西南生物-課件核酸化學(xué)

第三章

核酸化學(xué)NucleicAcidchemistry核酸化學(xué)主要內(nèi)容：介紹核酸的分類(lèi)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)與其功能的相關(guān)性；介紹核酸的主要理化性質(zhì)及人類(lèi)基因組計(jì)劃。核酸的研究歷史和重要性核酸的類(lèi)別、細(xì)胞分布及功能核酸的分子組成核酸的結(jié)構(gòu)核酸的重要理化性質(zhì)人類(lèi)基因組計(jì)劃簡(jiǎn)介核酸化學(xué)核酸的研究歷史和重要性1869年，密斯克從膿細(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(chēng)為核素，后稱(chēng)為核酸（nuceicacid）。1879年Kossel經(jīng)過(guò)10年的努力,搞清除核質(zhì)中有四種不同的組成部分:A,T,C和G；1889年Altman建議將“核質(zhì)”改名為“核酸”,因?yàn)橐呀?jīng)認(rèn)識(shí)到“核質(zhì)”乃“核酸”與蛋白質(zhì)的復(fù)合體。1944年，Avery等通過(guò)肺炎球菌轉(zhuǎn)化試驗(yàn)證明DNA是遺傳物質(zhì)。1953年，沃森和克里克提出DNA結(jié)構(gòu)的雙螺旋模型。1958年，克里克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(lèi)基因組計(jì)劃（HGP）。2001年后進(jìn)入后基因組計(jì)劃。二、核酸的種類(lèi)、分布以及功能核酸的類(lèi)別及分布核糖核酸（RNA）(ribonucleicacid)脫氧核糖核酸（DNA）（dioxyribonucleicacid)核酸信使RNA（mRNA）messenger核糖RNA（rRNA）ribosemal轉(zhuǎn)移RNA（tRNA）transfer線(xiàn)粒體（mtDNA）葉綠體（cnDNA）質(zhì)體DNA雙鏈DNA真核：主要在細(xì)胞核內(nèi)原核：在核區(qū)；是染色體組成成分主要分布在細(xì)胞質(zhì)，少量在細(xì)胞核核不均一RNA（hnRNA）、核內(nèi)小RNA（snRNA）、核仁小RNA、反義RNA（asRNA）等。

核酸的功能1）DNA功能：是生物遺傳信息的載體，決定生物的遺傳、變異、生長(zhǎng)、繁殖等，DNA本身就是遺傳物質(zhì)，對(duì)RNA病毒而言，RNA是遺傳物質(zhì)。下面兩個(gè)實(shí)驗(yàn)證實(shí)這個(gè)功能：肺炎球菌轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)煙草花葉病毒實(shí)驗(yàn)噬菌體感染實(shí)驗(yàn)肺炎球菌轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)煙草花葉病毒實(shí)驗(yàn)1952年，A.D.Hershey和M.Chase—噬菌體感染實(shí)驗(yàn)2）RNA的功能：

核心功能是控制蛋白質(zhì)合成，是遺傳信息由DNA向蛋白質(zhì)的中心傳遞體。

mRNA：蛋白質(zhì)合成的模板，rRNA：是核糖體的組成成分，而核糖體是蛋白質(zhì)合成場(chǎng)所。tRNA：在蛋白質(zhì)合成過(guò)程中轉(zhuǎn)運(yùn)氨基酸。RNA的分類(lèi)細(xì)胞核和胞液

線(xiàn)粒體

功能

核蛋白體RNArRNAmttRNA核蛋白體組成成分

信使RNAmRNAmtmRNA蛋白質(zhì)合成模板

轉(zhuǎn)運(yùn)RNAtRNAmttRNA轉(zhuǎn)運(yùn)氨基酸

核不均一RNAhnRNA成熟mRNA的前體

核內(nèi)小RNAsnRNA參與hnRNA的剪接、轉(zhuǎn)運(yùn)

胞質(zhì)小RNAscRNA/7SL-RNA蛋白質(zhì)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)定位合成的信號(hào)識(shí)別體的組成成分

注：原核細(xì)胞不含后3種RNA三、核酸的化學(xué)組成核酸的元素組成及核酸的降解2.核酸的基本組成單位——核苷酸⑴基本堿基的結(jié)構(gòu)和命名⑵核糖的結(jié)構(gòu)⑶核苷及脫氧核苷的結(jié)構(gòu)⑷核苷酸的結(jié)構(gòu)⑸稀有核苷酸及核苷酸衍生物一、元素組成

組成核酸的元素有C、H、O、N、P等，與蛋白質(zhì)比較，其組成上有兩個(gè)特點(diǎn)：一是核酸一般不含元素S，二是核酸中P元素的含量較多并且恒定，約占9～11%。因此，核酸定量測(cè)定的經(jīng)典方法，是以測(cè)定P含量來(lái)代表核酸量。核酸nucleicacid核苷酸nucleotide核苷nucleoside磷酸phosphate嘌呤堿purinebase

或嘧啶堿pyrimidinebase（堿基base）核糖ribose或脫氧核糖deoxyribose

（戊糖amylsugar）核酸的分子組成

完全降解：DNA（RNA）強(qiáng)酸或強(qiáng)堿完全降解磷酸、戊糖、堿基DNA磷酸?-D-2-脫氧核糖堿基腺嘌呤鳥(niǎo)嘌呤胞嘧啶胸腺嘧啶分布降解（酶解）：RNA磷酸?-D-核糖堿基腺嘌呤鳥(niǎo)嘌呤胞嘧啶尿嘧啶磷酸核苷堿基戊糖核酸核苷酸核酸酶核酸的降解方法核酸降解化學(xué)降解法酶降解法酸降解法堿降解法核糖核酸降解（RNA）脫氧核糖核酸降解（DNA）⑴化學(xué)降解法0.3mol/LNaOH

37℃,16h2′－核苷酸3′－核苷酸RNA

酸法降解：不同濃度下產(chǎn)生不同產(chǎn)物。

堿降解法：（DNA不能被堿降解）⑵酶降解法從多核苷酸鏈某末端開(kāi)始，逐個(gè)水解下核苷酸。

作用位點(diǎn)在多核苷酸鏈內(nèi)部特殊位置上，生成特殊片段。

具有很強(qiáng)的堿基序列專(zhuān)一性，作用時(shí)識(shí)別堿基序列。核酸酶核酸外切酶：核酸內(nèi)切酶：限制性?xún)?nèi)切酶：牛脾磷酸二酯酶（SPDase）:

RNA和DNA

RNA5′OH－ApCpGpUpUpApGp3′產(chǎn)物：Ap，Cp，Gp，Up等（3′－單核苷酸）

核酸外切酶：

核酸內(nèi)切酶：核糖核酸酶T1(RNaseT1):

底物－－RNA5′－ApCpGpCpApUpGpCpCpAp－3′－ApCpGp，CpApUpGp，CpCpAp－

常用的DNA限制性?xún)?nèi)切酶的專(zhuān)一性酶辨認(rèn)的序列和切口說(shuō)明‥‥AGCT‥‥‥‥TCGA‥‥‥‥GGATCC‥‥‥‥CCTAGG‥‥‥‥AGATCT‥‥‥‥TCTAGA‥‥‥‥GAATTC‥‥‥‥CTTAAG‥‥‥‥AAGCTT‥‥‥‥TTCGAA‥‥‥‥GTCGAC‥‥‥‥CAGCTG‥‥‥‥CCCGGG‥‥‥‥GGGCCC‥‥BamHIAluIBglIEcoRIHindⅢSalISmaI四核苷酸，平端切口六核苷酸，平端切口六核苷酸，粘端切口六核苷酸，粘端切口六核苷酸，粘端切口六核苷酸，粘端切口六核苷酸，粘端切口限制性?xún)?nèi)切酶的命名和意義EcoRI序號(hào)屬名種名株名例：EcoRI是從大腸桿菌（Ecoli）R菌珠中分離出的一種限制性?xún)?nèi)切酶。

限制性?xún)?nèi)切酶是分析染色體結(jié)構(gòu)、制作DNA限制圖譜、進(jìn)行DNA序列測(cè)定和基因分離、基因體外重組等研究中不可缺少的工具，是一把天賜的神刀，用來(lái)解剖纖細(xì)的DNA分子。核酸的基本組成單位—核苷酸1、堿基的結(jié)構(gòu)和命名：核苷酸中的堿基均為含氮雜環(huán)化合物，它們分別屬于嘌呤衍生物和嘧啶衍生物。核苷酸中的嘌呤堿(purine)主要是鳥(niǎo)嘌呤(guanine,G)和腺嘌呤(adenine,A)，嘧啶堿(pyrimidine)主要是胞嘧啶(cytosine,C)、尿嘧啶(uracil,U)和胸腺嘧啶(thymine,T)。

核酸中五種堿基中的酮基和氨基，均位于堿基環(huán)中氮原子的鄰位，可以發(fā)生酮式一烯醇式或氨基、亞氨基之間的結(jié)構(gòu)互變。這種互變異構(gòu)在基因的突變和生物的進(jìn)化中具有重要作用。

有些核酸中還含有修飾堿基(modifiedcomponent)或稀有堿基（unusualcomponent），這些堿基大多是在上述嘌呤或嘧啶堿的不同部位被甲基化(methylation)或進(jìn)行其它的化學(xué)修飾而形成的衍生物。一般這些堿基在核酸中的含量稀少，在各種類(lèi)型核酸中的分布也不均一。DNA中的修飾堿基主要見(jiàn)于噬菌體DNA，如5-甲基胞嘧啶(m5C)，5-羥甲基胞嘧啶hm5C；RNA中以tRNA含修飾堿基最多，如1-甲基腺嘌呤(m1A)，2，2一二甲基鳥(niǎo)嘌呤(m22G)和5，6-二氫尿嘧啶(DHU)等。

嘌呤和嘧啶環(huán)中含有共軛雙鍵，對(duì)260nm左右波長(zhǎng)的紫外光有較強(qiáng)的吸收。堿基的這一特性常被用來(lái)對(duì)堿基、核苷、核苷酸和核酸進(jìn)行定性和定量分析.

2、戊糖

核酸中的戊糖有核糖(ribose)和脫氧核糖(deoxyribose)兩種，分別存在于核糖核苷酸和脫氧核糖核苷酸中。DNA所含的糖為β-D-2-脫氧核糖；RNA所含的糖則為β-D-核糖。為了與堿基標(biāo)號(hào)相區(qū)別，通常將戊糖的C原子編號(hào)都加上“′”，如C1′表示糖的第一位碳原子。核糖的結(jié)構(gòu)如下：

3、核苷戊糖與嘧啶或嘌呤堿以糖苷鍵連接就稱(chēng)為核苷，通常是戊糖的C1′與嘧啶堿的N1或嘌呤堿的N9相連接。四種核苷AdenosineGuanosineCytidineUridine4、核苷酸及其衍生物的結(jié)構(gòu)（1）、核苷酸的結(jié)構(gòu)式如下圖（2）、脫氧核苷酸的結(jié)構(gòu)如下圖所示：

核苷酸=核苷+磷酸（3）、（脫氧）核苷二磷酸、（脫氧）核苷三磷酸、雙脫氧核苷酸的結(jié)構(gòu)ADP、ATP是生物體中重要的能量轉(zhuǎn)換體。ddNTP在DNA的序列測(cè)定中使用。（4）、環(huán)化核苷酸cAMP、cGMP：被稱(chēng)為第二信使，有放大激素的作用。（5）、輔酶：NAD+、NADP+、FAD、FMN、HSC0A是核酸的衍生物，在物質(zhì)代謝和能量代謝中起重要作用。

cAMP

cGMP6.肌苷酸及鳥(niǎo)苷酸(強(qiáng)力味精)IMPGMP7、多聚核苷酸（核酸）

多聚核苷酸是通過(guò)一個(gè)核苷酸的C3’-OH與另一分子核苷酸的5’-磷酸基形成3’,5’-磷酸二酯鍵相連而成的鏈狀聚合物。5’5’3’3’四、核酸的結(jié)構(gòu)1.DNA的結(jié)構(gòu)DNA的一級(jí)結(jié)構(gòu)DNA的二級(jí)結(jié)構(gòu)DNA的三級(jí)結(jié)構(gòu)2.RNA的結(jié)構(gòu)RNA的一級(jí)結(jié)構(gòu)RNA的二級(jí)結(jié)構(gòu)1.DNA的結(jié)構(gòu)一、DNA的一級(jí)結(jié)構(gòu)概念：DNA分子中各脫氧核苷酸之間的連接方式和排列順序，也被稱(chēng)為堿基序列。不同的DNA分子（或片段）其一級(jí)結(jié)構(gòu)不同，即脫氧核苷酸排列順序不同，也就是堿基排列順序不同，因此攜帶有不同的遺傳信息。意義：遺傳信息基本結(jié)構(gòu)單位：脫氧核糖核苷酸連接鍵：3’-5’

磷酸二酯鍵書(shū)寫(xiě)及閱讀方向：5’3’DNA一級(jí)結(jié)構(gòu)表示方式TUOHOHOHOHDNARNA5′PdAPdCPdGPdTOH3′5′PAPCPGPUOH′或5′ACGTGCGT3′5′ACGUAUGU3′

ACGTGCGTACGUAUGU線(xiàn)條式字母式5’3’OH5’3’OH結(jié)構(gòu)式真核生物DNA一級(jí)結(jié)構(gòu)（基因組）的特點(diǎn)基因組：一個(gè)生物所含的全部基因。1.真核生物基因組DNA與蛋白質(zhì)結(jié)合形成染色體，儲(chǔ)存于細(xì)胞核內(nèi)，除配子細(xì)胞外，體細(xì)胞內(nèi)的基因組是雙份的(即雙倍體，diploid)，即有兩份同源的基因組。2.真核細(xì)胞基因轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物為單順?lè)醋?monocistron)，即一個(gè)結(jié)構(gòu)基因轉(zhuǎn)錄、翻譯成一個(gè)mRNA分子，一條多肽鏈。3.

重復(fù)序列高度重復(fù)序列中度重復(fù)序列單一序列在整個(gè)DNA中有許多重復(fù)出現(xiàn)的核苷酸順序，重復(fù)序列長(zhǎng)度可長(zhǎng)可短，短的僅含兩個(gè)核苷酸，長(zhǎng)的多達(dá)數(shù)百、乃至上千。重復(fù)頻率也不盡相同：

（1）高度重復(fù)序列：重復(fù)頻率可達(dá)106次，約5-100bp，這種序列G—C含量高于DNA的其它結(jié)構(gòu)，因此在氯化銫密度梯度離心時(shí)，常在DNA的主峰旁顯示一個(gè)小峰，此小峰稱(chēng)為衛(wèi)星峰，故將這部分DNA稱(chēng)為衛(wèi)星DNA。（2）中度重復(fù)序列：重復(fù)頻率可達(dá)103～104次，長(zhǎng)度約100-300bp，rRNA基因、tRNA基因、組蛋白基因等，大多為中度重復(fù)序列。此外在這類(lèi)重復(fù)序列中，還有一類(lèi)可移動(dòng)的片段，稱(chēng)為逆轉(zhuǎn)座子（retroposon），它們可能在進(jìn)化過(guò)程中發(fā)揮重要作用。（3）單拷貝或低度重復(fù)序列：指在整個(gè)基因組中只出現(xiàn)一次或很少幾次的核苷酸序列。在真核細(xì)胞中，除組蛋白以外，其它所有蛋白質(zhì)都是由DNA中這種單拷貝序列決定的。這種序列大小不等，每一個(gè)順序決定一個(gè)蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)，稱(chēng)之為結(jié)構(gòu)基因。在人基因組中占約60～65%，因此所含信息量最大。4.間隔序列：基因組中不編碼任何蛋白質(zhì)或RNA的核苷酸序列。5.插入序列：基因（斷裂基因）內(nèi)不編碼蛋白質(zhì)的核苷酸序列。內(nèi)含子(intron)：真核生物結(jié)構(gòu)基因的內(nèi)部存在許多不編碼蛋白質(zhì)的間隔序列(interveningsequences)。外顯子(exon)：編碼蛋白質(zhì)的區(qū)域。

6.基因組遠(yuǎn)大于原核生物的基因組。

原核生物基因組結(jié)構(gòu)特點(diǎn)1.基因組較小，沒(méi)有核膜包裹，且形式多樣，如病毒基因組可能是DNA，也可能是RNA，可能是單鏈的，也可能是雙鏈的，可能是閉環(huán)分子，也可能是線(xiàn)性分子；

基因1間隔順序基因2

基因片段插入順序基因片段外顯子外顯子內(nèi)含子細(xì)菌染色體基因組則常為環(huán)狀雙鏈DNA分子，并與其中央的RNA和支架蛋白構(gòu)成一致密的區(qū)域，稱(chēng)為類(lèi)核(nucleoid)。

2.功能相關(guān)的結(jié)構(gòu)基因常常串連在一起，并轉(zhuǎn)錄在同一個(gè)mRNA分子中，稱(chēng)為多順?lè)醋觤RNA(polycistronicmRNA)，然后再加工成各種蛋白質(zhì)的模板mRNA。3.DNA分子絕大部分用于編碼蛋白質(zhì)，不編碼部分(又稱(chēng)間隔區(qū))通常包含控制基因表達(dá)的順序。例如，噬菌體ψX174中只有5%是非編碼區(qū)。4.基因重疊是病毒基因組的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，即同一段DNA片段能夠編碼兩種甚至三種蛋白質(zhì)分子。5.除真核細(xì)胞病毒外，基因是連續(xù)的，即不含內(nèi)含子序列。

二、DNA的二級(jí)結(jié)構(gòu)DNA雙螺旋的主要依據(jù)DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)（Wastson-Crick

模型）特征及意義DNA雙螺旋的多態(tài)性某些其他DNA螺旋結(jié)構(gòu)

DNA回文結(jié)構(gòu)、三股螺旋1.雙螺旋結(jié)構(gòu)的主要依據(jù)（1）Wilkins和Franklin發(fā)現(xiàn)不同來(lái)源的DNA纖維具有相似的X射線(xiàn)衍射圖譜。（2）電位滴定證明，嘌呤與嘧啶的可解離基團(tuán)由氫鍵連接。（3）Chargaff應(yīng)用紫外分光光度法結(jié)合紙層析等簡(jiǎn)單技術(shù)，對(duì)多種生物DNA作堿基定量分析，發(fā)現(xiàn)DNA中A與

T、C與G的數(shù)目相等。后Pauling和Corey發(fā)現(xiàn)A

與T生成2個(gè)氫鍵、C與G生成3個(gè)氫鍵。如下規(guī)律：不同生物來(lái)源的DNA四種堿基比例關(guān)系DNA來(lái)源ATGC（A+T）/（G+C）大腸桿菌25.424.824.125.71.01小麥27.327.122.822.71.21鼠28.628.421.421.51.33豬：肝29.429.720.520.51.43胸腺30.028.920.420.7脾29.629.220.420.8酵母31.332.918.717.51.079Chargaff定律：A+G=C+T;A+C=G+T

A=T,G=C2.DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)及特征意義1953年，Watson

和Crick

提出。DNA雙螺旋模型特點(diǎn)1.兩條反向平行的多核苷酸鏈圍繞同一中心軸相互纏繞2.嘌呤和嘧啶堿位于雙螺旋的內(nèi)側(cè).磷酸和核糖在外側(cè),彼此通過(guò)3‘,5’-磷酸二酯鍵相連接,形成DNA分子的骨架.堿基平面與縱軸平行.多核苷酸的方向取決于核苷酸間磷酸二酯鍵的走向。習(xí)慣上以5‘——3’為正向。兩條鏈均為右手螺旋。2.0nm小溝大溝3.雙螺旋的平均直徑為２nm,兩個(gè)相鄰的堿基堆積距離為0.34nm,兩個(gè)核苷酸之間的夾角為36°.因此,沿中心軸旋轉(zhuǎn)一周有10個(gè)核苷酸.每一轉(zhuǎn)的高度(即螺距)為3.4nm。4.兩條核苷酸鏈依靠彼此堿基之間形成的氫鍵相聯(lián)系而結(jié)合在一起.

堿基互補(bǔ)配對(duì)。5.螺旋表面形成大溝和小溝，彼此相間排列。小溝較淺；大溝較深，是蛋白質(zhì)識(shí)別DNA堿基序列的基礎(chǔ)。2.0nm小溝大溝堿基互補(bǔ)配對(duì)原則DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)穩(wěn)定因素氫鍵堿基堆積力（主要作用力）磷酸基團(tuán)上負(fù)電荷被胞內(nèi)組蛋白或正離子中和（離子鍵）堿基處于疏水環(huán)境中（疏水作用力）二級(jí)結(jié)構(gòu)（雙螺旋）小結(jié)（B-DNA）反向平行雙鏈：脫氧核糖-磷酸骨架位于外側(cè)，堿基對(duì)位于內(nèi)側(cè)。堿基互補(bǔ)配對(duì)：AT配對(duì)（兩個(gè)氫鍵），GC配對(duì)（三個(gè)氫鍵）；堿基對(duì)平面垂直縱軸。右手雙螺旋：螺距3.4nm，直徑2.0nm，10bp/圈。表面功能區(qū)：小溝較淺；大溝較深，是蛋白質(zhì)識(shí)別DNA堿基序列的基礎(chǔ)。維持結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的力量：氫鍵（橫向穩(wěn)定性），堿基堆積力（縱向穩(wěn)定性—最重要），離子鍵，疏水環(huán)境。DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)的意義

該模型揭示了DNA作為遺傳物質(zhì)的穩(wěn)定性特征，最有價(jià)值的是確認(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)。該模型的提出是上世紀(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雙螺旋的多態(tài)性(1)B-DNA螺旋：標(biāo)準(zhǔn)的

Watson,Crick雙螺旋，細(xì)胞正常狀態(tài)下DNA存在的構(gòu)型。(2)A-DNA螺旋：DNA在75%相對(duì)濕度的鈉鹽中的構(gòu)型。(3)C-DNA螺旋：DNA在66%相對(duì)濕度的鋰鹽中的構(gòu)型。(4)Z-DNA螺旋：左手的DNA螺旋，這種螺旋可能在基因表達(dá)或遺傳重組中起作用。類(lèi)型旋轉(zhuǎn)方向螺旋直徑（nm）螺距（nm）每轉(zhuǎn)堿基對(duì)數(shù)目堿基對(duì)間垂直距離（nm）堿基對(duì)與水平面傾角A－DNAB－DNAZ－DNA右右左2.32.01.82.83.44.51110120.2550.340.2720o0o7oDNA雙螺旋的幾種構(gòu)象(1).回文序列

所謂回文序列就是指DNA某一片段旋轉(zhuǎn)180.后,順序不變的序列,回文序列中的單鏈可形成發(fā)夾結(jié)構(gòu).雙鏈可形成十字架結(jié)構(gòu)。這種發(fā)夾結(jié)構(gòu)或十字架結(jié)構(gòu)在大腸桿菌細(xì)胞DNA中已有發(fā)現(xiàn).⒉與DNA堿基順序相關(guān)的特殊二級(jí)結(jié)構(gòu):

(2).鏡象結(jié)構(gòu)所謂鏡象結(jié)構(gòu)就是指DNA某一片段在一條鏈上出現(xiàn)顛倒重復(fù)的序列.（3）多嘌呤-多嘧啶的鏡象序列可形成三螺旋結(jié)構(gòu)(H-螺旋或Hoogsteen螺旋):該螺旋常處在許多真核細(xì)胞基因的表達(dá)調(diào)節(jié)區(qū).可能與基因表達(dá)的調(diào)節(jié)有關(guān).4.四鏈DNA：可能存在于真核細(xì)胞染色

體的端粒中。

3.DNA的三級(jí)結(jié)構(gòu)在細(xì)胞內(nèi)，由于DNA分子與其他分子（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)。超螺旋染色體（chromosome)病毒(virus)DNA超螺旋結(jié)構(gòu)的形成大多數(shù)的原核生物：共價(jià)封閉的環(huán)狀雙螺旋分子。DNA的超螺旋結(jié)構(gòu)：雙螺旋基礎(chǔ)上的螺旋化。（1）正超螺旋：盤(pán)繞方向與雙螺旋方向相同。（2）負(fù)超螺旋：盤(pán)繞方向與雙螺旋方向相反。DNA在真核細(xì)胞核內(nèi)的組裝核小體：由DNA和組蛋白構(gòu)成。（1）組蛋白核心

H2A、H2B、H3、H4(2)DNA：以負(fù)超螺旋纏繞在組蛋白核心上。（3）H1組蛋白在核小體之間。核小體結(jié)構(gòu)如圖所示:多級(jí)螺旋模型壓縮倍數(shù)76405（8400）

DNA→核小體→螺線(xiàn)管→超螺線(xiàn)管→染色單體

2nm10nm30(10)nm400nm2~10μm

一級(jí)包裝二級(jí)包裝三級(jí)包裝四級(jí)包裝動(dòng)物病毒切面模式圖

被膜（脂蛋白、碳水化合物）衣殼（蛋白質(zhì)）核酸突起（糖蛋白）病毒粒（DNA或RNA）

2.RNA的分子結(jié)構(gòu)1.RNA一級(jí)結(jié)構(gòu)及高級(jí)結(jié)構(gòu)的概念2.rRNA的分子結(jié)構(gòu)3.tRNA的分子結(jié)構(gòu)4.mRNA的分子結(jié)構(gòu)一、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)堿基組成A、G、C、U（A＝U/G≡C）稀有堿基較多，穩(wěn)定性較差，易水解多為單鏈結(jié)構(gòu)，少數(shù)局部形成螺旋分子較小分類(lèi)mRNA（hnRNA核不均一RNA）tRNArRNA（snRNA/asRNA）少數(shù)RNA病毒1.RNA一級(jí)結(jié)構(gòu)及高級(jí)結(jié)構(gòu)的概念

(一)

RNA的一級(jí)結(jié)構(gòu)：

組成RNA的核苷酸按特定序列通過(guò)3‘,5’—磷酸二酯鍵連接和排列順序的線(xiàn)性結(jié)構(gòu)。OHOHOH（二）RNA高級(jí)結(jié)構(gòu)：?jiǎn)捂淩NA自行盤(pán)繞形成局部雙螺旋的多“莖”多“環(huán)”結(jié)構(gòu)，螺旋部分稱(chēng)為“莖”或“臂”非螺旋部分稱(chēng)為“環(huán)”，在螺旋區(qū)，A與U配對(duì)，G與C配對(duì)。rRNA占RNA總量的80％原核生物真核生物核糖體rRNA核糖體rRNA30s70s50s16s5s、23s40s80s60s18s5s、5.8s、28stRNA占RNA總量的15％一種氨基酸對(duì)應(yīng)至少一種tRNA分子量25kd左右，大約由70－90個(gè)核苷酸組成，沉降系數(shù)為4S左右。堿基組成中有較多的稀有堿基分子中含有較多的修飾成分。3‘-末端都具有CpCpAOH的結(jié)構(gòu)。用來(lái)接受活化的氨基酸5‘末端為pGtRNA的二級(jí)結(jié)構(gòu)：三葉草形狀RNA三葉草型的二級(jí)結(jié)構(gòu)可分為：(四臂四環(huán)）氨基酸接受區(qū)、反密碼區(qū)、二氫尿嘧啶區(qū)、

TΨC區(qū)和可變區(qū)。每個(gè)區(qū)都含有一個(gè)突環(huán)和一個(gè)臂。

酵母tRNAAla

的二級(jí)結(jié)構(gòu)DHU環(huán)反密碼子反密碼環(huán)氨基酸臂可變環(huán)TψC環(huán)IGCAAlaCC3′5′識(shí)別氨酰tRNA合成酶反密碼子與密碼子配對(duì)決定氨基酸種類(lèi)識(shí)別核糖體分類(lèi)的重要指標(biāo)氨基酸接受區(qū)（三

）tRNA的

三級(jí)結(jié)構(gòu)：倒“L”形，所有的tRNA折疊后形成大小相似及三維構(gòu)象相似的三級(jí)結(jié)構(gòu)，這有利于攜帶的氨基酸的tRNA進(jìn)入核糖體的特定部位。如圖所示：氨基酸接受區(qū)：tRNA3′CCA-OH+HOOC-CH-NH2RtRNACCA-O-OC-CH-NH2RH2OtRNA的三級(jí)結(jié)構(gòu)tRNA的功能：活化、轉(zhuǎn)運(yùn)氨基酸到核糖體，參與蛋白質(zhì)的翻譯。1、分子較小，含較多的稀有堿基和非標(biāo)準(zhǔn)堿基配對(duì)2、5’端一般為鳥(niǎo)嘌呤核苷酸，3’端為CCA-OH3’。3、二級(jí)結(jié)構(gòu)為“三葉草”型（cloverleafpattern）小結(jié)反密碼環(huán)：反密碼環(huán)中部的三個(gè)堿基可以與mRNA的三聯(lián)體密碼形成堿基互補(bǔ)配對(duì)，解讀遺傳密碼，稱(chēng)為反密碼子（anticodon）。I(次黃嘌呤核苷酸)常出現(xiàn)于反密碼子中。氨基酸臂：3`末端的CCA-OH3`單鏈用于連接該tRNA轉(zhuǎn)運(yùn)的氨基酸。二氫尿嘧啶環(huán)（DHU）：識(shí)別氨酰-tRNA合成酶TΨC環(huán)：識(shí)別核蛋白體（核糖體）4、“倒L”型三級(jí)結(jié)構(gòu)mRNA

細(xì)胞總RNA的3％～5％，種類(lèi)多，分子大小不定不穩(wěn)定，半衰期短。原核生物mRNA特征：先導(dǎo)區(qū)+翻譯區(qū)（多順?lè)醋樱?末端序列順?lè)醋?是由順?lè)丛囼?yàn)所規(guī)定的遺傳單位，相當(dāng)于一個(gè)蛋白質(zhì)基因。5′3′順?lè)醋禹樂(lè)醋禹樂(lè)醋硬迦腠樞虿迦腠樞蛳葘?dǎo)區(qū)末端順序

5′端先導(dǎo)區(qū)：典型序列為5′－AGGAGGU（SD序列），多順?lè)醋?，代謝快。

MS2的mRNA結(jié)構(gòu)示意圖

5′3′

先導(dǎo)區(qū)A蛋白間隔外殼蛋白間隔復(fù)制酶末端序列序列序列序列序列真核生物mRNA的特征：

真核細(xì)胞mRNA的3‘-末端有一段長(zhǎng)達(dá)200個(gè)核苷酸左右的聚腺苷酸(polyA)，稱(chēng)為“尾結(jié)構(gòu)”，5’-末端有一個(gè)甲基化的鳥(niǎo)苷酸，稱(chēng)為”帽結(jié)構(gòu)“。帽子+單順?lè)醋?尾巴其他小分子RNA及RNA組學(xué)除了上述三種RNA外，細(xì)胞的不同部位存在的許多其他種類(lèi)的小分子RNA，統(tǒng)稱(chēng)為非mRNA小RNA(smallnon-messengerRNAs,snmRNAs),或非編碼蛋白質(zhì)的RNA(non-codingRNA,ncRNA)

。

種類(lèi)：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。功能：參與hnRNA和rRNA的加工和轉(zhuǎn)運(yùn)。ncRNA在在基因表達(dá)以及應(yīng)激信號(hào)傳導(dǎo)等方面起著重要的調(diào)節(jié)作用。因此，有人也將其稱(chēng)為調(diào)節(jié)RNA（regulatoryRNA）。

小片段干擾RNA（siRNA；又稱(chēng)“引導(dǎo)RNAs”，guideRNAs）：一些小的雙鏈RNA可以高效、特異的阻斷體內(nèi)特定基因表達(dá)，促使mRNA降解，誘使細(xì)胞表現(xiàn)出特定基因缺失的表型，稱(chēng)為RNA干擾（RNAinterference，RNAi，也譯作RNA干預(yù)或干涉）。它是體內(nèi)抵御外在感染的一種重要保護(hù)機(jī)制。RNA組學(xué):RNA組學(xué)研究細(xì)胞中snmRNAs的種類(lèi)、結(jié)構(gòu)和功能。同一生物體內(nèi)不同種類(lèi)的細(xì)胞、同一細(xì)胞在不同時(shí)間、不同狀態(tài)下snmRNAs的表達(dá)具有時(shí)間和空間特異性。

核酸的重要理化性質(zhì)

1.核酸的一般性質(zhì)2.核酸的兩性解離性質(zhì)3.核酸的紫外吸收性質(zhì)特性4.核酸的變性、復(fù)性和分子雜交一.物理性質(zhì)1、性狀：RNA及其組分核苷酸、核苷、嘌呤堿、嘧啶堿的純品都呈白色的粉末或結(jié)晶；DNA則為疏松的石棉一樣的纖維狀固體。2、溶解性：RNA和DNA都是極性的化合物，一般說(shuō)來(lái)，這些化合物都微溶于水，不溶于乙醇、乙醚、氯仿等有機(jī)溶劑。它們的鈉鹽易溶于水。3、粘性：核酸的水溶液粘度很大，粘度DNA大于RNA。核酸變性后，粘度下降。

DNP（DNA－蛋白）不溶(0.14mol/LNaCl)RNP（RNA－蛋白）溶

DNPPH=4.2溶解度最小

RNPPH=2~2.5溶解度最小

DNA50％乙醇沉淀

RNA75％乙醇沉淀

⑶重要顏色反應(yīng)D-核糖（RNA）＋地衣酚綠色化合物濃鹽酸，加熱D-脫氧核糖（DNA）＋二苯胺藍(lán)紫色化合物H+,加熱二、核酸的兩性電離與等電點(diǎn)

核酸的磷酸基具有酸性，堿基具有堿性，因此，核酸具有兩性電離的性質(zhì)。但核酸中磷酸基的酸性大于堿基的堿性，其等電點(diǎn)偏酸性。

DNA的pI約為4-5，

RNA的pI約為2.0-2.5，在pH7-8電泳時(shí)泳向正極。3.核酸的紫外吸收性質(zhì)（定性定量）

堿基具有共軛雙鍵，因此堿基、核苷、核苷酸和核酸在240～260nm（λmax=260nm

）的紫外波段均有強(qiáng)烈的光吸收。大于1.8，RNA污染雜蛋白或苯酚：明顯降低A260/A280的比值OD260的應(yīng)用DNA、RNA定量：OD260＝1.0相當(dāng)于50微克/毫升雙鏈DNA40微克/毫升單鏈DNA(或RNA)20微克/毫升寡核苷酸純DNA：A260/A280=1.8純RNA：A260/A280=2.0

判斷核酸樣品的純度：減色效應(yīng)——變性核酸在一定條件下復(fù)性時(shí)260nm紫外吸收減少的現(xiàn)象。（低色效應(yīng)）增色效應(yīng)——核酸變性（或降解）引起260nm紫外吸收增加的現(xiàn)象。（高色效應(yīng)）*增色效應(yīng)和減色效應(yīng)DNA的變性、復(fù)性與分子雜交DNA變性(denaturation)——DNA在變性因素作用下，分子中氫鍵斷裂，雙螺旋解開(kāi)，分子由雙螺旋結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變成單鏈無(wú)規(guī)線(xiàn)團(tuán)的現(xiàn)象。變性因素：超聲波、高溫、強(qiáng)酸、強(qiáng)堿、有機(jī)溶劑、尿素、酰胺等。DNA的變性過(guò)程加熱部分雙螺旋解開(kāi)無(wú)規(guī)則線(xiàn)團(tuán)鏈內(nèi)堿基配對(duì)核酸變性的本質(zhì)：雙鏈間氫鍵的斷裂。變性DNA的特征（1）、溶液粘度降低DNA雙螺旋是緊密的剛性結(jié)構(gòu)，變性后轉(zhuǎn)化成柔軟而松散的無(wú)規(guī)則單股線(xiàn)性結(jié)構(gòu)，因此粘度明顯下降。（2）、旋光性發(fā)生變化變性后整個(gè)DNA分子的對(duì)稱(chēng)性及分子構(gòu)型改變，使DNA溶液的旋光性發(fā)生變化。（3）、紫外吸收增強(qiáng)

增色效應(yīng)(hyperchromiceffect)DNA分子中堿基間電子的相互作用使DNA分子具有吸收260nm波長(zhǎng)紫外光的特性。在DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)中堿基藏入內(nèi)側(cè)，變性時(shí)DNA雙螺旋解開(kāi)，于是堿基外露，堿基中電子的相互作用更有利于紫外吸收，故而產(chǎn)生增色效應(yīng)。

若以溫度對(duì)DNA溶液的紫外吸光率作圖，得到的典型DNA變性曲線(xiàn)呈S型如圖所示?？梢?jiàn)DNA變性是在一個(gè)很窄的溫度范圍內(nèi)發(fā)生的。通常將核酸加熱變性過(guò)程中，紫外光吸收值達(dá)到最大值的50%時(shí)的溫度稱(chēng)為核酸的解鏈溫度，由于這一現(xiàn)象和結(jié)晶的融解相類(lèi)似，又稱(chēng)融解溫度(Tm,meltingtemperature)。在Tm時(shí)，核酸分子內(nèi)50%的雙螺旋結(jié)構(gòu)被破壞。熱變性G-C含量：Tm與G-C含量成正比。(G+C)%=(Tm－69.3)×2.44DNA所處的溶液條件：離子強(qiáng)度低，Tm低且范圍較寬；離子強(qiáng)度高，Tm高且范圍較窄。

DNA越長(zhǎng)，Tm越高，越純，相變范圍越小。大腸桿菌DNA在不同濃度KCl溶液下的熔融溫度曲線(xiàn)影響Tm值的主要因素：DNA的熱變性與復(fù)性(renaturation)復(fù)性—指經(jīng)加熱變性的DNA在適當(dāng)條件下，二條互補(bǔ)鏈全部或部分恢復(fù)到天然雙螺旋結(jié)構(gòu)的現(xiàn)象，它是變性的一種逆轉(zhuǎn)過(guò)程。退火—熱變性DNA一般經(jīng)緩慢冷卻后即可復(fù)性，此過(guò)程稱(chēng)之為

(annealing)。這一術(shù)語(yǔ)也用以描述雜交核酸分子的形成(見(jiàn)后)。復(fù)性DNA復(fù)性的影響因素1、溫度和時(shí)間：一般認(rèn)為比Tm低25℃左右的溫度是復(fù)性的最佳條件，越遠(yuǎn)離此溫度，復(fù)性速度就越慢。2、DNA濃度：溶液中DNA分子越多，相互碰撞結(jié)合的機(jī)會(huì)越大，有利于復(fù)性。3、DNA順序的復(fù)雜性

DNA的變性和復(fù)性原理，現(xiàn)已在醫(yī)學(xué)和生命科學(xué)上得到廣泛的應(yīng)用。如核酸雜交與探針技術(shù)，聚合酶鏈反應(yīng)(polymerasechainreaction,PCR)技術(shù)等。分子雜交在退火條件下，DNA單鏈與在某些區(qū)域有互補(bǔ)序列的異源DNA單鏈或RNA鏈形成雙螺旋結(jié)構(gòu)的過(guò)程。這樣形成的新分子稱(chēng)為雜交DNA分子。核酸的雜交在分子生物學(xué)