核酸的結(jié)構(gòu)與功能

第二章核酸的結(jié)構(gòu)與功能

主要內(nèi)容：介紹核酸的分類和化學(xué)組成，重點(diǎn)討論DNA和RNA的結(jié)構(gòu)特征，初步認(rèn)識(shí)核酸的結(jié)構(gòu)特征與其功能的相關(guān)性；介紹核酸的主要理化性質(zhì)和核酸研究的一般方法。返回思考核酸的結(jié)構(gòu)與功能第一節(jié)核酸的研究歷史和重要性第二節(jié)核酸的分類和基本結(jié)構(gòu)單位—核苷酸第三節(jié)DNA的分子結(jié)構(gòu)第四節(jié)RNA的分子結(jié)構(gòu)第五節(jié)核酸的某些理化性質(zhì)及核酸研究常用技術(shù)第六節(jié)DNA研究進(jìn)展

核酸分類脫氧核糖核酸（deoxyribonucleicacid,DNA）:遺傳信息的貯存和攜帶者，生物的主要遺傳物質(zhì)。核糖核酸（ribonucleicacid,RNA）：主要參與遺傳信息的傳遞和表達(dá)過程；此外，有些RNA還可參與基因表達(dá)和DNA合成，有些RNA具生物催化作用（ribozyme）,病毒中RNA本身就是遺傳信息的儲(chǔ)存者。核酸的研究歷史和重要性1869

Miescher從膿細(xì)胞的細(xì)胞核中分離出了一種含磷酸的有機(jī)物，當(dāng)時(shí)稱為核素（nuclein）,后稱為核酸（nucleicacid）1944Avery

等通過肺炎球菌轉(zhuǎn)化試驗(yàn)證明DNA是遺傳物質(zhì)1953

Watson和Crick提出DNA結(jié)構(gòu)的雙螺旋模型1958

Crick提出遺傳信息傳遞的中心法則70年代建立DNA重組技術(shù)80年代以后分子生物學(xué)、分子遺傳學(xué)等學(xué)科突飛猛進(jìn)發(fā)展，實(shí)施人類基因組計(jì)劃（HGP）核酸的基本結(jié)構(gòu)單位—核苷酸核酸分子中基本核苷酸的化學(xué)組成與命名(1)堿基、核苷、核苷酸的概念和關(guān)系(2)常見堿基的結(jié)構(gòu)與命名法(3)常見（脫氧）核苷酸的基本結(jié)構(gòu)與命名(4)稀有核苷酸2細(xì)胞內(nèi)游離核苷酸及其衍生物5′-磷酸核苷酸的基本結(jié)構(gòu)OO（N=A、G、C、U、T）HH(O)H1′2′NOHCH2HH5′4′3′PO-OOO-堿基、核苷、核苷酸的概念和關(guān)系

堿基戊糖HOCH2HOH脫氧核糖(inDNA)HOCH2HOOH核糖(inRNA)磷酸嘧啶胞嘧啶胸腺嘧啶尿嘧啶CUT嘌呤腺嘌呤鳥嘌呤AG基本堿基結(jié)構(gòu)和命名RNA的一級(jí)結(jié)構(gòu)

RNA分子中各核苷之間的連接方式（3′-5′磷酸二酯鍵）和排列順序叫做RNA的一級(jí)結(jié)構(gòu)OHOHOH5′3′

RNA與DNA一級(jí)結(jié)構(gòu)的差異

DNA

RNA糖脫氧核糖核糖堿基

AGCTAGCU不含稀有堿基含稀有堿基核苷酸的結(jié)構(gòu)和命名腺嘌呤核苷酸（AMP）

Adenosine

monophosphate脫氧腺嘌呤核苷酸（dAMP）Deoxyadenosine

monophosphateOH鳥嘌呤核苷酸（GMP）胞嘧啶核苷酸（CMP）尿嘧啶核苷酸（UMP）脫氧鳥嘌呤核苷酸（dGMP）脫氧胞嘧啶核苷酸（dCMP）脫氧胸腺嘧啶核苷酸（dTMP）HPPPPPPPP常見（脫氧）核苷酸的結(jié)構(gòu)和命名鳥嘌呤核苷酸（GMP）尿嘧啶核苷酸（UMP）胞嘧啶核苷酸（CMP）腺嘌呤核苷酸（AMP）脫氧腺嘌呤核苷酸（dAMP）脫氧鳥嘌呤核苷酸（dGMP）脫氧胞嘧啶核苷酸（dCMP）脫氧胸腺嘧啶核苷酸（dTMP）幾種稀有核苷酸假尿苷（）二氫尿嘧啶（DHU）AmCH3CH3H3Cm26GHH5OPOOHOA(G)OOOHCH2HHHHcAMP(cGMP)的結(jié)構(gòu)

Cyclicadenylie(Guanine)acid核糖和脫氧核糖1′（構(gòu)成RNA）-D-核糖(ribose)（構(gòu)成DNA）-D-脫氧核糖(deoxyribose)2′3′4′5′OHOCHOHOHOH2細(xì)胞內(nèi)游離核苷酸及其衍生物

多磷酸核苷酸

環(huán)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

monophosphateADPAdenosine

diphosphateATPAdenosine

triphosphate

第三節(jié)DNA的分子結(jié)構(gòu)

一、DNA一級(jí)結(jié)構(gòu)二、DNA的二級(jí)結(jié)構(gòu)三、DNA的三級(jí)結(jié)構(gòu)DNA的一級(jí)結(jié)構(gòu)

DNA分子中各脫氧核苷酸之間的連接方式（3′-5′磷酸二酯鍵）和排列順序叫做DNA的一級(jí)結(jié)構(gòu)，簡稱為堿基序列。一級(jí)結(jié)構(gòu)的走向的規(guī)定為5′→3′。不同的DNA分子具有不同的核苷酸排列順序，因此攜帶有不同的遺傳信息。

一級(jí)結(jié)構(gòu)的表示法結(jié)構(gòu)式，線條式，字母式

一級(jí)結(jié)構(gòu)測定5′端3′端CGADNA、RNA的一級(jí)結(jié)構(gòu)

DNA一級(jí)結(jié)構(gòu)5′3′OHOHOH5′3′RNA一級(jí)結(jié)構(gòu)DNA一級(jí)結(jié)構(gòu)的表示法5′3′結(jié)構(gòu)式5′3′

p

p

p

pOH3′ACTG1′線條式5′ACTGCATAGCTCGA3′字母式酶法序列分析的原理酶反應(yīng)電泳方向模板CCGGTAGCAACT3′5′GG5′3′引物dATPdCTPdGTPdTTP+ddATPdATPdCTPdGTPdTTP+ddTTPdATPdCTPdGTPdTTP+ddGTPdATPdCTPdGTPdTTP+ddCTPGGCCAGGCCATCGTTGAGGCGGCCGGCCATCGGCCATCGTTGGGCCATCGGGCCATGGCCATCGTGGCCATCGTTACGTAGTTGCTACC3′5′TCAACGATGG5′3′讀出模板互補(bǔ)序列讀出模板序列

（1）DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)(Watson-Crick模型)

DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)特征及意義（2）DNA雙螺旋的多態(tài)性（3）某些其它DNA螺旋結(jié)構(gòu)

DNA回文結(jié)構(gòu)、三股螺旋DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)的形成5′3′5′3′5′3′5′3′磷酸核糖堿基T-A堿基對(duì)C-G堿基對(duì)DNA雙螺旋構(gòu)象的類型A-DNAZ-DNAB-DNADNA的雙螺旋模型特點(diǎn)

a.兩條反向平行的多聚核苷酸鏈沿一個(gè)假設(shè)的中心軸右旋相互盤繞而形成。

b.磷酸和脫氧核糖單位作為不變的骨架組成位于外側(cè)，作為可變成分的堿基位于內(nèi)側(cè)，鏈間堿基按A—T，G—C配對(duì)（堿基配對(duì)原則，Chargaff定律）

c.螺旋直徑2nm，相鄰堿基平面垂直距離0.34nm,螺旋結(jié)構(gòu)每隔10個(gè)堿基對(duì)（basepair,bp）重復(fù)一次，間隔為3.4nma.氫鍵b.堿基堆集力c.磷酸基上負(fù)電荷被胞內(nèi)組蛋白或正離子中和

d.堿基處于疏水環(huán)境中DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)穩(wěn)定因素

該模型揭示了DNA作為遺傳物質(zhì)的穩(wěn)定性特征，最重要的是確認(rèn)了堿基配對(duì)原則，這是DNA復(fù)制、轉(zhuǎn)錄和反轉(zhuǎn)錄的分子基礎(chǔ)，亦是遺傳信息傳遞和表達(dá)的分子基礎(chǔ)。該模型的提出是本世紀(jì)生命科學(xué)的重大突破之一，它奠定了生物化學(xué)和分子生物學(xué)乃至整個(gè)生命科學(xué)飛速發(fā)展的基石。DNA雙螺旋的不同構(gòu)象

DNA回文序列及幾種結(jié)構(gòu)形式回文序列發(fā)夾式結(jié)構(gòu)十字形結(jié)構(gòu)中心區(qū)域Southern印跡法DNA分子限制片段限制性酶切割瓊脂糖電泳轉(zhuǎn)移至硝酸纖維素膜上與放射性標(biāo)記DNA探針雜交放射自顯影帶有DNA片段的凝膠凝膠濾膜用緩沖液轉(zhuǎn)移DNA吸附有DNA片段的膜DNA三鏈間的堿基配對(duì)DNA分子內(nèi)的三鏈結(jié)構(gòu)多聚嘌呤多聚嘧啶DNA分子間的三鏈結(jié)構(gòu)

DNA的三級(jí)結(jié)構(gòu)

在細(xì)胞內(nèi)，由于DNA分子與其它分子（主要是蛋白質(zhì)）的相互作用，使DNA雙螺旋進(jìn)一步扭曲形成的高級(jí)結(jié)構(gòu).實(shí)例：超螺旋核蛋白體（染色體chromosome）核小體盤繞及染色質(zhì)示意圖組蛋白與DNA的結(jié)合核小體、染色質(zhì)與染色體

DNA超螺旋結(jié)構(gòu)的形成

第四節(jié)

RNA的分子結(jié)構(gòu)

一、RNA一級(jí)結(jié)構(gòu)二、tRNA的分子結(jié)構(gòu)三、rRNA的分子結(jié)構(gòu)四、mRNA的分子結(jié)構(gòu)tRNA的結(jié)構(gòu)二級(jí)結(jié)構(gòu)特征：單鏈三葉草葉形四臂四環(huán)三級(jí)結(jié)構(gòu)特征：在二級(jí)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上進(jìn)一步折疊扭曲形成倒L型酵母tRNAAla

的二級(jí)結(jié)構(gòu)

DHU環(huán)IGC反密碼子反密碼環(huán)氨基酸臂可變環(huán)TψC環(huán)CCAAla3′5′tRNA的三級(jí)結(jié)構(gòu)

rRNA的分子結(jié)構(gòu)特征：a單鏈，螺旋化程度較tRNA低

b與蛋白質(zhì)組成核糖體后方能發(fā)揮其功能5SrRNA的二級(jí)結(jié)構(gòu)

mRNA的分子結(jié)構(gòu)原核生物mRNA特征：

先導(dǎo)區(qū)+翻譯區(qū)（多順反子）+末端序列真核生物mRNA特征：

“帽子”（m7G-5′ppp5′-N-3′p）+單順反子+“尾巴”（PolyA）原核細(xì)胞mRNA的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)5′3′順反子順反子順反子插入順序插入順序先導(dǎo)區(qū)末端順序真核細(xì)胞mRNA的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)AAAAAAA-OH5′

“帽子”PolyA

3′

順反子m7G-5′ppp-N-3′p第五節(jié)核酸的某些理化性質(zhì)及

核酸研究常用技術(shù)

一、核酸的兩性解離性質(zhì)

二、核酸的紫外吸收特性（λmax=260nm）三、核酸的變性、復(fù)性和分子雜交

四、核酸的熔解溫度（Tm）

DNA的紫外吸收光譜2202402602800.10.20.30.4波長（nm）光吸收123

嘌呤和嘧啶具有共軛雙鍵，使堿基、核苷酸、核酸在240～290nm的紫外波段有一強(qiáng)烈的吸收峰，最大吸收值在260nm附近。不同的核苷酸有不同的吸收特性，所以可以用紫外分光光度計(jì)加以定量和定性測定。DNA的變性過程加熱部分雙螺旋解開無規(guī)則線團(tuán)鏈內(nèi)堿基配對(duì)變性：在物理、化學(xué)因素影響下，DNA堿基對(duì)間的氫鍵斷裂，雙螺旋解開，這是一個(gè)是躍變過程，伴有A260增加（增色效應(yīng)），DNA的功能喪失。核酸的復(fù)性和分子雜交變性（加熱）探針雜交（緩慢冷卻）復(fù)性（緩慢冷卻）復(fù)性：在一定條件下，變性DNA單鏈間堿基重新配對(duì)恢復(fù)雙螺旋結(jié)構(gòu)，伴有A260減?。p色效應(yīng)）,DNA的功能恢復(fù)。分子雜交及其應(yīng)用

不同來源的DNA單鏈間或單鏈DNA與RNA之間只要有堿基配對(duì)的區(qū)域，在復(fù)性時(shí)可形成局部雙螺旋區(qū)，稱核酸分子雜交（hybridization）。制備特定的探針（probe）通過雜交技術(shù)可進(jìn)行基因的檢測和定位研究。

實(shí)例：southern印跡法Tm：熔解溫度（meltingtemperature）Polyd(A-T)DNAPolyd(G-C)DNA的變性發(fā)生在一個(gè)很窄的溫度范圍內(nèi)，通常把熱變性過程中A260達(dá)到最大值一半時(shí)的溫度稱為該DNA的熔解溫度，用Tm表示。

Tm的大小與DNA分子中（G+C）的百分含量成正相關(guān)，測定Tm值可推算核酸堿基組成及判斷DNA純度。某些DNA的Tm值60801001.01.41.2100%A260t\0CTmTmTm123123第六節(jié)DNA研究進(jìn)展

一、人類基因組計(jì)劃簡介（HumanGenomeProject，HGP）二、DNA芯片技術(shù)簡介（DNAchip）HGP的概況

該計(jì)劃是美國科學(xué)家在1985年率先提出，1990年正式啟動(dòng)。美、英、德、法、日先后參加了此項(xiàng)工作，1999年我國成為HGP的第六個(gè)成員國。

HGP旨在闡明人類基因組DNA所具有的核苷酸的序列，發(fā)現(xiàn)所有的人類基因并闡明其在染色體上的位置，破譯人類的全部遺傳信息，使得人類第一次在分子水平上全面地認(rèn)識(shí)自我。到目前為止，已完成了人類基因組的框架圖，測序的工作已基本完成。

HGP的實(shí)施，揭開了生命科學(xué)新的一頁，它可以造福于人類，但也面臨的倫理的挑戰(zhàn)。HGP取得的成就

完成了人類基因組工作草圖繪制,揭示