核酸的结构与功能

核酸的结构与功能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。元素组成：C、H、O、N、P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，决定细胞和个体的基因型(genotype)。

遗传信息的载体是DNA转录的产物,传递遗传信息RNA也可作为遗传信息的载体第一节核酸的化学组成及其一级结构TheChemicalComponentandPrimaryStructureofNucleicAcid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碱基(base)是含氮的杂环化合物。碱基嘌呤嘧啶腺嘌呤A鸟嘌呤G尿嘧啶U胸腺嘧啶T胞嘧啶C存在于DNA和RNA中仅存在于RNA中仅存在于DNA中碱基嘌呤(purine，Pu)腺嘌呤(adenine,A)鸟嘌呤(guanine,G)嘧啶(pyrimidine，Py)胞嘧啶(cytosine,C)尿嘧啶(uracil,U)胸腺嘧啶(thymine,T)碱基的互变异构体

戊糖（构成RNA）1´2´3´4´5´核糖(ribose)（构成DNA）脱氧核糖(deoxyribose)

核苷NNNN9NH2OOHOHHHHCH2OHH1'2'糖苷键嘌呤N-9

或嘧啶N-1与核糖C-1

通过糖苷键相连形成核苷。核苷或脱氧核苷与磷酸通过酯键结合构成核苷酸核苷酸(ribonucleotide)NNNN9NH2OOHOHHHHCH2H1'2'OPO-HOO糖苷键酯键如: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-OH与另一个核苷酸5-Pi缩合形成3

,5

-磷酸二酯键。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，即DNA链。5´-末端3´-末端CGA磷酸二酯键磷酸二酯键三、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。定义核酸中核苷酸的排列顺序，即碱基序列。5′端3′端CGA四、核酸的一级结构是核苷酸的排列顺序AGP5

PTPGPCPTPOH3

书写方法：5

pApCpTpGpCpT-OH

3

5

ACTGCT

3

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。DNA和RNA的区别核糖G、C、A、URNA脱氧核糖G、C、A、TDNA碱基核糖核酸dNMPNMP第二节DNA的空间结构与功能DimensionalStructureandFunctionofDNADNA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。一、DNA的二级结构是双螺旋结构[A]=[T]，[G]=[C]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。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ErwinChargaff（1905－1995）Chargaff’srule：

A%＝T%G%＝C%DNA分子X射线衍射照片RosalindFranklin

1953年：WatsonandCrickDNA双螺旋（doublehelix）结构模型（二）B-DNA(Watson-Crick)结构要点：先分析结构图要点小结：（三）DNA双螺旋结构的多样性（四）DNA的多链螺旋结构Hoogsteen氢键三链结构四链结构二、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。（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。DNA超螺旋结构的电镜图象（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)。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DNA：约200bp组蛋白：H1H2A，H2BH3H4核小体的组成核小体的构成核心颗粒连接区核心组蛋白：组蛋白八聚体H2A、H2B、H3、H4各2分子DNA双螺旋分子(140bp)在核心组蛋白缠绕1.75圈DNA（60bp）组蛋白H1

连接核心颗粒核小体结构图核小体的折叠及染色体组装—2nm11nm30nm300nm1400nm700nm逐级盘曲折叠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三节RNA的结构与功能StructureandFunctionofRNARNA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。RNA的种类、分布、功能信使RNA(messengerRNA,mRNA)是合成蛋白质的模板。其前体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。寿命最短的RNA一、mRNA是蛋白质合成中的模板hnRNA内含子(intron)mRNAmRNA成熟过程

外显子(exon)5

-末端的m7Gppp帽子结构3

-末端的polyA尾。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。

成熟的真核生物mRNAmRNA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mRNA的功能把DNA的遗传信息，转录成mRNA的密码、指导蛋白质合成的氨基酸排列顺序。DNA（遗传信息）转录mRNA（密码载体）翻译蛋白质(氨基酸序列)3.tRNA的三级结构—倒L形二、tRNA是蛋白质合成中的氨基酸载体1.tRNA的一级结构2.tRNA的二级结构—三叶草形4.tRNA的功能：把活化的aa搬运到核糖体，tRNA的反密码子与mRNA的密码子特异性结合，使氨基酸对号入座。mRNA3´5´321

3´aa5´氨基酰-tRNA2.rRNA的结构：参与组成核蛋白体，为蛋白质生物合成的场所。3.rRNA的种类：4.rRNA的功能：多个茎环结构组成三、以rRNA为组分的核蛋白体是蛋白

质合成的场所1.含量最多的RNA蛋白质合成时形成的复合体tRNArRNAmRNACCA—OH3'含稀有碱基多二级:三叶草形三级:倒L形5'

-m7GpppNm、3'

-polyA结构蛋白质合成的模板搬运活化的aa到核糖体组成核蛋白体三种RNA内容小结功能细胞的不同部位存在的其他种类的小分子RNA，统称为非mRNA小RNA/snmRNAs.snmRNAs核内小RNA、核仁小RNA胞质小RNA、催化性小RNA小片段干扰RNAsnmRNAs的种类:四、snmRNA参与了基因表达的调控snmRNAs的功能:参与hnRNA和rRNA的加工、转运及表达调控。具有催化作用的RNA被称为核酶(ribozyme)

核酶:小片段干扰RNA原核生物基因表达的特异性五、核酸在真核细胞和原核细胞中表现了不同的时空特性真核生物基因表达的特异性核酸的理化性质ThePhysicalandChemicalCharactersofNucleicAcid第四节核酸在波长

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240－290nm范围，最大吸收峰在260nm481216吸光度8×10－3AGTCU220240260280300320nm波长各种碱基的紫外吸收光谱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。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：碱基堆积力和双链间氢键的破坏。DNA热变性：特点—骤然、突发式融解温度Tm：A260变化值达到最大变化值一半时的温度，即50％DNA双链被解开时候的温度。Tm与G+C含量成正比增色效应：

DNA变性时其溶液A260增高的现象G+C含量越高，解链温度就越高。解链曲线的变化三、变性的核酸可以复性或形成杂交双链当变性条件缓慢地除去后，两条解离的互补链可重新配对，