核酸的结构与功能

关于核酸的结构与功能课件第1页，讲稿共111页，2023年5月2日，星期三1869MiescherisolatedDNAforthefirsttime.确定了生物遗传的物质基础是DNA

核酸(nucleicacid)

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，讲稿共111页，2023年5月2日，星期三核酸的分类及分布存在于细胞核和线粒体

分布于细胞核、细胞质、线粒体(deoxyribonucleicacid,DNA)(ribonucleicacid,RNA)脱氧核糖核酸

核糖核酸携带遗传信息，并通过复制传递给下一代。是DNA转录的产物，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3页，讲稿共111页，2023年5月2日，星期三第一节核酸的化学组成及其一级结构TheChemicalComponentandPrimaryStructureofNucleicAcid第4页，讲稿共111页，2023年5月2日，星期三核酸的基本结构单位是核苷酸核酸在核酸酶的作用下水解成核苷酸。

核苷酸由碱基、戊糖、磷酸组成核苷酸由碱基(base)、戊糖(pentose)和磷酸3种成分以共价键依次连接而成。第5页，讲稿共111页，2023年5月2日，星期三核酸的化学组成

元素组成C、H、O、N、P（9%~10%）

分子组成——碱基(base)：嘌呤碱，嘧啶碱——戊糖(pentose)：核糖，脱氧核糖——磷酸(phosphate)第6页，讲稿共111页，2023年5月2日，星期三核酸(DNA和RNA)核苷酸核苷和脱氧核苷磷酸戊糖碱基嘌呤嘧啶核糖脱氧核糖核酸组成第7页，讲稿共111页，2023年5月2日，星期三分子组成碱基(base)：嘌呤碱，嘧啶碱戊糖(ribose)：核糖，脱氧核糖磷酸(phosphate)一、核苷酸是构成核酸的基本组成单位第8页，讲稿共111页，2023年5月2日，星期三碱基(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中碱基第9页，讲稿共111页，2023年5月2日，星期三嘌呤(purine，Pu)腺嘌呤(adenine,A)鸟嘌呤(guanine,G)第10页，讲稿共111页，2023年5月2日，星期三嘧啶(pyrimidine，Py)胞嘧啶(cytosine,C)尿嘧啶(uracil,U)胸腺嘧啶(thymine,T)第11页，讲稿共111页，2023年5月2日，星期三戊糖（构成RNA）1´2´3´4´5´核糖(ribose)（构成DNA）脱氧核糖(deoxyribose)第12页，讲稿共111页，2023年5月2日，星期三

嘌呤N-9或嘧啶N-1与核糖C-1通过β-N-糖苷键相连形成核苷(ribonucleoside)。核苷NNNN9NH2OOHOHHHHCH2OHH1'2'糖苷键1´1AR,GR,UR,CR第13页，讲稿共111页，2023年5月2日，星期三脱氧核苷嘌呤N-9

或嘧啶N-1与脱氧核糖C-1通过β-N-糖苷键相连形成脱氧核苷(deoxyribonucleoside)。1´1HdAR,dGR,dTR,dCR第14页，讲稿共111页，2023年5月2日，星期三

“稀有核苷”是由“稀有碱基”所生成的核苷。假尿苷（ψ）β1’,C5-糖苷键β1’C5第15页，讲稿共111页，2023年5月2日，星期三核苷或脱氧核苷与磷酸通过酯键结合构成核苷酸(ribonucleotide)或脱氧核苷酸(deoxyribonucleotide)。核苷酸(ribonucleotide)

AMP,GMP,UMP,CMPNNNN9NH2OOHOHHHHCH2H1'2'OPO-HOO糖苷键酯键脱氧核苷酸：dAMP,dGMP,dTMP,dCMP

第16页，讲稿共111页，2023年5月2日，星期三多磷酸核苷酸第17页，讲稿共111页，2023年5月2日，星期三环化核苷酸：cAMP、cGMP，是细胞信号转导中的第二信使。cAMP核苷酸衍生物第18页，讲稿共111页，2023年5月2日，星期三体内重要的核苷酸衍生物含核苷酸的生物活性物质：NAD+、NADP+、CoA-SH、FAD

等都含有

AMPNADP+NAD+第19页，讲稿共111页，2023年5月2日，星期三二、DNA是脱氧核苷酸通过3’,5’-磷酸二酯键连接形成的大分子一个脱氧核苷酸3的羟基与另一个核苷酸5的α-磷酸基团缩合形成磷酸二酯键(phosphodiesterbond)。

多个脱氧核苷酸通过磷酸二酯键构成了具有方向性的线性分子，称为多聚脱氧核苷酸(polydeoxynucleotide)，即DNA链。第20页，讲稿共111页，2023年5月2日，星期三5´-末端3´-末端CGA磷酸二酯键磷酸二酯键第21页，讲稿共111页，2023年5月2日，星期三交替的磷酸基团和戊糖构成了DNA的骨架(backbone)。DNA链的方向是5

→

3第22页，讲稿共111页，2023年5月2日，星期三三、RNA也是具有3’,5’-磷酸二酯键的线性大分子RNA也是多个核苷酸分子通过酯化反应形成的线性大分子，并且具有方向性；RNA的戊糖是核糖；RNA的嘧啶是胞嘧啶和尿嘧啶。第23页，讲稿共111页，2023年5月2日，星期三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。5′端3′端CGA四、核酸的一级结构是核苷酸的排列顺序第24页，讲稿共111页，2023年5月2日，星期三AGP5PTPGPCPTPOH3书写方法：5pApCpTpGpCpT-OH

35

ACTGCT

3第25页，讲稿共111页，2023年5月2日，星期三核酸分子的大小常用碱基(base或kilobase)数目来表示。小的核酸片段(<50bp)常被称为寡核苷酸(oligonucleotide)。自然界中的DNA和RNA的长度可以高达几十万个碱基。第26页，讲稿共111页，2023年5月2日，星期三第二节DNA的空间结构与功能DimensionalStructureandFunctionofDNA第27页，讲稿共111页，2023年5月2日，星期三DNA的空间结构又分为二级结构(secondarystructure)和高级结构。DNA的空间结构(spatialstructure)构成DNA的所有原子在三维空间具有确定的相对位置关系。doublehelix：Thenaturalcoiledconformationoftwocomplementary,antiparallelDNAchainsbytheformationofA-TandG-Cbasepairs.第28页，讲稿共111页，2023年5月2日，星期三一、DNA的二级结构是双螺旋结构WatsonandCrick:1953年提出双螺旋结构模型,TheNobelPrizeinPhysiologyorMedicine1962第29页，讲稿共111页，2023年5月2日，星期三不同生物种属的DNA的碱基组成不同同一个体的不同器官或组织的DNA碱基组成相同。[A]=[T]，[G]=[C]Chargaff规则（一）DNA双螺旋结构的研究背景获得了高质量的DNA分子的X射线衍射照片。提出了DNA分子双螺旋结构(doublehelix)模型。第30页，讲稿共111页，2023年5月2日，星期三AGCTA/TG/CG+C嘌呤/嘧啶大肠杆菌26.024.925.223.91.090.9950.11.04结核杆菌15.134.935.414.61.030.9970.31.00酵母31.718.317.432.60.971.0535.71.00牛29.021.221.228.71.011.0042.41.01猪29.820.720.729.11.021.0041.41.01人30.419.919.930.11.011.0039.81.01不同生物来源DNA碱基组分和相对比例第31页，讲稿共111页，2023年5月2日，星期三1953年由Wilkins研究小组的RosalindFranklin获得了高质量的X线衍射照片，显示出DNA是螺旋形分子，从密度上也提示了DNA为双链分子。

RosalindFranklin第32页，讲稿共111页，2023年5月2日，星期三WatsonandCrick's1953NaturepaperproposingadoublehelixstructureforDNA

StructureforDeoxyriboseNucleicAcid

2April1953MOLECULARSTRUCTUREOFNUCLEICACIDS

第33页，讲稿共111页，2023年5月2日，星期三两条多聚核苷酸链在空间的走向呈反向平行(anti-parallel)。两条链围绕着同一个螺旋轴形成右手螺旋(right-handed)的结构。双螺旋结构的直径为2nm，螺距为3.4nm。脱氧核糖和磷酸基团组成的亲水性骨架位于双螺旋结构的外侧，疏水的碱基位于内侧。双螺旋结构的表面形成了一个大沟(majorgroove)和一个小沟(minorgroove)。（二）DNA双螺旋结构模型要点1.DNA是反向平行、右手螺旋的双链结构第34页，讲稿共111页，2023年5月2日，星期三DNA二级结构B-DNAhelix：

Aright-handeddoublehelixwiththefollowingcharacteristics:thetwostrandsareantiparallel;thebasesareinsidethehelixandthephosphatesanddeoxyribosesugarsareontheoutside;adenineformshydrogenbondswiththymine,andguanineformsthemwithcytosine;thebasesineachpairarecoplanar;thereare10.4residuesperturn,withapitchof35Å.第35页，讲稿共111页，2023年5月2日，星期三第36页，讲稿共111页，2023年5月2日，星期三大沟与小沟第37页，讲稿共111页，2023年5月2日，星期三2.DNA双链之间形成了互补碱基对碱基配对关系称为互补碱基对(complementarybasepair)。DNA的两条链则互为互补链(complementarystrand)。碱基对平面与螺旋轴垂直。第38页，讲稿共111页，2023年5月2日，星期三相邻两个碱基对会有重叠，产生了疏水性的碱基堆积力(basestackinginteraction)。碱基堆积力和互补碱基对的氢键共同维系着DNA结构的稳定。3.疏水作用力和氢键共同维系着DNA双螺旋结构的稳定。碱基堆积作用力第39页，讲稿共111页，2023年5月2日，星期三Z（三）DNA双螺旋结构的多样性第40页，讲稿共111页，2023年5月2日，星期三旋向螺距(nm)碱基数（每圈）螺旋直径（nm）骨架走行存在条件A型右手2.3112.5平滑体外脱水B型右手3.4102.3平滑DNA生理条件Z型左手4.5121.8锯齿型CG序列三种DNA构型的比较第41页，讲稿共111页，2023年5月2日，星期三第42页，讲稿共111页，2023年5月2日，星期三（四）DNA的多链螺旋结构在酸性的溶液中，胞嘧啶的N-3原子被质子化，可与鸟嘌呤的N-7原子形成氢键；同时，胞嘧啶的N-4的氢原子也可与鸟嘌呤的O-6形成氢键，这种氢键被称为Hoogsteen氢键。Hoogsteen氢键Hoogsteen氢键，不破坏Watson-Crick氢键，由此形成了C＋GC的三链结构(triplex)。第43页，讲稿共111页，2023年5月2日，星期三三链结构第44页，讲稿共111页，2023年5月2日，星期三鸟嘌呤之间通过Hoogsteen氢键形成特殊的四链结构(tetraplex)。四链结构第45页，讲稿共111页，2023年5月2日，星期三真核生物DNA3-末端是富含GT的多次重复序列，因而自身形成了折叠的四链结构。第46页，讲稿共111页，2023年5月2日，星期三二、DNA的高级结构是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47页，讲稿共111页，2023年5月2日，星期三（一）原核生物DNA的环状超螺旋结构原核生物DNA多为环状，以负超螺旋的形式存在，平均每200碱基就有一个超螺旋形成。第48页，讲稿共111页，2023年5月2日，星期三DNA超螺旋结构的电镜图象第49页，讲稿共111页，2023年5月2日，星期三右旋，再右旋右旋后，左旋第50页，讲稿共111页，2023年5月2日，星期三第51页，讲稿共111页，2023年5月2日，星期三第52页，讲稿共111页，2023年5月2日，星期三（二）真核生物DNA的高度有序和高度致密的结构真核生物DNA以非常有序的形式存在于细胞核内。在细胞周期的大部分时间里，DNA以松散的染色质(chromatin)形式存在，在细胞分裂期，则形成高度致密的染色体(chromosome)。第53页，讲稿共111页，2023年5月2日，星期三DNA染色质呈现出的串珠样结构。染色质的基本单位是核小体(nucleosome)。DNA染色质的电镜图像第54页，讲稿共111页，2023年5月2日，星期三DNA：约200bp

组蛋白：H1H2A，H2BH3H4核小体的组成

核心颗粒核小体连接区核小体：是真核生物染色体的基本结构单元。第55页，讲稿共111页，2023年5月2日，星期三核小体串珠样的结构coreparticlesParticlesresultingfrommicrococcalnucleasedigestionofnucleosomes,consistingof140-bpDNAandthehistoneoctamerofanucleosome.第56页，讲稿共111页，2023年5月2日，星期三真核生物的染色体细胞凋亡时，DNA发生核小体间的断裂，结果产生含有不同数量的核小体片段，每个核小体片段都是200bp的整数倍，琼脂糖凝胶电泳时，形成梯状条带。第57页，讲稿共111页，2023年5月2日，星期三结肠癌的凋亡细胞电泳照片小鼠胸腺细胞凋亡照片第58页，讲稿共111页，2023年5月2日，星期三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。三、DNA是遗传信息的物质基础第59页，讲稿共111页，2023年5月2日，星期三两种最重要的生物大分子比较

项目蛋白质核酸组成单位氨基酸核苷酸种类20种A、C、G、T(DNA)A、C、G、U(RNA)连接方式

肽键磷酸二酯键一级结构AA排列顺序碱基序列空间结构二、三、四级结构双螺旋、超螺旋、蛋白-核酸非共价结合功能

生命活动直接执行者遗传信息贮存、传代、表达,决定蛋白结构第60页，讲稿共111页，2023年5月2日，星期三第三节

RNA的结构与功能StructureandFunctionofRNA第61页，讲稿共111页，2023年5月2日，星期三RNA与蛋白质共同负责基因的表达和表达过程的调控。RNA通常以单链的形式存在，但有复杂的局部二级结构或三级结构。RNA比DNA小的多。RNA的种类、大小和结构远比DNA表现出多样性。第62页，讲稿共111页，2023年5月2日，星期三RNA的二、三级结构。(a)茎-环状结构，发夹样结构；(b)“假结”样结构第63页，讲稿共111页，2023年5月2日，星期三RNA的种类、分布、功能第64页，讲稿共111页，2023年5月2日，星期三信使RNA(messengerRNA,mRNA)是合成蛋白质的模板。不均一核RNA(hnRNA)含有内含子(intron)和外显子(exon)。外显子是氨基酸的编码序列，而内含子是非编码序列。hnRNA经过剪切后成为成熟的mRNA。一、mRNA是蛋白质合成中的模板第65页，讲稿共111页，2023年5月2日，星期三hnRNA内含子(intron)mRNAmRNA成熟过程

外显子(exon)第66页，讲稿共111页，2023年5月2日，星期三从AUG开始，每三个核苷酸为一组编码了一个氨基酸，称为三联体密码(codon)。成熟的mRNA由氨基酸编码区和非编码区构成。5-末端的帽子(cap)结构和3-末端的多聚A尾(poly-Atail)结构。成熟的真核生物mRNA第67页，讲稿共111页，2023年5月2日，星期三帽子结构:m7GpppNm（一）大部分真核细胞mRNA的5'末端都以7-甲基鸟嘌呤-三磷酸核苷为起始结构mRNA的帽结构可以与帽结合蛋白(capbindingprotein，CBP)结合。第68页，讲稿共111页，2023年5月2日，星期三真核生物的mRNA的3-末端转录后加上一段长短不一的聚腺苷酸。（二）在真核生物mRNA的3'末端有多聚腺苷酸结构第69页，讲稿共111页，2023年5月2日，星期三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尾的功能第70页，讲稿共111页，2023年5月2日，星期三（三）mRNA依照自身的碱基顺序指导蛋白质氨基酸顺序的合成从mRNA分子5'末端起的第一个AUG开始，每3个核苷酸为一组称为密码子(codon)或三联体密码(tripletcode)。AUG被称为起始密码子；决定肽链终止的密码子则称为终止密码子。位于起始密码子和终止密码子之间的核苷酸序列称为开放阅读框(openreadingframe,ORF)，决定了多肽链的氨基酸序列。第71页，讲稿共111页，2023年5月2日，星期三（四）mRNA的成熟过程是hnRNA的剪接过程卵清蛋白mRNA的成熟第72页，讲稿共111页，2023年5月2日，星期三转运RNA(transferRNA,tRNA)在蛋白质合成过程中作为各种氨基酸的载体,将氨基酸转呈给mRNA。由74～95核苷酸组成；占细胞总RNA的15%；具有很好的稳定性。二、tRNA是蛋白质合成中的氨基酸载体第73页，讲稿共111页，2023年5月2日，星期三（一）tRNA中含有多种稀有碱基*

tRNA的一级结构特点含10~20%稀有碱基，如DHU3´末端为—CCA-OH5´末端大多数为G

具有TC第74页，讲稿共111页，2023年5月2日，星期三tRNA具有局部的茎环(stem-loop)结构或发卡(hairpin)结构。（二）tRNA具有茎环结构tRNA的二级结构——三叶草形氨基酸臂DHU环反密码环TψC环附加叉第75页，讲稿共111页，2023年5月2日，星期三tRNA的二级结构主要特征：1.三环四臂2.氨基酸臂3′端有CCA-OH的共有结构3.D环上有二氢尿嘧啶（D）4.反密码环上的反密码子与mRNA相互作用5.可变环上的核苷酸数目可以变动6.TψC环含有T和ψ7.含有修饰碱基和不变核苷酸Anticodon：

Three-nucleotidesequenceoftRNAthatbase-pairswithacodoninmRNA.第76页，讲稿共111页，2023年5月2日，星期三tRNA的倒L三级结构第77页，讲稿共111页，2023年5月2日，星期三tRNA的3-末端都是以CCA结尾。3-末端的A与氨基酸共价连结，tRNA成为了氨基酸的载体。不同的tRNA可以结合不同的氨基酸。（三）tRNA的3-末端连接氨基酸第78页，讲稿共111页，2023年5月2日，星期三tRNA的反密码子环上有一个由三个核苷酸构成的反密码子(anticodon)。tRNA上的反密码子依照碱基互补的原则识别mRNA上的密码子。（四）tRNA的反密码子识别mRNA的密码子第79页，讲稿共111页，2023年5月2日，星期三核蛋白体RNA(ribosomalRNA，rRNA)是细胞内含量最多的RNA(>80％)。rRNA与核蛋白体蛋白结合组成核蛋白体(ribosome)，为蛋白质的合成提供场所。三、以rRNA为组分的核蛋白体是蛋白质合成的场所第80页，讲稿共111页，2023年5月2日，星期三核蛋白体的组成原核生物（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种占总重量的40%33种占总重量的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种占总重量的30%49种占总重量的35%第81页，讲稿共111页，2023年5月2日，星期三大肠杆菌的核蛋白体第82页，讲稿共111页，2023年5月2日，星期三18S

rRNA的二级结构第83页，讲稿共111页，2023年5月2日，星期三蛋白质合成时形成的复合体第84页，讲稿共111页，2023年5月2日，星期三RNA组学是研究细胞内snmRNA的种类、结构和功能。同一生物体内不同种类的细胞、同一细胞在不同时空状态下snmRNAs表达谱的变化，以及与功能之间的关系。四、snmRNA参与了基因表达的调控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85页，讲稿共111页，2023年5月2日，星期三核内小RNA核仁小RNA胞质小RNA催化性小RNA小片段干涉RNA

参与hnRNA的加工剪接snmRNAs的种类snmRNAs的功能第86页，讲稿共111页，2023年5月2日，星期三核酶某些小RNA分子具有催化特定RNA降解的活性，这种具有催化作用的小RNA亦被称为核酶(ribozyme)或催化性RNA(catalyticRNA)。第87页，讲稿共111页，2023年5月2日，星期三RNA具有酶活性的发现SidneyAltman，ThomasR.Cech

（1939-）（1947-）TheNobelPrizeinChemistry1989fortheirdiscoveryofcatalyticpropertiesofRNA

第88页，讲稿共111页，2023年5月2日，星期三siRNA是生物宿主对外源侵入的基因表达的双链RNA进行切割所产生的特定长度和特定核酸序列的小片段RNA。siRNA可以与外源基因表达的mRNA相结合，并诱发这些mRNA的降解。基于此机理，人们发明了RNA干扰(RNAinterference，RNAi)技术。小片段干扰RNA第89页，讲稿共111页，2023年5月2日，星期三核酸的理化性质ThePhysicalandChemicalCharactersofNucleicAcid第四节第90页，讲稿共111页，2023年5月2日，星期三核酸的酸碱及溶解度性质核酸为多元酸，具有较强的酸性。核酸的高分子性质粘度：DNA>RNAdsDNA>ssDNA沉降行为:不同构象的核酸分子的沉降的速率有很大差异，这是超速离心法提取和纯化核酸的理论基础。第91页，讲稿共111页，2023年5月2日，星期三核酸在波长260nm

处有强烈的吸收，是由碱基的共轭双键所决定的。这一特性常用作核酸的定性和定量分析。一、核酸分子具有强烈的紫外吸收第92页，讲稿共111页，2023年5月2日，星期三碱基的紫外吸收光谱第93页，讲稿共111页，2023年5月2日，星期三DNA或RNA的定量A260=1.0相当于50μg/ml双链DNA(dsDNA)40μg/ml单链DNA(ssDNAorRNA)20μg/ml寡核苷酸确定样品中核酸的纯度

纯

DNA:A260/A280=1.8

纯

RNA:A260/A280=2.0紫外吸收的应用第94页，讲稿共111页，2023年5月2日，星期三二、DNA变性是双链解离为单链的过程在某些理化因素作用下，DNA双链解开成两条单链的过程。定义DNA变性的本质是双链间氢键的断裂。常见因素：过量酸，碱，加热，变性试剂如尿素、酰胺以及某些有机溶剂如乙醇、丙酮等。第95页，讲稿共111页，2023年5月2日，星期三协同性的DNA解链高温或极端的pHDNA的变性第96页，讲稿共111页，2023年5月2日，星期三部分变性DNA的电镜图像变性后理化性质变化：OD260增高

粘度下降比旋度下降浮力密度升高酸碱滴定曲线改变生物活性丧失第97页，讲稿共111页，2023年5月2日，星期三增色效应(hyperchromiceffect)：DNA变性时其溶液OD260增高的现象。DNA解链时的紫外吸收变化第98页，讲稿共111页，2023年