生物化学核酸结构的功能专家讲座

核酸是以核苷酸为基本组成单位生物大分子，携带和传递遗传信息。什么是核酸(nucleicacid)

天然存在核酸可分为核糖核酸(RNA)和脱氧核糖核酸(DNA)两大类。DNA:

是遗传信息载体，与生物繁殖、遗传及变异有亲密关系。RNA:RNA功效主要是参加体内蛋白质生物合成过程。生物化学核酸结构的功能专家讲座第1页生命遗传物质生物化学核酸结构的功能专家讲座第2页T2噬菌体侵染细菌试验生物化学核酸结构的功能专家讲座第3页全部生物遗传物质都是DNA吗？细胞生物真核生物原核生物DNA病毒RNA病毒遗传物质是DNA遗传物质是RNA，如HIV、SARS病毒、禽流感病毒除RNA病毒外，其它生物遗传物质都是DNA。除病毒外，其它生物细胞内都含有两种核酸（同时含有DNA与RNA）。非细胞生物（含两种核酸）（只含一个核酸）生物化学核酸结构的功能专家讲座第4页核酸分布

真核生物主要分布于细胞核，少数分布于线粒体，叶绿体；原核生物分布于拟核。主要分布于细胞质。(deoxyribonucleicacid,DNA)(ribonucleicacid,RNA)脱氧核糖核酸

核糖核酸携带遗传信息，决定细胞和个体基因型(genotype)。

参与细胞内DNA遗传信息表示。一些病毒RNA也可作为遗传信息载体。大部分病毒体内只含有一个核酸，DNA或RNA生物化学核酸结构的功能专家讲座第5页核酸生物功效1.DNA是遗传信息载体；2.RNA含有各种功效：

1）参加蛋白质合成；

2）作用于RNA转录后加工和修饰；

3）基因表示与细胞功效调整；

4）生物催化与其它细胞持家功效；

5）遗传物质信息加工和进化。生物化学核酸结构的功能专家讲座第6页第一节核酸化学组成(TheChemicalComponentofNucleicAcid)一、化学组成

(一)元素组成

组成核酸主要元素：C、H、O、N、P（9%~10%）(二)基本组成单位——核苷酸

RNA和DNA都是以单核苷酸为基本单位所组成多核苷酸长链。生物化学核酸结构的功能专家讲座第7页

核苷酸结构生物化学核酸结构的功能专家讲座第8页2.戊糖(ribose)

核糖，脱氧核糖3.磷酸(phosphate)1.碱基(base)

嘌呤碱，嘧啶碱稀有碱基：如次黄嘌呤、二氢尿嘧啶等。(三)分子组成生物化学核酸结构的功能专家讲座第9页核酸水解产物磷酸核苷戊糖含氮碱核糖脱氧核糖嘌呤碱嘧啶碱核酸核苷酸生物化学核酸结构的功能专家讲座第10页脱氧核糖碱基磷酸A腺嘌呤G鸟嘌呤C胞嘧啶T胸腺嘧啶脱氧核苷酸核糖碱基磷酸A腺嘌呤G鸟嘌呤C胞嘧啶U尿嘧啶核糖核苷酸AGCTAGCU4种4种生物化学核酸结构的功能专家讲座第11页(1)嘌呤(purine)

腺嘌呤(adenine,A)鸟嘌呤(guanine,G)1.碱基NNNHN123456789NNNHNNH2NNHNHNNH2O生物化学核酸结构的功能专家讲座第12页(2)嘧啶(pyrimidine)胞嘧啶(cytosine,C)胸腺嘧啶(thymine,T)NHN132456尿嘧啶(uracil,U)NHNHOONNHNH2ONHNHOOCH3生物化学核酸结构的功能专家讲座第13页2.戊糖（组成RNA）1´2´3´4´5´核糖(ribose)（组成DNA）脱氧核糖(deoxyribose)OHOCH2OHOHOHOHOCH2OHOH生物化学核酸结构的功能专家讲座第14页3.磷酸生物化学核酸结构的功能专家讲座第15页二、基本单位——核苷酸(一)核苷(ribonucleoside)1.含氮碱基和戊糖通过糖苷键（C-N键）连接形成糖苷。2.核苷表示核苷：A,G,C,U脱氧核苷：dA,dG,dC,dT常见修饰核苷：次黄苷（I）、黄嘌呤核苷（X）等。

生物化学核酸结构的功能专家讲座第16页糖苷键生物化学核酸结构的功能专家讲座第17页(二)核苷酸(ribonucleotide)1.是由核苷与磷酸经脱水缩合后生成磷酸酯类化合物。核苷酸：AMP,GMP,UMP,CMP脱氧核苷酸：dAMP,

dGMP,

dTMP,

dCMP3.核苷酸种类

2.因为核苷与磷酸基缩合位置不一样可分别生成：2-核苷酸、3-核苷酸和5-核苷酸。生物体内游离核苷酸多为5-核苷酸，简称核苷一磷酸或核苷酸（在核苷左侧加p表示5-磷酸酯，如pA；右侧则为3’-磷酸酯，如Cp；为2’-磷酸酯，需表明，如Gp2’

）。生物化学核酸结构的功能专家讲座第18页Pi糖苷键OOHOCH2HOHNNNH2O磷酸酯键OPOOOHOHOCH2HOHNNNH2O生物化学核酸结构的功能专家讲座第19页核糖核苷酸生物化学核酸结构的功能专家讲座第20页脱氧核糖核苷酸生物化学核酸结构的功能专家讲座第21页各种单核苷酸均能够磷酸化，产生对应二磷酸或三磷酸化合物。得到各种核苷三磷酸如ATP、CTP、GTP、UTP是体内RNA合成直接原料，各种脱氧核苷三磷酸为DNA合成原料；在生物体能量代谢中发挥作用。生物化学核酸结构的功能专家讲座第22页(三)主要游离核苷酸及其衍生物1.多磷酸核苷酸

NDP，NTP2.环化核苷酸

cAMP，cGMPATPNOCH2OOHOHNNNNH2POOHOPOOHOPOOHOH生物化学核酸结构的功能专家讲座第23页功效：第二信使，激素、一些药品、神经递质经过其发挥生理作用。生物化学核酸结构的功能专家讲座第24页3.辅酶类核苷酸

NAD+

（烟酰胺腺嘌呤二核苷酸，CoⅠ）

NADP+（烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸，CoⅡ）

FMN（黄素单核苷酸）

FAD（黄素腺嘌呤二核苷酸）生物化学核酸结构的功能专家讲座第25页5´端3´端(四)核苷酸连接

1.核苷酸之间以3’,5’-磷酸二酯键连接形成多核苷酸链。CANH2NNOPOHHOOOH3COOHPHOOOH3COOHNH2NNNN磷酸二酯键生物化学核酸结构的功能专家讲座第26页A

G

P5PT

PG

PC

PTPOH32.书写方法5pApGpTpGpCpT-OH

35

A

G

T

G

C

T

3线条式字母式生物化学核酸结构的功能专家讲座第27页第二节

DNA结构与功效

(StructureandFunctionofDNA)一、核酸一级结构(一)定义

各核苷酸残基沿多核苷酸链排列次序。

因为核苷酸间差异主要是碱基不一样，所以也称为碱基序列。DNA:A、T、G、CRNA:A、U、G、C生物化学核酸结构的功能专家讲座第28页简写式表示核酸一级结构5

pApCpGpTpA-OH

35

A

CG

T

A

3生物化学核酸结构的功能专家讲座第29页二、DNA空间结构与功效(一)DNA二级结构—双螺旋结构

1.定义即DNA双链螺旋空间结构。Watson,Crick于1953提出。2.研究背景(1)碱基组成份析Chargaff规则：A

=

TG

=C(2)碱基理化数据分析A-T、G-C以氢键配对较合理[A]=

[T][G]

[C](3)X-线衍射图谱分析

生物化学核酸结构的功能专家讲座第30页3.DNA双螺旋结构模型关键点

(1)DNA分子是由两条方向相反平行多核苷酸链组成，两条链主链都是右手螺旋，螺旋表面有大沟和小沟；(2)碱基均在主链内侧，螺旋直径为2nm；[A]=

[T][G]

[C]这种A-T、C-G配正确规律，称为碱基配对（碱基互补规则）。5/3/5/3/生物化学核酸结构的功能专家讲座第31页ATCG碱基互补配对

生物化学核酸结构的功能专家讲座第32页(4)双螺旋每转一周有10个碱基对（bp），每转高度（螺距）为3.4nm；(3)成对碱基大致处于同一平面，与螺旋轴基本垂直；相邻碱基平面间距离为0.34nm，形成碱基堆积力；糖环平面与螺旋轴基本平行，磷酸基连在糖环外侧；生物化学核酸结构的功能专家讲座第33页(5)维持双螺旋稳定原因：横向为氢键，纵向为碱基间堆积力。（6）大多数天然DNA属双链DNA；双链DNA分子较硬，呈比较伸展结构。生物化学核酸结构的功能专家讲座第34页4.DNA双螺旋结构多样性Watson和Crick当年提出DNA双螺旋模型，以后发觉其结构能够发生一定改变而形成不一样类型。

当DNA钠盐纤维相对湿度和盐种类改变时，DNA构象发生改变。生物化学核酸结构的功能专家讲座第35页生物化学核酸结构的功能专家讲座第36页生物化学核酸结构的功能专家讲座第37页生物化学核酸结构的功能专家讲座第38页结构特点A-DNAB-DNAZ-DNA螺旋方向右手右手左手每一碱基对旋转角度32.7°34.6°30°每一转碱基对数～11～10.4～12碱基对相对螺旋轴倾斜角度19°1.2°9°每一碱基对沿螺旋轴上升距离0.23nm0.33nm0.38nm螺距2.46nm3.40nm4.56nm螺旋直径2.55nm2.37nm1.84nmA-DNA、B-DNA和Z-DNA主要结构特点生物化学核酸结构的功能专家讲座第39页大部分生物体DNA多数为双链线形分子，但有些为双链环形DNA（dcDNA）超螺旋DNA（共价闭环DNA）松弛环形DNA（开环DNA）线形DNA负超螺旋DNA：在DNA旋转酶即拓扑异构酶Ⅱ作用下，使环形DNA形成4周右手超螺旋，两条链间扭曲会使双螺旋圈数降低4周，这种能使双螺旋圈数降低超螺旋称负超螺旋DNA。解链环形DNA(二)DNA高级结构生物化学核酸结构的功能专家讲座第40页超螺旋结构生物化学核酸结构的功能专家讲座第41页负超螺旋结构生物化学核酸结构的功能专家讲座第42页生物体内绝大多数螺旋DNA以负超螺旋形式存在；真核细胞染色质和一些病毒DNA是双螺旋线形分子，双螺旋DNA盘绕组蛋白形成核小体。生物化学核酸结构的功能专家讲座第43页1.原核生物DNA超螺旋结构(1)定义即在DNA二级结构基础上深入折叠成环状或麻花状超螺旋结构(superhelix或supercoil)。环状麻花状

生物化学核酸结构的功能专家讲座第44页(3)意义DNA超螺旋结构整体或局部拓扑学改变及其调控对于DNA复制和RNA转录过程具相关键作用。①正超螺旋(positivesupercoil)盘绕方向与DNA双螺旋方同相同。②负超螺旋(negativesupercoil)盘绕方向与DNA双螺旋方向相反。(2)种类生物化学核酸结构的功能专家讲座第45页2.真核生物DNA超螺旋结构①真核生物染色体由DNA和蛋白质组成，其基本单位是核小体。(1)DNA在真核生物细胞核内组装

②核小体组成DNA：约200bpH1H2A，H2BH3H4组蛋白生物化学核酸结构的功能专家讲座第46页生物化学核酸结构的功能专家讲座第47页生物化学核酸结构的功能专家讲座第48页(三)DNA功效1.DNA基本功效是以基因形式荷载遗传信息，并作为基因复制和转录模板。它是生命遗传物质基础，也是个体生命活动信息基础。2.基因从结构上定义，是指DNA分子中特定区段，其中核苷酸排列次序决定了基因功效。3.进化程度越高生物其DNA分子越大，人类基因组有3×109个碱基对。生物化学核酸结构的功能专家讲座第49页基因：是含特定遗传信息核苷酸序列（DNA或RNA）是遗传物质最小功效单位。基因--有遗传效应DNA片段，是控制生物性状基本遗传单位。遗传学深入学习范围生物化学核酸结构的功能专家讲座第50页RNA种类较多，主要包含tRNA、rRNA和mRNA三类。

RNA一级结构也是以3’,5’-磷酸二酯键连接成多核苷酸长链。

大多数天然RNA分子是一条单链，但链中许多区域可本身发生回折，也能够形成局部碱基配对，组成局部双螺旋区；不能配正确碱基则形成环状突起，形成RNA二级结构。第三节

RNA结构与功效

(StructureandFunctionofRNA)生物化学核酸结构的功能专家讲座第51页RNA种类，分布和功效生物化学核酸结构的功能专家讲座第52页约占总RNA3%-5%，含量最少，种类最多，寿命较短。成熟mRNA不含内含子，hnRNA含有（细胞核内合成）。mRNA从DNA转录遗传信息，并作为蛋白质合成模板，决定蛋白质氨基酸次序。一、mRNA结构与功效生物化学核酸结构的功能专家讲座第53页(二)mRNA功效

1.组成遗传密码，传递DNA所携带遗传信息。

2.用连续三个核苷酸作为密码子以决定其合成蛋白质氨基酸排列次序。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

生物化学核酸结构的功能专家讲座第54页原核细胞mRNA结构原核细胞mRNA结构与真核细胞显著不一样：无内含子5‘端无帽状结构3‘端不含polyA结构普通为多顺反子结构，即一个mRNA中常含有几个蛋白质信息，能指导几个蛋白质生物合成，mRNA代谢很快，代谢半衰期普通以秒计，极少到达10min以上。生物化学核酸结构的功能专家讲座第55页*真核hnRNA→mRNA成熟过程内含子(intron)mRNA

外显子(exon)hnRNA生物化学核酸结构的功能专家讲座第56页*真核mRNA结构特点：单顺反子1.大多数真核mRNA5´末端均在转录后加上一个7-甲基鸟苷三磷酸，形成帽子结构：m7GpppN。2.大多数真核mRNA3´末端有一个多聚腺苷酸(polyA)结构，称为多聚A尾。AUGGUG······GCGAGGTGTATTGA······UAAAAAA······Anm7Gppp5/帽子结构5/非编码区编码区3/非编码区3/多聚A尾生物化学核酸结构的功能专家讲座第57页帽子结构G被甲基化，可能与蛋白质合成起始相关。多聚A尾与mRNA从核入质相关，与mRNA半寿期相关。帽子结构和多聚A尾功效生物化学核酸结构的功能专家讲座第58页转运RNA是含有携带并转运氨基酸功效一类小分子核糖核酸，简tRNAtRNA约占总RNA10-15%。结构一级结构二级结构：三叶草型三级结构：倒L型二、tRNA结构与功效生物化学核酸结构的功能专家讲座第59页tRNA一级结构特点相对分子量较小，分子量25000左右，沉降系数为4S左右，大约由70－90个核苷酸组成。3´末端为—CCA-OH，5´末端大多数为G

含有较多修饰成份：稀有碱基如DHU、TC和稀有核苷

生物化学核酸结构的功能专家讲座第60页*tRNA二级结构——三叶草形1.tRNA普通由四环四臂组成；2.氨基酸臂，3‘端有-CCA-OH结构，其羟基可与携带氨基酸形成共价键3.二氢尿嘧啶（D）环和对应D臂4.反密码子环和反密码子臂，含有三个相邻碱基与mRNA作用反密码子5.可变环；6.假尿嘧啶（TψC）环和TψC臂；氨基酸臂额外环OHACCAGAGGGCCCCCCGCAAGCCGCUCUCGUAUCTΨCCGGGGGGGCAAGmDDGGDDDAACAGUUAAAAψGUUCCDmAACATΨ环D环反密码环反密码子生物化学核酸结构的功能专家讲座第61页*tRNA三级结构——倒L形

X线衍射结构证实，tRNA共同三级结构为倒L形。生物化学核酸结构的功能专家讲座第62页tRNA功效主要作用是将aa搬运到核糖体-mRNA复合物对应位置，参加蛋白质翻译；破译遗传密码。生物化学核酸结构的功能专家讲座第63页(二)rRNA由单链卷曲组成多茎环结构。三、rRNA结构与功效(三)rRNA参加组成核糖体大、小亚基，

rRNA功效与蛋白质生物合成相关，可分别与mRNA、tRNA作用，催化肽键形成。(一)rRNA占总RNA80％以上。生物化学核酸结构的功能专家讲座第64页生物化学核酸结构的功能专家讲座第65页原核生物（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40%33种占总重量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30%49种占总重量35%核糖体组成生物化学核酸结构的功能专家讲座第66页四、小分子核内RNA与RNA组学(一)snmRNAs

除了上述三种RNA外，细胞不一样部位存在许多其它种类小分子RNA，统称为非mRNA小RNA(smallnon-messengerRNAs,snmRNAs)。包含核内小RNA、核仁小RNA、胞质小RNA、催化性小RNA、小片段干涉RNA。参加hnRNA和rRNA加工和转运。RNA组学是研究细胞中snmRNAs种类、结构和功效。生物不一样细胞、不一样时间、不一样状态下snmRNAs表示含有时间和空间特异性。(二)RNA组学生物化学核酸结构的功能专家讲座第67页五、核酶

(一)含有催化功效RNA称为核酶。底物部分(二)核酶锤头状结构

通常为60个核苷酸组成，包含有催化部分和底物部分组成锤头结构。(三)核酶研究意义

核酶发觉，对中心法则作了主要补充；是对传统酶学挑战；利用核酶结构设计合成人工核酶。

生物化学核酸结构的功能专家讲座第68页1、RNA在传递遗传信息上作用2、催化作用3、在DNA复制、转录、翻译中起主要调控作用；如miRNA，siRNA等。4、可作为遗传物质（如逆转录病毒）;RNA即可为遗传物质，又可行使蛋白质功效，故RNA在生命起源于生物进化研究中有主要意义RNA功效生物化学核酸结构的功能专家讲座第69页

第四节核酸理化性质(ThePhysicalandChemicalCharactersofNucleicAcid)一、

普通理化性质二、

紫外吸收性质三、核酸结构稳定性四、核酸变性与复性五、核酸分子杂交生物化学核酸结构的功能专家讲座第70页两性电解质核酸含酸性磷酸基团，又含弱碱性碱基，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，不溶于普通有机试剂（乙醇沉淀核酸），钠盐易溶于水。粘度高普通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。一、核酸普通性质RNA等电点比DNA低原因，RNA分子中核糖基2′-OH经过氢键促进了磷酸基上质子解离，DNA没有这种作用生物化学核酸结构的功能专家讲座第71页糖苷键和磷酸酯键1.酸水解：糖苷键比磷酸酯键易被酸水解；嘌呤碱糖苷键比嘧啶碱糖苷键稳定性差；2.碱水解：RNA磷酸酯键易水解，DNA较稳定；3.酶水解：核酸水解生物化学核酸结构的功能专家讲座第72页（1）依据对底物专一性分为（2）依据切割位点分为核糖核酸酶(RNase)脱氧核糖核酸酶(DNase)非特异性核酸酶核酸内切酶核酸外切酶1、核酸酶生物化学核酸结构的功能专家讲座第73页

原核生物中存在着一类能识别外源DNA双螺旋中4-8个碱基对所组成特异含有二重旋转对称性回文序列，并在此序列某位点水解DNA双螺旋链，产生粘性末端或平末端，这类酶称为限制性内切酶。2.限制性内切酶生物化学核酸结构的功能专家讲座第74页二、紫外吸收(一)因为嘌呤和嘧啶中含有共轭双键，所以核苷酸在紫外光区含有强烈吸收，其最大吸收260nm处。碱基紫外光谱240250260270280波长(nm)40006000800010000114000分子消光系数AMPGMPUMPCMPdTMP生物化学核酸结构的功能专家讲座第75页1.DNA或RNA定量OD260=1.0相当于：50μg/ml双链DNA40μg/ml单链DNA（或RNA）20μg/ml寡核苷酸2.判断核酸样品纯度DNA纯品:

OD260/OD280=1.8RNA纯品:

OD260/OD280=2.0(二)OD260应用生物化学核酸结构的功能专家讲座第76页三、核酸结构稳定性1.碱基对间氢键氢键较弱，但氢键集合能量很大如不能使氢键全部打开，则打开氢键有恢复原有状态趋势RNA中单链突环相互靠近形成环间碱基对是三级结构稳定主要原因2.碱基堆积：对维持核酸空间结构有主要作用3.环境中正离子生物化学核酸结构的功能专家讲座第77页四、核酸变性与复性(一)变性

(denaturation)1.定义在一些理化原因作用下，DNA双链解开成两条单链过程。本质是双链间氢键断裂。3.变性后其它理化性质改变①OD260增高②浮力密度升高 ③粘度下降④酸碱滴定曲线改变⑤比旋度下降⑥生物活性丧失 (1)理化性质改变2.原因强酸，强碱，高温，高压，变性试剂如尿素以及一些有机溶剂如乙醇等。≠核酸降解生物化学核酸结构的功能专家讲座第78页生物化学核酸结构的功能专家讲座第79页(2)增色效应：

核酸DNA变性时其溶液OD260增高现象。DNA紫外吸收光谱200

2502603001.51.00.5波长(nm)吸光度值变性状态天然状态生物化学核酸结构的功能专家讲座第80页(3)Tm：紫外光吸收值到达最大值50%时温度称为DNA解链温度，又称融解温度(meltingtemperature,Tm)。其大小与G+C含量成正比。

解链曲线：在连续加热DNA过程中以温度为横坐标，以吸光度D260为纵坐标作图，所得曲线称为解链曲线。7680848892