第二章 核酸的结构与功能

第二章核酸的结构与功能

概述：

1、核酸的发现及命名

核酸是脱氧核糖核酸（DNA）与核糖核酸（RNA）的通称

2、核酸的分类、分布及生理功用

分类主要分布主要生理功用

DNA

细胞核遗传信息的载体

RNA

细胞质参与蛋白质的生物合成3、核酸的水解核酸核苷酸磷酸核苷戊糖碱基水解基本结构单位*：核苷酸；基本组成成分*：磷酸、戊糖和碱基一、核酸的化学组成及特点组成核苷酸的元素：Ｃ，Ｈ，Ｏ，Ｎ，Ｐ与蛋白质相比组成上的两大特点：１核酸不含元素Ｓ，２核酸中Ｐ元素的含量多,且恒定（９％－１０％）

(可用于核酸含量测定)第一节核酸的化学组成及一级结构(H)OHHHOHOHHOCH2H1’2’3’4’5’OHRAN:-D-核糖DNA:-D-2-脱氧核糖.为区别碱基中的碳原子的编号,戊糖中的碳原子标以C-1’,C-2’...1.戊糖脱氧部位C-2’DNA比RNA稳定!二、核酸分子中的基本组成成分2.碱基（base):嘌呤碱

(purine)鸟嘌呤(guanineG)腺嘌呤(adenineA)嘧啶碱(pyrimidine)胞嘧啶(cytosineC)尿嘧啶(uracilU)胸腺嘧啶(thymimeT)碱基都具有芳香环的结构特征（含共轭双键）嘧啶环NN123456嘌呤环NNNN234986751

腺嘌呤(A)

鸟嘌呤(G)

NH2NNN

NAONNN

NGH2N

胞嘧啶（C）尿嘧啶（U）胸腺嘧啶（T）NNONH2NNOONNOOCH3CUTRNADNA尿嘧啶U胸腺嘧啶T胞嘧啶C鸟嘌呤G腺嘌呤A小结：DNA、RNA基本组成的异同*

戊糖碱基磷酸

DNA

脱氧核糖

A、G、C、T

磷酸

RNA

核糖

A、G、C、U

磷酸

3、核苷（nucleoside)

1）核苷的定义：碱基与戊糖通过糖苷键相连而成的化合物。2）碱基与戊糖的连接部位：

3）分类：核糖核苷脱氧核糖核苷糖苷键4、核苷酸(nucleotide)

1）定义：核苷与磷酸通过酯键相连而成的化合物2）连接部位：戊糖的第五位碳上的羟基磷酸化3）分类：核糖核苷酸脱氧核糖核苷酸注：一磷酸核苷monophosphate(MP)

二磷酸核苷diphosphate(DP)

三磷酸核苷triphosphate(TP)核苷酸的结构碱基连接（糖苷键）酯键（对DNA为H）1`2`3`4`5`

三、核酸的一级结构

1、定义：组成DNA（或RNA）的脱氧核苷酸（或核苷酸）的排列顺序

2、连接键：3′5′---磷酸二酯键（多核苷酸链的方向：5′→3′）3、表达方式：结构式线条式文字式15′端3′端CGAA

G

P5PT

PG

PC

PT

POH35

pApCpTpGpCpT-OH35

ACTGCT

3

第二节DNA的空间结构与功能一、DNA碱基组成的特点1、A+T/G+C的比值有物种特异性，且物种亲缘关系越远，差异越大；2、无组织器官特异性:不同组织器官中

的DNA碱基组成相同，而且不因年龄、环境及营养变化而改变；3、组成的规律性：DNA分子中四种碱基的摩尔百分比，即A=T、G=C、A+G=T+CDNA的二级结构——双螺旋结构二、DNA双螺旋结构模型要点（B型）

1、反向平行的右手双螺旋结构，螺距为3.4nm，直径为2.0nm。每圈10对碱基，存在大沟、小沟2、主链位于螺旋外侧，碱基位于内侧。3、两链间A与T互补形成两个氢键，G与C互补形成三个氢键4、螺旋的稳定因素为氢键和碱基堆砌力碱基互补配对

TAGCDNA双螺旋结构的多样性超螺旋（原核生物）核小体（真核生物）三、DNA的三级结构DNA双螺旋分子在空间进一步折叠或环绕成更复杂的结构，即DNA三级结构。（人体每个体细胞DNA长2m,细胞直径0.1mm,细胞核0.05mm）（一）DNA超螺旋

—原核生物DNA高级结构正超螺旋:盘旋方向与DNA双螺旋方向相同负超螺旋：盘旋方向与DNA双螺旋方向相反超螺旋核小体核心组蛋白H2A，H2B，H3，H4

各两分子,146bpDNA缠绕----核心颗粒2.组蛋白H1+60bpDNA

----

连接区（二）DNA在真核细胞内的组装DNA四级结构有人把染色体称为DNA的四级结构四、DNA的功能:基因：DNA分子中有功能的特定区段基因组：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，基因组是指一套染色体（单倍体）DNA。

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。人类的遗传物质是DNA，它的总和就是人类基因组，由大约30亿碱基对组成，分布在细胞核的23对染色体中。“人类基因组计划”的核心，就是测定人类基因组的全部DNA序列人类基因组核基因组线粒体基因组

2-2.5万个基因

37个基因4.6x109碱基对（bp）16.6x103碱基对双链线状双链环状结构基因只占3%几乎全是结构基因基因组学(genomics)就是发展和应用DNA制图、测序新技术以及计算机程序，分析生命体（包括人类）全部基因组结构及功能。基因组学的概念:基因组学包括3个不同的亚领域

亚领域研究内容结构基因组学整个基因组的遗传制图、物理制图、DNA测序

功能基因组学认识、分析整个基因组所包含的

基因、非基因序列及其功能比较基因组学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

关性的认识转录组学（transcriptomics）

1.转录组:是指转录后的所有mRNA的总称。

2.研究细胞在某一功能状态下所含mRNA的

类型与拷贝数。

3.与基因组不同的是，转录组的定义中包含了时间和空间的限定。RNA的种类、分布、功能第三节RNA的空间结构与功能

主要RNA的分类及功用

分类主要功用

mRNA蛋白质生物合成的模板

tRNA

氨基酸的搬运工具

rRNA

与蛋白结合成核蛋白体，为蛋白质生物合成提供场所

RNA的总体结构特点：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一、

信使RNA（

mRNA）蛋白质合成的直接模板5’端帽子结构（m7GpppNm)3’端多聚A尾(AAA…A)mRNA前体

hnRNA（真核生物）成熟mRNA只有外显子内含子外显子真核细胞mRNA原核生物的mRNA是多顺反子：一条mRNA可编码几种蛋白质。真核生物的mRNA是单顺反子：一条mRNA只编码一种蛋白质

真核生物mRNA的结构特点：1）mRNA含量少、更新快、分子大小不一

2)mRNA可形成局部双螺旋结构的二级结构。3)mRNA在真核生物中的初级产物称为HnRNA

4)5’-端有7-甲基鸟苷三磷酸(m7GTP)的帽子结构5)3’-端有多聚腺苷酸(PolyA)尾巴结构

二、tRNA的结构特点：1)分子最小；大小均一；含有稀有碱基最多

2)局部双链形成茎-环样结构/发夹结构

3)二级结构：呈“三叶草”型。包括：氨基酸臂、DHU环、反密码环、附加环、TψC环等

4）三级结构：倒“L”型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

tRNA二级结构：三叶草形结构反密码子TψC环反密码环DHU环氨基酸臂额外环*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。与蛋白质结合形成核蛋白体成为蛋白质合成的场所三、核蛋白体RNA（rRNA）：：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S

小亚基大亚基原核生物70S含：30S50S真核生物80S含：40S60S

rRNA的结构特点：1）rRNA是含量最多的RNA，占总量的80％。2）rRNA与蛋白质构成核蛋白体（由大、小亚基组成）原核生物：5S,

16S,23S

小亚基含：16S

大亚基含：5S和23S真核生物：5S，5.8S，18S，28S

小亚基含：18S

大亚基含：5.8S，5S，28S

第四节核酸的理化性质、变性和复性及其应用

一、核酸的一般理化性质（一）为两性电解质；呈酸性；分子大，粘度高（二）紫外吸收特性：1、最大紫外吸收峰：260nm

2、产生原因：碱基中的共扼双键3、应用：定量分析；鉴定纯度

A260=1.0相当于:50ug/ml双链DNA40ug/ml单链DNA或RNA20ug/ml寡核苷酸A260/A280=1.8（DNA纯品）

=2.0（RNA纯品）OD260的应用*1.DNA或RNA的定量2.判断核酸样品的纯度

三、核酸变性（DNA变性）1、定义：在理化因素作用下，DNA双螺旋的两条互补链松散而分开变成单链的过程。2、变性的因素：①高温（常用）②强酸、强碱③有机溶剂等3、变性的实质：氢键断裂（磷酸二酯键完好）

4、主要性质改变：

1)紫外吸收值增加-增色效应

增色效应:指DNA变性后对260nm紫外光的光吸收度增加的现象。

2)旋光性下降3)粘度降低4)原有生物功能部分或全部丧失Tm解链温度OD260TDNA热变性曲线呈S型50％DNA变性四、DNA的热变性1、定义：将DNA稀盐溶液加热使之变性的过程2、解链温度Tm（meltingtemperature):使50%DNA分子变性的温度----TmTm大小与其所含碱基中的G+C比例相关Tm=69.3+0.41(%G+C)Tm=4(G+C)+2(A+T)(用于小于20bp的寡核苷酸片段）此外,Tm大小还与核酸分子大小,溶液离子强度有关五、DNA复性/退火（annealing)复性：变性DNA在适当条件下可重新配对，恢复天然的双螺旋构像的现象。退火：热变性的DNA随着温度的缓慢降低再重新形成双螺旋的过程。复性过程：成核反应→拉链反应

DNA的变性与复性高温变性缓慢冷却急速冷却热复性复性失败

七、核酸杂交(hybridization)

1、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。

2、结构基础：有互补序列

3、分类：

DNA-核酸探针—Southern杂交待测者

RNA-核酸探针—Northern杂交

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进行定性、定量分析。放射性同位素、生物素或荧光染料标记的已知序列的核酸片段

探针的种类:

根据探针的来源及核酸性质不同:可分为DNA探针、

cDNA探针、RNA探针及寡核苷酸探针等几类。

根据标记物的不同分为：

放射性探针：32p、35s、3H

非放射性探针:生物素、地高辛、荧光素

放射性探针：32p、35s、3H

优点：灵敏性高、特异性高、方法简便缺点：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，实验室和环境易被污染，放射性废物处理困难。非放射性探针:生物素、地高辛、荧光素

优点：1、无放射性污染；

2、稳定性好；

3、探针可长时间保存。缺点：灵敏度及特异性不高。

(一)Southern印迹杂交1、待测核酸样品的制备（1）裂解或破碎细胞（2）抽取纯化基因组DNA

（3）限制酶消化DNA为大小不同的DNA片段2、待测DNA样品的电泳分离（1）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（2）凝胶电泳：凝胶具有分子筛效应，大分子

DNA泳动慢,小分子DNA泳动快，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）凝胶置于NaOH溶液中使DNA变性断裂为较短的单链

DNA。

4、Southern印迹指将电泳分离的DNA片段转移到一定的固相支持物上的过程

（1）常用的固相支持物①硝酸纤维素膜：优点是吸附能力强，杂交信号本底低。缺点是DNA分子结合不牢固②尼龙膜：优点是结合单链、双链DNA的能力比硝酸纤维素膜强；缺点：杂交信号本底高

（2）印迹的常用方法

毛细管虹吸印迹法:

利用浓盐转移缓冲液的推动作用，将凝胶中的DNA转移到固相支持物上。电转移法:

利用电场的电泳作用将凝胶中的DNA转移到固相支持物上。真空转移法:

利用真空作用将凝胶中的DNA转移到固相支持物上。

5、Southern杂交（1）预杂交：封闭膜上能与DNA结合的位点;

预杂交液为不含DNA探针的杂交液（2）杂交：液相中的DNA探针与膜上的待测DNA杂交;双链DNA探针需加热变性为单链，再杂交（3）洗膜：去除游离的放射性探针或非特异结合的DNA。

6、杂交结果检测

（1）放射自显影：

适用于放射性核素标记的探针

（2）比色或化学发光检测：适于非核素标记的探针

Northern印迹与Southern印迹的不同点：

1、变性：RNA电泳前加热变性