动物生物化学：核酸的结构与功能

核酸的结构和功能StructureandFunctionofNucleicAcid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。一、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

……二、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，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。第一节核酸的化学组成TheChemicalComponentofNucleicAcid核酸的化学组成

1.元素组成C、H、O、N、P（9~10%）2.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)嘌呤(purine)

腺嘌呤(adenine,A)鸟嘌呤(guanine,G)碱基嘧啶(pyrimidine)胞嘧啶(cytosine,C)尿嘧啶(uracil,U)胸腺嘧啶(thymine,T)稀有碱基戊糖

核苷酸的结构1.核苷(ribonucleoside)的形成碱基和核糖（脱氧核糖）通过糖苷键连接形成核苷（脱氧核苷）。核苷酸：AMP,GMP,UMP,CMP脱氧核苷酸：dAMP,dGMP,dTMP,dCMP

2.核苷酸(ribonucleotide)的结构与命名核苷（脱氧核苷）和磷酸以磷酸酯键连接形成核苷酸（脱氧核苷酸）。体内重要的游离核苷酸及其衍生物含核苷酸的生物活性物质：NAD+、NADP+、CoA-SH、FAD

等都含有

AMP

多磷酸核苷酸：NMP，NDP，NTP

环化核苷酸:cAMP，cGMPAMPcAMPNADP+NAD+5´端3´端3.核苷酸的连接

核苷酸之间以磷酸二酯键连接形成多核苷酸链，即核酸。CGA3',5'-磷酸二酯键第二节DNA的结构与功能StructureandFunctionofDNADNA的一级结构DNA的二级结构-双螺旋结构DNA的三级结构-超螺旋结构及其在染色质中的组装DNA的功能一、DNA的一级结构定义DNA中四种脱氧核苷酸的种类、数量、连接方式及排列顺序。由于脱氧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CGAAG

P5

PT

PG

PC

PTP

OH3

书写方法5

pApCpTpGpCpT-OH

3

5

ACTGCT

3

二、DNA的二级结构-双螺旋结构（一）DNA双螺旋结构的研究背景

碱基的理化数据分析A-T、G-C以氢键配对较合理DNA纤维的X-射线衍射图谱分析

碱基组成分析-chargaff规则20世纪40年代Chargaff规则-碱基组成分析

①DNA碱基组成有种的特异性，但没有组织、器官特异性。

②

A=T；G=C；A+G=T+C③年龄、营养状况、环境的改变不影响DNA的碱基组成。22.927.228.621.3噬菌体λ27.122.822.727.3小麦(胚)26.422.322.326.3ФＸ174(复制型)27.221.922.528.6蚕32.718.524.124.6ФＸ174(单链)29.221.520.528.8母鸡14.635.434.915.1结核分支杆菌28.421.521.428.6大鼠(骨髓)29.219.021.030.8金黄色葡萄球菌27.222.022.228.7牛精子23.625.726.024.7大肠杆菌27.322.122.727.9牛脾32.917.118.731.3酵母27.822.521.528.2牛胸腺29.620.120.629.7扁豆29.419.819.930.9人胸腺嘧啶胞嘧啶鸟嘌呤腺嘌呤胸腺嘧啶胞嘧啶*鸟嘌呤腺嘌呤碱基的相对含量（ｘ）来源碱基的相对含量（ｘ）来源*包括5-甲基胞嘧啶*

碱基的理化数据分析A-T、G-C以氢键配对较合理DNA纤维的X-线衍射图谱分析（二）

DNA双螺旋结构模型要点

两条反向平行的脱氧多核苷酸链以右手螺旋方式绕同一公共轴旋转。螺旋直径为2nm，大沟(majorgroove)及小沟(minorgroove)相间。碱基垂直螺旋轴居双螺旋内侧，与对侧碱基形成氢键配对(互补配对形式：A=T;G

C)。相邻碱基平面距离0.34nm，螺旋一圈螺距3.4nm，一圈10对碱基。（三）DNA双螺旋结构的多样性A型DNAB型DNAZ型DNA三螺旋DNA

HoogsteenHoogsteenWatson-Crick配对Watson-Crick配对三、DNA的三级结构-超螺旋结构

及其在染色质中的组装

DNA的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

DNA在真核生物细胞核内的组装真核生物染色体由DNA和蛋白质构成，其基本单位是核小体(nucleosome)。核小体的组成DNA：约200bp组蛋白：H1H2A，H2BH3H4各2分子H1H1四、DNA的功能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。第三节

RNA的结构与功能StructureandFunctionofRNARNA的种类、分布、功能RNA的结构与功能

RNA的一级结构是由数量极其庞大的四种核糖核酸（AMP、GMP、CMP、UMP）按一定顺序，通过3´,5´磷酸二酯键连成的线形分子，其表示方法与DNA相同。

RNA的二级结构是短的，不完全螺旋的多核苷酸链。

RNA的三级结构是在茎环结构基础上进一步扭曲折叠而成的复杂结构。信使RNA的结构与功能hnRNA不均一核RNA

内含子(intron)mRNA*mRNA成熟过程

外显子(exon)*mRNA结构特点大多数真核mRNA的5´末端均在转录后加上一个7-甲基鸟苷，同时第一个核苷酸的C´2也是甲基化，形成帽子结构：m7GpppNm-。

2.大多数真核mRNA的3´末端有一个多聚腺苷酸(polyA)结构，称为多聚A尾。*mRNA的功能蛋白质合成的模板。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

分子中含有10%~20%的稀有碱基

转运RNA的结构与功能二氢尿嘧啶假尿嘧啶7－甲基鸟嘌呤假尿嘧啶环一级结构中存在一些能局部互补配对的核苷酸序列，可以形成局部双链，使tRNA的二级结构呈三叶草形（cloverleaf）三级结构呈“倒L”形

*tRNA的功能活化、搬运氨基酸到核糖体，参与蛋白质的翻译。rRNA的结构与功能*rRNA的种类（根据沉降系数-单位离心力场里的沉降速度）原核及真核生物核糖体的组成核糖体亚单位rRNA蛋白质原核生物(70S)小亚基(30S)大亚基(50S)16SrRNA5SrRNA23SrRNA21种31种真核生物(80S)小亚基(40S)大亚基(60S)18SrRNA5.8SrRNA5SrRNA28SrRNA33种49种*rRNA的结构*rRNA的功能参与组成核蛋白体，作为蛋白质生物合成的场所。16SrRNA核酸的理化性质ThePhysicalandChemicalCharactersofNucleicAcid第四节一、一般性质分子大小：DNAMr106～1010或更大性状：DNA为白色纤维状固体，而RNA为白色粉末。

溶解度：DNA和RNA均不溶于一般的有机溶剂，微溶于水，但它们的钠盐在水中溶解度较大。RNAMr104～106或更大紫外吸收二、DNA的变性(denaturation)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。方法：过量酸、碱、加热、以及有机溶剂（尿素、丙酮）等。DNA变性的本质是双链间氢键的断裂变性引起紫外吸收值的改变DNA的紫外吸收光谱增色效应：DNA变性时其溶液OD260增高的现象。

Tm：变性是在一个相当窄的温度范围内完成，在这一范围内，紫外光吸收值达到最大值的50%时的温度称为DNA的解链温度，又称熔解温度(meltingtemperature,Tm)。其大小与G+C含量成正比。影响Tm值的因素

①DNA的均一性

②DNA中G-C对的含量

③盐离子强度

三、DNA的复性与分子杂交

DNA复性(renaturation):

在适当条件下，变性DNA的两条互补链可恢复天然的双螺旋构象。减色效应DNA复性时，其溶液OD260降低。热变性的DNA经缓慢冷却后即可复性，这一过程称为退火(annealing)

。在DNA变性后的复性过程中，如果将不同种类的DNA单链分子或RNA分子放在同一溶液中，只要两种单链分子之间存在着一定程度的碱基配对关系，在适宜的条件（温度及离子强度）下，就可以在不同的分子间形成杂化双链(heteroduplex)。这种杂化双链可以在不同的DNA与DNA之间形成，也可以在DNA和RNA分子间或者RNA与RNA分子间形成。这种现象称为核酸分子杂交。核酸分子杂交(hybridization)

核酸分子杂交的应用研究DNA分子中某一种基因的位置；测定两种核酸分子间的序列相似性；检测某些专一序列在待检样品中存在与否；是基因芯片技术的基础；补充材料OCH3①细菌转化作用（transformation）肺炎球菌（pneumococcus）

1928年细菌学家Griffith细菌毒性实验

DNA是主要的遗传物质1944年Avery细菌转化实验

转化作用：转化作用的物质称转化因子。

从一种细菌中得到DNA通过一定途径进入另一种细菌，从而引起后者遗传特性的改变。②噬菌体感染实验

1952年美国Hershey噬菌体感染实验核苷核酸的一级结构DNA的二级结构碱基互补规律增色效应减色效应发夹结构核酸变性，复性，退火分子杂交Tm值习题DNA二级结构模型是(

)

A、α一螺旋

B、走向相反的右手双螺旋

C、三股螺旋

D、走向相反的左手双螺旋

E、走向相同的右手双螺旋√DNA碱基配对主要靠（）a．范德华力b．氢键c．疏水作用d．盐键e．共价键√hnRNA是下列哪种RNA的前体（）a．tRNAb．真核rRNAc．真核mRNAd．原核rRNAe．原核mRNA√核酸中核苷酸之间的连接方式是（）a．2＇、3＇-磷酸二酯键b．2＇-5＇-磷酸二酯键c．3＇、5＇-磷酸二酯键d．氢键e．离子键√有关DNA的二级结构，下列叙述那一种是错误的？（）a．DNA二级结构是双螺旋结构b．DNA双螺旋结构是空间结构c．双螺旋结构中两条链方向相同d．双螺旋结构中碱基之间相互配对e．二级结构中碱基之间有一定氢键相连√核酸对紫外线的最大吸收峰在哪一波长附近？A．280nmB．260nmC．200nmD．340nmE．220nm√大部分真核细胞mRNA的3′-末端都具有：A．多聚AB．多聚UC．多聚TD．多聚CE．多聚G√DNA变性是指：A．分子中磷酸二酯键断裂B．多核苷酸链解聚C．DNA分子由超螺旋→双链双螺旋D．互补碱基之间氢键断裂E．DNA