核酸的结构与功能

第二章核酸的结构与功能

主要内容：介绍核酸的分类和化学组成，重点讨论DNA和RNA的结构特征，初步认识核酸的结构特征与其功能的相关性；介绍核酸的主要理化性质和核酸研究的一般方法。返回思考核酸的结构与功能第一节核酸的研究历史和重要性第二节核酸的分类和基本结构单位—核苷酸第三节DNA的分子结构第四节RNA的分子结构第五节核酸的某些理化性质及核酸研究常用技术第六节DNA研究进展

核酸分类脱氧核糖核酸（deoxyribonucleicacid,DNA）:遗传信息的贮存和携带者，生物的主要遗传物质。核糖核酸（ribonucleicacid,RNA）：主要参与遗传信息的传递和表达过程；此外，有些RNA还可参与基因表达和DNA合成，有些RNA具生物催化作用（ribozyme）,病毒中RNA本身就是遗传信息的储存者。核酸的研究历史和重要性1869

Miescher从脓细胞的细胞核中分离出了一种含磷酸的有机物，当时称为核素（nuclein）,后称为核酸（nucleicacid）1944Avery

等通过肺炎球菌转化试验证明DNA是遗传物质1953

Watson和Crick提出DNA结构的双螺旋模型1958

Crick提出遗传信息传递的中心法则70年代建立DNA重组技术80年代以后分子生物学、分子遗传学等学科突飞猛进发展，实施人类基因组计划（HGP）核酸的基本结构单位—核苷酸核酸分子中基本核苷酸的化学组成与命名(1)碱基、核苷、核苷酸的概念和关系(2)常见碱基的结构与命名法(3)常见（脱氧）核苷酸的基本结构与命名(4)稀有核苷酸2细胞内游离核苷酸及其衍生物5´-磷酸核苷酸的基本结构OO（N=A、G、C、U、T）HH(O)H1´2´NOHCH2HH5´4´3´PO-OOO-碱基、核苷、核苷酸的概念和关系

碱基戊糖HOCH2HOH脱氧核糖(inDNA)HOCH2HOOH核糖(inRNA)磷酸嘧啶胞嘧啶胸腺嘧啶尿嘧啶CUT嘌呤腺嘌呤鸟嘌呤AG基本碱基结构和命名RNA的一级结构

RNA分子中各核苷之间的连接方式（3´-5´磷酸二酯键）和排列顺序叫做RNA的一级结构OHOHOH5´3´

RNA与DNA一级结构的差异

DNA

RNA糖脱氧核糖核糖碱基

AGCTAGCU不含稀有碱基含稀有碱基核苷酸的结构和命名腺嘌呤核苷酸（AMP）

Adenosine

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

monophosphateOH鸟嘌呤核苷酸（GMP）胞嘧啶核苷酸（CMP）尿嘧啶核苷酸（UMP）脱氧鸟嘌呤核苷酸（dGMP）脱氧胞嘧啶核苷酸（dCMP）脱氧胸腺嘧啶核苷酸（dTMP）HPPPPPPPP常见（脱氧）核苷酸的结构和命名鸟嘌呤核苷酸（GMP）尿嘧啶核苷酸（UMP）胞嘧啶核苷酸（CMP）腺嘌呤核苷酸（AMP）脱氧腺嘌呤核苷酸（dAMP）脱氧鸟嘌呤核苷酸（dGMP）脱氧胞嘧啶核苷酸（dCMP）脱氧胸腺嘧啶核苷酸（dTMP）几种稀有核苷酸假尿苷（）二氢尿嘧啶（DHU）AmCH3CH3H3Cm26GHH5OPOOHOA(G)OOOHCH2HHHHcAMP(cGMP)的结构

Cyclicadenylie(Guanine)acid核糖和脱氧核糖1´（构成RNA）-D-核糖(ribose)（构成DNA）-D-脱氧核糖(deoxyribose)2´3´4´5´OHOCHOHOHOH2细胞内游离核苷酸及其衍生物

多磷酸核苷酸

环核苷酸

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

monophosphateADPAdenosine

diphosphateATPAdenosine

triphosphate

第三节DNA的分子结构

一、DNA一级结构二、DNA的二级结构三、DNA的三级结构DNA的一级结构

DNA分子中各脱氧核苷酸之间的连接方式（3´-5´磷酸二酯键）和排列顺序叫做DNA的一级结构，简称为碱基序列。一级结构的走向的规定为5´→3´。不同的DNA分子具有不同的核苷酸排列顺序，因此携带有不同的遗传信息。

一级结构的表示法结构式，线条式，字母式

一级结构测定5′端3′端CGADNA、RNA的一级结构

DNA一级结构5´3´OHOHOH5´3´RNA一级结构DNA一级结构的表示法5´3´结构式5´3´

p

p

p

pOH3´ACTG1´线条式5´ACTGCATAGCTCGA3´字母式酶法序列分析的原理酶反应电泳方向模板CCGGTAGCAACT3´5´GG5´3´引物dATPdCTPdGTPdTTP+ddATPdATPdCTPdGTPdTTP+ddTTPdATPdCTPdGTPdTTP+ddGTPdATPdCTPdGTPdTTP+ddCTPGGCCAGGCCATCGTTGAGGCGGCCGGCCATCGGCCATCGTTGGGCCATCGGGCCATGGCCATCGTGGCCATCGTTACGTAGTTGCTACC3´5´TCAACGATGG5´3´读出模板互补序列读出模板序列

（1）DNA的双螺旋结构(Watson-Crick模型)

DNA双螺旋结构特征及意义（2）DNA双螺旋的多态性（3）某些其它DNA螺旋结构

DNA回文结构、三股螺旋DNA的双螺旋结构的形成5´3´5´3´5´3´5´3´磷酸核糖碱基T-A碱基对C-G碱基对DNA双螺旋构象的类型A-DNAZ-DNAB-DNADNA的双螺旋模型特点

a.两条反向平行的多聚核苷酸链沿一个假设的中心轴右旋相互盘绕而形成。

b.磷酸和脱氧核糖单位作为不变的骨架组成位于外侧，作为可变成分的碱基位于内侧，链间碱基按A—T，G—C配对（碱基配对原则，Chargaff定律）

c.螺旋直径2nm，相邻碱基平面垂直距离0.34nm,螺旋结构每隔10个碱基对（basepair,bp）重复一次，间隔为3.4nma.氢键b.碱基堆集力c.磷酸基上负电荷被胞内组蛋白或正离子中和

d.碱基处于疏水环境中DNA的双螺旋结构稳定因素

该模型揭示了DNA作为遗传物质的稳定性特征，最重要的是确认了碱基配对原则，这是DNA复制、转录和反转录的分子基础，亦是遗传信息传递和表达的分子基础。该模型的提出是本世纪生命科学的重大突破之一，它奠定了生物化学和分子生物学乃至整个生命科学飞速发展的基石。DNA双螺旋的不同构象

DNA回文序列及几种结构形式回文序列发夹式结构十字形结构中心区域Southern印迹法DNA分子限制片段限制性酶切割琼脂糖电泳转移至硝酸纤维素膜上与放射性标记DNA探针杂交放射自显影带有DNA片段的凝胶凝胶滤膜用缓冲液转移DNA吸附有DNA片段的膜DNA三链间的碱基配对DNA分子内的三链结构多聚嘌呤多聚嘧啶DNA分子间的三链结构

DNA的三级结构

在细胞内，由于DNA分子与其它分子（主要是蛋白质）的相互作用，使DNA双螺旋进一步扭曲形成的高级结构.实例：超螺旋核蛋白体（染色体chromosome）核小体盘绕及染色质示意图组蛋白与DNA的结合核小体、染色质与染色体

DNA超螺旋结构的形成

第四节

RNA的分子结构

一、RNA一级结构二、tRNA的分子结构三、rRNA的分子结构四、mRNA的分子结构tRNA的结构二级结构特征：单链三叶草叶形四臂四环三级结构特征：在二级结构基础上进一步折叠扭曲形成倒L型酵母tRNAAla

的二级结构

DHU环IGC反密码子反密码环氨基酸臂可变环TψC环CCAAla3´5´tRNA的三级结构

rRNA的分子结构特征：a单链，螺旋化程度较tRNA低

b与蛋白质组成核糖体后方能发挥其功能5SrRNA的二级结构

mRNA的分子结构原核生物mRNA特征：

先导区+翻译区（多顺反子）+末端序列真核生物mRNA特征：

“帽子”（m7G-5´ppp5´-N-3´p）+单顺反子+“尾巴”（PolyA）原核细胞mRNA的结构特点5´3´顺反子顺反子顺反子插入顺序插入顺序先导区末端顺序真核细胞mRNA的结构特点AAAAAAA-OH5´

“帽子”PolyA

3´

顺反子m7G-5´ppp-N-3´p第五节核酸的某些理化性质及

核酸研究常用技术

一、核酸的两性解离性质

二、核酸的紫外吸收特性（λmax=260nm）三、核酸的变性、复性和分子杂交

四、核酸的熔解温度（Tm）

DNA的紫外吸收光谱2202402602800.10.20.30.4波长（nm）光吸收123

嘌呤和嘧啶具有共轭双键，使碱基、核苷酸、核酸在240～290nm的紫外波段有一强烈的吸收峰，最大吸收值在260nm附近。不同的核苷酸有不同的吸收特性，所以可以用紫外分光光度计加以定量和定性测定。DNA的变性过程加热部分双螺旋解开无规则线团链内碱基配对变性：在物理、化学因素影响下，DNA碱基对间的氢键断裂，双螺旋解开，这是一个是跃变过程，伴有A260增加（增色效应），DNA的功能丧失。核酸的复性和分子杂交变性（加热）探针杂交（缓慢冷却）复性（缓慢冷却）复性：在一定条件下，变性DNA单链间碱基重新配对恢复双螺旋结构，伴有A260减小（减色效应）,DNA的功能恢复。分子杂交及其应用

不同来源的DNA单链间或单链DNA与RNA之间只要有碱基配对的区域，在复性时可形成局部双螺旋区，称核酸分子杂交（hybridization）。制备特定的探针（probe）通过杂交技术可进行基因的检测和定位研究。

实例：southern印迹法Tm：熔解温度（meltingtemperature）Polyd(A-T)DNAPolyd(G-C)DNA的变性发生在一个很窄的温度范围内，通常把热变性过程中A260达到最大值一半时的温度称为该DNA的熔解温度，用Tm表示。

Tm的大小与DNA分子中（G+C）的百分含量成正相关，测定Tm值可推算核酸碱基组成及判断DNA纯度。某些DNA的Tm值60801001.01.41.2100%A260t\0CTmTmTm123123第六节DNA研究进展

一、人类基因组计划简介（HumanGenomeProject，HGP）二、DNA芯片技术简介（DNAchip）HGP的概况

该计划是美国科学家在1985年率先提出，1990年正式启动。美、英、德、法、日先后参加了此项工作，1999年我国成为HGP的第六个成员国。

HGP旨在阐明人类基因组DNA所具有的核苷酸的序列，发现所有的人类基因并阐明其在染色体上的位置，破译人类的全部遗传信息，使得人类第一次在分子水平上全面地认识自我。到目前为止，已完成了人类基因组的框架图，测序的工作已基本完成。

HGP的实施，揭开了生命科学新的一页，它可以造福于人类，但也面临的伦理的挑战。HGP取得的成就

完成了人类基因组工作草图绘制,揭示