基础学习章核酸结构与功能

基础学习章核酸结构与功能第1页/共70页核酸的分类及分布

存在于细胞核和线粒体内。存在于胞核、胞液和线粒体。(deoxyribonucleicacid,DNA)(ribonucleicacid,RNA)脱氧核糖核酸

核糖核酸携带遗传信息，决定细胞和个体的遗传型(genotype)。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2页/共70页第一节核酸的化学组成及一级结构TheChemicalComponentandPrimaryStructureofNucleicAcid第3页/共70页核酸的基本组成单位是核苷酸

(nucleotide)。碱基戊糖磷酸核苷酸核苷核酸DNA的基本组成单位是脱氧核糖核苷酸。RNA的基本组成单位是核糖核苷酸。第4页/共70页嘌呤

嘧啶

碱基腺嘌呤（A）鸟嘌呤（G）胞嘧啶（C）胸腺嘧啶（T）尿嘧啶（U）DNA、RNA均有DNA有RNA有一、核苷酸的结构每种核酸都含有四种碱基。第5页/共70页嘌呤(purine)腺嘌呤(adenine,A)鸟嘌呤(guanine,G)碱基第6页/共70页嘧啶(pyrimidine)胞嘧啶(cytosine,C)尿嘧啶(uracil,U)胸腺嘧啶(thymine,T)第7页/共70页

五种碱基都能形成酮式-烯醇式或氨基-亚氨基的互变异构。这两种异构体的平衡关系受介质酸碱环境的影响。

第8页/共70页戊糖（构成RNA）核糖(ribose)（构成DNA）脱氧核糖(deoxyribose)第9页/共70页碱基和核糖（或脱氧核糖）通过糖苷键连接形成核苷(nucleoside)

（或脱氧核苷）。第10页/共70页核苷酸：AMP,GMP,UMP,CMP脱氧核苷酸：dAMP,dGMP,dTMP,dCMP

核苷（脱氧核苷）和磷酸以酯键连接形成核苷酸（脱氧核苷酸）。

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多磷酸核苷酸：

NMP，NDP，NTP第12页/共70页

环化核苷酸:cAMP，cGMP第13页/共70页二、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。第14页/共70页5´端3´端核苷酸之间以3,5-磷酸二酯键连接形成多核苷酸链，即核酸。CGA第15页/共70页书写方法第16页/共70页

DNA与RNA的区别核酸碱基戊糖DNAA、G、C、T脱氧核糖RNAA、G、C、U核糖第17页/共70页第二节DNA的空间结构与功能DimensionalStructureandFunctionofDNA第18页/共70页一、DNA的二级结构——双螺旋结构DoubleHelix第19页/共70页第20页/共70页第21页/共70页（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-线衍射图谱分析第22页/共70页已知的核酸化学数据第23页/共70页（二）DNA双螺旋结构模型要点1.两条链反向平行，围绕同一中心轴构成右手双螺旋(doublehelix)。螺旋直径2nm，表面有大沟和小沟。2.磷酸-脱氧核糖骨架位于螺旋外侧，碱基垂直于螺旋轴而伸入内侧。每圈螺旋含10个碱基对

(bp)，螺距为3.4nm。第24页/共70页碱基平面与纵轴垂直，糖环平面与纵轴平行第25页/共70页3.两条链通过碱基间的氢键相连，A对T有两个氢键，C对G有三个氢键，这种A-T、C-G配对的规律，称为碱基互补规则。4.维持双螺旋稳定的因素：横向为氢键，纵向为碱基间的堆积力。第26页/共70页碱基互补配对TAGC第27页/共70页（三）DNA双螺旋结构的多样性Z型DNAB型DNAA型DNA第28页/共70页第29页/共70页二、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30页/共70页意义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31页/共70页（二）原核生物DNA的高级结构第32页/共70页（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33页/共70页串珠状核小体结构第34页/共70页Apoptosis(凋亡）andChromatindegradation---DNAladders凋亡(apoptosis)或程序化死亡的显著特征是细胞内出现凋亡小体(apoptoticbody)。凋亡小体的出现是由染色质DNA断裂所致。染色体DNA断裂后形成许多长度约为nx(180-200)bp(n=1,2,3,4…)的DNA片断的电泳照相显示为阶梯状，成为调亡DNALadder，是细胞凋亡的无可争辩的特征。第35页/共70页160-200bp160-200bp第36页/共70页DNAladdersNucleosomescutbyEnzyme第37页/共70页串珠状核小体DNA双螺旋片段染色质纤维伸展形染色质片段密集形染色质片段整个染色体第38页/共70页核小体螺线管真核生物染色体DNA组装第39页/共70页三、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40页/共70页第三节

RNA的结构与功能StructureandFunctionofRNA第41页/共70页动物细胞内主要RNA的种类及功能第42页/共70页一、信使RNA的结构与功能hnRNA内含子(intron)mRNA*mRNA成熟过程

外显子(exon)第43页/共70页*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，同时第一个核苷酸的C´2也是甲基化，形成帽子结构：m7GpppNm-。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44页/共70页帽子结构第45页/共70页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mRNA的功能：作为蛋白质合成的模板。第46页/共70页*

tRNA的一级结构特点含稀有碱基较多

3´末端为—CCA-OH5´末端大多数为G

由70~90个核苷酸组成二、转运RNA的结构与功能第47页/共70页

稀有碱基第48页/共70页*tRNA的二级结构——三叶草形氨基酸臂额外环第49页/共70页*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。第50页/共70页*rRNA的结构三、核蛋白体RNA的结构与功能*rRNA的功能参与组成核蛋白体，作为蛋白质生物合成的场所。第51页/共70页核糖体的组成原核生物真核生物小亚基30S40SrRNA16S18S蛋白质21种33种大亚基50S60SrRNA23S5S28S5.8S5S蛋白质33种49种核糖体70S80S第52页/共70页四、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53页/共70页snmRNAs的种类核内小RNA(snRNA)核仁小RNA(snoRNA)胞质小RNA(scRNA)催化性小RNA小片段干扰RNA(siRNA)snmRNAs的功能参与hnRNA和rRNA的转录后加工和转运以及基因表达过程的调控等。第54页/共70页是研究细胞中snmRNAs的种类、结构和功能的科学。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(RNomics)第55页/共70页核酸的理化性质ThePhysicalandChemicalCharactersofNucleicAcid第四节第56页/共70页一、核酸的一般理化性质核酸为多元酸，具有较强的酸性；DNA是线性高分子，粘度极大；在260nm波长有最大吸收峰，是由碱基的共轭双键决定的。这一特性常用作核酸的定性、定量分析。第57页/共70页第58页/共70页1.DNA或RNA的定量OD260=1.0相当于50g/ml双链DNA40g/ml单链DNA（或RNA）20g/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的应用第59页/共70页二、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。变性因素：过量酸，碱，加热等。变性后理化性质的主要改变：OD260增高 粘度下降第60页/共70页DNA变性的本质是双链间氢键的断裂第61页/共70页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。第62页/共70页解链曲线：在连续加热DNA的过程中以温度对A260值作图，所得的曲线称为解链曲线。第63页/共70页

Tm：紫外光吸收值达到最大值的50%时的温度称为DNA的解链温度，又称融解温度(meltingtemperature,Tm)。其大小与G+C含量成正比。第64页/共70页三、DNA的复性与分子杂交

DNA复性(renaturation)的定义在适当条件下，变性DNA的两条互补链可恢复天然的双螺旋构象，这一现象称为复性。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(annealing)。第65页/共70