小學(xué)教育核酸結(jié)構(gòu)性質(zhì)與功能

醫(yī)學(xué)分子生物學(xué)MolecularBiology分子生物學(xué):是從分子水平研究生命現(xiàn)象、生命的本質(zhì)、生命活動及其規(guī)律的科學(xué)。醫(yī)學(xué)分子生物學(xué):是從分子水平研究人體在正常和疾病狀態(tài)下生命活動及其規(guī)律的一門科學(xué)。它主要研究人體生物大分子和大分子體系的結(jié)構(gòu)、功能、相互作用及其同疾病發(fā)生、發(fā)展的關(guān)系。醫(yī)學(xué)分子生物學(xué)(供8年制及7年制臨床醫(yī)學(xué)等專業(yè)用)馮作化主編人民衛(wèi)生出版社(2005)2.醫(yī)學(xué)分子生物學(xué)(供研究生用)(全國高等醫(yī)藥院校教材)查錫良主編人民衛(wèi)生出版社(2003,2006)參考教材主要內(nèi)容核酸的結(jié)構(gòu)與功能基因組學(xué)、遺傳信息傳遞（DNA復(fù)制，RNA轉(zhuǎn)錄，蛋白質(zhì)合成）基因表達(dá)調(diào)控（原核生物基因表達(dá)調(diào)控，真核生物基因表達(dá)調(diào)控）分子生物學(xué)基本技術(shù)（雜交，PCR,DNA測序，基因克隆及工具酶基因診斷與基因治療基因是核酸分子中貯存遺傳信息的遺傳單位，是RNA和蛋白質(zhì)相關(guān)遺傳信息的基本存在形式。大部分生物中構(gòu)成基因的核酸是DNA,少數(shù)生物（如RNA病毒）是RNA。基因的現(xiàn)代分子生物學(xué)概念DNA和RNA的化學(xué)組成元素組成

C、H、

O、

N、

P（9-10%）分子組成

-堿基：嘌呤堿、

嘧啶堿

-戊糖：核糖、

脫氧核糖

-磷酸嘌呤(purine)腺嘌呤(adenine,A)鳥嘌呤(guanine,G)堿基嘧啶(pyrimidine)胞嘧啶(cytosine,C)尿嘧啶(uracil,U)胸腺嘧啶(thymine,T)核酸的結(jié)構(gòu)StructureofNucleicAcid一、核酸的一級結(jié)構(gòu)（primarystructure）

定義：核酸中核苷酸的排列順序。組成DNA分子的脫氧核糖核苷酸(dAMP,dGMP,dTMP,dCMP)的排列順序。組成RNA分子的核糖核苷酸(AMP,GMP,UMP,CMP)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′端核苷酸之間以3,5-磷酸二酯鍵(phosphoesterbond)連接形成多核苷酸鏈，即核酸。CGA書寫方法

堿基戊糖磷酸

堿基戊糖磷酸

嘌呤嘧啶DNAAGCT

脫氧核糖磷酸RNA AGCU

核糖磷酸N9N1C1‘

核苷糖苷鍵核苷酸（多為5’核苷酸）磷酸二酯鍵兩種核酸的比較DNA的結(jié)構(gòu)一、DNA的一級結(jié)構(gòu)

四種脫氧核糖核苷酸或四種堿基的排列順序稱為DNA的一級結(jié)構(gòu)。二、DNA的二級結(jié)構(gòu)（Secondarystructure）

---雙螺旋結(jié)構(gòu)(DoublehelixofDNA)

JamesWatsonandFrancisCrickproposedadoublehelixmodelofDNAin1953.DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型要點(diǎn)

1.兩條鏈反向平行(antiparallel)，圍繞同一中心軸構(gòu)成右手雙螺旋(doublehelix)。螺旋直徑2nm，表面有大溝和小溝。2.磷酸-脫氧核糖骨架位于螺旋外側(cè)，堿基垂直于螺旋軸而伸入內(nèi)側(cè)。每圈螺旋含10個堿基對

(basepairs,bp)，螺距為3.4nm。大溝小溝3.兩條鏈通過堿基間的氫鍵相連，A對T有兩個氫鍵，C對G有三個氫鍵，這種A-T、C-G配對的規(guī)律，稱為堿基互補(bǔ)規(guī)則。4.維持雙螺旋穩(wěn)定的因素：橫向為氫鍵，縱向為堿基間的堆積力。DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的多樣性Z型DNAB型DNAA型DNA右手螺旋左手螺旋三、DNA的高級結(jié)構(gòu)（三級結(jié)構(gòu)）

DNA分子在形成雙螺旋結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步折疊成超螺旋結(jié)構(gòu)

(supercoil)(原核細(xì)胞)，或在蛋白質(zhì)的參與下，進(jìn)行精密的包裝(真核細(xì)胞)。高度壓縮的DNA分子才能容納于細(xì)胞質(zhì)或細(xì)胞核中。原核生物(Prokaryotic)DNA的高級結(jié)構(gòu)

環(huán)狀雙螺旋分子，進(jìn)一步盤繞形成類核。超螺旋結(jié)構(gòu)(superhelix或supercoil)DNA雙螺旋鏈再盤繞即形成超螺旋結(jié)構(gòu)。

正超螺旋(positivesupercoil)盤繞方向與DNA雙螺旋方同相同。負(fù)超螺旋(negativesupercoil)盤繞方向與DNA雙螺旋方向相反。自然界的閉合雙鏈DNA主要以負(fù)超螺旋形式存在。意義DNA超螺旋結(jié)構(gòu)整體或局部的拓?fù)鋵W(xué)變化及其調(diào)控對于DNA復(fù)制和RNA轉(zhuǎn)錄過程具有關(guān)鍵作用。DNA在真核生物(Eukaryotic)細(xì)胞核內(nèi)的組裝真核生物染色體由DNA和蛋白質(zhì)構(gòu)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(約60bp)組蛋白H1八聚體核心組蛋白串珠狀核小體結(jié)構(gòu)真核生物染色體DNA組裝DNA的功能：是以基因的形式荷載遺傳信息，并作為基因復(fù)制和轉(zhuǎn)錄的模板。它是生命遺傳的物質(zhì)基礎(chǔ)，也是個體生命活動的信息基礎(chǔ)。基因從結(jié)構(gòu)上定義，是指DNA特定區(qū)段，其中核苷酸排列順序決定了基因的功能。

DNA攜帶遺傳信息結(jié)構(gòu)信息

DNA→RNA→蛋白質(zhì)調(diào)控信息特定的DNA區(qū)段與蛋白質(zhì)分子的識別、結(jié)合、控制基因復(fù)制和基因表達(dá)等有關(guān)。

基因的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)結(jié)構(gòu)基因定義：在基因片段中，貯存著一個特定的轉(zhuǎn)錄RNA分子的DNA序列，這段序列決定該RNA分子的一級結(jié)構(gòu)，就稱為結(jié)構(gòu)基因。

不同生物結(jié)構(gòu)基因特點(diǎn)1.原核生物結(jié)構(gòu)基因的特點(diǎn)結(jié)構(gòu)基因在DNA上是連續(xù)的2.真核生物結(jié)構(gòu)基因的特點(diǎn)結(jié)構(gòu)基因在DNA上是不連續(xù)的（斷裂基因）3.病毒結(jié)構(gòu)基因的特點(diǎn)有的是連續(xù)的，有的是間斷的，取決于其能夠侵染宿主。外顯子（exon)

結(jié)構(gòu)基因中在成熟RNA分子中保留的相對應(yīng)的序列內(nèi)含子(intron)

是指RNA分子剪接時刪除部分相對應(yīng)的結(jié)構(gòu)基因序列

基因轉(zhuǎn)錄調(diào)控序列定義：與轉(zhuǎn)錄相關(guān)的、結(jié)構(gòu)基因以外的序列原核生物基因的轉(zhuǎn)錄調(diào)控序列1.啟動子（promoter)

是RNA聚合酶特異性識別和結(jié)合的DNA序列，位于結(jié)構(gòu)基因轉(zhuǎn)錄起始點(diǎn)的上游。啟動子本身并不被轉(zhuǎn)錄。2.終止子是結(jié)構(gòu)基因3‘段下游的一段DNA序列，其中有GC富集區(qū)組成的反向重復(fù)序列，轉(zhuǎn)錄后在RNA分子中形成特殊的結(jié)構(gòu)以終止RNA鏈的延伸。3.操縱元件（operator)

操縱元件是被阻遏蛋白識別與結(jié)合的一小段DNA序列（阻遏蛋白與操縱元件結(jié)合后抑制下游結(jié)構(gòu)基因的轉(zhuǎn)錄）

4.正調(diào)控結(jié)合蛋白結(jié)合位點(diǎn)

在弱啟動子附近有一些特殊的DNA序列，轉(zhuǎn)錄激活蛋白可以識別并結(jié)合這種DNA序列，該蛋白可與RNA聚合酶作用，促進(jìn)轉(zhuǎn)錄的啟動。這種DNA序列就是正調(diào)控蛋白結(jié)合位點(diǎn)。

真核生物的轉(zhuǎn)錄調(diào)控序列

與轉(zhuǎn)錄調(diào)控有關(guān)的DNA序列成為順式作用元件（cis-actingelement),包括啟動子、上游啟動子元件、增強(qiáng)子、加尾信號和一些反應(yīng)元件等。啟動子

RNA聚合酶特異性識別和結(jié)合的DNA序列，多數(shù)位于結(jié)構(gòu)基因轉(zhuǎn)錄起始點(diǎn)的上游，啟動子本身不被轉(zhuǎn)錄，但有些啟動子（如tRNA啟動子）可以位于轉(zhuǎn)錄起始點(diǎn)的下游，這些DNA序列可以被轉(zhuǎn)錄。2.上游啟動子元件指TATA盒上游的一些特定的DNA序列（1）與TATA盒共同組成啟動子（2）是反式作用因子（轉(zhuǎn)錄激活蛋白）識別與結(jié)合的位點(diǎn)常見的上游啟動子元件CAAT盒：含有5’GGNCAATCT3’-80bp~-90bpCACA盒：含有5’GCCACACCC3’核心序列

-80bp~-90bp

（大多數(shù)真核生物基因具有）GC盒：含有5’CCGCC3’核心序列

-70bp和-120bp

（組成型基因具有）3.增強(qiáng)子（enhance）是一種較短的DNA序列，能夠被反式作用因子識別與結(jié)合。與增強(qiáng)子元件結(jié)合后能夠增強(qiáng)鄰近基因轉(zhuǎn)錄。位于轉(zhuǎn)錄起始點(diǎn)上游-100～

-300bp處。4.反應(yīng)元件一類能介導(dǎo)基因?qū)?xì)胞外的某種信號產(chǎn)生反應(yīng)的特異的DNA序列。特點(diǎn)：具有較短的保守序列通常位于啟動子附近，啟動子內(nèi)或增強(qiáng)子區(qū)域5.poly(A)信號真核生物基因除了調(diào)控轉(zhuǎn)錄起始的序列外，在結(jié)構(gòu)基因的3’端下游還有加尾信號，由AATAA序列和GT豐富區(qū)，或T豐富區(qū)組成。作用：終止mRNA轉(zhuǎn)錄和為其加上poly(A)尾。不同生物基因的基本結(jié)構(gòu)特點(diǎn)原核生物基因的基本結(jié)構(gòu)

5’-啟動子-結(jié)構(gòu)基因-轉(zhuǎn)錄終止子-3’操縱子（operon)

功能上相關(guān)聯(lián)的數(shù)個結(jié)構(gòu)基因串聯(lián)在一起，由一套轉(zhuǎn)錄調(diào)控序列控制其轉(zhuǎn)錄，構(gòu)成的基因表達(dá)單位。2.真核生物基因的基本結(jié)構(gòu)組成一個結(jié)構(gòu)基因+轉(zhuǎn)錄調(diào)控序列特點(diǎn)

mRNA多是單順反子（monocistron)例外

rRNA基因結(jié)構(gòu)是多順反子3.病毒基因的基本結(jié)構(gòu)特點(diǎn)很?。ê驼婧嘶蛳啾龋┮话銢]有內(nèi)含子調(diào)控序列較少有不規(guī)則基因不同生物體的基因組物種總DNA（kbp）染色體數(shù)基因數(shù)大腸桿菌463914405酵母12068166200線蟲9700012/1119000擬南芥1250001025500果蠅1800001813600水稻4800002457000小鼠25000004030000～35000人32000004630000～35000玉米300000020雞210000078DNA是生物遺傳信息的載體，并為基因復(fù)制和轉(zhuǎn)錄提供了模板。它是生命遺傳的物質(zhì)基礎(chǔ)，也是個體生命活動的信息基礎(chǔ)。DNA具有高度穩(wěn)定性，用來保持生物體系遺傳的相對穩(wěn)定性。同時，DNA又表現(xiàn)出高度復(fù)雜性的特點(diǎn)，它可以發(fā)生各種重組和突變，適應(yīng)環(huán)境的變遷，為自然選擇提供機(jī)會。

RNA的結(jié)構(gòu)與功能StructureandFunctionofRNARNA是DNA的轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物

RNA通常以單鏈線性形式存在，但是可以通過鏈內(nèi)的堿基互補(bǔ)配對形成局部的雙螺旋結(jié)構(gòu)，進(jìn)而形成三級結(jié)構(gòu)。與DNA相比，RNA的種類、大小、結(jié)構(gòu)以及穩(wěn)定性表現(xiàn)出了多樣化，這與它們的功能多樣化密切相關(guān)。RNA特點(diǎn)真核細(xì)胞內(nèi)主要RNA的種類和功能種類細(xì)胞定位功能信使RNAmessengerRNA(mRNA)細(xì)胞核、細(xì)胞質(zhì)、線粒體蛋白質(zhì)的合成模板非均一核RNAheterogeneousnuclearRNA(hnRNA)細(xì)胞核成熟mRNA的前體轉(zhuǎn)運(yùn)RNA

transferRNA(tRNA)細(xì)胞核、細(xì)胞質(zhì)、線粒體轉(zhuǎn)運(yùn)氨基酸核糖體RNA

ribosomalRNA(rRNA)細(xì)胞核、細(xì)胞質(zhì)、線粒體構(gòu)成核糖體非編碼小RNAsmallnon-codingRNA(sncRNA)細(xì)胞核、細(xì)胞質(zhì)參與hnRNA的剪接和轉(zhuǎn)運(yùn)、rRNA加工、基因表達(dá)調(diào)控等一、信使RNA含有氨基酸編碼序列

-------作為蛋白質(zhì)合成的模板hnRNA內(nèi)含子(intron)mRNAmRNA成熟過程

外顯子(exon)*mRNA結(jié)構(gòu)特點(diǎn)1.真核mRNA的5′末端在轉(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(jié)構(gòu)：m7GpppNm-。2.真核mRNA的3′末端有一個多聚腺苷酸(polyA)結(jié)構(gòu)，稱為多聚A尾。

真核mRNA的5-末端7-甲基鳥嘌呤核苷帽狀結(jié)構(gòu)及核糖甲基化mRNA核內(nèi)向胞質(zhì)的轉(zhuǎn)移mRNA的穩(wěn)定性維系翻譯起始的調(diào)控帽子結(jié)構(gòu)和多聚A尾的功能DNAmRNA蛋白轉(zhuǎn)錄翻譯原核細(xì)胞細(xì)胞質(zhì)細(xì)胞核DNA內(nèi)含子外顯子轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)錄后剪接轉(zhuǎn)運(yùn)mRNAhnRNA翻譯蛋白真核細(xì)胞mRNA含有氨基酸密碼子

mRNA的功能是轉(zhuǎn)錄核內(nèi)編碼蛋白質(zhì)信息的DNA堿基排列順序，并攜帶至細(xì)胞質(zhì)，指導(dǎo)蛋白質(zhì)合成。mRNA分子從5-末端的第一個AUG(起始密碼子)開始，每3個核苷酸為一組，決定肽鏈上一個氨基酸，稱為三聯(lián)體密碼或密碼子(codon)。位于起始密碼子和終止密碼子之間的核苷酸序列稱為開放閱讀框(openreadingframe，ORF)，可讀框內(nèi)的核苷酸序列決定了多肽鏈的氨基酸序列。一條完整的mRNA包括5-非編碼區(qū)、編碼區(qū)和3-非編碼區(qū)。編碼區(qū)包括起始密碼子、編碼氨基酸的序列和終止密碼子。tRNA的一級結(jié)構(gòu)特點(diǎn)含稀有堿基較多3′末端為-CCA-OH二、轉(zhuǎn)運(yùn)RNA(TransferRNA,tRNA)----氨基酸的攜帶者，轉(zhuǎn)運(yùn)氨基酸至核糖體，參與蛋白質(zhì)的合成。（一）

tRNA分子含有稀有堿基含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(yùn)RNA含有接納氨基酸和mRNA識別序列氨基酸臂額外環(huán)（二）tRNA有“三葉草”樣二級結(jié)構(gòu)和倒“L”形三級結(jié)構(gòu)ＴψＣ環(huán)氨基酸臂DHU環(huán)反密碼環(huán)氨基酸臂額外環(huán)有些氨基酸只有一種tRNA作為載體，而另外的一些氨基酸則需要幾種tRNA作為載體。

（三）tRNA有識別mRNA密碼的反密碼子*tRNA的功能活化、搬運(yùn)氨基酸到核糖體，參與蛋白質(zhì)的翻譯。*rRNA的結(jié)構(gòu)三、核蛋白體RNA(RibosomalRNA,rRNA)*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。*rRNA的種類（根據(jù)沉降系數(shù)）

真核生物

5SrRNA28SrRNA5.8SrRNA18SrRNA

原核生物

5SrRNA23SrRNA16SrRNA（一）原核、真核rRNA分子質(zhì)量不同核糖體(ribosomes)的組成原核生物真核生物小亞基30S40SrRNA16S18S蛋白質(zhì)21種33種大亞基50S60SrRNA23S5S28S5.8S5S蛋白質(zhì)33種49種核糖體70S80S核糖體的組成原核生物（以大腸桿菌為例）真核生物（以小鼠肝為例）小亞基30S40SrRNA16S1542個核苷酸18S1874個核苷酸蛋白質(zhì)21種占總重量的40%33種占總重量的50%大亞基50S60SrRNA23S5S2940個核苷酸120個核苷酸28S5.85S5S4718個核苷酸160個核苷酸120個核苷酸蛋白質(zhì)31種占總重量的30%49種占總重量的35%18SrRNA的二級結(jié)構(gòu)

rRNA與核糖體蛋白質(zhì)共同構(gòu)成核糖體，是蛋白質(zhì)生物合成的場所：為肽鏈合成所需要的mRNA、tRNA、多種蛋白因子提供了相互結(jié)合的位點(diǎn)和相互作用的空間環(huán)境。（三）rRNA參與組成的核糖體是蛋白質(zhì)翻譯的場所四、非信使小RNA具有多樣性除了上述三種RNA外，細(xì)胞內(nèi)存在的許多其他種類的小分子RNA，統(tǒng)稱為非信使小RNA(smallnon-messengerRNAs,snmRNAs)。

snmRNAs非編碼RNA(non-codingRNA)專指那些具有調(diào)節(jié)作用的小RNA，如siRNA、miRNA等。snmRNAs的種類核內(nèi)小RNA（smallnuclearRNA，snRNA）核仁小RNA（smallnucleolarRNA，snoRNA）胞質(zhì)小RNA（smallcytoplasmicRNA，scRNA）催化性小RNA（smallcatalyticRNA）小干擾RNA（smallinterferingRNA,siRNA）微RNA（microRNA，miRNA）等在hnRNA和rRNA的轉(zhuǎn)錄后加工、轉(zhuǎn)運(yùn)中發(fā)揮作用，有的參與基因表達(dá)調(diào)控等；是現(xiàn)代生物學(xué)研究的新領(lǐng)域。真核細(xì)胞內(nèi)重要的snmRNAs種類英文名稱生物學(xué)功能核內(nèi)小RNAsmallnuclearRNA(snRNA)參與hnRNA剪接，包括U1、U2、U4、U5、U6核仁小RNAsmallnucleolarRNA(snoRNA)參與rRNA核糖C-2’的甲基化胞質(zhì)小RNAsmallcytoplamsicRNA(scRNA)催化小RNAsmallcatalyticRNARNA剪接，包括核酶等小干擾RNAsmallinterferenceRNA(siRNA)參與轉(zhuǎn)錄后調(diào)節(jié)；對外源入侵RNA基因的切割（一）核內(nèi)小RNA與核糖核蛋白結(jié)合共同參與mRNA前體加工snRNA長度（nt）剪接hnRNA的靶位點(diǎn)U1U2U4U5

U6U7165189145115106635-端內(nèi)含子腺苷酸分支點(diǎn)5端，補(bǔ)充分支點(diǎn)轉(zhuǎn)酯化反應(yīng)，3剪接點(diǎn)，使外顯子連接轉(zhuǎn)酯化反應(yīng)組蛋白H3前體的mRNA3末端裂解高等真核細(xì)胞snRNA的特征

（二）催化性小RNA參與RNA剪接加工

一些小RNA分子具有催化特定RNA降解的活性，在RNA合成后的剪接中具有重要作用。這種具有催化作用的小RNA亦被稱為核酶(ribozyme)或催化性RNA(catalyticRNA)。（三）核仁小RNA參與rRNA甲基化修飾（四）小干擾RNA特異阻斷體內(nèi)同源基因的表達(dá)核酸的理化性質(zhì)ThePhysicalandChemicalCharactersofNucleicAcid核酸的酸堿及溶解度性質(zhì)核酸為多元酸，具有較強(qiáng)的酸性。可與金屬離子成鹽，不溶于乙醇或異丙醇一、核酸具備多種基本物理化學(xué)性質(zhì)核酸中的糖苷鍵和磷酸酯鍵都能被酸、堿和酶水解。（一）核酸可被酸、堿水解（二）核酸是兩性分子堿基可發(fā)生互變異構(gòu)堿基在體液環(huán)境中以堿性解離為主核酸分子是酸性化合物（三）核酸溶液具有高分子性質(zhì)黏滯度：DNA〉RNAdsDNA〉ssDNA沉降系數(shù)：溶液中的核酸在離心力場中可下沉。DNA分子經(jīng)反復(fù)盤曲形成超螺旋后，其沉降系數(shù)增加，超螺旋松解后其沉降系數(shù)減小。（四）核酸具有紫外線吸收特性核酸的紫外吸收（OD260）

單核苷酸〉ssDNA（或RNA）〉dsDNA

腺嘌呤1.DNA或RNA的定量A260=1.0相當(dāng)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:A260/A280=1.8RNA純品:A260/A280=2.0A260的應(yīng)用二、核酸變性、復(fù)性是很多分子生物學(xué)技術(shù)操作的基礎(chǔ)定義：核酸的變性（denaturation）指DNA雙螺旋之間的氫鍵斷裂變成單鏈、或RNA局部氫鍵斷裂變成線性單鏈結(jié)構(gòu)的過程（一）核酸變性是雙鏈解離為單鏈的過程方法：過量酸，堿，加熱，變性試劑如尿素以及某些有機(jī)溶