第三章 核酸的结构与功能

第三章核酸的结构与功能1第1页，课件共95页，创作于2023年2月

核糖核酸

(ribonucleicacid，RNA)核酸(nucleicacid)

(多聚核苷酸)脱氧核糖核酸

(deoxyribonucleicacid，DNA)

**核酸的构件分子是核苷酸(nucleotide)

**DNA是遗传信息的载体**RNA转录遗传信息，参与蛋白质生物合成目前研究发现RNA功能广泛，其核心作用是基因表达的调控。

2第2页，课件共95页，创作于2023年2月

第一节 核苷酸碱基(bases)（嘌呤、嘧啶）N糖苷键核苷戊糖(pentose)

(nucleoside)磷酸酯键（脱氧核糖核糖）核苷酸磷酸(nucleotide)(phosphate)

3第3页，课件共95页，创作于2023年2月4第4页，课件共95页，创作于2023年2月

一、碱基1.碱基是含氮杂环化合物，嘧啶和嘌呤两类腺嘌呤(A,adenine)嘌呤(purine)鸟嘌呤(G,guanine)

胞嘧啶(C,cytosine)嘧啶(pyrimidine)胸腺嘧啶(T,thymine)尿嘧啶(U,uracil)5第5页，课件共95页，创作于2023年2月6第6页，课件共95页，创作于2023年2月

嘌呤嘧啶DNAAGCTRNAAGCU*核酸分子中含有稀有碱基(rarebases)7第7页，课件共95页，创作于2023年2月2.碱基可随PH变化出现酮式，烯醇式互变。8第8页，课件共95页，创作于2023年2月嘧啶和嘌呤碱基均具有共轭双键，对波长为260nm左右的紫外光有较强吸收图3-49第9页，课件共95页，创作于2023年2月4.碱基的亚氨基中氢能与具有较大电负性N和羰基氧=O形成氢键10第10页，课件共95页，创作于2023年2月二、戊糖*核酸中有两种戊糖

DNA为D-2-脱氧核糖(D-2-deoxyribose)

RNA为D-核糖(D-ribose)11第11页，课件共95页，创作于2023年2月1’1’91三、核苷1.核苷是戊糖与碱基之间以糖苷键（glycosidic

bond）相连接而成，称为N-糖苷键12第12页，课件共95页，创作于2023年2月表3-1各种常见的核苷13第13页，课件共95页，创作于2023年2月图3-7稀有碱基与假尿苷

2.RNA中含有稀有碱基，还存在异构化的核苷假尿苷（ψ）

111514第14页，课件共95页，创作于2023年2月四、核苷酸

5‘15第15页，课件共95页，创作于2023年2月16第16页，课件共95页，创作于2023年2月环核苷酸：环腺苷酸(cyclicAMP,cAMP)和环鸟苷酸(cyclicGMPcGMP)

17第17页，课件共95页，创作于2023年2月5.单核苷酸的生理作用1)核酸的构件分子2)参与物质代谢(UTP、CTP)、能量代谢(ATP)3)作为第二信使(cAMP)，在信号传递过程中起重要作用,参与代谢调节4)参与某些生物活性物质的组成(NAD+、NADP+)18第18页，课件共95页，创作于2023年2月

第二节核酸的分子结构

*核酸的构件分子是核苷酸

组成RNA的核苷酸是核糖核苷酸主要有四种AMP、CMP、GMP、UMP

组成DNA的核苷酸是脱氧核糖核苷酸主要有四种dAMP、dCMP、dGMP、dTMP

*核酸中核苷酸以3’,5’磷酸二酯键相连19第19页，课件共95页，创作于2023年2月一、核酸的一级结构概念：核酸的一级结构是指其多核苷酸中的碱基的排列顺序

**DNA的一级结构是指DNA中脱氧核糖核苷酸的排列顺序。

**RNA的一级结构是指RNA中核糖核苷酸的排列顺序。

20第20页，课件共95页，创作于2023年2月5’端3’端3‘,5’磷酸二酯键(a)21第21页，课件共95页，创作于2023年2月P图3-10DNA的分子书写方式(a)分子结构式(b)线条式（c）字母式

22第22页，课件共95页，创作于2023年2月2.书写方式*简写形式5’-AGGCU-3’

（5’末端含磷酸，3’末端含羟基）

3.多核苷酸（polynucleotide）寡核苷酸(oligonucleotide)23第23页，课件共95页，创作于2023年2月二、DNA的空间结构1.DNA的二级结构1）DNA双螺旋结构研究背景

（doublehelixstructure）

24第24页，课件共95页，创作于2023年2月⑴Chargaff的碱基分析

①不同种生物DNA分子中的碱基组成不同②同一生物不同组织其DNA分子的碱基组成相同③某一特定生物其DNA碱基组成是固定的④任何生物DNA碱基组成都符合Chargaff定律A=T，G=C即A+G=T+C⑵DNA纤维晶体的x-衍射研究显示DNA是双链的螺旋形分子25第25页，课件共95页，创作于2023年2月3’3’5’5’26第26页，课件共95页，创作于2023年2月2）DNA双螺旋（B型）结构特点⑴由两条DNA互补链反向平行。

右手螺旋，直径为2nm。⑵DNA双螺旋亲水骨架是脱氧核糖和磷酸,在螺旋分子的外侧，而疏水碱基对在螺旋分子内部。

27第27页，课件共95页，创作于2023年2月⑶碱基对之间的距离为0.34nm，并有一个36

的夹角，每一螺旋内含10个碱基对，螺距为3.4nm.⑷螺旋表面有大沟

(majorgroove)和小沟

(minorgroove).是DNA与蛋白质结合的部位28第28页，课件共95页，创作于2023年2月

⑸DNA双螺旋通过中的碱基氢键配对生成。

A与T配对，形成二个氢键。

G与C配对，形成三个氢键。29第29页，课件共95页，创作于2023年2月

3）维持DNA二级结构稳定性的因素⑴碱基对间的氢键

⑵碱基的堆积力（stackingforce）

①相邻碱基对相距0.34nm存在Vanderwaals力。②碱基对的疏水性使之在水溶液中相互间聚集而形成疏水键。

30第30页，课件共95页，创作于2023年2月③DNA链上存在大量的磷酸基团,带负电荷，能使两条互补链分开，在生理条件下，双螺旋表面存在着可中和磷酸基团的碱性蛋白质和带正电荷的Na+,降低静电斥力。31第31页，课件共95页，创作于2023年2月4）DNA双螺旋的种类：⑴DNA构象与核苷酸顺序、碱基组成有关，并取决于环境条件（盐类、相对湿度）⑵生理条件下，右手DNA双螺旋大多以

B型形式存在,还有A型、C型、D型、

E型

32第32页，课件共95页，创作于2023年2月33第33页，课件共95页，创作于2023年2月34第34页，课件共95页，创作于2023年2月⑶左手双螺旋DNA

Z-DNA①发现:1979年，Rich等人工合成六聚体d（CGCGCG）单晶进行X－射线衍射分析，数据表明主链的走向呈“之”字型，左手双螺旋DNA

35第35页，课件共95页，创作于2023年2月②Z－DNA的结构特点:a.每个螺旋由12个碱基对构成，螺距

4.46nm直径1.8nmb.碱基组成特殊，为嘌呤和嘧啶交替排列，如CGCGCG主链呈锯齿状（Zig-Zag）走向。c.只有一条沟d.体内Z－DNA的存在③Z－DNA的功能：与基因转录调节有关36第36页，课件共95页，创作于2023年2月（4）三股螺旋DNA①概念：三股螺旋DNA中通常是一条同型寡核苷酸与寡嘧啶核苷酸-寡嘌呤核苷酸双螺旋的大沟结合，三股螺旋中的第三股可以来自分子间，也可以来自分子内。②三股螺旋DNA存在于基因调控区和其他重要区域，具有重要生理意义。37第37页，课件共95页，创作于2023年2月图3-14三股螺旋DNA嘧啶核苷酸嘌呤核苷酸38第38页，课件共95页，创作于2023年2月2.DNA的三级结构——超螺旋结构

1）DNA三级结构是指DNA链进一步扭曲盘旋形成超螺旋结构2）大多数原核生物和病毒的基因组DNA以双链环状DNA形式存在。真核细胞中的线粒体DNA、叶绿体DNA都是环状的

39第39页，课件共95页，创作于2023年2月

3）超螺旋可分正超螺旋和负超螺旋。几乎所有天然DNA中都存在负超螺旋结构图3-15原核生物DNA超螺旋40第40页，课件共95页，创作于2023年2月3.DNA的四级结构——DNA与蛋白质形成复合物1）真核生物基因组DNA折叠第一层是核小体，

图3-16核小体结构

41第41页，课件共95页，创作于2023年2月*核小体的结构a.由146bp长的双链DNA绕组蛋白八聚体核心(H2A,H2B,H3,H4)21.75圈组成核心颗粒。b.各核心颗粒间有一个连接区，由60bp的DNA和1个分子组蛋白H1构成。42第42页，课件共95页，创作于2023年2月图3-17真核生物染色体DNA组装不同层次的结构

2）核小体又进一步盘绕折叠，最后形成染色体

43第43页，课件共95页，创作于2023年2月三、基因和基因组1.基因（gene）基因的现代分子生物学概念是指能编码有功能的蛋白质多肽链或合成RNA所必需的全部核酸序列，是核酸分子的功能单位。

44第44页，课件共95页，创作于2023年2月图3-18真核生物基因结构示意

45第45页，课件共95页，创作于2023年2月2.基因组（genome）基因组是指一个细胞或病毒所有基因及间隔序列，储存了一个物种所有的遗传信息。46第46页，课件共95页，创作于2023年2月

⑴病毒基因组①病毒DNA的大小差别很大

②每种病毒只有一种核酸，DNA或RNA组成

肝炎病毒（hepatitisvirus):甲肝病毒（HAV)RNA病毒乙肝病毒（HBV）DNA病毒丙肝病毒（HCV）RNA病毒丁肝病毒（HDV）RNA病毒戊肝病毒（HEV）RNA病毒

47第47页，课件共95页，创作于2023年2月③病毒基因组最大的特点是出现重叠基因48第48页，课件共95页，创作于2023年2月⑵原核生物基因组

①原核生物基因组多为环状双链DNA②原核生物基因组大部分为结构基因，编码生存所必需的蛋白质和RNA各种生物的的基因数目与DNA量的比较大肠杆菌基因数2350DNA分子大小4.2×106编码序列占基因组%98以上5酵母果蝇610087501.3×1071.4×108人30000-350003.2×10927049第49页，课件共95页，创作于2023年2月③原核生物基因组最大的特点是具有操纵子

（operon）结构

大肠埃希菌乳糖操纵子50第50页，课件共95页，创作于2023年2月

⑶真核生物基因组①基因组比原核生物大得多

②真核生物中进化的复杂程度与DNA含量并不完全一致③存在大量非编码的间隔序列，基因序列占整个基因组10％不到

51第51页，课件共95页，创作于2023年2月④真核生物基因组的最大的特点是出现分隔开的基因外显子(exon)：编码氨基酸序列的DNA片段内含子（intron）：不编码氨基酸序列的DNA插入片段外显子1外显子2外显子352第52页，课件共95页，创作于2023年2月⑤真核生物基因组中存在单拷贝序列和低度重复序列、中度重复序列和高度重复序列53第53页，课件共95页，创作于2023年2月四、各类RNA的结构RNA的一般特点：1.RNA主要存在于胞浆,含量比DNA多，分子大小不均一2.主要有四种核糖核糖核苷酸A、G、C、U通过3’，5’磷酸二酯键连接形成单链多核苷酸3.空间结构主要为单链及局部双螺旋5.在局部双螺旋中除A与U配对、G与C配对外还存在非标准配对，如G与U配对

54第54页，课件共95页，创作于2023年2月图3-19RNA局部空间结构(a)在二级结构中的凸出、环、发夹结构（b）发夹结构55第55页，课件共95页，创作于2023年2月RNaseP中M1RNA的二级结构示意图。两个括号是在三级结构中互补的序列56第56页，课件共95页，创作于2023年2月1.tRNA的结构⑴tRNA的一级结构①tRNA是单链分子，含73~93核苷酸，②含有10%的稀有碱基③3’端为CCA-OH，5’端多为pG④分子中大约30%的碱基是不变的或半不变的,决定了它们的二级结构都是三叶草型。

57第57页，课件共95页，创作于2023年2月图3-20tRNA二级结构（a）tRNA三级结构（b）

58第58页，课件共95页，创作于2023年2月⑵tRNA的二级结构1）tRNA二级结构为三叶草型

59第59页，课件共95页，创作于2023年2月

2）四环四臂

①氨基酸臂a.7个bp组成b.3’末端均为－NCCAOH3’结构

c.携带氨基酸60第60页，课件共95页，创作于2023年2月②二氢尿嘧啶环（D环）a.含有两个二氢尿嘧啶（DHU）b.8-14个碱基组成c.识别氨基酰tRNA合成酶③二氢尿嘧啶臂3-4bp

61第61页，课件共95页，创作于2023年2月④反密码环a.7个碱基组成，其中3个组成

反密码子(anticodon)

b.反密码子与mRNA上相应密码配对⑤反密码臂有5对碱基组成62第62页，课件共95页，创作于2023年2月⑦TψC环a.７个碱基组成b.含TψC序列c.识别rRNA中的5SrRNA⑧TψC环臂5对碱基组成⑥额外环a.由4~21个b之间变动，又称可变环b.不同tRNA分子差异较大。63第63页，课件共95页，创作于2023年2月（3）tRNA的三级结构特点1)tRNA的三级结构呈倒L型64第64页，课件共95页，创作于2023年2月

2)倒Ｌ型分子有两支双螺旋区，一支由氨基酸臂和TψC臂组成

另一支由DHU臂和反密码臂组成

3)倒Ｌ型分子的一端为氨基酸臂的-CCA-OH,另一端为反密码环，便于识别有关分子65第65页，课件共95页，创作于2023年2月4)TψC环位于倒Ｌ型的拐角，有利与核糖体5sRNA相互作用碱基在疏水作用下相互堆集，对形成tRNA空间结构有重要意义66第66页，课件共95页，创作于2023年2月2.mRNAⅠ.mRNA概述：1)占细胞中总ＲＮＡ的１％～５％2)分子大小不均一3)有编码序列与非编码序列

67第67页，课件共95页，创作于2023年2月Ⅱ.mRNA的结构⑴原核生物mRNA的结构特点1)原核生物mRNA结构简单，为多顺反子2)５’端有翻译起始序列68第68页，课件共95页，创作于2023年2月3)３’端有与翻译终止有关的非编码序列4)有少量的间隔序列5)５’端无帽子结构，３’端没有polyA尾巴69第69页，课件共95页，创作于2023年2月

⑵真核生物mRNA结构特点1)真核生物mRNA为单顺反子结构

70第70页，课件共95页，创作于2023年2月

2)５’端帽子结构*

结构:m7G5’ppp5’Np

(m7G5’ppp5’NmpNp,m7G5’ppp5’NmpNmpNp)

*功能：与蛋白质合成起始有关,保护mRNA不被RNase降解。71第71页，课件共95页，创作于2023年2月72第72页，课件共95页，创作于2023年2月3)3’末端多聚腺苷酸尾巴结构

结构：3’有20-250个多聚腺苷酸结构（polyA）。

功能：与稳定mRNA有关73第73页，课件共95页，创作于2023年2月3.rRNA的结构⑴rRNA占细胞总RNA的80%左右⑵rRNA分子为单链，局部有双螺旋区域

74第74页，课件共95页，创作于2023年2月⑶原核生物主要的rRNA有三种，即5S、16S和23SrRNA，真核生物则有4种，即5S、5.8S、18S和28SrRNA。

⑷rRNA与多种核糖体蛋白（Ribosomalprotein,rP）装配成核糖体，是蛋白质合成的场所，

75第75页，课件共95页，创作于2023年2月

原核生物：23SrRNA、5SrRNA50S大亚基34种蛋白质核糖体16SrRNA70S30S小亚基21种蛋白质真核生物：5SRNA、5.8SrRNA、28SrRNA60S大亚基核糖体49种Pro80S18SrRNA40S小亚基33种Pro76第76页，课件共95页，创作于2023年2月

⑸原核生物小亚基上16SrRNA3’端有一保守序列ACCUCCU与mRNASD序列互补与蛋白质合成起始有关。

⑹原核生物5S与真核生物5.8SrRNA中有CGAAC的保守序列能识别tRNA中T

C环中GT

CG序列。77第77页，课件共95页，创作于2023年2月4.其他RNA分子

1)细胞核内小分子RNA（smallnuclearRNA，snRNA），参与mRNA前体的剪接以及成熟的mRNA由核内向胞浆中转运的过程。2)核仁小分子RNA（smallnucleolarRNA，snoRNA）参与rRNA前体的加工以及核糖体亚基的装配。78第78页，课件共95页，创作于2023年2月3)胞质小分子RNA（smallcytosolRNA，scRNA）如：7SLRNA与蛋白质一起组成信号识别颗粒，参与蛋白质的合成。4)反义RNA（antisenseRNA）能调节基因表达。5)核酶是具有催化活性的RNA分子或RNA片段6)微RNA（microRNA，miRNA），长度一般为20-24个核苷酸，在mRNA翻译过程中起到开关作用，它与靶mRNA结合，产生转录后基因沉默作用。79第79页，课件共95页，创作于2023年2月五、RNA组RNA组是研究细胞的全部RNA基因和RNA的分子结构与功能。RNA组的研究将在探索生命奥秘中做出巨大贡献。80第80页，课件共95页，创作于2023年2月第三节核酸的理化性质一、核酸的大小及测定1.DNA分子大小2.测定方法：电泳，超速离心法以及测定DNA序列（Sanger的双脱氧DNA链末端合成终止法）81第81页，课件共95页，创作于2023年2月__________________________________________________________________________生物碱基对(kb)总长度(1μm)形状____________________________________________________________________________病毒多瘤病毒5.11.7环状SV405.21.8环状M136.41.9环状

X1745.41.8环状fd6.41.9环状P46.41.9线状T7351.2线状入48.516线状T216655线状细菌支原体760260环状大肠杆菌46001560环状真核生物(单倍体)酵母135004600线状，分布于7个染色体上果蝇137000466000线状，分布于4个染色体上人31600001074000线状，分布于23个染色体上南美洲肺鱼10200000034700000线状，分布于19个染色体上____________________________________________________________________________表3-3不同生物DNA分子大小82第82页，课件共95页，创作于2023年2月二、 核酸的水解1.化学法1)在很低pH条件下DNA和RNA都会发生磷酸二酯键水解。2)在高pH时，RNA的磷酸酯键易被水解，而DNA的磷酸酯键不易被水解。

83第83页，课件共95页，创作于2023年2月

2.酶法核酸酶(nucleases)包括：核糖核酸酶(RNase)

脱氧核糖核酸酶(DNase)

核酸外切酶(exonuclease)核酸内切酶(endonuclease)

84第84页，课件共95页，创作于2023年2月

3’ppppOH3’5’

限制性内切酶(restrictionendonuclease)5’GAATTC3’3’CTTAAG5’EcoRI核酸外切酶核酸内切酶