核酸的结构与功能讲座

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核酸的结构与功能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(DNA)(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，参与遗传信息的复制与表达。某些病毒RNA也可作为遗传信息的载体第一节核酸的化学组成以及一级结构核酸(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一、核苷酸是构成核酸的基本组成单位分子组成碱基(base)：嘌呤碱，嘧啶碱戊糖(ribose)：核糖，脱氧核糖磷酸(phosphate)碱基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

嘌呤(Pu)腺嘌呤(A)鸟嘌呤(G)

嘧啶(Py)胞嘧啶(C)尿嘧啶(U)胸腺嘧啶(T)碱基的互变异构体

（构成RNA）1´2´3´4´5´核糖(ribose)（构成DNA）脱氧核糖(deoxyribose)戊糖嘌呤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。NNNN9NH2OOHOHHHHCH2OHH1'2'糖苷键1´1核苷9、人的价值，在招收诱惑的一瞬间被决定。2023/2/32023/2/3Friday,February3,202310、低头要有勇气，抬头要有低气。2023/2/32023/2/32023/2/32/3/20234:33:22PM11、人总是珍惜为得到。2023/2/32023/2/32023/2/3Feb-2303-Feb-2312、人乱于心，不宽余请。2023/2/32023/2/32023/2/3Friday,February3,202313、生气是拿别人做错的事来惩罚自己。2023/2/32023/2/32023/2/32023/2/32/3/202314、抱最大的希望，作最大的努力。03二月20232023/2/32023/2/32023/2/315、一个人炫耀什么，说明他内心缺少什么。。二月232023/2/32023/2/32023/2/32/3/202316、业余生活要有意义，不要越轨。2023/2/32023/2/303February202317、一个人即使已登上顶峰，也仍要自强不息。2023/2/32023/2/32023/2/32023/2/3核苷或脱氧核苷与磷酸通过酯键结合构成核苷酸或脱氧核苷酸。NNNN9NH2OOHOHHHHCH2H1'2'OPO-HOO糖苷键酯键核苷酸多磷酸核苷酸环化核苷酸：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

核苷酸的连接方式是3’,5’-磷酸二酯键，即一个核苷酸3的羟基与另一个核苷酸5的α-磷酸基团缩合形成。5´端3´端CANH2NNOPOHHOOOH3COOHPHOOOH3COOHNH2NNNN磷酸二酯键5´-末端3´-末端CGA磷酸二酯键磷酸二酯键三、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3,5-磷酸二酯键连接形成的线性大分子，也具有5→3方向性;RNA的戊糖是核糖；

RNA的嘧啶是胞嘧啶和尿嘧啶。构成RNA的四种基本核苷酸是AMP、GMP、CMP和UMP。四、核酸的一级结构是核苷酸的排列顺序

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。单链DNA和RNA分子的大小常用核苷酸数目（nt）表示；双链核酸分子的大小常用碱基(bp或kbp)数目来表示。小的核酸片段(<50bp)常被称为寡核苷酸。自然界中的DNA和RNA的长度可以高达几十万个碱基。AGP5PTPGPCPTPOH3书写方法：5pApCpTpGpCpT-OH

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3第二节DNA的空间结构与功能DNA的空间结构又分为二级结构和高级结构。DNA的空间结构构成DNA的所有原子在三维空间的相对位置关系。一、DNA的二级结构是双螺旋结构不同生物种属的DNA的碱基组成不同同一个体的不同器官或组织的DNA碱基组成相同。对于一特定组织的DNA，其碱基组分不随年龄、营养状态和环境而变化[A]=[T]，[G]=[C]Chargaff规则（一）DNA双螺旋结构的实验基础获得了高质量的DNA分子的X射线衍射照片。提出了DNA分子双螺旋结构(doublehelix)模型。（二）DNA双螺旋结构模型要点1.DNA由两条多聚脱氧核苷酸链组成两条多聚核苷酸链在空间的走向呈反向平行两条链围绕着同一个螺旋轴形成右手螺旋的结构。双螺旋结构的直径为2.37nm，螺距为3.54nm。2.核糖与磷酸位于外侧脱氧核糖和磷酸基团组成的亲水性骨架位于双螺旋结构的外侧，疏水的碱基位于内侧。双螺旋结构的表面形成了一个大沟和一个小沟。DNA双螺旋结构的示意图DNA双螺旋结构的俯视图3.DNA双链之间形成了互补碱基对碱基配对关系称为互补碱基对DNA的两条链则互为互补链碱基对平面与螺旋轴垂直4.碱基对的疏水作用力和氢键共同维持着DNA双螺旋结构的稳定相邻两个碱基对会有重叠，产生了疏水性的碱基堆积力。碱基堆积力和互补碱基对的氢键共同维系着DNA结构的稳定。大沟与小沟碱基互补配对（三）DNA双螺旋结构的多样性旋向螺距(nm)碱基数（每圈）螺旋直径（nm）骨架走行存在条件A型右手2.53112.55平滑体外脱水B型右手3.5410.42.37平滑DNA生理条件Z型左手4.56121.84锯齿型CG序列三种DNA构型的比较（四）DNA的多链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)。三链结构四链结构真核生物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。二、DNA的高级结构是超螺旋结构超螺旋结构DNA双螺旋链再盘绕即形成超螺旋结构。

正超螺旋盘绕方向与DNA双螺旋方同相同。

负超螺旋盘绕方向与DNA双螺旋方向相反。

（一）原核生物DNA的环状超螺旋结构原核生物DNA多为环状的双螺旋分子

，以负超螺旋的形式存在，平均每200碱基就有一个超螺旋形成。（二）真核生物DNA以核小体为单位形成高度有序致密结构真核生物DNA以非常有序的形式存在于细胞核内。在细胞周期的大部分时间里，DNA以松散的染色质形式存在，在细胞分裂期，则形成高度致密的染色体。DNA染色质呈现出的串珠样结构。染色质的基本单位是核小体。DNA染色质的电镜图像DNA：约200bp

组蛋白：H1H2A，H2BH3H4核小体的组成核小体串珠样的结构H2A、H2B、H3和H4各两分子组成组蛋白八聚体，构成核心组蛋白。双螺旋DNA以左手超螺旋的方式绕核心颗粒1.75圈，缠绕在核心组蛋白表面，构成核心颗粒。核心颗粒和连接区DNA(约60bp)及附着在连接区DNA上的组蛋白H1构成核小体。2021/8/1237双链DNA的折叠和组装2021/8/1238DNA经过多次折叠，被压缩了8000～10000倍，组装在直径只有为数微米的细胞核内。2021/8/1239真核生物的染色体两个功能区端粒:染色体末端膨大的粒状结构，由染色体末端DNA（端粒DNA）与DNA结合蛋白构成。与染色体结构的稳定性、完整性以及衰老和肿瘤的发生发展相关。着丝粒:两个染色单体的连接位点，富含A、T序列。细胞分裂时，着丝粒可分开使染色体均等有序地进入子代细胞。三、DNA是遗传信息的物质基础DNA是生物遗传信息的载体，并为基因复制和转录提供了模板。它是生命遗传的物质基础，也是个体生命活动的信息基础。基因是携带遗传信息的DNA片段。DNA具有高度稳定性的特点，用来保持生物体系遗传的相对稳定性。同时，DNA又表现出高度复杂性的特点，它可以发生各种重组和突变，适应环境的变迁，为自然选择提供机会。

第三节RNA的结构与功能RNA与蛋白质共同负责基因的表达和表达过程的调控。RNA通常以单链的形式存在，但有复杂的局部二级结构或三级结构。RNA比DNA小的多。RNA的种类、大小和结构远比DNA表现出多样性。动物细胞内主要的RNA种类及功能RNA种类缩写细胞内位置功能核糖体RNArRNA细胞质核糖体组成成分信使RNAmRNA细胞质蛋白质合成模板转运RNAtRNA细胞质转运氨基酸微RNAmicroRNA细胞质翻译调控胞质小RNAscRNA/7SL-RNA细胞质信号肽识别体的组成成分不均一核RNAhnRNA细胞核成熟mRNA的前体核小RNAsnRNA细胞核参与hnRNA的剪接、转运核仁小RNAsnoRNA核仁rRNA的加工和修饰线粒体核糖体RNAmtrRNA线粒体核糖体组成成分线粒体信使RNAmtmRNA线粒体蛋白质合成模板线粒体转运RNAmttRNA线粒体转运氨基酸2021/8/1243一、mRNA是蛋白质合成中的模板信使RNA(mRNA)是细胞内合成蛋白质的模板。生物体内mRNA的丰度最小、种类最多、大小也各不相同、寿命最短。mRNA的初级产物为不均一核RNA(hnRNA)，含有内含子(intron)和外显子(exon)。hnRNA经过剪切后成为成熟的mRNA。从AUG开始，每三个核苷酸为一组编码了一个氨基酸，称为三联体密码(codon)。成熟的mRNA由氨基酸编码区和非编码区构成。5-末端的帽子(cap)结构和3-末端的多聚A尾(poly-Atail)结构。成熟的真核生物mRNA帽子结构:m7GpppNm1.真核生物mRNA的5-端有特殊帽结构

mRNA的帽结构可以与帽结合蛋白(CBP)结合。真核生物的mRNA的3-末端转录后加上一段长短不一的聚腺苷酸。2.真核生物mRNA的3末端有多聚腺苷酸尾mRNA的多聚A尾在细胞内与poly(A)结合蛋白（PABP）结合存在。加尾过程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3.mRNA碱基序列决定蛋白质的氨基酸序列从mRNA分子5末端起的第一个AUG开始，每3个核苷酸为一组称为密码子(codon)

。位于起始密码子和终止密码子之间的核苷酸序列称为开放阅读框(ORF)，决定了多肽链的氨基酸序列。在mRNA的开放读框的两侧，为非翻译序列（UTR），即5-UTR和3-UTR。二、tRNA是蛋白质合成中的氨基酸载体转运RNA(tRNA)在蛋白质合成过程中作为各种氨基酸的载体,将氨基酸转呈给mRNA。由74～95核苷酸组成；占细胞总RNA的15%；具有很好的稳定性。1.tRNA中含有多种稀有碱基tRNA具有局部的茎环结构或发卡结构。2.tRNA含有茎环结构tRNA的二级结构——三叶草形氨基酸臂，DHU环，反密码环，TψC环，附加叉tRNA的倒L三级结构tRNA的3-末端为CCA结尾。3-末端的A与氨基酸以酯键相连生成氨基酰-tRNA

。不同的tRNA结合不同的氨基酸。3.tRNA的3-末端连接氨基酸tRNA的反密码子环上有一个由三个核苷酸构成的反密码子。tRNA上的反密码子依照碱基互补的原则识别mRNA上的密码子。4.tRNA的反密码子识别mRNA的密码子三、以rRNA为组分的核糖体是蛋白质合成的场所核蛋白体RNA(rRNA)是细胞内含量最多的RNA(>80％)。rRNA与核糖体蛋白结合组成核糖体，为蛋白质的合成提供场所。核糖体的组成原核生物（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%第四节核酸的理化性质一、核酸分子具有强烈的紫外吸收核酸在波长260nm

处有强烈的吸收，是由碱基的共轭双键所决定的。这一特性常用作核酸的定性和定量分析。碱基的紫外吸收光谱DNA或RNA的定量A260=1.0相当于

50μg/ml双链DNA(dsDNA)40μg/ml单链DNA(ssDNAorRNA)20μg/ml寡核苷酸确定样品中核酸的纯度

纯DNA:A260/A280=1.8

纯RNA:A260/A280=2.0紫外吸收的应用核酸的酸碱及溶解度性质核酸为多元酸，具有较强的酸性。核酸的高分子性质粘度：DNA>RNAdsDNA>ssDNA沉降行为:不同构象的核酸分子的沉降的速率有很大差异，这是超速离心法提取和纯化核酸的理论基础。二、DNA变性是双链解离为单链的过程某些理化因素导致DNA双链互补碱基对之间的氢键发生断裂，DNA双链解离为单链的过程。

定义DNA变性的本质是双链间氢键的断裂。协同性的DNA解链高温或极端的pHDNA的变性增色效应：DNA变性时其溶液OD260增高的现象。DNA解链时的紫外吸收变化DNA的解链曲线连续加热DNA的过程中以温度相对于A260值作图，所得的曲线称为解链曲线。解链过程中，紫外吸光度的变化达到最大变化值的一半时所对应的温度。

解链温度(Tm)解链曲线的变化GC含量越高，Tm越大DNA越长，Tm越大溶液离子强度增高，Tm值增加DNA越纯，相变范围越小pH和离子强度不变，根据Ｇ≡Ｃ含量，则可计算DNA样品的Tm值Tm＝69.3+0.41*(Ｇ+Ｃ)％Tm＝4*(G+C)+2*(A+T),(小于20bp)三、变性的核酸可以复性或形成杂交双链当变性条件缓慢地除去后，两条解离的互补链可重新配对，恢复原来的双螺旋结构，这一现象称为DNA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。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，在适宜的条件可以在不同的分子间形成杂化双链。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。核酸分子杂交核酸分子复性和杂交示意图研究DNA分子中某一种基因的位置。监定两种核酸分子间的序列相似性。检测某些专一序列在待检样品中存在与否。核酸分子杂交的应用依据底