核酸的结构和功能专题知识讲座

核酸的结构和功能专题知识讲座核酸的结构和功能专题知识讲座第1页本章组成L1核酸化学组成及一级结构L2

DNA结构与功效L3

RNA结构与功效L4核酸理化性质L5常见核酸分离纯化技术核酸的结构和功能专题知识讲座第2页重点、难点：基础概念:核苷酸

,DNA、RNA,Tm等

DNA双螺旋结构模型关键点；mRNA、tRNA、rRNA结构特点及功效；

DNA变性与复性等核酸主要理化性质及其应用。核酸的结构和功能专题知识讲座第3页1869MiescherisolatedDNAforthefirsttime.确定了生物遗传物质基础是DNA核酸(nucleicacid)是以核苷酸为基础组成单位生物大分子，携带和传递遗传信息。核酸的结构和功能专题知识讲座第4页核酸元素组成特点:

普通不含有S元素。含P元素较多且恒定,可用于测定核酸含量。核酸的结构和功能专题知识讲座第5页第一节核酸化学组成及其一级结构TheChemicalComponentsandPrimaryStructureofNucleicAcid核酸的结构和功能专题知识讲座第6页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，并经过复制传递给下一代。是DNA转录产物，参加遗传信息复制与表示。一些病毒RNA也可作为遗传信息载体一、核酸能够分为核糖核酸及脱氧核糖核苷酸核酸的结构和功能专题知识讲座第7页二、核苷酸是组成核酸基础组成单位核酸的结构和功能专题知识讲座第8页核酸(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核酸的结构和功能专题知识讲座第9页碱基(base)是含氮杂环化合物。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（一）碱基核酸的结构和功能专题知识讲座第10页1、嘌呤(purine，Pu)腺嘌呤(adenine,A)鸟嘌呤(guanine,G)核酸的结构和功能专题知识讲座第11页2、嘧啶(pyrimidine，Py)胞嘧啶(cytosine,C)尿嘧啶(uracil,U)胸腺嘧啶(thymine,T)核酸的结构和功能专题知识讲座第12页3、“稀有碱基”（tRNA中最多）5mC核酸的结构和功能专题知识讲座第13页（二）戊糖（组成RNA）1´2´3´4´5´核糖(ribose)（组成DNA）脱氧核糖(deoxyribose)核酸的结构和功能专题知识讲座第14页

嘌呤N-9或嘧啶N-1与核糖C-1

经过β-N-糖苷键相连形成核苷(ribonucleoside)。（三）核苷NNNN9NH2OOHOHHHHCH2OHH1'2'糖苷键1´1AR,GR,UR,CR核酸的结构和功能专题知识讲座第15页脱氧核苷1´1HdAR,dGR,dTR,dCR嘌呤N-9

或嘧啶N-1与脱氧核糖C-1

经过β-N-糖苷键相连形成脱氧核苷(deoxyribonucleoside)。核酸的结构和功能专题知识讲座第16页核苷或脱氧核苷与磷酸经过酯键结合组成核苷酸(ribonucleotide)或脱氧核苷酸(deoxyribonucleotide)。（四）核苷酸(ribonucleotide)1、核糖核苷酸：AMP,GMP,UMP,CMP2、脱氧核苷酸：dAMP,dGMP,dTMP,dCMPNNNN9NH2OOHOHHHHCH2H1'2'OPO-HOO糖苷键酯键核酸的结构和功能专题知识讲座第17页3、多磷酸核苷酸核酸的结构和功能专题知识讲座第18页环化核苷酸：cAMP、cGMP，是细胞信号转导中第二信使。cAMP4、核苷酸衍生物核酸的结构和功能专题知识讲座第19页三、核苷酸经过3’,5’-磷酸二酯键连接形成大分子一个核苷酸或脱氧核苷酸3

羟基与另一个核苷酸或脱氧核苷酸5

α-磷酸基团缩合形成磷酸二酯键(phosphodiesterbond)。多个核苷酸或脱氧核苷酸经过磷酸二酯键组成了含有方向性线性分子，称为多聚核苷酸或多聚脱氧核苷酸，即RNA链或DNA链。核酸的结构和功能专题知识讲座第20页交替磷酸基团和戊糖组成了RNA/DNA骨架(backbone)。核苷酸链方向是5

→3

核酸的结构和功能专题知识讲座第21页定义核酸中核苷酸排列次序。因为核苷酸间差异主要是碱基不一样，所以也称为碱基序列。5′端3′端CGA四、核酸一级结构是核苷酸排列次序核酸的结构和功能专题知识讲座第22页AGP5

PTPGPCPTPOH3

书写方法5-pApCpTpGpCpT-OH3

5-ACTGCT-3

核酸的结构和功能专题知识讲座第23页第二节DNA结构与功效DimensionalStructureandFunctionofDNA核酸的结构和功能专题知识讲座第24页DNA空间结构又分为二级结构(secondarystructure)和高级结构。DNA空间结构(spatialstructure)组成DNA全部原子在三维空间含有确定相对位置关系。核酸的结构和功能专题知识讲座第25页一、DNA二级结构是双螺旋结构WatsonandCrick:1953年提出双螺旋结构模型,TheNobelPrizeinPhysiologyorMedicine1962。核酸的结构和功能专题知识讲座第26页Doublehelix：Thenaturalcoiledconformationoftwocomplementary,antiparallelDNAchainsbytheformationofA-TandG-Cbasepairs.核酸的结构和功能专题知识讲座第27页不一样生物种属DNA碱基组成不一样同一个体不一样器官或组织DNA碱基组成相同。[A]=[T]，[G]=[C]Chargaff规则（一）DNA双螺旋结构研究背景取得了高质量DNA分子X射线衍射照片。提出了DNA分子双螺旋结构(doublehelix)模型。核酸的结构和功能专题知识讲座第28页（二）DNA双螺旋结构模型关键点（B型）核酸的结构和功能专题知识讲座第29页两条多聚核苷酸链在空间走向呈反向平行(anti-parallel)。两条链围绕着同一个螺旋轴形成右手螺旋(right-handed)结构。双螺旋结构直径为2nm，螺距为3.4nm。脱氧核糖和磷酸基团组成亲水性骨架位于双螺旋结构外侧，疏水碱基位于内侧。双螺旋结构表面形成了一个大沟(majorgroove)和一个小沟(minorgroove)。1.

DNA是反向平行、右手螺旋双链结构核酸的结构和功能专题知识讲座第30页核酸的结构和功能专题知识讲座第31页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两条链则互为互补链(complementarystrand)。碱基对平面与螺旋轴垂直。核酸的结构和功能专题知识讲座第32页相邻两个碱基对会有重合，产生了疏水性碱基堆积力(basestackinginteraction)。碱基堆积力和互补碱基正确氢键共同维系着DNA结构稳定。3.疏水作用力和氢键共同维系着DNA双螺旋结构稳定。碱基堆积作用力核酸的结构和功能专题知识讲座第33页Z（三）DNA双螺旋结构多样性核酸的结构和功能专题知识讲座第34页二、DNA三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。核酸的结构和功能专题知识讲座第35页（一）原核生物DNA闭合环状超螺旋结构原核生物DNA多为环状，以负超螺旋形式存在，平均每200碱基就有一个超螺旋形成。核酸的结构和功能专题知识讲座第36页DNA超螺旋结构电镜图象核酸的结构和功能专题知识讲座第37页右旋，再右旋右旋后，左旋核酸的结构和功能专题知识讲座第38页核酸的结构和功能专题知识讲座第39页（二）真核生物DNA高度有序、高度致密真核生物DNA以非常有序形式存在于细胞核内。在细胞周期大个别时间里，DNA以涣散染色质(chromatin)形式存在，在细胞分裂期，则形成高度致密染色体(chromosome)。核酸的结构和功能专题知识讲座第40页DNA染色质展现出串珠样结构。染色质基础单位是核小体(nucleosome)。DNA染色质电镜图像核酸的结构和功能专题知识讲座第41页DNA：约200bp组蛋白：H1

H2A，H2B

H3

H4核小体组成核小体：是真核生物染色体基础结构单元。

关键颗粒核小体连接区核酸的结构和功能专题知识讲座第42页核小体串珠样结构coreparticlesParticlesresultingfrommicrococcalnucleasedigestionofnucleosomes,consistingof140-bpDNAandthehistoneoctamerofanucleosome.核酸的结构和功能专题知识讲座第43页真核生物染色体8000-10000倍核酸的结构和功能专题知识讲座第44页DNA基础功效是以基因形式负载遗传信息，并作为基因复制和转录模板。它是生命遗传物质基础，也是个体生命活动信息基础。基因从结构上定义，是指DNA分子中特定区段，其中核苷酸排列次序决定了基因功效。三、DNA是遗传信息物质基础核酸的结构和功能专题知识讲座第45页两种最主要生物大分子比较

项目蛋白质核酸组成单位氨基酸核苷酸种类20种ＡＡA、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排列次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、表示,决定蛋白结构核酸的结构和功能专题知识讲座第46页第三节RNA结构与功效StructureandFunctionofRNA核酸的结构和功能专题知识讲座第47页DNA并非是蛋白质直接合成模板,DNA首先需要转录成为RNA（细胞核），再由ＲＮＡ指导合成蛋白（细胞质）。RNA通常以单链形式存在，但有复杂局部二级结构或三级结构。RNA比DNA小多。RNA种类、大小和结构远比DNA表现出多样性。核酸的结构和功能专题知识讲座第48页RNA种类、分布、功效核酸的结构和功能专题知识讲座第49页细胞质中含量最少，约占３％。种类最多，一个基因往往有一个甚至各种mRNA。一级结构差异很大。一、mRNA是蛋白质合成中模板1、mRNA特点：核酸的结构和功能专题知识讲座第50页hnRNA内含子(intron)mRNA2、mRNA成熟过程：

外显子(exon)卵清蛋白mRNA成熟核酸的结构和功能专题知识讲座第51页成熟mRNA由氨基酸编码区和非编码区组成。5

-末端帽子(cap)结构和3

-末端多聚A尾(poly-Atail)结构。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)。3、成熟真核生物mRNA核酸的结构和功能专题知识讲座第52页帽子结构:

m7GpppNmmRNA帽结构能够与帽结合蛋白(capbindingprotein，CBP)结合。核酸的结构和功能专题知识讲座第53页真核生物mRNA

3-末端转录后加上一段长短不一聚腺苷酸。Poly（A）尾巴AAAAAAAAAAA……AAAAAA核酸的结构和功能专题知识讲座第54页mRNA核内向胞质转位mRNA稳定性维系翻译起始调控帽子结构和多聚A尾功效核酸的结构和功能专题知识讲座第55页4、mRNA依照本身碱基次序指导蛋白质氨基酸次序合成从mRNA分子5'末端起第一个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核苷酸序列称为开放阅读框(openreadingframe,ORF)，决定了多肽链氨基酸序列。核酸的结构和功能专题知识讲座第56页转运RNA(transferRNA,tRNA)在蛋白质合成过程中作为各种氨基酸载体,将氨基酸转呈给mRNA。由70～120核苷酸组成；占细胞总RNA15%；含有很好稳定性。二、tRNA是蛋白质合成中氨基酸载体核酸的结构和功能专题知识讲座第57页（一）tRNA中含有各种稀有碱基核酸的结构和功能专题知识讲座第58页*tRNA一级结构特点含10~20%稀有碱基（最多），如DHU3´末端为-CCA-OH5´末端大多数为G

含有T

C核酸的结构和功能专题知识讲座第59页tRNA含有局部茎环(stem-loop)结构或发卡(hairpin)结构。（二）tRNA含有茎环结构tRNA二级结构——三叶草形氨基酸臂DHU环反密码环TψC环附加叉核酸的结构和功能专题知识讲座第60页tRNA二级结构主要特征：1.三环四臂（个别还有额外环）2.氨基酸臂3′端有CCA-OH共有结构3.D环上有二氢尿嘧啶（D）4.反密码环上反密码子与mRNA相互作用5.可变环上核苷酸数目能够变动6.TψC环含有T和ψ7.含有修饰碱基和不变核苷酸核酸的结构和功能专题知识讲座第61页核酸的结构和功能专题知识讲座第62页tRNA倒L三级结构核酸的结构和功能专题知识讲座第63页核蛋白体RNA(ribosomalRNA，rRNA)是细胞内含量最多RNA(>80％)。rRNA与核蛋白体蛋白结合组成核蛋白体(ribosome)，为蛋白质合成提供场所。三、以rRNA为组分核蛋白体是蛋白质合成场所核酸的结构和功能专题知识讲座第64页核蛋白体组成原核生物（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40%33种占总重量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30%49种占总重量35%核酸的结构和功能专题知识讲座第65页18SrRNA二级结构核酸的结构和功能专题知识讲座第66页四、小分子RNA参加了基因表示调控细胞不一样部位存在许多其它种类小分子RNA，统称为非编码小RNA(smallnon-messengerRNAs,snmRNAs),其功效是调整基因表示。snmRNAs核酸的结构和功能专题知识讲座第67页核酶一些小RNA分子含有催化特定RNA降解活性，这种含有催化作用小RNA亦被称为核酶(ribozyme)或催化性RNA(catalyticRNA)。核酸的结构和功能专题知识讲座第68页RNA含有酶活性发觉SidneyAltman，ThomasR.Cech

（1939-）（1947-）TheNobelPrizeinChemistry1989fortheirdiscoveryofcatalyticpropertiesofRNA

核酸的结构和功能专题知识讲座第69页核酸理化性质ThePhysicalandChemicalCharactersofNucleicAcid第四节核酸的结构和功能专题知识讲座第70页一、核酸是含有很强酸性生物大分子核酸酸碱及溶解度性质核酸为多元酸，含有较强酸性。核酸高分子性质核酸的结构和功能专题知识讲座第71页核酸在波长260nm

处有强烈吸收，是由碱基共轭双键所决定。这一特征常见作核酸定性和定量分析。二、核酸分子含有强烈紫外吸收核酸的结构和功能专题知识讲座第72页碱基紫外吸收光谱核酸的结构和功能专题知识讲座第73页三、DNA变性是双链解离为单链过程在一些理化原因作用下，DNA双链解开成两条单链过程，其本质是双链间氢键断裂。定义常见原因：

过量酸，碱，加热，变性试剂如尿素、酰胺以及一些有机溶剂如乙醇、丙酮等。核酸的结构和功能专题知识讲座第74页协同性DNA解链高温或极端pHDNA变性核酸的结构和功能专题知识讲座第75页个别变性DNA电镜图像变性后理化性质改变：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核酸的结构和功能专题知识讲座第76页增色效应(hyperchromiceffect)：DNA变性时其溶液OD