第五章核酸结构功能

第五章核酸结构功能第一页，共八十二页，编辑于2023年，星期一核酸的化学第一节核酸的组成与结构第二节核酸的分子结构一、DNA的分子结构二、RNA的种类和分子结构第三节核酸的理化性质第四节核酸研究常用技术第二页，共八十二页，编辑于2023年，星期一第一节核酸的组成与结构一、核酸的生物功能1、核酸是遗传变异的物质基础2、核酸与生物遗传信息的传递3、核酸与医药如：核酸类衍生物具有抗病毒及抗癌作用第三页，共八十二页，编辑于2023年，星期一二、核酸的组成1核酸分子中核苷酸的化学组成与命名(1)碱基、核苷、核苷酸的概念和关系

(2)

核糖和脱氧核糖

（3）常见碱基的结构与命名法

(4)

常见（脱氧）核苷酸的基本结构与命名(5)稀有核苷酸2细胞内游离核苷酸及其衍生物第四页，共八十二页，编辑于2023年，星期一1）碱基、核苷、核苷酸的概念和关系

NitrogenousbasePentosesugarHOCH2HOHDoxyribose(inDNA)HOCH2HOOHRibose(inRNA)PhosphatePyrimidinesCytosineThymineUracilCUTPurihesAdenineGuanineAG第五页，共八十二页，编辑于2023年，星期一2）核糖和脱氧核糖第六页，共八十二页，编辑于2023年，星期一3）常见碱基结构和命名嘌呤嘧啶Adenine

(A)Guanine

(G)Cytosine(C)Uracil(U)Thymine(T)第七页，共八十二页，编辑于2023年，星期一5´-磷酸核苷酸的基本结构OO（N=A、G、C、U、T）HH(O)H1´2´NOHCH2HH5´4´3´PO-OOO-第八页，共八十二页，编辑于2023年，星期一核苷酸的结构和命名腺嘌呤核苷酸（AMP）Adenosine

monophosphate脱氧腺嘌呤核苷酸（dAMP）Deoxyadenosine

monophosphateOH鸟嘌呤核苷酸（GMP）胞嘧啶核苷酸（CMP）尿嘧啶核苷酸（UMP）脱氧鸟嘌呤核苷酸（dGMP）脱氧胞嘧啶核苷酸（dCMP）脱氧胸腺嘧啶核苷酸（dTMP）H第九页，共八十二页，编辑于2023年，星期一PPPPPPPP4）常见（脱氧）核苷酸的结构和命名鸟嘌呤核苷酸（GMP）尿嘧啶核苷酸（UMP）胞嘧啶核苷酸（CMP）腺嘌呤核苷酸（AMP）脱氧腺嘌呤核苷酸（dAMP）脱氧鸟嘌呤核苷酸（dGMP）脱氧胞嘧啶核苷酸（dCMP）脱氧胸腺嘧啶核苷酸（dTMP）第十页，共八十二页，编辑于2023年，星期一5）几种稀有核苷酸假尿苷（）二氢尿嘧啶（DHU）AmCH3CH3H3Cm26AHH5第十一页，共八十二页，编辑于2023年，星期一2、细胞内游离核苷酸及其衍生物1、多磷酸核苷酸

2、环核苷酸

3、辅酶类核苷酸。第十二页，共八十二页，编辑于2023年，星期一

5´-NMP5´-NDP5´-NTPN=A、G、C、U

5´-dNMP5´-dNDP5´-dNTPN=A、G、C、T腺苷酸及其多磷酸化合物

AMPAdenosine

monophosphate

ADPAdenosine

diphosphate

ATPAdenosine

triphosphate第十三页，共八十二页，编辑于2023年，星期一OPOOHOA(G)OOOHCH2HHHHcAMP(cGMP)的结构

Cyclicadenylie(Guanine)acid第十四页，共八十二页，编辑于2023年，星期一

第二节核酸的分子结构

一、DNA的分子结构二、RNA的分子结构第十五页，共八十二页，编辑于2023年，星期一（一）DNA的一级结构

DNA分子中各脱氧核苷酸之间的连接方式（3´-5´磷酸二酯键）和排列顺序叫做DNA的一级结构，简称为碱基序列。一级结构的走向的规定为5´→3´。不同的DNA分子具有不同的核苷酸排列顺序，因此携带有不同的遗传信息。

一级结构的表示法结构式，线条式，字母式

一级结构测定5´3´第十六页，共八十二页，编辑于2023年，星期一DNA一级结构的表示法5´3´结构式5´3´

p

p

p

pOH3´ACTG1´线条式5´

ACTGCATAGCTCGA3´字母式第十七页，共八十二页，编辑于2023年，星期一2、DNA、RNA的一级结构

DNA一级结构5´3´OHOHOH5´3´RNA一级结构第十八页，共八十二页，编辑于2023年，星期一（二）真核生物DNA与原核生物DNA的比较

真核生物基因组的特点1、有重复顺序1）高度重复顺序（卫星DNA）：基础顺序短，含5-100bp，重复次数达几百万次，富含AT或GC2）中度重复顺序：基础顺序长，含300bp或更长，重复次数从几百到几千。如组蛋白基因、rRNA基因、tRNA基因等。3）单一顺序：重复几次或不重复。如：除组蛋白外的其他蛋白质基因。第十九页，共八十二页，编辑于2023年，星期一2、有间隔顺序与插入顺序（内含子）3、有回纹结构：DNA分子以一个假想轴旋转180度后，两部分结构完全重合。第二十页，共八十二页，编辑于2023年，星期一DNA回文序列及几种结构形式回文序列发夹式结构十字形结构中心区域第二十一页，共八十二页，编辑于2023年，星期一

原核生物基因组的特点

1、有基因重叠现象2、功能相关的基因常串联在一起，并转录在同一mRNA分子中3、DNA分子中大部分是为结构基因，无重复序列。结构基因是连续的，一般不含插入或间隔序列第二十二页，共八十二页，编辑于2023年，星期一（三）DNA的二级结构

第二十三页，共八十二页，编辑于2023年，星期一1、DNA的双螺旋结构的形成5´3´5´3´5´3´5´3´磷酸核糖碱基T-A碱基对C-G碱基对第二十四页，共八十二页，编辑于2023年，星期一2、DNA的双螺旋模型特点

两条反向平行的多聚核苷酸链沿一个假设的中心轴右旋相互盘绕而形成。

磷酸和脱氧核糖单位作为不变的骨架组成位于外侧，作为可变成分的碱基位于内侧，链间碱基按A—T，G—C配对（碱基配对原则，Chargaff定律）

螺旋直径2nm，相邻碱基平面垂直距离0.34nm,螺旋结构每隔10个碱基对（basepair,bp）重复一次，间隔为3.4nmCG间形成三个氢鍵，AT

间形成二个氢鍵，且氢鍵与中心轴垂直螺旋表面有一条大沟一条小沟第二十五页，共八十二页，编辑于2023年，星期一

氢键碱基堆集力（兀电子之间相互作用的结果）碱基处于疏水环境中磷酸基上负电荷被胞内组蛋白或正离子中和3、DNA的双螺旋结构稳定因素

第二十六页，共八十二页，编辑于2023年，星期一4、DNA的双螺旋结构的意义

该模型揭示了DNA作为遗传物质的稳定性特征，最有价值的是确认了碱基配对原则，这是是DNA复制、转录和反转录的分子基础，亦是遗传信息传递和表达的分子基础。该模型的提出是20世纪生命科学的重大突破之一，它奠定了生物化学和分子生物学乃至整个生命科学飞速发展的基石。第二十七页，共八十二页，编辑于2023年，星期一5、DNA双螺旋的多态性DNA双螺旋的不同构象

第二十八页，共八十二页，编辑于2023年，星期一DNA双螺旋构象的类型第二十九页，共八十二页，编辑于2023年，星期一DNA二级结构的多样性DNA分子中十字形结构的形成富于AT富于ATHolliday结构第三十页，共八十二页，编辑于2023年，星期一DNA三链间的碱基配对DNA分子内的三链结构多聚嘌呤多聚嘧啶DNA分子间的三链结构第三十一页，共八十二页，编辑于2023年，星期一（四）DNA的三级结构

在细胞内，由于DNA分子与其它分子（主要是蛋白质）的相互作用，使DNA双螺旋进一步扭曲形成的高级结构.实例：超螺旋染色体（chromosome）病毒（virus）第三十二页，共八十二页，编辑于2023年，星期一

第三十三页，共八十二页，编辑于2023年，星期一DNA超螺旋结构的形成

负超螺旋：螺旋方向与DNA螺旋方向相反（螺旋处于松緾状态）

正超螺旋：螺旋方向与DNA螺旋方向相同（螺旋处于紧緾状态）第三十四页，共八十二页，编辑于2023年，星期一核小体盘绕及染色质示意图第三十五页，共八十二页，编辑于2023年，星期一组蛋白与DNA的结合第三十六页，共八十二页，编辑于2023年，星期一真核生物染色体DNA组装不同层次的结构

DNA

（2nm）核小体链（11nm，每个核小体200bp）纤丝（30nm，每圈6个核小体）突环（150nm，每个突环大约75000bp）玫瑰花结（300nm，6个突环）螺旋圈（700nm，每圈30个玫瑰花）染色体（1400nm，每个染色体含10个玫瑰花200bp）第三十七页，共八十二页，编辑于2023年，星期一噬菌体T2结构头部颈圈尾部基板尾丝尖钉DNA第三十八页，共八十二页，编辑于2023年，星期一

被膜（脂蛋白、碳水化合物）衣壳（蛋白质）核酸突起（糖蛋白）病毒粒（DNA或RNA）第三十九页，共八十二页，编辑于2023年，星期一（五）基因和基因组基因：指含有合成一个功能性生物分子（蛋白质或RNA）所需信息的一个特定DNA片段。遗传学上将DNA分子中最小的功能单位称为基因。

基因组：基因组指单倍体细胞中包括编码序列和非编码序列在内的全部DNA分子。

第四十页，共八十二页，编辑于2023年，星期一操纵子

原核基因组中，基因表达的协同单位。由操纵基因、启动子和结构基因三部分组成。

操纵基因

操纵基因控制结构基因的转录速度，是RNA聚合酶能否通过的“开关”。位于结构基因的附近，本身不能转录成mRNA。

第四十一页，共八十二页，编辑于2023年，星期一酶的阻遏操纵子模型B.有活性阻遏蛋白加诱导剂A.有活性阻遏蛋白操纵基因启动基因调节基因结构基因阻遏蛋白(有活性)阻遏蛋白阻挡操纵基因结构基因不表达诱导物诱导物与阻遏蛋白结合,使阻遏蛋白不能起到阻挡操纵基因的作用,结构基因可以表达酶蛋白mRNA第四十二页，共八十二页，编辑于2023年，星期一一个基因包括：编码蛋白质或RNA的序列转录所必需的调节序列编码序列上游5’端非编码序列编码序列下游3’端非编码序列内含子第四十三页，共八十二页，编辑于2023年，星期一基因组DNA序列基因序列与非基因序列编码序列与非编码序列单一序列与重复序列第四十四页，共八十二页，编辑于2023年，星期一二、RNA的分子结构

1、RNA一级结构和类别2、tRNA的分子结构3、rRNA的分子结构4、mRNA的分子结构第四十五页，共八十二页，编辑于2023年，星期一RNA的一级结构

RNA分子中各核苷之间的连接方式（3´-5´磷酸二酯键）和排列顺序叫做RNA的一级结构OHOHOH5´3´

RNA与DNA的差异

DNA

RNA糖脱氧核糖核糖碱基AGCTAGCU不含稀有碱基含稀有碱基第四十六页，共八十二页，编辑于2023年，星期一1、RNA的种类和分子结构第四十七页，共八十二页，编辑于2023年，星期一

第四十八页，共八十二页，编辑于2023年，星期一沉降系数（S）

生物大分子在单位离心力场作用下的沉降速度称为沉降系数。即沉降系数是微颗粒在离心力场的作用下，从静止状态到达极限速度所需要的时间。其单位用Svedberg，即s表示，s=1×10-13秒。

沉降系数（S）与分子量（M）的关系M=RTsD(1-)Svederg方程:第四十九页，共八十二页，编辑于2023年，星期一4）小的干涉RNA和微RNA小的干涉RNA（siRNAs）：是含有21－22个单核苷酸长度的双链RNA，能促使核酸酶水解与其互补的mRNA，从而抑制与其互补的mRNA的表达。将由dsRNA诱导的这种基因沉默效应定义为RNAi即RNA干涉。第五十页，共八十二页，编辑于2023年，星期一第五十一页，共八十二页，编辑于2023年，星期一第五十二页，共八十二页，编辑于2023年，星期一微小RNA（miRNAs)：miRNAs是一类含19-25单核苷酸的单链RNA，在3’-端有1-2个碱基长度变化，广泛存在于真核生物中，不编码任何蛋白，本身不具有开放阅读框架，具有保守性、时序性和组织特异性。成熟的miRNA可以和上游或下游序列不完全配对而形成基环结构。其功能是抑制靶mRNA的翻译

第五十三页，共八十二页，编辑于2023年，星期一第五十四页，共八十二页，编辑于2023年，星期一第五十五页，共八十二页，编辑于2023年，星期一2、tRNA的结构

tRNA一级结构：由70－90个核苷酸组成,富含稀有碱基，3’末端为－C－C－AOH，沉降系数为4S。第五十六页，共八十二页，编辑于2023年，星期一酵母tRNAAla

的二级结构

DHU环AA活化酶结合部位IGC反密码子反密码环氨基酸臂可变环TψC环核糖体结合CCAAla3´5´单链三叶草叶形四臂四环第五十七页，共八十二页，编辑于2023年，星期一tRNA的三级结构在二级结构基础上进一步折叠扭曲形成倒L型第五十八页，共八十二页，编辑于2023年，星期一

3、rRNA的分子结构特征：

单链，螺旋化程度较tRNA低分子大小不均一,真核有4种，原核有3种

二级结构无规律

与蛋白质组成核糖体后方能发挥其功能

第五十九页，共八十二页，编辑于2023年，星期一第六十页，共八十二页，编辑于2023年，星期一第六十一页，共八十二页，编辑于2023年，星期一

4、mRNA的分子结构原核生物mRNA特征：

先导区+翻译区（多顺反子）+末端序列真核生物mRNA特征：

“帽子”（m7G-5´ppp5´-N-3´p）+单顺反子+“尾巴”（PolyA）第六十二页，共八十二页，编辑于2023年，星期一原核细胞mRNA的结构特点5´3´顺反子顺反子顺反子插入顺序插入顺序先导区末端顺序第六十三页，共八十二页，编辑于2023年，星期一真核细胞mRNA的结构特点AAAAAAA-OH5´“帽子”PolyA

3´

顺反子m7G-5´ppp-N-3´p帽子结构功能*使mRNA免遭核酸酶的破坏*使mRNA能与核糖体小亚基结合并开始合成蛋白质*被蛋白质合成的起始因子所识别，从而促进蛋白质的合成。Poly(A)尾巴的功能*是mRNA由细胞核进入细胞质所必需的形式*它大大提高了mRNA在细胞质中的稳定性

第六十四页，共八十二页，编辑于2023年，星期一第三节核酸的理化性质

一、一般理化性质性质

二、核酸的紫外吸收特性（λmax=260nm）三、核酸的变性、复性和分子杂交四、核酸的熔解温度（Tm）

第六十五页，共八十二页，编辑于2023年，星期一一、一般理化性质1、两性电解质2、DNA为白色纤维状固体，RNA为白色粉未；微溶于水，不溶于一般的有机溶剂。3、DNA是极不对称的线形分子，因此溶液的粘度比RNA高很多。4、两者都能被酸、碱或酶水解成各种成分（RNA在室温下被稀碱水解成核苷酸而DNA对碱较稳定）第六十六页，共八十二页，编辑于2023年，星期一二、DNA的紫外吸收光谱天然DNA变性DNA核苷酸总吸收值1232202402602800.10.20.30.4波长（nm）光吸收123增色效应DNA变性后在260nm处光吸收增加的现象。

第六十七页，共八十二页，编辑于2023年，星期一三、DNA的变性过程加热部分双螺旋解开无规则线团链内碱基配对第六十八页，共八十二页，编辑于2023年，星期一核酸的变性、复性和杂交变性（加热）探针杂交（缓慢冷却）复性（缓慢冷却）

变性：在物理、化学因素影响下，DNA碱基对间的氢键断裂，双螺旋解开，这是一个是跃变过程，伴有A260增加（增色效应）,DNA的功能丧失。复性：在一定条件下，变性DNA单链间碱基重新配对恢复双螺旋结构，伴有A260减小（减色效应）,DNA的功能恢复。第六十九页，共八十二页，编辑于2023年，星期一分子杂交的原理示意图

不同来源的DNA单链间或单链DNA与RNA之间只要有碱基配对的区域，在复性时可形成局部双螺旋区，称核酸分子杂交（hybridization）制备特定的探针（probe）通过杂交技术可进行基因的检测和定位研究。实例：southern印迹法第七十页，共八十二页，编辑于2023年，星期一Southern印迹法DNA分子限制片段限制性酶切割琼脂糖电泳转移至硝酸纤维素膜上与放射性标记DNA探针杂交放射自显影带有DNA片段的凝胶凝胶滤膜用缓冲液转移DNA吸附有DNA片段的膜第七十一页，共八十二页，编辑于2023年，星期一四、Tm：熔解温度（meltingtemperature）Polyd(A-T)DNAPolyd(G-C)

DNA的变性发生在一个很窄的温度范围内，通常把热变性过程中A260达到最大值一半时的温度称为该DNA的熔解温度，用Tm表示。

Tm的大小与DNA分子中（G+C）的百分含量成正相关，测定Tm值可推算核酸碱基组成及判断DNA纯度。某些DNA的Tm值60801001.01.41.2100%A260t\0CTmTmTm123123第七十二页，共八十二页，编辑于2023年，星期一影响Tm值的因素G－C对的含量溶液的离子强度。溶液的离子强度低，Tm值也低溶液的PH值，PH值大于11.3时，DNA完全变性，PH值小于5时DNA易脱嘌呤变性剂使Tm值下降第七十三页，共八十二页，编辑于2023年，星期一第四节核酸的分离与含量测定一、核酸分离纯化1、分离核酸的一般原则：防止降解2、DNA的分离用1mol/LNaCl抽提，稀释至0.14mol/L盐溶液中，RNP(RNA蛋白）溶解，DNP（DNA蛋白）溶解度最小。3、RNA的分离二、核酸含量测定

1、紫外吸收法

2、定糖法

3、定磷法第七十四页，共八十二页，编辑于2023年，星期一第六节DNA研究进展

一、人类基因组计划简介（HumanGenomeProject，HGP）二、DNA芯片技术简介（DNAchip）第七十五页，共八十二页，编辑于2023年，星期一人类基因组计划简介

（HumanGenomeProject，HGP）

该计划是美国科学家在1985年率先提出，1990年正式启动。美、英、德、法、日先后参加了此项工作，1999年我国成为HGP的第六个成员国。

HGP旨在阐明人类基因组DNA所具有的3×109核苷酸的序列，发现所有的人类基因并阐明其在染色体上的位置，破译人类的全部遗传信息，使得人类第一次在分子水平上全面地认识自我。到目前为止，已完成了人类基因组的框架图，测序的工作已基本完成。

HGP的实施，揭开了生命科学新的一页，它可以造福于人类，但也面临的伦理的挑战。第七十六页，共八十二页，编辑于2023年，星期一HGP取得的成就

完成了人类基因组工作草图绘制,揭示了人类基因组若干细节基本上测定了人类基因组上的碱基序列一些模式生物(果蝇、拟南介等)和作物（如水稻）基因草图绘制成功，测序基本完成促进了生物信息学、蛋白质组学、糖组学的迅猛发展人类基因组草图绘就，中国科学家功不可没第七十七页，共八十二页，编辑于2023年，星期一HGP面临的挑战