核酸结构与功能

关于核酸结构与功能第1页，共89页，2022年，5月20日，1点48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89页，2022年，5月20日，1点48分，星期五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(1962)1968年Nirenberg发现遗传密码(1968)1975年Temin和Baltimore发现逆转录酶(1975)1981年Gilbert和Sanger建立DNA测序方法(1980)1985年Mullis发明PCR技术(1993)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89页，2022年，5月20日，1点48分，星期五核酸的分类及分布存在于细胞核和线粒体

分布于细胞核、细胞质、线粒体(deoxyribonucleicacid,DNA)(ribonucleicacid,RNA)脱氧核糖核酸

核糖核酸携带遗传信息，并通过复制传递给下一代。是DNA转录的产物，参与遗传信息的表达。某些病毒RNA也可作为遗传信息的载体第4页，共89页，2022年，5月20日，1点48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89页，2022年，5月20日，1点48分，星期五核酸(DNA和RNA)核苷酸核苷和脱氧核苷磷酸戊糖碱基嘌呤嘧啶核糖脱氧核糖核酸组成第6页，共89页，2022年，5月20日，1点48分，星期五分子组成碱基(base)：嘌呤碱，嘧啶碱戊糖(ribose)：核糖，脱氧核糖磷酸(phosphate)一、核苷酸是构成核酸的基本组成单位第7页，共89页，2022年，5月20日，1点48分，星期五碱基(base)是含氮的杂环化合物。碱基嘌呤嘧啶腺嘌呤鸟嘌呤尿嘧啶胸腺嘧啶胞嘧啶存在于DNA和RNA中仅存在于RNA中仅存在于DNA中碱基第8页，共89页，2022年，5月20日，1点48分，星期五嘌呤(purine，Pu)腺嘌呤(adenine,A)鸟嘌呤(guanine,G)第9页，共89页，2022年，5月20日，1点48分，星期五嘧啶(pyrimidine，Py)胞嘧啶(cytosine,C)尿嘧啶(uracil,U)胸腺嘧啶(thymine,T)第10页，共89页，2022年，5月20日，1点48分，星期五碱基的互变异构体第11页，共89页，2022年，5月20日，1点48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12页，共89页，2022年，5月20日，1点48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13页，共89页，2022年，5月20日，1点48分，星期五脱氧核苷嘌呤N-9

或嘧啶N-1与脱氧核糖C-1通过β-N-糖苷键相连形成脱氧核苷(deoxyribonucleoside)。第14页，共89页，2022年，5月20日，1点48分，星期五

嘌呤N-9或嘧啶N-1与核糖C-1通过β-N-糖苷键相连形成核苷(ribonucleoside)。核苷NNNN9NH2OOHOHHHHCH2OHH1'2'糖苷键第15页，共89页，2022年，5月20日，1点48分，星期五核苷或脱氧核苷与磷酸通过酯键结合构成核苷酸(ribonucleotide)或脱氧核苷酸(deoxyribonucleotide)。核苷酸(ribonucleotide)NNNN9NH2OOHOHHHHCH2H1'2'OPO-HOO糖苷键酯键第16页，共89页，2022年，5月20日，1点48分，星期五多磷酸核苷酸第17页，共89页，2022年，5月20日，1点48分，星期五环化核苷酸：cAMP、cGMP，是细胞信号转导中的第二信使。cAMP核苷酸衍生物第18页，共89页，2022年，5月20日，1点48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19页，共89页，2022年，5月20日，1点48分，星期五二、DNA是脱氧核苷酸通过3’,5’-磷酸二酯键连接形成的大分子一个脱氧核苷酸3的羟基与另一个核苷酸5的α-磷酸基团缩合形成磷酸二酯键(phosphodiesterbond)。

多个脱氧核苷酸通过磷酸二酯键构成了具有方向性的线性分子，称为多聚脱氧核苷酸(polydeoxynucleotide)，即DNA链。第20页，共89页，2022年，5月20日，1点48分，星期五5´-末端3´-末端CGA磷酸二酯键磷酸二酯键第21页，共89页，2022年，5月20日，1点48分，星期五交替的磷酸基团和戊糖构成了DNA的骨架(backbone)。DNA链的方向是5

→

3第22页，共89页，2022年，5月20日，1点48分，星期五三、RNA也是具有3’,5’-磷酸二酯键的线性大分子RNA也是多个核苷酸分子通过酯化反应形成的线性大分子，并且具有方向性；RNA的戊糖是核糖；RNA的嘧啶是胞嘧啶和尿嘧啶。第23页，共89页，2022年，5月20日，1点48分，星期五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四、核酸的一级结构是核苷酸的排列顺序第24页，共89页，2022年，5月20日，1点48分，星期五AGP5PTPGPCPTPOH3书写方法：5pApCpTpGpCpT-OH

35

ACTGCT

3第25页，共89页，2022年，5月20日，1点48分，星期五核酸分子的大小常用碱基(base或kilobase)数目来表示。小的核酸片段(<50bp)常被称为寡核苷酸(oligonucleotide)。自然界中的DNA和RNA的长度可以高达几十万个碱基。第26页，共89页，2022年，5月20日，1点48分，星期五DNA和RNA的区别核糖G、C、A、URNA脱氧核糖G、C、A、TDNA碱基核糖核酸第27页，共89页，2022年，5月20日，1点48分，星期五第二节DNA的空间结构与功能DimensionalStructureandFunctionofDNA第28页，共89页，2022年，5月20日，1点48分，星期五DNA的空间结构又分为二级结构(secondarystructure)和高级结构。DNA的空间结构(spatialstructure)构成DNA的所有原子在三维空间具有确定的相对位置关系。第29页，共89页，2022年，5月20日，1点48分，星期五一、DNA的二级结构——双螺旋结构第30页，共89页，2022年，5月20日，1点48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-线衍射图谱分析目录第31页，共89页，2022年，5月20日，1点48分，星期五（二）DNA双螺旋结构模型要点（Watson,Crick,1953）DNA分子由两条相互平行但走向相反的脱氧多核苷酸链组成，两链以-脱氧核糖-磷酸-为骨架，以右手螺旋方式绕同一公共轴盘。螺旋直径为2nm，形成大沟(majorgroove)及小沟(minorgroove)相间。目录

模型要点-15

3第32页，共89页，2022年，5月20日，1点48分，星期五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。目录

模型要点-2第33页，共89页，2022年，5月20日，1点48分，星期五碱基互补配对TAGC第34页，共89页，2022年，5月20日，1点48分，星期五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。目录

模型要点-3第35页，共89页，2022年，5月20日，1点48分，星期五Watson-Crick双螺旋结构模型(B-DNA)要点：（1）反平行双链：脱氧核糖-磷酸骨架位于外侧，碱基对位于内侧（2）碱基互补配对：AT配对（两个氢键），GC配对（三个氢键）；碱基对平面垂直纵轴（3）右手双螺旋：螺距为3.4nm，直径为2.0nm，10bp/圈第36页，共89页，2022年，5月20日，1点48分，星期五（4）表面功能区：小沟较浅；大沟较深，是蛋白质识别DNA碱基序列的基础

（5）维持结构稳定的力量：氢键维持双链横向稳定，碱基堆积力维持螺旋纵向稳定（6）意义:阐明了DNA的二级结构;为复制机制作了解释第37页，共89页，2022年，5月20日，1点48分，星期五（三）DNA双螺旋结构的多样性第38页，共89页，2022年，5月20日，1点48分，星期五第39页，共89页，2022年，5月20日，1点48分，星期五DNAdoublehelix类型

helixtypebp/turnrotation/bpverticalrise/bphelicaldA11+34.72.56A23A

B10+34.03.38A19AC9.33+38.63.32A19AZ12-30.05.71A18A第40页，共89页，2022年，5月20日，1点48分，星期五（四）DNA的多链螺旋结构在酸性的溶液中，胞嘧啶的N-3原子被质子化，可与鸟嘌呤的N-7原子形成氢键；同时，胞嘧啶的N-4的氢原子也可与鸟嘌呤的O-6形成氢键，这种氢键被称为Hoogsteen氢键。Hoogsteen氢键Hoogsteen氢键，不破坏Watson-Crick氢键，由此形成了C＋GC的三链结构(triplex)。第41页，共89页，2022年，5月20日，1点48分，星期五三链结构第42页，共89页，2022年，5月20日，1点48分，星期五鸟嘌呤之间通过Hoogsteen氢键形成特殊的四链结构(tetraplex)。四链结构第43页，共89页，2022年，5月20日，1点48分，星期五真核生物DNA3-末端是富含GT的多次重复序列，因而自身形成了折叠的四链结构。第44页，共89页，2022年，5月20日，1点48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45页，共89页，2022年，5月20日，1点48分，星期五第46页，共89页，2022年，5月20日，1点48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47页，共89页，2022年，5月20日，1点48分，星期五（二）原核生物DNA的高级结构第48页，共89页，2022年，5月20日，1点48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49页，共89页，2022年，5月20日，1点48分，星期五第50页，共89页，2022年，5月20日，1点48分，星期五第51页，共89页，2022年，5月20日，1点48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52页，共89页，2022年，5月20日，1点48分，星期五第三节

RNA的结构与功能StructureandFunctionofRNA第53页，共89页，2022年，5月20日，1点48分，星期五RNA的结构特点RNA是单链分子，因此在RNA分子中，嘌呤的总数不一定等于嘧啶的总数。RNA分子中，部分区域也能形成双螺旋结构，这种结构称为“发夹型”结构。在RNA的双螺旋结构中，碱基的配对情况不象DNA中严格。G除了可以和C配对外，也可以和U配对。G-U配对形成的氢键较弱。不同类型的RNA,其二级结构有明显的差异。tRNA中除了常见的碱基外，还存在一些稀有碱基，这类碱基大部分位于突环部分.第54页，共89页，2022年，5月20日，1点48分，星期五RNA的种类、分布、功能第55页，共89页，2022年，5月20日，1点48分，星期五一、信使RNA的结构与功能hnRNA非编码区mRNA*mRNA成熟过程

编码区目录第56页，共89页，2022年，5月20日，1点48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,形成帽子结构：m7GpppN。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57页，共89页，2022年，5月20日，1点48分，星期五帽子结构第58页，共89页，2022年，5月20日，1点48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59页，共89页，2022年，5月20日，1点48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60页，共89页，2022年，5月20日，1点48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61页，共89页，2022年，5月20日，1点48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62页，共89页，2022年，5月20日，1点48分，星期五*tRNA的二级结构——三叶草形

氨基酸臂

DHU环：识别氨酰-tRNA合成酶

反密码环额外环

TΨC环：识别核蛋白体氨基酸臂额外环第63页，共89页，2022年，5月20日，1点48分，星期五*tRNA的三级结构——倒L形*tRNA的功能识别密码子、搬运特定氨基酸到核糖体，参与蛋白质的翻译。第64页，共89页，2022年，5月20日，1点48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三、核蛋白体RNA的结构与功能第65页，共89页，2022年，5月20日，1点48分，星期五核蛋白体的大小亚基第66页，共89页，2022年，5月20日，1点48分，星期五核蛋白体的组成原核生物（以大肠杆菌为例）真核生物（以小鼠肝为例）小亚基30S40SrRNA16S1542个核苷酸18S1874个核苷酸蛋白质21种占总重量的40%33种占总重量的50%大亚基50S60SrRNA23S5S2940个核苷酸120个核苷酸28S5.85S5S4718个核苷酸160个核苷酸120个核苷酸蛋白质31种占总重量的30%49种占总重量的35%第67页，共89页，2022年，5月20日，1点48分，星期五*rRNA的结构*rRNA的功能参与组成核蛋白体，作为蛋白质生物合成的场所。真核生物18SrRNA第68页，共89页，2022年，5月20日，1点48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69页，共89页，2022年，5月20日，1点48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的加工和转运以及基因表达调控等。第70页，共89页，2022年，5月20日，1点48分，星期五

克雷格·梅洛（右）和安德鲁·法尔

(siRNA介导的RNA干涉，2006诺贝尔生理学与医学奖）第71页，共89页，2022年，5月20日，1点48分，星期五RNAi作用机制第72页，共89页，2022年，5月20日，1点48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73页，共89页，2022年，5月20日，1点48分，星期五核酸的理化性质ThePhysicalandChemicalCharactersofNucleicAcid第四节目录第74页，共89页，2022年，5月20日，1点48分，星期五一、核酸的一般理化性质与紫外吸收酸性化合物、线性高分子不同构象的核酸分子在离心时和电泳时的行为不一样第75页，共89页，2022年，5月20日，1点48分，星期五紫外吸收第76页，共89页，2022年，5月20日，1点48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77页，共89页，2022年，5月20日，1点48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78页，共89页，2022年，5月20日，1点48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79页，共89页，2022年，5月20日，1点48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80页，共89页，2022年，5月20日，1点48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