核酸的结构与功能

关于核酸的结构与功能第1页，共80页，2022年，5月20日，3点39分，星期五核酸(nucleicacid)

是以核苷酸为基本组成单位的生物大分子，携带和传递遗传信息。第2页，共80页，2022年，5月20日，3点39分，星期五一、核酸的发现和研究工作进展1868年FridrichMiescher从脓细胞中提取“核素”1944年Avery等人证实DNA是遗传物质1953年Watson和Crick发现DNA的双螺旋结构1968年Nirenberg发现遗传密码1975年Temin和Baltimore发现逆转录酶1981年Gilbert和Sanger建立DNA测序方法1985年Mullis发明PCR技术1990年美国启动人类基因组计划(HGP)

1994年中国人类基因组计划启动2001年美、英等国完成人类基因组计划基本框架第3页，共80页，2022年，5月20日，3点39分，星期五二、核酸的分类及分布90%以上分布于细胞核，其余分布于核外如线粒体，叶绿体，质粒等。分布于胞核、胞液。(deoxyribonucleicacid,DNA)(ribonucleicacid,RNA)脱氧核糖核酸

核糖核酸携带遗传信息，决定细胞和个体的基因型(genotype)。参与细胞内DNA遗传信息的表达。某些病毒RNA也可作为遗传信息的载体。第4页，共80页，2022年，5月20日，3点39分，星期五第一节核酸的化学组成及其一级结构TheChemicalComponentandPrimaryStructureofNucleicAcid第5页，共80页，2022年，5月20日，3点39分，星期五核酸的化学组成1.元素组成C、H、O、N、P（9~10%）2.分子组成——碱基(base)：嘌呤碱，嘧啶碱——戊糖(ribose)：核糖，脱氧核糖——磷酸(phosphate)第6页，共80页，2022年，5月20日，3点39分，星期五嘌呤(purine)腺嘌呤(adenine,A)鸟嘌呤(guanine,G)碱基第7页，共80页，2022年，5月20日，3点39分，星期五嘧啶(pyrimidine)胞嘧啶(cytosine,C)尿嘧啶(uracil,U)胸腺嘧啶(thymine,T)第8页，共80页，2022年，5月20日，3点39分，星期五稀有碱基嘌呤——次黄嘌呤、1-甲基次黄嘌呤、N2、N2-二甲基鸟嘌呤。嘧啶——5-甲基胞嘧啶、5-羟甲基胞嘧啶、二氢尿嘧啶、4-巯尿嘧啶都是基本碱基的化学修饰型。第9页，共80页，2022年，5月20日，3点39分，星期五鸟嘌呤次黄嘌呤1-甲基次黄嘌呤第10页，共80页，2022年，5月20日，3点39分，星期五戊糖（构成RNA）1´2´3´4´5´核糖(ribose)（构成DNA）脱氧核糖(deoxyribose)第11页，共80页，2022年，5月20日，3点39分，星期五核苷：AR,GR,UR,CR脱氧核苷：dAR,dGR,dTR,dCR一、核苷酸的结构1.核苷(ribonucleoside)的形成碱基和核糖（脱氧核糖）通过糖苷键连接形成核苷（脱氧核苷）。1´1第12页，共80页，2022年，5月20日，3点39分，星期五核苷酸：AMP,GMP,UMP,CMP脱氧核苷酸：dAMP,dGMP,dTMP,dCMP

2.核苷酸(ribonucleotide)的结构与命名核苷（脱氧核苷）和磷酸以磷酸酯键连接形成核苷酸（脱氧核苷酸）。

第13页，共80页，2022年，5月20日，3点39分，星期五例如：AMPadenosinemonophosphate腺苷一磷酸或一磷酸腺苷简称：腺苷酸dAMPdeoxyadenosinemonophosphate脱氧一磷酸腺苷/一磷酸脱氧腺苷简称：脱氧腺苷酸默认情况下核苷酸均为5'-核苷酸第14页，共80页，2022年，5月20日，3点39分，星期五体内重要的游离核苷酸及其衍生物

多磷酸核苷酸：NMP，NDP，NTP能量的直接共体能量直接共体第15页，共80页，2022年，5月20日，3点39分，星期五

环化核苷酸:cAMP，cGMP细胞内的第二信使第16页，共80页，2022年，5月20日，3点39分，星期五含核苷酸的生物活性物质：NAD+、NADP+、CoA-SH、FAD等都含有AMPNADP+NAD+第17页，共80页，2022年，5月20日，3点39分，星期五核苷酸的生物学功用作为核酸合成的原料体内能量的利用形式参与代谢和生理调节组成辅酶活化中间代谢物第18页，共80页，2022年，5月20日，3点39分，星期五5´端3´端3.核苷酸的连接核苷酸之间以磷酸二酯键连接形成多核苷酸链，即核酸。CGA第19页，共80页，2022年，5月20日，3点39分，星期五二、核酸的一级结构定义核酸中核苷酸的排列顺序。由于核苷酸间的差异主要是碱基不同，所以也称为碱基序列。5′端3′端CGA方向第20页，共80页，2022年，5月20日，3点39分，星期五AGP5PTPGPCPTPOH3书写方法5pApCpTpGpCpT-OH

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ACTGCT

3第21页，共80页，2022年，5月20日，3点39分，星期五第二节DNA的空间结构与功能DimensionalStructureandFunctionofDNA第22页，共80页，2022年，5月20日，3点39分，星期五一、DNA的二级结构——双螺旋结构第23页，共80页，2022年，5月20日，3点39分，星期五（一）DNA双螺旋结构的研究背景碱基组成分析Chargaff规则：[A]=[T][G][C]碱基的理化数据分析A-T、G-C以氢键配对较合理DNA纤维的X-线衍射图谱分析第24页，共80页，2022年，5月20日，3点39分，星期五A.DNA碱基互补原则腺嘌呤胸腺嘧啶鸟嘌呤胞嘧啶其他组合易相互排斥例如G:T＊因此，DNA的双股系藉著A:T

和G

:

C的配对关系互相结合。第25页，共80页，2022年，5月20日，3点39分，星期五DNA一股的核苷酸序列与另一股的序列

互补（A-T、G-C）。第26页，共80页，2022年，5月20日，3点39分，星期五B.二级结构—B型双螺旋结构大部分DNA所具有的双螺旋结构，亦称为B型小沟大沟1.反向、平行、右手螺旋5`3`5`3`2.链间碱基配对相连3.每10个碱基对螺旋上升一周第27页，共80页，2022年，5月20日，3点39分，星期五C.双螺旋结构的稳定因素DNA双螺旋在生理状态下十分稳定，结构不发生变化。提问：起稳定作用的有哪些力呢？答案：疏水作用力（主要）

（又称碱基堆积力）

氢键

范德华力第28页，共80页，2022年，5月20日，3点39分，星期五（二）DNA双螺旋结构模型要点

（Watson,Crick,1953）碱基垂直螺旋轴居双螺旋内側，与对側碱基形成氢键配对（互补配对形式：A=T;GC）。相邻碱基平面距离0.34nm，螺旋一圈螺距3.4nm，一圈10对碱基。第29页，共80页，2022年，5月20日，3点39分，星期五碱基互补配对TAGC第30页，共80页，2022年，5月20日，3点39分，星期五（二）DNA双螺旋结构模型要点

（Watson,Crick,1953）氢键维持双链横向稳定性，碱基堆积力维持双链纵向稳定性。第31页，共80页，2022年，5月20日，3点39分，星期五（三）DNA双螺旋结构的多样性Z型DNAB型DNAA型DNA第32页，共80页，2022年，5月20日，3点39分，星期五二、DNA的超螺旋结构及其在染色质中的组装（一）DNA的超螺旋结构超螺旋结构(superhelix或supercoil)DNA双螺旋链再盘绕即形成超螺旋结构。正超螺旋(positivesupercoil)盘绕方向与DNA双螺旋方同相同负超螺旋(negativesupercoil)盘绕方向与DNA双螺旋方向相反第33页，共80页，2022年，5月20日，3点39分，星期五原核生物以及真核生物细胞器环状DNA的超螺旋三级结构叶绿体中含有环状DNA线粒体中含有环状DNA细菌等原核生物质粒染色体第34页，共80页，2022年，5月20日，3点39分，星期五固定负超螺旋（右手拓扑结构）反之，则为正超螺旋自然界通常为负超螺旋。提问：DNA形成三级结构及染色体的意义何在？答案：压缩分子空间人体每个体细胞DNA长2m,细胞直径0.1mm,细胞核0.05mm环状DNA右旋第35页，共80页，2022年，5月20日，3点39分，星期五DNA的三级结构：DNA双螺旋结构进一步盘曲形成的复杂结构。以超螺旋最为常见负超螺旋模型（多见）正超螺旋第36页，共80页，2022年，5月20日，3点39分，星期五意义DNA超螺旋结构整体或局部的拓扑学变化及其调控对于DNA复制和RNA转录过程具有关键作用。第37页，共80页，2022年，5月20日，3点39分，星期五（三）DNA在真核生物细胞核内的组装真核生物染色体由DNA和蛋白质构成，其基本单位是核小体(nucleosome)。核小体的组成DNA：约200bp组蛋白：H1H2A，H2BH3H4第38页，共80页，2022年，5月20日，3点39分，星期五第39页，共80页，2022年，5月20日，3点39分，星期五串珠状核小体结构第40页，共80页，2022年，5月20日，3点39分，星期五串珠状核小体DNA双螺旋片段染色质纤维伸展形染色质片段密集形染色质片段整个染色体第41页，共80页，2022年，5月20日，3点39分，星期五核小体螺线管真核生物染色体DNA组装第42页，共80页，2022年，5月20日，3点39分，星期五.真核细胞染色体的DNA念珠状三级结构第43页，共80页，2022年，5月20日，3点39分，星期五三、DNA的功能DNA的基本功能是以基因的形式荷载遗传信息，并作为基因复制和转录的模板。它是生命遗传的物质基础，也是个体生命活动的信息基础。基因从结构上定义，是指DNA分子中的特定区段，其中的核苷酸排列顺序决定了基因的功能。第44页，共80页，2022年，5月20日，3点39分，星期五第三节

RNA的结构与功能StructureandFunctionofRNA第45页，共80页，2022年，5月20日，3点39分，星期五RNA的种类、分布、功能第46页，共80页，2022年，5月20日，3点39分，星期五一、信使RNA的结构与功能hnRNA内含子(intron)mRNA*mRNA成熟过程

外显子(exon)第47页，共80页，2022年，5月20日，3点39分，星期五*mRNA结构特点1.大多数真核mRNA的5´末端均在转录后加上一个7-甲基鸟苷，同时第一个核苷酸的C´2也是甲基化，形成帽子结构：m7GpppNm-。2.大多数真核mRNA的3´末端有一个多聚腺苷酸(polyA)结构，称为多聚A尾。第48页，共80页，2022年，5月20日，3点39分，星期五帽子结构第49页，共80页，2022年，5月20日，3点39分，星期五mRNA核内向胞质的转位mRNA的稳定性维系翻译起始的调控帽子结构和多聚A尾的功能第50页，共80页，2022年，5月20日，3点39分，星期五*mRNA的功能把DNA所携带的遗传信息，按碱基互补配对原则，抄录并传送至核糖体，用以决定其合成蛋白质的氨基酸排列顺序。DNAmRNA蛋白转录翻译原核细胞细胞质细胞核DNA内含子外显子转录转录后剪接转运mRNAhnRNA翻译蛋白真核细胞第51页，共80页，2022年，5月20日，3点39分，星期五*

tRNA的一级结构特点含10~20%稀有碱基，如DHU3´末端为—CCA-OH5´末端大多数为G

具有TC二、转运RNA的结构与功能第52页，共80页，2022年，5月20日，3点39分，星期五N,N二甲基鸟嘌呤N6-异戊烯腺嘌呤双氢尿嘧啶4-巯尿嘧啶

稀有碱基第53页，共80页，2022年，5月20日，3点39分，星期五*tRNA的二级结构——三叶草形

氨基酸臂DHU环反密码环额外环TΨC环氨基酸臂额外环第54页，共80页，2022年，5月20日，3点39分，星期五*tRNA的三级结构——倒L形*tRNA的功能活化、搬运氨基酸到核糖体，参与蛋白质的翻译。第55页，共80页，2022年，5月20日，3点39分，星期五*rRNA的结构三、核蛋白体RNA的结构与功能*rRNA的功能参与组成核蛋白体，作为蛋白质生物合成的场所。第56页，共80页，2022年，5月20日，3点39分，星期五*rRNA的种类（根据沉降系数）真核生物5SrRNA28SrRNA5.8SrRNA18SrRNA原核生物5SrRNA23SrRNA16SrRNA第57页，共80页，2022年，5月20日，3点39分，星期五核蛋白体的组成第58页，共80页，2022年，5月20日，3点39分，星期五四、其他小分子RNA及RNA组学除了上述三种RNA外，细胞的不同部位存在的许多其他种类的小分子RNA，统称为非mRNA小RNA(smallnon-messengerRNAs,snmRNAs)。

snmRNAs第59页，共80页，2022年，5月20日，3点39分，星期五snmRNAs的种类核内小RNA核仁小RNA胞质小RNA催化性小RNA小片段干涉RNA

snmRNAs的功能参与hnRNA和rRNA的加工和转运。第60页，共80页，2022年，5月20日，3点39分，星期五RNA组学研究细胞中snmRNAs的种类、结构和功能。同一生物体内不同种类的细胞、同一细胞在不同时间、不同状态下snmRNAs的表达具有时间和空间特异性。RNA组学第61页，共80页，2022年，5月20日，3点39分，星期五核酸的理化性质ThePhysicalandChemicalCharactersofNucleicAcid第四节目录第62页，共80页，2022年，5月20日，3点39分，星期五第63页，共80页，2022年，5月20日，3点39分，星期五1.DNA或RNA的定量OD260=1.0相当于50μg/ml双链DNA40μg/ml单链DNA（或RNA）20μg/ml寡核苷酸2.判断核酸样品的纯度DNA纯品:OD260/OD280=1.8RNA纯品:OD260/OD280=2.0OD260的应用目录第64页，共80页，2022年，5月20日，3点39分，星期五二、DNA的变性(denaturation)定义：在某些理化因素作用下，DNA双链解开成两条单链的过程。方法：过量酸，碱，加热，变性试剂如尿素、酰胺以及某些有机溶剂如乙醇、丙酮等。变性后其它理化性质变化：OD260增高 粘度下降比旋度下降 浮力密度升高酸碱滴定曲线改变 生物活性丧失目录第65页，共80页，2022年，5月20日，3点39分，星期五DNA变性的本质是双链间氢键的断裂第66页，共80页，2022年，5月20日，3点39分，星期五例：变性引起紫外吸收值的改变DNA的紫外吸收光谱增色效应：DNA变性时其溶液OD260增高的现象。目录第67页，共80页，2022年，5月20日，3点39分，星期五热变性解链曲线：如果在连续加热DNA的过程中以温度对A260（absorbance，A，A260代表溶液在260nm处的吸光率）值作图，所得的曲线称为解链曲线。目录第68页，共80页，2022年，5月20日，3点39分，星期五Tm：变性是在一个相当窄的温度范围内完成，在这一范围内，紫外光吸收值达到最大值的50%时的温度称为DNA的解链温度，又称融解温度(meltingtemperature,Tm)。其大小与G+C含量成正比。目录第69页，共80页，2022年，5月20日，3点39分，星期五三、DNA的复性与分子杂交

DNA复性(renaturation)的定义在适当条件下，变性DNA的两条互补链可恢复天然的双螺旋构象，这一现象称为复性。减色效应DNA复性时，其溶液OD260降低。热变性的DNA经缓慢冷却后即可复性，这一过程称为退火(annealing)。目录第70页，共80页，2022年，5月20日，3点39分，星期五在DNA变性后的复性过程中，如果将不同种类的DNA单链分子或RNA分子放在同一溶液中，只要两种单链分子之间存在着一定程度的碱基配对关系，在适宜的条件（温度及离子强度）下，就可以在不同的分子间形成杂化双链(heteroduplex)。这种杂化双链可以在不同的DNA与DNA之间形成，也可以在DNA和RNA分子间或者RNA与RNA分子间形成。这种现象称为核酸分子杂交。核酸分子杂交(hybridiz