分子生物学讲座1-核酸的结构和功能

分子生物学竞赛辅导讲座之

分子生物学概念及研究内容广义:研究蛋白质及核酸等生物大分子结构和功能，也就是从分子水平阐明生命现象和生物学规律。

狭义:偏重于核酸(或基因)的分子生物学，主要研究基因或DNA的复制、转录、表达和调节控制等过程，也涉及这些过程中有关的蛋白质和酶的结构与功能的研究。一核酸的研究历史和重要性二核酸的分类和基本结构单位—核苷酸三DNA的分子结构四RNA的分子结构五核酸的某些理化性质及核酸研究常用技术

第一章核酸的结构与功能

一、核酸的研究历史1869

Miescher从脓细胞的细胞核中分离出了一种含磷酸的有机物，当时称为核素（nuclein）,后称为核酸（nucleicacid）1944Avery

等通过肺炎球菌转化试验证明DNA是遗传物质1953

Watson和Crick提出DNA结构的双螺旋模型1958

Crick提出遗传信息传递的中心法则70年代建立DNA重组技术80年代以后分子生物学、分子遗传学等学科突飞猛进发展，实施人类基因组计划（HGP）

二、核酸分类和分布1、脱氧核糖核酸（deoxyribonucleicacid,DNA）:遗传信息的贮存和携带者，生物的主要遗传物质。（1）有DNA的生物，DNA是遗传物质。所有的原核、真核生物，DNA病毒（2）RNA病毒，RNA是遗传物质。如：TMV、HRV、HIV、SARS病毒、禽流感病毒等在真核细胞中，DNA主要集中在细胞核内的染色体上（每条染色体上含1个DNA分子，线粒体和叶绿体中均含有少量的DNA。原核细胞没有真正的细胞核，DNA存在于拟核。每个原核细胞拟核中只有一个DNA分子。某些细菌细胞中拟核DNA外还含有质粒DNA。

2、核糖核酸（ribonucleicacid,RNA）：主要参与遗传信息的传递和表达过程，细胞内的RNA主要存在于细胞质中，少量存在于细胞核中。RNA病毒中RNA本身就是遗传信息的储存者。另外在植物中还发现了一类比病毒还小得多的侵染性致病因子称为类病毒，它是不含蛋白质的游离的RNA分子，还发现有些RNA具生物催化作用（核酶ribozyme）。2005安徽预赛

71、下列有关“DNA是生物的主要遗传物质”的叙述，正确的是（）

A.所有生物的遗传物质都是DNA

B.真核生物、原核生物、病毒中有的种类的遗传物质是DNA,少部分病毒的遗传物质是RNA或其他物质

C.动物、植物、真菌的遗传物质是DNA,除此以外的其他生物遗传物质是RNA

D.真核生物、原核生物的遗传物质是DNA，其他生物的遗传物质是RNA

B2005全国多选：9．病毒的特点是：A．可采用光学显微镜观察病毒的形态特征B．病毒不能产生ATP，不能独立进行各种生命过程C．病毒毒粒内含有DNA和RNAD．病毒能通过细菌滤器E．没有细胞结构BDE三、核酸的基本结构单位—核苷酸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)

常见碱基的结构与命名法

(3)

常见（脱氧）核苷酸的基本结构与命名(4)稀有核苷酸2细胞内游离核苷酸及其衍生物核苷酸=五碳糖+含氮碱基+磷酸核糖核苷酸=核糖+含氮碱基+磷酸脱氧核糖核苷酸=脱氧核糖+含氮碱基+磷酸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-

-2’-deoxyribose核糖和脱氧核糖Pyrimidines嘧啶Purines嘌呤Uracil(U)碱基、核苷、核苷酸的概念和关系

NitrogenousbasePentosesugarHOCH2HOHDoxyribose(inDNA)HOCH2HOOHRibose(inRNA)PhosphatePyrimidinesCytosineThymineUracilCUTPurihesAdenineGuanineAGPPPPPPPP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）腺嘌呤脱氧核苷酸（dAMP）鸟嘌呤脱氧核苷酸（dGMP）胞嘧啶脱氧核苷酸（dCMP）胸腺嘧啶脱氧核苷酸（dTMP）几种稀有核苷假尿苷（

）二氢尿嘧啶（DHU）AmCH3CH3H3Cm26GHH5细胞内游离核苷酸及其衍生物

多磷酸核苷酸

环核苷酸

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

triphosphateOPOOHOA(G)OOOHCH2HHHHcAMP(cGMP)的结构

Cyclicadenylie(Guanine)acid四DNA的分子结构

（一）DNA一级结构（二）DNA的二级结构（三）DNA的三级结构（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。一级结构的方向的规定为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´5´5´3´3´-5´磷酸二酯键3´5´5´3´3´5´TTT

DNA一级结构5´3´OHOHOH5´3´RNA一级结构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（二）DNA的二级结构

（1）DNA的双螺旋结构(Watson-Crick模型)

DNA双螺旋结构特征及意义（2）DNA双螺旋的多态性DNA的二级结构(Watson-Crick模型)：1953年，（美）沃森和（英）克里克共同提出DNA分子的双螺旋结构模型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（碱基互补配对原则，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3.4nm

大沟和小沟：双螺旋表面形成一条宽的大沟和窄的小沟，大沟是蛋白质结合特异DNA的区域，对于蛋白质识别特异信息很重要。5´5´5´5´3´3´3´3´DNA的双螺旋结构的形成5´3´5´3´5´3´5´3´磷酸核糖碱基DNA相关计算①在整个DNA分子中，A=T、G=C；

A+G=T+C，A+C=T+G；(A+G）/（T+C）=1②两个非配对碱基之和占碱基总数的50%。即

A+C=T+G=50%，A+G=T+C=50%③

A1+T1%=A2+T2%=总A+T%G1+C1%=G2+C2%=总G+C%

氢键

碱基堆集力

磷酸基上负电荷被胞内组蛋白或正离子中和

碱基处于疏水环境中DNA的双螺旋结构稳定因素

（2）DNA双螺旋的不同构象

ABZMiMaMaMiMiMa12三种DNA双螺旋构象比较AB

Z外型粗短适中细长螺旋方向右手右手左手螺旋直径2.55nm2.37nm1.84nm碱基直升0.23nm0.34nm0.38nm碱基夹角32.7034.6060.00每圈碱基数1110.412轴心与碱基对关系2.46nm3.32nm4.56nm碱基倾角1901090大沟很窄很深很宽较深平坦小沟很宽、浅窄、深较窄很深DNA双螺旋构象的类型A-DNAZ-DNAB-DNA2005全国1．关于DNA分子的构象，以下哪些说法是正确的？A.DNA二级结构（双螺旋）主要具有A、B、D、E、Z等构象B.B型是右手螺旋，其它是左手螺旋C．活细胞中B型最多，且稳定不变D．细胞中A、B、Z型等都可能存在，在一定的生理条件下发生部分变构E．不同的构象转录活性不一样，A型最高AD

（三）DNA的高级结构

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）

DNA超螺旋结构的形成

真核生物的染色体DNA的念珠状结构D61．下列哪项不是染色体组成的要素：A.DNA复制起始点B．端粒C．着丝粒D．启动子2005全国核小体盘绕及染色质示意图146bp组蛋白核心：八聚体

组蛋白组蛋白类型碱性氨基酸氨基酸数分子量（Da）LysArgH129%1%21523,000H2A11%9%12913,960H2B16%6%12513,775H310%13%13515,340H411%14%10211,280表12－2小牛胸腺DNA的组蛋白的特点组蛋白与DNA的结合146bp组蛋白核心：八聚体真核生物染色体DNA组装不同层次的结构

DNA（2nm）核小体链（11nm，平均每个核小体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，每个染色单体含10个螺旋圈）2005全国5．原核细胞与真核细胞相同的特性是：A．均含有环状DNAB．均含有线状DNAC．染色体的基本单位是核小体D．均含有作为蛋白质合成的机器-----核糖体ADB、

RNA的分子结构

（一）RNA一级结构和类别（二）tRNA的分子结构（三）rRNA的分子结构（四）mRNA的分子结构（一）RNA的一级结构和分类

RNA分子中各核苷酸之间的连接方式（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

DNARNA五碳糖脱氧核糖核糖碱基AGCTAGCU不含稀有碱基含稀有碱基RNA的分类

信使RNA（messengerRNA，mRNA）：在蛋白质合成中起模板作用；核糖体RNA（ribosoalRNA，rRNA）：与蛋白质结合构成核糖体（ribosome）,核糖体是蛋白质合成的场所；

转运RNA（transforRNA，tRNA）：在蛋白质合成时起着携带活化氨基酸的作用。其它：小RNA(smallRNA,sRNA)：例snRNA（核内小RNA）

反义RNA(antisenseRNA)

核酶（ribozyme）

（二）tRNA的结构二级结构特征：单链

三叶草形四臂四环三级结构特征：在二级结构基础上进一步折叠扭曲形成倒L型酵母tRNAAla

的二级结构

DHU环IGC反密码子反密码环氨基酸臂可变环TψC环CCAAla3´5´tRNA的三级结构

（三）rRNA的分子结构特征：

单链，螺旋化程度较tRNA低

与蛋白质组成核糖体后方能发挥其功能5sRNA的二级结构

（四）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）

单链原核细胞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五核酸的某些理化性质（一）核酸的紫外吸收特性（λmax=260nm）（二）核酸的变性、复性和分子杂交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（一）核酸的紫外吸收特性（λmax=260nm）（二）核酸的变性、复性和杂交变性（加热）探针杂交（缓慢