核酸的結構與功能

關于核酸的結構與功能第1頁，共80頁，2022年，5月20日，3點39分，星期五核酸(nucleicacid)

是以核苷酸為基本組成單位的生物大分子，攜帶和傳遞遺傳信息。第2頁，共80頁，2022年，5月20日，3點39分，星期五一、核酸的發(fā)現(xiàn)和研究工作進展1868年FridrichMiescher從膿細胞中提取“核素”1944年Avery等人證實DNA是遺傳物質(zhì)1953年Watson和Crick發(fā)現(xiàn)DNA的雙螺旋結構1968年Nirenberg發(fā)現(xiàn)遺傳密碼1975年Temin和Baltimore發(fā)現(xiàn)逆轉(zhuǎn)錄酶1981年Gilbert和Sanger建立DNA測序方法1985年Mullis發(fā)明PCR技術1990年美國啟動人類基因組計劃(HGP)

1994年中國人類基因組計劃啟動2001年美、英等國完成人類基因組計劃基本框架第3頁，共80頁，2022年，5月20日，3點39分，星期五二、核酸的分類及分布90%以上分布于細胞核，其余分布于核外如線粒體，葉綠體，質(zhì)粒等。分布于胞核、胞液。(deoxyribonucleicacid,DNA)(ribonucleicacid,RNA)脫氧核糖核酸

核糖核酸攜帶遺傳信息，決定細胞和個體的基因型(genotype)。參與細胞內(nèi)DNA遺傳信息的表達。某些病毒RNA也可作為遺傳信息的載體。第4頁，共80頁，2022年，5月20日，3點39分，星期五第一節(jié)核酸的化學組成及其一級結構TheChemicalComponentandPrimaryStructureofNucleicAcid第5頁，共80頁，2022年，5月20日，3點39分，星期五核酸的化學組成1.元素組成C、H、O、N、P（9~10%）2.分子組成——堿基(base)：嘌呤堿，嘧啶堿——戊糖(ribose)：核糖，脫氧核糖——磷酸(phosphate)第6頁，共80頁，2022年，5月20日，3點39分，星期五嘌呤(purine)腺嘌呤(adenine,A)鳥嘌呤(guanine,G)堿基第7頁，共80頁，2022年，5月20日，3點39分，星期五嘧啶(pyrimidine)胞嘧啶(cytosine,C)尿嘧啶(uracil,U)胸腺嘧啶(thymine,T)第8頁，共80頁，2022年，5月20日，3點39分，星期五稀有堿基嘌呤——次黃嘌呤、1-甲基次黃嘌呤、N2、N2-二甲基鳥嘌呤。嘧啶——5-甲基胞嘧啶、5-羥甲基胞嘧啶、二氫尿嘧啶、4-巰尿嘧啶都是基本堿基的化學修飾型。第9頁，共80頁，2022年，5月20日，3點39分，星期五鳥嘌呤次黃嘌呤1-甲基次黃嘌呤第10頁，共80頁，2022年，5月20日，3點39分，星期五戊糖（構成RNA）1′2′3′4′5′核糖(ribose)（構成DNA）脫氧核糖(deoxyribose)第11頁，共80頁，2022年，5月20日，3點39分，星期五核苷：AR,GR,UR,CR脫氧核苷：dAR,dGR,dTR,dCR一、核苷酸的結構1.核苷(ribonucleoside)的形成堿基和核糖（脫氧核糖）通過糖苷鍵連接形成核苷（脫氧核苷）。1′1第12頁，共80頁，2022年，5月20日，3點39分，星期五核苷酸：AMP,GMP,UMP,CMP脫氧核苷酸：dAMP,dGMP,dTMP,dCMP

2.核苷酸(ribonucleotide)的結構與命名核苷（脫氧核苷）和磷酸以磷酸酯鍵連接形成核苷酸（脫氧核苷酸）。

第13頁，共80頁，2022年，5月20日，3點39分，星期五例如：AMPadenosinemonophosphate腺苷一磷酸或一磷酸腺苷簡稱：腺苷酸dAMPdeoxyadenosinemonophosphate脫氧一磷酸腺苷/一磷酸脫氧腺苷簡稱：脫氧腺苷酸默認情況下核苷酸均為5'-核苷酸第14頁，共80頁，2022年，5月20日，3點39分，星期五體內(nèi)重要的游離核苷酸及其衍生物

多磷酸核苷酸：NMP，NDP，NTP能量的直接共體能量直接共體第15頁，共80頁，2022年，5月20日，3點39分，星期五

環(huán)化核苷酸:cAMP，cGMP細胞內(nèi)的第二信使第16頁，共80頁，2022年，5月20日，3點39分，星期五含核苷酸的生物活性物質(zhì)：NAD+、NADP+、CoA-SH、FAD等都含有AMPNADP+NAD+第17頁，共80頁，2022年，5月20日，3點39分，星期五核苷酸的生物學功用作為核酸合成的原料體內(nèi)能量的利用形式參與代謝和生理調(diào)節(jié)組成輔酶活化中間代謝物第18頁，共80頁，2022年，5月20日，3點39分，星期五5′端3′端3.核苷酸的連接核苷酸之間以磷酸二酯鍵連接形成多核苷酸鏈，即核酸。CGA第19頁，共80頁，2022年，5月20日，3點39分，星期五二、核酸的一級結構定義核酸中核苷酸的排列順序。由于核苷酸間的差異主要是堿基不同，所以也稱為堿基序列。5′端3′端CGA方向第20頁，共80頁，2022年，5月20日，3點39分，星期五AGP5PTPGPCPTPOH3書寫方法5pApCpTpGpCpT-OH

35

ACTGCT

3第21頁，共80頁，2022年，5月20日，3點39分，星期五第二節(jié)DNA的空間結構與功能DimensionalStructureandFunctionofDNA第22頁，共80頁，2022年，5月20日，3點39分，星期五一、DNA的二級結構——雙螺旋結構第23頁，共80頁，2022年，5月20日，3點39分，星期五（一）DNA雙螺旋結構的研究背景堿基組成分析Chargaff規(guī)則：[A]=[T][G][C]堿基的理化數(shù)據(jù)分析A-T、G-C以氫鍵配對較合理DNA纖維的X-線衍射圖譜分析第24頁，共80頁，2022年，5月20日，3點39分，星期五A.DNA堿基互補原則腺嘌呤胸腺嘧啶鳥嘌呤胞嘧啶其他組合易相互排斥例如G:T＊因此，DNA的雙股系藉著A:T

和G

:

C的配對關系互相結合。第25頁，共80頁，2022年，5月20日，3點39分，星期五DNA一股的核苷酸序列與另一股的序列

互補（A-T、G-C）。第26頁，共80頁，2022年，5月20日，3點39分，星期五B.二級結構—B型雙螺旋結構大部分DNA所具有的雙螺旋結構，亦稱為B型小溝大溝1.反向、平行、右手螺旋5`3`5`3`2.鏈間堿基配對相連3.每10個堿基對螺旋上升一周第27頁，共80頁，2022年，5月20日，3點39分，星期五C.雙螺旋結構的穩(wěn)定因素DNA雙螺旋在生理狀態(tài)下十分穩(wěn)定，結構不發(fā)生變化。提問：起穩(wěn)定作用的有哪些力呢？答案：疏水作用力（主要）

（又稱堿基堆積力）

氫鍵

范德華力第28頁，共80頁，2022年，5月20日，3點39分，星期五（二）DNA雙螺旋結構模型要點

（Watson,Crick,1953）堿基垂直螺旋軸居雙螺旋內(nèi)側(cè)，與對側(cè)堿基形成氫鍵配對（互補配對形式：A=T;GC）。相鄰堿基平面距離0.34nm，螺旋一圈螺距3.4nm，一圈10對堿基。第29頁，共80頁，2022年，5月20日，3點39分，星期五堿基互補配對TAGC第30頁，共80頁，2022年，5月20日，3點39分，星期五（二）DNA雙螺旋結構模型要點

（Watson,Crick,1953）氫鍵維持雙鏈橫向穩(wěn)定性，堿基堆積力維持雙鏈縱向穩(wěn)定性。第31頁，共80頁，2022年，5月20日，3點39分，星期五（三）DNA雙螺旋結構的多樣性Z型DNAB型DNAA型DNA第32頁，共80頁，2022年，5月20日，3點39分，星期五二、DNA的超螺旋結構及其在染色質(zhì)中的組裝（一）DNA的超螺旋結構超螺旋結構(superhelix或supercoil)DNA雙螺旋鏈再盤繞即形成超螺旋結構。正超螺旋(positivesupercoil)盤繞方向與DNA雙螺旋方同相同負超螺旋(negativesupercoil)盤繞方向與DNA雙螺旋方向相反第33頁，共80頁，2022年，5月20日，3點39分，星期五原核生物以及真核生物細胞器環(huán)狀DNA的超螺旋三級結構葉綠體中含有環(huán)狀DNA線粒體中含有環(huán)狀DNA細菌等原核生物質(zhì)粒染色體第34頁，共80頁，2022年，5月20日，3點39分，星期五固定負超螺旋（右手拓撲結構）反之，則為正超螺旋自然界通常為負超螺旋。提問：DNA形成三級結構及染色體的意義何在？答案：壓縮分子空間人體每個體細胞DNA長2m,細胞直徑0.1mm,細胞核0.05mm環(huán)狀DNA右旋第35頁，共80頁，2022年，5月20日，3點39分，星期五DNA的三級結構：DNA雙螺旋結構進一步盤曲形成的復雜結構。以超螺旋最為常見負超螺旋模型（多見）正超螺旋第36頁，共80頁，2022年，5月20日，3點39分，星期五意義DNA超螺旋結構整體或局部的拓撲學變化及其調(diào)控對于DNA復制和RNA轉(zhuǎn)錄過程具有關鍵作用。第37頁，共80頁，2022年，5月20日，3點39分，星期五（三）DNA在真核生物細胞核內(nèi)的組裝真核生物染色體由DNA和蛋白質(zhì)構成，其基本單位是核小體(nucleosome)。核小體的組成DNA：約200bp組蛋白：H1H2A，H2BH3H4第38頁，共80頁，2022年，5月20日，3點39分，星期五第39頁，共80頁，2022年，5月20日，3點39分，星期五串珠狀核小體結構第40頁，共80頁，2022年，5月20日，3點39分，星期五串珠狀核小體DNA雙螺旋片段染色質(zhì)纖維伸展形染色質(zhì)片段密集形染色質(zhì)片段整個染色體第41頁，共80頁，2022年，5月20日，3點39分，星期五核小體螺線管真核生物染色體DNA組裝第42頁，共80頁，2022年，5月20日，3點39分，星期五.真核細胞染色體的DNA念珠狀三級結構第43頁，共80頁，2022年，5月20日，3點39分，星期五三、DNA的功能DNA的基本功能是以基因的形式荷載遺傳信息，并作為基因復制和轉(zhuǎn)錄的模板。它是生命遺傳的物質(zhì)基礎，也是個體生命活動的信息基礎?；驈慕Y構上定義，是指DNA分子中的特定區(qū)段，其中的核苷酸排列順序決定了基因的功能。第44頁，共80頁，2022年，5月20日，3點39分，星期五第三節(jié)

RNA的結構與功能StructureandFunctionofRNA第45頁，共80頁，2022年，5月20日，3點39分，星期五RNA的種類、分布、功能第46頁，共80頁，2022年，5月20日，3點39分，星期五一、信使RNA的結構與功能hnRNA內(nèi)含子(intron)mRNA*mRNA成熟過程

外顯子(exon)第47頁，共80頁，2022年，5月20日，3點39分，星期五*mRNA結構特點1.大多數(shù)真核mRNA的5′末端均在轉(zhuǎn)錄后加上一個7-甲基鳥苷，同時第一個核苷酸的C′2也是甲基化，形成帽子結構：m7GpppNm-。2.大多數(shù)真核mRNA的3′末端有一個多聚腺苷酸(polyA)結構，稱為多聚A尾。第48頁，共80頁，2022年，5月20日，3點39分，星期五帽子結構第49頁，共80頁，2022年，5月20日，3點39分，星期五mRNA核內(nèi)向胞質(zhì)的轉(zhuǎn)位mRNA的穩(wěn)定性維系翻譯起始的調(diào)控帽子結構和多聚A尾的功能第50頁，共80頁，2022年，5月20日，3點39分，星期五*mRNA的功能把DNA所攜帶的遺傳信息，按堿基互補配對原則，抄錄并傳送至核糖體，用以決定其合成蛋白質(zhì)的氨基酸排列順序。DNAmRNA蛋白轉(zhuǎn)錄翻譯原核細胞細胞質(zhì)細胞核DNA內(nèi)含子外顯子轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)錄后剪接轉(zhuǎn)運mRNAhnRNA翻譯蛋白真核細胞第51頁，共80頁，2022年，5月20日，3點39分，星期五*

tRNA的一級結構特點含10~20%稀有堿基，如DHU3′末端為—CCA-OH5′末端大多數(shù)為G

具有TC二、轉(zhuǎn)運RNA的結構與功能第52頁，共80頁，2022年，5月20日，3點39分，星期五N,N二甲基鳥嘌呤N6-異戊烯腺嘌呤雙氫尿嘧啶4-巰尿嘧啶

稀有堿基第53頁，共80頁，2022年，5月20日，3點39分，星期五*tRNA的二級結構——三葉草形

氨基酸臂DHU環(huán)反密碼環(huán)額外環(huán)TΨC環(huán)氨基酸臂額外環(huán)第54頁，共80頁，2022年，5月20日，3點39分，星期五*tRNA的三級結構——倒L形*tRNA的功能活化、搬運氨基酸到核糖體，參與蛋白質(zhì)的翻譯。第55頁，共80頁，2022年，5月20日，3點39分，星期五*rRNA的結構三、核蛋白體RNA的結構與功能*rRNA的功能參與組成核蛋白體，作為蛋白質(zhì)生物合成的場所。第56頁，共80頁，2022年，5月20日，3點39分，星期五*rRNA的種類（根據(jù)沉降系數(shù)）真核生物5SrRNA28SrRNA5.8SrRNA18SrRNA原核生物5SrRNA23SrRNA16SrRNA第57頁，共80頁，2022年，5月20日，3點39分，星期五核蛋白體的組成第58頁，共80頁，2022年，5月20日，3點39分，星期五四、其他小分子RNA及RNA組學除了上述三種RNA外，細胞的不同部位存在的許多其他種類的小分子RNA，統(tǒng)稱為非mRNA小RNA(smallnon-messengerRNAs,snmRNAs)。

snmRNAs第59頁，共80頁，2022年，5月20日，3點39分，星期五snmRNAs的種類核內(nèi)小RNA核仁小RNA胞質(zhì)小RNA催化性小RNA小片段干涉RNA

snmRNAs的功能參與hnRNA和rRNA的加工和轉(zhuǎn)運。第60頁，共80頁，2022年，5月20日，3點39分，星期五RNA組學研究細胞中snmRNAs的種類、結構和功能。同一生物體內(nèi)不同種類的細胞、同一細胞在不同時間、不同狀態(tài)下snmRNAs的表達具有時間和空間特異性。RNA組學第61頁，共80頁，2022年，5月20日，3點39分，星期五核酸的理化性質(zhì)ThePhysicalandChemicalCharactersofNucleicAcid第四節(jié)目錄第62頁，共80頁，2022年，5月20日，3點39分，星期五第63頁，共80頁，2022年，5月20日，3點39分，星期五1.DNA或RNA的定量OD260=1.0相當于50μg/ml雙鏈DNA40μg/ml單鏈DNA（或RNA）20μg/ml寡核苷酸2.判斷核酸樣品的純度DNA純品:OD260/OD280=1.8RNA純品:OD260/OD280=2.0OD260的應用目錄第64頁，共80頁，2022年，5月20日，3點39分，星期五二、DNA的變性(denaturation)定義：在某些理化因素作用下，DNA雙鏈解開成兩條單鏈的過程。方法：過量酸，堿，加熱，變性試劑如尿素、酰胺以及某些有機溶劑如乙醇、丙酮等。變性后其它理化性質(zhì)變化：OD260增高 粘度下降比旋度下降 浮力密度升高酸堿滴定曲線改變 生物活性喪失目錄第65頁，共80頁，2022年，5月20日，3點39分，星期五DNA變性的本質(zhì)是雙鏈間氫鍵的斷裂第66頁，共80頁，2022年，5月20日，3點39分，星期五例：變性引起紫外吸收值的改變DNA的紫外吸收光譜增色效應：DNA變性時其溶液OD260增高的現(xiàn)象。目錄第67頁，共80頁，2022年，5月20日，3點39分，星期五熱變性解鏈曲線：如果在連續(xù)加熱DNA的過程中以溫度對A260（absorbance，A，A260代表溶液在260nm處的吸光率）值作圖，所得的曲線稱為解鏈曲線。目錄第68頁，共80頁，2022年，5月20日，3點39分，星期五Tm：變性是在一個相當窄的溫度范圍內(nèi)完成，在這一范圍內(nèi)，紫外光吸收值達到最大值的50%時的溫度稱為DNA的解鏈溫度，又稱融解溫度(meltingtemperature,Tm)。其大小與G+C含量成正比。目錄第69頁，共80頁，2022年，5月20日，3點39分，星期五三、DNA的復性與分子雜交

DNA復性(renaturation)的定義在適當條件下，變性DNA的兩條互補鏈可恢復天然的雙螺旋構象，這一現(xiàn)象稱為復性。減色效應DNA復性時，其溶液OD260降低。熱變性的DNA經(jīng)緩慢冷卻后即可復性，這一過程稱為退火(annealing)。目錄第70頁，共80頁，2022年，5月20日，3點39分，星期五在DNA變性后的復性過程中，如果將不同種類的DNA單鏈分子或RNA分子放在同一溶液中，只要兩種單鏈分子之間存在著一定程度的堿基配對關系，在適宜的條件（溫度及離子強度）下，就可以在不同的分子間形成雜化雙鏈(heteroduplex)。這種雜化雙鏈可以在不同的DNA與DNA之間形成，也可以在DNA和RNA分子間或者RNA與RNA分子間形成。這種現(xiàn)象稱為核酸分子雜交。核酸分子雜交(hybridiz