细细胞胞核核和和胞胞液液线线粒粒体体功功能能rRNAmRNA mt rRNAtRNAmt mRNAmt tRNAHnRNASnRNASnoRNAscRNA/7SL-RNA 核核蛋蛋白白体体组组分分蛋蛋白白质质合合成成模模板板转转运运氨氨基基酸酸成成熟熟mRNA的的前前体体参参与与hnRNA的的剪剪接接、转转运运rRNA的的加加工工、修修饰饰蛋蛋白白质质内内质质网网定定位位合合成成的的信信号号识识别别体体的的组组分分核核仁仁小小RNA核核蛋蛋白白体体RNA信信使使RNA转转运运RNA核核内内不不均均一一RNA核核内内小小RNA胞胞浆浆小小RNA

15、 细细胞胞核核和和胞胞液液线线粒粒体体功功能能rRNAmRNA mt rRNAtRNAmt mRNAmt tRNAHnRNASnRNASnoRNAscRNA/7SL-RNA 核核蛋蛋白白体体组组分分蛋蛋白白质质合合成成模模板板转转运运氨氨基基酸酸成成熟熟mRNA的的前前体体参参与与hnRNA的的剪剪接接、转转运运rRNA的的加加工工、修修饰饰蛋蛋白白质质内内质质网网定定位位合合成成的的信信号号识识别别体体的的组组分分核核仁仁小小RNA第三节第三节 RNA的空间结构与功能的空间结构与功能 主要主要RNA的分类及功用的分类及功用 分分 类类 主要功用主要功用 mRNA mRNA 蛋白质生物合成的模

16、板蛋白质生物合成的模板 tRNAtRNA 氨基酸的搬运工具氨基酸的搬运工具 rRNArRNA 与蛋白结合成核蛋白体，为与蛋白结合成核蛋白体，为 蛋白质生物合成提供场所蛋白质生物合成提供场所 RNA的总体结构特点的总体结构特点： 以单链形式存在；局部可形成双螺旋；碱基以单链形式存在；局部可形成双螺旋；碱基组成比例无规律性组成比例无规律性一、一、 信使信使RNA（ mRNA）蛋白质合成的直接模板蛋白质合成的直接模板5端帽子结构端帽子结构（m7GpppNm )3端多聚端多聚 A尾尾 (AAAA)mRNA 前体前体 hnRNA（真核生物）（真核生物）成熟成熟mRNA只有外显子只有外显子内含子内含子外显

17、子外显子真核细胞真核细胞 mRNA原核生物的原核生物的mRNA是是多顺反子多顺反子：一条：一条mRNA可编码几种蛋白质。可编码几种蛋白质。真核生物的真核生物的mRNA是是单顺反子单顺反子：一条：一条mRNA只编码一种蛋白质只编码一种蛋白质 真核生物真核生物mRNAmRNA的结构特点：的结构特点： 1 1）mRNAmRNA含量少、更新快、分子大小不一含量少、更新快、分子大小不一 2) 2) mRNAmRNA可形成局部双螺旋结构的二级结构。可形成局部双螺旋结构的二级结构。 3) 3) mRNAmRNA在真核生物中的初级产物称为在真核生物中的初级产物称为HnRNAHnRNA 4) 5- 4) 5-端

18、有端有7- 7-甲基鸟苷三磷酸甲基鸟苷三磷酸( (m m7 7GTP)GTP)的的帽子帽子 结构结构 5) 3- 5) 3-端有多聚腺苷酸端有多聚腺苷酸( (PolyAPolyA) )尾巴结构尾巴结构 二、二、tRNAtRNA的结构特点：的结构特点： 1) 1) 分子最小分子最小；大小均一；含有；大小均一；含有稀有碱基最多稀有碱基最多 2) 局部双链形成局部双链形成茎茎- -环样结构环样结构/ /发夹结构发夹结构 3) 3) 二级结构：呈二级结构：呈“三叶草三叶草”型。型。 包括：包括：氨基酸臂氨基酸臂、DHUDHU环、环、反密码环反密码环、附、附 加环、加环、 TCTC环等环等 4 4）三级

19、结构：）三级结构：倒倒“L”L”型型NNHNHNNOCH3CH3NNNHNNHCH2CHCCH3CH3NHNHOOHHHHNHNHSON,N二甲基鸟嘌呤二甲基鸟嘌呤N6-异戊烯腺嘌呤异戊烯腺嘌呤双氢尿嘧啶双氢尿嘧啶4-巯尿嘧啶巯尿嘧啶 稀有碱基稀有碱基 tRNA二级结构：三叶草形结构二级结构：三叶草形结构氨基酸臂氨基酸臂额外环额外环* * tRNAtRNA的三级结构的三级结构 倒倒L L形形* * t tRNARNA的功能的功能活化、搬运氨基活化、搬运氨基酸到核糖体，参与蛋酸到核糖体，参与蛋白质的翻译。白质的翻译。与蛋白质结合形成与蛋白质结合形成核蛋白核蛋白体体成为蛋白质合成的场所成为蛋白质合

20、成的场所三、核蛋白体三、核蛋白体RNA（ rRNA）：大分子物质在超速离心沉降中的一个大分子物质在超速离心沉降中的一个 物理学单位，反映分子质量的大小物理学单位，反映分子质量的大小S 小亚基小亚基 大亚基大亚基 原核生物原核生物 70S 含：含： 30S 50S 真核生物真核生物 80S 含：含： 40S 60S rRNA的结构特点：的结构特点： 1 1）rRNA是是含量最多含量最多的的RNA，占总量的占总量的8080。 2 2）rRNA与蛋白质构成核蛋白体与蛋白质构成核蛋白体 （由大、小亚基组成）（由大、小亚基组成） 原核生物：原核生物：5 5S, S, 16S, 23S16S, 23S 小

21、亚基含：小亚基含：16S16S 大亚基含：大亚基含：5 5S S和和2323S S 真核生物：真核生物：5 5S S，5.8S5.8S，18S18S，28S28S 小亚基含：小亚基含：18S18S 大亚基含：大亚基含：5.85.8S S，5S5S，28S28S 第四节第四节 核酸的理化性质、核酸的理化性质、 变性和复性及其应用变性和复性及其应用 一一、核酸的一般理化性质核酸的一般理化性质 （一）为两性电解质；呈酸性；分子大，（一）为两性电解质；呈酸性；分子大， 粘度高粘度高 （二）紫外吸收特性：（二）紫外吸收特性： 1 1、最大紫外吸收峰：、最大紫外吸收峰：260260nmnm 2 2、产生原

22、因：、产生原因：碱基中的共扼双键碱基中的共扼双键 3 3、应用：定量分析；鉴定纯度、应用：定量分析；鉴定纯度 A260= 1.0 相当于相当于: 50ug/ml 双链双链DNA 40ug/ml 单链单链DNA或或RNA 20ug/ml 寡核苷酸寡核苷酸A260/A280 = 1.8 （DNA 纯品）纯品） = 2.0 （RNA 纯品）纯品）ODOD260260的应用的应用* *1. DNA或或RNA的定量的定量2. 2.判断核酸样品的纯度判断核酸样品的纯度 三、核酸变性（三、核酸变性（DNA变性）变性） 1 1、定义：定义：在理化因素作用下，在理化因素作用下，DNA双螺旋双螺旋 的两条互补链松

23、散而分开变成单链的过程。的两条互补链松散而分开变成单链的过程。 2 2、变性的因素：高温（常用）、变性的因素：高温（常用） 强酸、强碱强酸、强碱 有机溶剂等有机溶剂等 3 3、变性的实质：、变性的实质：氢键断裂氢键断裂（磷酸二酯键完好）（磷酸二酯键完好） 4 4、主要性质改变：、主要性质改变： 1 )1 )紫外吸收值增加紫外吸收值增加- -增色效应增色效应 增色效应增色效应: :指指DNA变性后对变性后对260260nmnm紫紫 外光的光吸收度增加的现象。外光的光吸收度增加的现象。 2 )2 )旋光性下降旋光性下降 3 ) 3 ) 粘度降低粘度降低 4 ) 4 ) 原有生物功能部分或全部丧失原

24、有生物功能部分或全部丧失解链温度解链温度OD260TDNA热变性曲线呈热变性曲线呈S型型50DNA 变性变性四、四、DNA的热变性的热变性 1、定义：将、定义：将DNA稀盐溶液加热使之变性的过程稀盐溶液加热使之变性的过程（melting temperature): = 69.3 + 0.41 (%G+C)(用于小于用于小于20bp的寡核苷酸片段）的寡核苷酸片段）此外此外,Tm大小还与核酸大小还与核酸分子大小分子大小,溶液离子强度有关溶液离子强度有关复性：复性：变性变性DNA在适当条件下可重新配对，恢复在适当条件下可重新配对，恢复天然的双螺旋构像的现象。天然的双螺旋构像的现象。退火：退火：热变性

25、的热变性的DNA随着温度的缓慢降低再重新随着温度的缓慢降低再重新形成双螺旋的过程。形成双螺旋的过程。复性过程：成核反应复性过程：成核反应拉链反应拉链反应 DNA的变性与复性的变性与复性 七、核酸杂交七、核酸杂交(hybridization) 1 1、具有一定互补序列的多核苷酸链按、具有一定互补序列的多核苷酸链按 碱基配对规则结合成异质双链的过程。碱基配对规则结合成异质双链的过程。 2 2、结构基础：有互补序列、结构基础：有互补序列 3、分类分类： DNA-核酸探针核酸探针 Southern杂交杂交 待测者待测者 RNA-核酸探针核酸探针Northern杂交杂交 选用已知顺序片段作为探针，经放射

26、性同选用已知顺序片段作为探针，经放射性同位素或非放射性物质标记后，再与未知的位素或非放射性物质标记后，再与未知的目的核酸链进行杂交反应。目的核酸链进行杂交反应。 通过标记信号的检测对未知的目的核酸链通过标记信号的检测对未知的目的核酸链进行进行定性、定量定性、定量分析分析。放射性同位素、生物放射性同位素、生物素或荧光染料标记的素或荧光染料标记的已知序列的核酸片段已知序列的核酸片段 探针的探针的种类种类: 根据探针的来源及核酸性质不同根据探针的来源及核酸性质不同:可分为可分为DNA探针、探针、 cDNA探针、探针、RNA探针及寡核苷探针及寡核苷酸探针等几类。酸探针等几类。 根据标记物的不同分为：根

27、据标记物的不同分为： 放射性探针放射性探针：32p、35s、3H 非非放射性探针放射性探针:生物素、地高辛、荧光素生物素、地高辛、荧光素 放射性探针放射性探针：32p、35s、3H 优点：优点：灵敏性高、灵敏性高、 特异性高、方法简便特异性高、方法简便 缺点：半衰期短，必须经常标记；费用高；检缺点：半衰期短，必须经常标记；费用高；检测时间长；放射性同位素对人体有害，实验室和环测时间长；放射性同位素对人体有害，实验室和环境易被污染，放射性废物处理困难。境易被污染，放射性废物处理困难。 非非放射性探针放射性探针:生物素、地高辛、荧光素生物素、地高辛、荧光素 优点：优点：1 1、无放射性污染；、无放

28、射性污染； 2 2、稳定性好；、稳定性好； 3 3、探针可长时间保存。、探针可长时间保存。 缺点：灵敏度及特异性不高。缺点：灵敏度及特异性不高。 (一一) Southern印迹杂交印迹杂交1、待测核酸样品的制备、待测核酸样品的制备 （1）裂解或破碎细胞）裂解或破碎细胞 （2）抽取纯化基因组）抽取纯化基因组DNA （3）限制酶消化）限制酶消化DNA为大小不同的为大小不同的DNA片段片段2、待测、待测DNA样品的电泳分离样品的电泳分离 （1）琼脂糖浓度：分离大片段用低浓度胶）琼脂糖浓度：分离大片段用低浓度胶 分离小片段用高浓度胶分离小片段用高浓度胶 （ 2）凝胶电泳：凝胶具有分子筛效应，大分子）凝

29、胶电泳：凝胶具有分子筛效应，大分子 DNA泳动慢泳动慢,小分子小分子DNA泳动快，泳动快， 大小相同的分子处于同一条带大小相同的分子处于同一条带 3、凝胶中核酸的变性（碱变性）、凝胶中核酸的变性（碱变性） 凝胶置于凝胶置于NaOH溶液中使溶液中使DNA变性断裂为较变性断裂为较 短的短的单链单链 DNA。 4、Southern印印迹迹 指将电泳分离的指将电泳分离的DNA片段转移到一定的固片段转移到一定的固 相支持物上的过程相支持物上的过程 （ 1）常用的固相支持物常用的固相支持物 硝酸纤维素膜：硝酸纤维素膜：优点是吸附能力强，杂交信号优点是吸附能力强，杂交信号 本底低。缺点是本底低。缺点是DNA

30、分子结合不牢固分子结合不牢固 尼龙膜尼龙膜：优点是结合单链、双链：优点是结合单链、双链DNA的能力比的能力比 硝酸纤维素膜强；缺点：杂交信号本底高硝酸纤维素膜强；缺点：杂交信号本底高 （2）印迹的常用方法）印迹的常用方法 毛细管虹吸印迹法毛细管虹吸印迹法: 利用浓盐转移缓冲液的推动作用，将凝胶中利用浓盐转移缓冲液的推动作用，将凝胶中的的DNA转移到固相支持物上。转移到固相支持物上。电转移法电转移法: 利用电场的电泳作用将凝胶中的利用电场的电泳作用将凝胶中的DNA转移到转移到固相支持物上。固相支持物上。真空转移法真空转移法: 利用真空作用将利用真空作用将凝胶中的凝胶中的DNA转移到固相支持转移到固相支持物上。物上。 5、Southern杂交杂交 （1）预杂交：封闭膜上能与）预杂交：封闭膜上能与DNA结合的位点结合的位点; 预杂交液为不含预杂交液为不含DNA探针的杂交液探针的杂交液 （ 2）杂）杂 交：液相中的交：液相中的DNA探针与膜上的待测探针与膜上的待测 DNA杂交杂