核酸的结构和功能

核酸的结构和功能第1页，共87页，2023年，2月20日，星期五核酸(nucleicacid)P60是以核苷酸为基本组成单位的生物大分子，携带和传递遗传信息。第2页，共87页，2023年，2月20日，星期五核酸的分类及分布90%以上分布于细胞核，其余分布于核外如线粒体，叶绿体，质粒等。90%分布胞液，10%分布胞核(deoxyribonucleicacid,DNA)(ribonucleicacid,RNA)脱氧核糖核酸

核糖核酸携带遗传信息，决定细胞和个体的基因型(genotype)。参与细胞内DNA遗传信息的表达。某些病毒RNA也可作为遗传信息的载体。注：生物细胞都含有DNA和RNA；病毒中只含DNA或只含RNA。第3页，共87页，2023年，2月20日，星期五第一节核酸的分子组成TheChemicalComponent第4页，共87页，2023年，2月20日，星期五核酸的化学组成P60主要元素：C、H、O、N、P与蛋白质比较，核酸一般不含S，而P的含量较为稳定，占9—11%实验室中用定磷法进行核酸的定量分析。（DNA9.2%、RNA9.0%）第5页，共87页，2023年，2月20日，星期五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6页，共87页，2023年，2月20日，星期五嘌呤

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7页，共87页，2023年，2月20日，星期五嘌呤(purine)腺嘌呤(adenine,A)鸟嘌呤(guanine,G)碱基第8页，共87页，2023年，2月20日，星期五嘧啶(pyrimidine)胞嘧啶(cytosine,C)尿嘧啶(uracil,U)胸腺嘧啶(thymine,T)第9页，共87页，2023年，2月20日，星期五

核酸中也存在一些不常见的稀有碱基。稀有碱基的种类很多，大部分是上述碱基的甲基化产物。二氢尿嘧啶（DHU）第10页，共87页，2023年，2月20日，星期五修饰碱基的简写符号

(为1时可以不写)第11页，共87页，2023年，2月20日，星期五

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。在生理pH下，在生物体内，碱基多以酮式存在。

第12页，共87页，2023年，2月20日，星期五戊糖（构成RNA）核糖(ribose)（构成DNA）脱氧核糖(deoxyribose)第13页，共87页，2023年，2月20日，星期五碱基和核糖（或脱氧核糖）通过糖苷键连接形成核苷(nucleoside)

（或脱氧核苷）。第14页，共87页，2023年，2月20日，星期五修饰核苷/稀有核苷修饰核苷包括三种情况:

（1）由修饰碱基和糖组成的核苷（2）由非修饰碱基和2'-O-甲基核糖组成的核苷

（3）由碱基与糖连接方式特殊的核苷

第15页，共87页，2023年，2月20日，星期五（1）（2）二氢尿嘧啶核苷

(Am)第16页，共87页，2023年，2月20日，星期五（3）(ψ)尿嘧啶(uracil,U)第17页，共87页，2023年，2月20日，星期五取代基用下列小写英文字母表示:甲基m乙酰基ac氨基n甲硫基ms羟基o或h硫基s异戊烯基i羧基c第18页，共87页，2023年，2月20日，星期五核苷酸：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）。

第19页，共87页，2023年，2月20日，星期五

多磷酸核苷酸：P63NMP，NDP，NTP第20页，共87页，2023年，2月20日，星期五

a.环化核苷酸:

核糖3’-,5’-成环。

cAMP，cGMP体内重要的游离核苷酸及其衍生物功能：

第二信使，激素、一些药物、神经递质通过其发挥生理作用。第21页，共87页，2023年，2月20日，星期五b.多磷酸核苷酸：

指含两个以上磷酸基的核苷酸,如ADP、ATP、GDP、GTP、UDP和UTP等.

ATP在细胞能量代谢上起着极其重要的作用。

UTP参与糖原合成作用以供给能量,

UDP有携带转运葡萄糖的作用。

GDP和GTP为蛋白质生物合成的起始和延伸提供能量。AMPADPATP第22页，共87页，2023年，2月20日，星期五c.含核苷酸的生物活性物质：

NAD+、NADP+、CoA-SH、FAD等都含有AMP;NAD+及FAD是生物氧化体系的重要组成成分，在传递氢原子或电子中有着重要作用。CoA作为有些酶的辅酶成分,参与糖有氧氧化及脂肪酸氧化过程。

NADP+NAD+第23页，共87页，2023年，2月20日，星期五第二节DNA的空间结构与功能DimensionalStructureandFunctionofDNA第24页，共87页，2023年，2月20日，星期五一、核酸的一级结构P64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25页，共87页，2023年，2月20日，星期五5´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

通常把长度小于50个核苷酸构成的核苷酸链称为寡核苷酸，更长的则称为多聚核苷酸。第26页，共87页，2023年，2月20日，星期五书写方法第27页，共87页，2023年，2月20日，星期五

核苷酸链具有方向性，当表示一个核苷酸链时，必须注明它的方向是5′→3′

。若两链反向平行，则需注明每条链的走向。如：

5’A-T-G-C-C-T-G-A3’

3’T-A-C-G-G-A-C-T5’一、核苷酸读向第28页，共87页，2023年，2月20日，星期五

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29页，共87页，2023年，2月20日，星期五二、DNA的二级结构——双螺旋结构第30页，共87页，2023年，2月20日，星期五Chargaff定则

（1950s,E.Chargaff发现）p64DNA碱基组成符合：A=T；G=C；

A+G=T+C。物种不同，DNA碱基组成不同；物种亲缘愈接近，碱基组成也愈接近，该比率越相近似。Ⅲ.同一生物体的不同组织的DNA的碱基组成相同;没有器官和组织的特异性，年龄、营养状况、环境的改变不影响DNA的碱基组成。提出DNA双螺旋结构模型的根据

第31页，共87页，2023年，2月20日，星期五（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32页，共87页，2023年，2月20日，星期五已知的核酸化学数据p661个碱基对

(bp)第33页，共87页，2023年，2月20日，星期五（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(骨架），碱基垂直于螺旋轴而伸入内侧（侧链）。每圈螺旋含10个碱基对

(bp)，螺距为3.4nm。第34页，共87页，2023年，2月20日，星期五碱基平面与纵轴垂直，糖环平面与纵轴平行第35页，共87页，2023年，2月20日，星期五3.两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36页，共87页，2023年，2月20日，星期五碱基互补配对TAGC第37页，共87页，2023年，2月20日，星期五（三）DNA双螺旋结构的多样性Z型DNAB型DNAA型DNA体外脱水CG间隔排列区段正常生理条件下第38页，共87页，2023年，2月20日，星期五H-DNA:三条链局部螺旋第39页，共87页，2023年，2月20日，星期五三、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

P68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40页，共87页，2023年，2月20日，星期五意义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。(如负超螺旋分子所受张力会引起互补链分开导致局部变性，利于复制和转录。)第41页，共87页，2023年，2月20日，星期五（二）原核生物DNA的高级结构第42页，共87页，2023年，2月20日，星期五（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)。P69核小体的组成DNA：约200bp组蛋白：H1H2A，H2BH3H4第43页，共87页，2023年，2月20日，星期五串珠状核小体结构第44页，共87页，2023年，2月20日，星期五串珠状核小体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45页，共87页，2023年，2月20日，星期五核小体螺线管真核生物染色体DNA组装第46页，共87页，2023年，2月20日，星期五三、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47页，共87页，2023年，2月20日，星期五肺炎双球菌的转化实验OswaldAvery(1944)第48页，共87页，2023年，2月20日，星期五

实验二，噬菌体的标记实验第49页，共87页，2023年，2月20日，星期五

第50页，共87页，2023年，2月20日，星期五

第51页，共87页，2023年，2月20日，星期五

第52页，共87页，2023年，2月20日，星期五第三节

RNA的结构与功能StructureandFunctionofRNA第53页，共87页，2023年，2月20日，星期五RNA的结构与功能组成：4种核苷酸（AUGC），有稀有碱基；连接：3,5-磷酸二酯键形成：一般以DNA为模板合成，有例外。结构：RNA主要是单链结构，局部可卷曲形成双链螺旋结构，或称发夹结构。碱基氢键配对A＝U，G≡C。

DNARNA糖脱氧核糖核糖碱基AGCTAGCU

不含稀有碱基含稀有碱基双链单链，局部双链RNA与DNA的差异第54页，共87页，2023年，2月20日，星期五动物细胞内主要RNA的种类及功能第55页，共87页，2023年，2月20日，星期五一、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56页，共87页，2023年，2月20日，星期五*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57页，共87页，2023年，2月20日，星期五帽子结构第58页，共87页，2023年，2月20日，星期五加速翻译起始的调控mRNA的稳定性维系mRNA核内向胞质的转位帽子结构和多聚A尾的功能mRNA的功能：作为蛋白质合成的模板。第59页，共87页，2023年，2月20日，星期五特点：含量少：占细胞内RNA的2%-5%种类多：可达105种。不同的基因表达不同的mRNA.寿命短：半衰期1.5分钟大小差异大第60页，共87页，2023年，2月20日，星期五*

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73~93个核苷酸组成二、转运RNA的结构与功能第61页，共87页，2023年，2月20日，星期五

稀有碱基第62页，共87页，2023年，2月20日，星期五*tRNA的二级结构——三叶草形氨基酸臂额外环第63页，共87页，2023年，2月20日，星期五第64页，共87页，2023年，2月20日，星期五*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65页，共87页，2023年，2月20日，星期五*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。

约占全部RNA的80%，含量最多。与多种蛋白质结合成核糖体。第66页，共87页，2023年，2月20日，星期五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67页，共87页，2023年，2月20日，星期五特点：含量多：占细胞内RNA的80%-85%种类少：寿命短：更新慢、寿命长第68页，共87页，2023年，2月20日，星期五四、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69页，共87页，2023年，2月20日，星期五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70页，共87页，2023年，2月20日，星期五是研究细胞中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71页，共87页，2023年，2月20日，星期五核酸的理化性质ThePhysicalandChemicalCharactersofNucleicAcid第四节第72页，共87页，2023年，2月20日，星期五一、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73页，共87页，2023年，2月20日，星期五一般理化性质两性电解质核酸含酸性的磷酸基团，又含弱碱性的碱基，为两性电解质，可发生两性解离；溶解性DNA白色纤维状固体，RNA白色粉末状固体，都微溶于水，不溶于一般有机试剂（乙醇沉淀核酸），钠盐易溶于水。粘度高一般DNA比RNA粘度高。水解性可被酸、碱或酶水解，DNA比RNA对稀碱稳定。RNA的等电点比DNA低的原因，RNA分子中核糖基2′-OH通过氢键促进了磷酸基上质子的解离，DNA没有这种作用第74页，共87页，2023年，2月20日，星期五第75页，共87页，2023年，2月20日，星期五1.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76页，共87页，2023年，2月20日，星期五二、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77页，共87页，2023年，2月20日，星期五DNA变性的本质是双链间氢键的断裂第78页，共87页，2023年，2月20日，星期五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79页，共87页，2023年，2月20日，星期五

Tm：使双链DNA解链度达到50%时所需的温度称为DNA的解链温度，又称融解温度(meltingtemperature,Tm)。