第章 核酸结构与功能

二、核酸的发现和研究工作进展

1868年FridrichMiescher从脓细胞中提取“核素”1944年

Avery等人证实DNA是遗传物质1953年

Watson和Crick发现DNA的双螺旋结构1968年Nirenberg发现遗传密码1975年Temin和Baltimore发现逆转录酶1981年Gilbert和Sanger建立DNA测序方法1985年Mullis发明PCR技术1990年美国启动人类基因组计划(HGP)1994年中国人类基因组计划启动2001年美、英等国完成人类基因组计划基本框架2003年人类基因组计划完成——

约3万个基因

本文档共43页；当前第1页；编辑于星期六\13点34分三、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。分布于胞核、胞液。(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。本文档共43页；当前第2页；编辑于星期六\13点34分第一节核酸的分子组成本文档共43页；当前第3页；编辑于星期六\13点34分碱基(base)是含氮的杂环化合物。碱基嘌呤嘧啶腺嘌呤鸟嘌呤尿嘧啶胸腺嘧啶胞嘧啶存在于DNA和RNA中仅存在于RNA中仅存在于DNA中碱基本文档共43页；当前第4页；编辑于星期六\13点34分本文档共43页；当前第5页；编辑于星期六\13点34分(1)嘌呤(purine)

腺嘌呤(adenine,A)鸟嘌呤(guanine,G)1.碱基NNNHN123456789NNNHNNH2NNHNHNNH2O本文档共43页；当前第6页；编辑于星期六\13点34分(2)嘧啶(pyrimidine)胞嘧啶(cytosine,C)胸腺嘧啶(thymine,T)NHN132456尿嘧啶(uracil,U)NHNHOONNHNH2ONHNHOOCH3本文档共43页；当前第7页；编辑于星期六\13点34分2.戊糖（构成RNA）1´2´3´4´5´核糖(ribose)（构成DNA）脱氧核糖(deoxyribose)OHOCH2OHOHOHOHOCH2OHOH本文档共43页；当前第8页；编辑于星期六\13点34分二、基本单位——核苷酸(一)核苷酸(二)核苷1.碱基和核糖(脱氧核糖)通过糖苷键连接形成核苷(脱氧核苷)。2.核苷种类

核苷：AR,GR,UR,CR脱氧核苷：dAR,dGR,dTR,dCR1.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）。

核苷酸：AMP,GMP,UMP,CMP脱氧核苷酸：dAMP,

dGMP,

dTMP,

dCMP2.核苷酸种类

本文档共43页；当前第9页；编辑于星期六\13点34分核苷OHOCH2OHOHOH碱基和核糖(脱氧核糖)通过糖苷键连接形成核苷(脱氧核苷)。本文档共43页；当前第10页；编辑于星期六\13点34分OHOCH2OHOHOH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）核苷酸：AMP,GMP,UMP,CMP脱氧核苷酸：dAMP,

dGMP,

dTMP,

dCMP本文档共43页；当前第11页；编辑于星期六\13点34分(三)重要的游离核苷酸及其衍生物1.多磷酸核苷酸NMP，NDP，NTP2.环化核苷酸cAMP，cGMPATPNOCH2OOHOHNNNNH2POOHOPOOHOPOOHOH腺嘌呤（A）核糖腺嘌呤核苷三磷酸本文档共43页；当前第12页；编辑于星期六\13点34分5´端3´端(四)核苷酸的连接

1.核苷酸之间以磷酸二酯键连接形成多核苷酸链，即核酸。CANH2NNOPOHHOOOH3COOHPHOOOH3COOHNH2NNNN磷酸二酯键本文档共43页；当前第13页；编辑于星期六\13点34分交替的磷酸基团和戊糖构成了DNA的骨架。DNA链的方向是5

→

35端为磷酸基；3端为羟基；碱基的变化形成了核酸链的多样性。本文档共43页；当前第14页；编辑于星期六\13点34分第二节

DNA的结构与功能

一、核酸的一级结构(一)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。DNA:A、T、G、CRNA:A、U、G、C本文档共43页；当前第15页；编辑于星期六\13点34分DNA碱基序列本文档共43页；当前第16页；编辑于星期六\13点34分二、DNA的空间结构与功能(一)DNA的二级结构

1.定义即反向平行的右手双螺旋结构。Watson,Crick于1953提出。2.碱基配对Chargaff规则：[A]=

[T]

[G]

[C]本文档共43页；当前第17页；编辑于星期六\13点34分3.DNA双螺旋结构模型要点

(1)由两条相互平行但走向相反的脱氧多核苷酸链组成，以右手螺旋方式盘绕中心轴。

(3)DNA双链之间形成了互补碱基对。(2)碱基位于双链内侧，核糖与磷酸位于外侧。(4)碱基对的疏水作用力和氢键共同维持DNA双螺旋结构的稳定。本文档共43页；当前第18页；编辑于星期六\13点34分4.DNA双螺旋结构的多样性不同类型DNA的结构参数

A型－DNAB型－DNAZ型－DNA螺旋旋向右手螺旋右手螺旋左手螺旋螺旋直径2.55nm2.37nm1.84nm每一螺旋的碱基对数目1110.412螺距2.53nm3.54nm4.56nm相邻碱基对之间的垂直间距0.23nm0.34nm0.38nmWatson和Crick当年提出的是理想化的DNA双螺旋模型，后来发现其各项参数均与实际的DNA双螺旋结构有一定差异。

本文档共43页；当前第19页；编辑于星期六\13点34分(二)DNA的三级结构1.原核生物DNA的超螺旋结构(1)定义即在DNA二级结构的基础上进一步折叠成环状或麻花状的超螺旋结构(superhelix或supercoil)。环状麻花状

本文档共43页；当前第20页；编辑于星期六\13点34分(3)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。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)种类本文档共43页；当前第21页；编辑于星期六\13点34分2.真核生物DNA的超螺旋结构①真核生物染色体由DNA和蛋白质构成，其基本单位是核小体。(1)真核生物细胞核内DNA形成高度有序的致密结构

②核小体的组成DNA：约200bpH1H2A，H2BH3H4组蛋白本文档共43页；当前第22页；编辑于星期六\13点34分(三)DNA的功能1.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。2.DNA具有高度稳定性的特点，用来保持生物体系遗传的相对稳定性。同时，DNA又表现出高度复杂性的特点，它可以发生各种重组和突变，适应环境的变迁，为自然选择提供机会。

本文档共43页；当前第23页；编辑于星期六\13点34分第三节

RNA的结构与功能

根据RNA的功能可分为mRNA、tRNA、rRNA等多种。IF-3IF-1IF-2GTPAUG5'3'本文档共43页；当前第24页；编辑于星期六\13点34分1.真核生物mRNA的5´-端有特殊的帽子结构

一、mRNA是蛋白质合成中的模板2.真核生物mRNA的3´-端有多聚腺苷酸尾巴5’3’本文档共43页；当前第25页；编辑于星期六\13点34分AUGGUG······GCGAGGTGTATTGA······UAAAAAA······Anm7Gpppp5/帽子结构5/非编码区编码区3/非编码区3/多聚A尾3.mRNA的碱基序列决定蛋白质的氨基酸序列从编码区5端AUG（起始密码子）至3端UAA（终止密码子）为止，每3个核苷酸为一组，称为三联密码子。每3个核苷酸（即一组三联密码子），经翻译后对应于1个氨基酸分子。编码区指能够直接指导合成蛋白质的区域，而非编码区主要对合成过程进行调控，本身不翻译成相应的蛋白质。本文档共43页；当前第26页；编辑于星期六\13点34分(二)mRNA的功能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

1.构成遗传密码，传递DNA所携带的遗传信息。

2.用连续三个核苷酸作为密码子以决定其合成蛋白质的氨基酸排列顺序。本文档共43页；当前第27页；编辑于星期六\13点34分hnRNA内含子(intron)mRNA真核生物mRNA成熟过程

外显子(exon)本文档共43页；当前第28页；编辑于星期六\13点34分二、tRNA的结构与功能转运RNA(transferRNA,tRNA)在蛋白质合成（翻译过程）中作为各种氨基酸的载体,按照三联密码子的配对原则将氨基酸转呈给mRNA，从而最终将mRNA上的信息与氨基酸序列对应。由74～95核苷酸组成；具有很好的稳定性。本文档共43页；当前第29页；编辑于星期六\13点34分(二)tRNA的结构氨基酸臂OHACCAGAGGGCCCCCCGCAAGCCGCUCUCGUAUCTΨCCGGGGGGGCAAGmDDGGDDDAACAGUUAAAAψGUUCCDmAACA反密码子环反密码子tRNA的二级结构

(1)

tRNA的二级结构为平面卷曲的三叶草构型。(2)头部：反密码子环，与mRNA上的密码子配对。(3)尾部：氨基酸臂，携带活化的氨基酸。(4)不同的氨基酸需要不用的tRNA进行运输：反密码子与携带的氨基酸具有的对应性。本文档共43页；当前第30页；编辑于星期六\13点34分2.tRNA的三级结构(三)tRNA的功能1.破译遗传密码（反密码子）；

2.活化、搬运氨基酸到核糖体，参与蛋白质的翻译（氨基酸臂）。X线衍射结构证明，tRNA的共同三级结构为倒L形。本文档共43页；当前第31页；编辑于星期六\13点34分本文档共43页；当前第32页；编辑于星期六\13点34分(二)rRNA由单链卷曲构成的多茎环结构。三、rRNA的结构与功能(三)rRNA参与组成核糖体的大、小亚基，作为蛋白质生物合成的场所。(一)rRNA占总RNA的80％以上。(四)根据沉降系数，rRNA在原核生物中有5S,23S,16S三种；在真核生物中有5S,28S,5.8S,18S四种。本文档共43页；当前第33页；编辑于星期六\13点34分本文档共43页；当前第34页；编辑于星期六\13点34分本文档共43页；当前第35页；编辑于星期六\13点34分紫外吸收

由于嘌呤和嘧啶中含有共轭双键，核酸在260nm或附近处有最大吸收峰。该特点常用于核酸定量分析。碱基的紫外光谱240250260270280波长(nm)2000400060008000100001200014000分子消光系数AMPGMPUMPCMPdTMP第四节核酸的理化性质本文档共43页；当前第36页；编辑于星期六\13点34分本文档共43页；当前第37页；编辑于星期六\13点34分DNA的变性与复性(一)变性

(denaturation)1.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。本质是双链间氢键的断裂。2.因素强酸，强碱，高温，高压，变性试剂如尿素以及某些有机溶剂如乙醇等。本文档共43页；当前第38页；编辑于星期六\13点34分(二)复性

1.DNA复性(renaturation)的定义(1)当变性因素去除后，变性DNA的两条互补链可恢复天然的双螺旋构象