第三章核酸的结构与功能(2016LB)

第三章

核酸的结构与功能StructureandFunctionofNucleicAcid5′端3′端CGA

以单核苷酸为基本单位组成的生物大分子。是生物遗传的物质基础。核酸(nucleicacid):

脱氧核糖核酸（DNA）

核糖核酸（RNA）

核酸mRNAtRNArRNA第一节核酸的化学组成和一级结构TheChemicalComponentofNucleicAcid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)嘌呤(purine)

腺嘌呤(adenine,A)鸟嘌呤(guanine,G)碱基嘧啶(pyrimidine)胞嘧啶(cytosine,C)尿嘧啶(uracil,U)胸腺嘧啶(thymine,T)戊糖（构成RNA）1´2´3´4´5´核糖(ribose)（构成DNA）脱氧核糖(deoxyribose)核苷：AR,GR,UR,CR脱氧核苷：dAR,dGR,dTR,dCR一、核苷酸的结构1.核苷(nucleoside)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核苷酸：AMP,GMP,UMP,CMP脱氧核苷酸：dAMP,dGMP,dTMP,dCMP

2.核苷酸(nucleotide)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）。

体内重要的游离核苷酸及其衍生物含核苷酸的生物活性物质：NAD+、NADP+、CoA-SH、FAD等都含有AMP

多磷酸核苷酸：NMP，NDP，NTP

环化核苷酸:cAMP，cGMPAMPADPATPcAMPNADP+NAD+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CGA5´端3´端核苷酸之间以磷酸二酯键连接形成多核苷酸链，即核酸。CGAA

G

P5P

T

PG

PC

PT

P

OH3

书写方法5pApCpTpGpCpT-OH35

ACTGCT

3第二节DNA的空间结构与功能DimensionalStructureandFunctionofDNADNA双螺旋结构的研究背景

20世纪20年代，大多数科学家认为蛋白质是遗传物质，而不是DNA1944年Avery等利用从致病肺炎球菌中提取的DNA使另一种非致病性（无夹膜）肺炎球菌的遗传性状改变而成为致病菌（有夹膜），证实了遗传物质是DNA而非蛋白质AveryDNA双螺旋结构的研究背景

1951年，Pauling利用X线晶体衍射技术发现了蛋白质的α螺旋结构

α螺旋结构理论首次解释了生物大分子的空间结构

LinusPaulingα螺旋结构的提出对DNA二级结构的发现也起了很重要的启发作用

DNA双螺旋结构的研究背景

1952年，Chargaff等科学家采用层析和紫外吸收光谱分析等技术发现了DNA碱基的组成规律（Chargaff定律）

ChargaffChargaff定律[A]=

[T]，[G]=

[C]不同种属DNA的4种碱基组成不同

碱基组成没有组织和器官的特异性

揭示了DNA分子碱基之间存在A与T，G与C的互补配对关系

DNA双螺旋结构的研究背景

1953年，Franklin获得高质量的DNAX射线衍射图谱

DNA双螺旋结构的研究背景

1953年，Wilkins发表了DNAX射线衍射的分析数据

DNA双螺旋结构的研究背景

综合了前人的研究成果，Watson和Crick提出了DNA分子的双螺旋结构模型，并于1953年4月在英国《Nature》杂志上发表

Watson

Crick1958年，Franklin因癌症离开了人世，年仅37岁

诺贝尔奖的遗憾Pauling错误地分析了X射线照片中DNA的密度，由此得出了DNA是一个三螺旋分子的错误结论，从而与诺贝尔奖失之交臂一、DNA的二级结构——双螺旋结构（一）DNA双螺旋结构提出的依据

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

（二）DNA双螺旋结构模型要点（Watson,Crick,1953）DNA分子是反向平行的互补双链结构，两链以-脱氧核糖-磷酸-为骨架，以右手螺旋方式绕公共轴盘旋。螺旋直径为2.37nm，形成大沟及小沟相间。（二）DNA双螺旋结构模型要点（Watson,Crick,1953）碱基垂直螺旋轴在内侧，与对侧碱基形成氢键配对（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3.54nm，一圈10.4对碱基。碱基互补配对TAGC（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。（三）DNA双螺旋结构的多样性二、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（supercoil）

DNA双螺旋链再盘绕即形成超螺旋结构。

负超螺旋正超螺旋DNA双螺旋拓扑异构酶（二）原核生物DNA的三级结构（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，H2BH3H4三、DNA的功能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。基因：是指DNA分子中的特定区段，包含有编码生物活性产物的信息单位。

第三节

RNA的结构与功能StructureandFunctionofRNARNA的种类、分布、功能一、信使RNA的结构与功能hnRNA内含子(intron)mRNA*真核生物mRNA成熟过程

外显子(exon)*mRNA含量较少(占细胞总RNA的3％～5％),

种类最多*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*真核生物mRNA结构特点1.5´末端形成帽子结构：m7GpppNm-。2.3´末端有一个多聚腺苷酸(polyA)结构，称为多聚A尾。帽子结构和PolyA尾巴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：tRNA是细胞内分子量最小的RNA（占总RNA的15％）二、转运RNA的结构与功能

含10~20%稀有碱基包括双氢尿嘧啶(DHU)、假尿嘧啶(ψ)和甲基化的嘌呤等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

氨基酸臂

DHU环反密码环额外环

TΨC环氨基酸臂额外环tRNA的二级结构——三叶草形*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。1.如果一种tRNA上的反密码子是GUA，则它能结合的mRNA上的密码子是：

A．CATB．CAUC．UACD．TACE．不能确定2.与mRNA上ACG密码子相应的tRNA反密码子是：

A．UGCB．TGCC．GCAD．CGUE．CGT*细胞内含量最多的

RNA,占RNA总量的80％以上

三、核糖体RNA的结构与功能*rRNA的功能参与组成核糖体，作为蛋白质生物合成的场所。核糖体的结构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%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。

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组学核酸的理化性质ThePhysicalandChemicalCharactersofNucleicAcid第四节腺嘌呤1.DNA或RNA的定量A260=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:A260/A280比值=1.8RNA纯品:A260/A280比值=2.0一、

A260的应用二、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，尿素、酰胺、有机溶剂(如乙醇、丙酮)等。变性后理化性质变化：A260增高 粘度下降 生物活性丧失DNA变性的本质是双链间氢键的断裂例：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A260增高的现象。热变性熔解曲线：如果在连续加热DNA的过程中以温度对A260值作图，所得的曲线。A260

紫外光吸收值达到最大值的50%时的温度称为DNA的熔点，又称熔解温度(meltingtemperature,Tm)。其大小与G+C含量成正比。A260三、DNA的复性与分子杂交DNA复性(renaturation)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。热变性的DNA经缓慢冷却后即可复性，这一过程称为退火(annealing)

。在DNA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，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)。这种现象称为核酸分子杂交。核酸分子杂交(hybridization)DNA-DNA杂交双链分子不同来源的DNA分子核酸分子杂交的应用1.研究DNA分子中某一种基因的位置2.鉴定两种核酸分子间的序列相似性3.检测某些专一序列存在与否4.是基因芯片技术的基础

核