核酸的結構與功能本

核酸的結構與功能本第1頁，共75頁，2023年，2月20日，星期五第一節(jié)核酸的分子組成第二節(jié)核酸的分子結構第三節(jié)核酸的理化性質第四節(jié)核酸酶第2頁，共75頁，2023年，2月20日，星期五脫氧核糖核酸（deoxyribonucleicacid,DNA）－細胞核、線粒體－攜帶遺傳信息核糖核酸（ribonucleicacid,RNA）

－細胞質、細胞核－遺傳信息表達和蛋白質合成某些病毒攜帶遺傳信息核酸（nucleicacid，NA）p41第3頁，共75頁，2023年，2月20日，星期五

1928年英國FredGriffith肺炎球菌實驗

探索遺傳物質核酸研究的歷史p41

1868年瑞士FriedrichMiescher

發(fā)現(xiàn)核酸（肺炎敗血癥）（檢到活S菌株）第4頁，共75頁，2023年，2月20日，星期五1944年Avery等肺炎球菌轉化實驗DNA功能的認識

p41第5頁，共75頁，2023年，2月20日，星期五1952年Hershey、Chase噬菌體感染細菌實驗證實DNA是遺傳信息的攜帶者p41第6頁，共75頁，2023年，2月20日，星期五第一節(jié)核酸的分子組成核酸元素組成：C、H、O、N、P（9～10％）p41第7頁，共75頁，2023年，2月20日，星期五核酸(DNA和RNA)核苷酸核苷磷酸戊糖堿基嘌呤嘧啶核糖脫氧核糖p41核苷酸一、核酸的基本組成單位——核苷酸（nucleotide）（nucleoside）第8頁，共75頁，2023年，2月20日，星期五嘌呤（purine）A（adenine）G（guanine）嘧啶（pyrimidine）C（cytosine）T（thymine）U（uracil）稀有堿基甲基化衍生物1.堿基第9頁，共75頁，2023年，2月20日，星期五p42—CH3—CH3OH5-甲基胞嘧啶5-羥甲基胞嘧啶假尿嘧啶核苷次黃嘌呤二氫尿嘧啶7-甲基鳥嘌呤第10頁，共75頁，2023年，2月20日，星期五DNA戊糖：

-D-2脫氧核糖2.戊糖RNA戊糖：

-D核糖核酸中的戊糖均為-呋喃型p42第11頁，共75頁，2023年，2月20日，星期五

-Ｄ-2脫氧核糖Ｈ

-Ｄ核糖p43第12頁，共75頁，2023年，2月20日，星期五3.核苷戊糖的C1-OH與嘧啶N1或嘌呤N9

上的-H脫水相連形成核苷戊糖的原子編號加’p43第13頁，共75頁，2023年，2月20日，星期五4.核苷酸核苷中戊糖的C5’-OH與磷酸縮合形成5’核苷酸（NMP）進一步結合磷酸可形成NDP、NTPp43第14頁，共75頁，2023年，2月20日，星期五常見的核苷酸/脫氧核苷酸（NMP/dNMP）第15頁，共75頁，2023年，2月20日，星期五核苷酸可形成環(huán)化形式，參與細胞內代謝調節(jié)和跨膜信號轉導p44第16頁，共75頁，2023年，2月20日，星期五連接方式：3’-OH和5’-磷酸形成

3’,5’-磷酸二酯鍵方向性：5’-磷酸末端（頭端）

3’-OH末端（尾端）習慣書寫：按5’3’方向二、多核苷酸的連接及表示方式p45第17頁，共75頁，2023年，2月20日，星期五p45第18頁，共75頁，2023年，2月20日，星期五第二節(jié)核酸的分子結構一級結構（primarystructure）：核酸分子的核苷酸序列。二級結構（secondarystructure）：核酸中規(guī)則、穩(wěn)定的局部空間結構。三級結構（tertiarystructure）：在二級結構的基礎上進一步形成高級結構，如超螺旋結構。p45第19頁，共75頁，2023年，2月20日，星期五一、核酸的一級結構遺傳信息儲存于DNA分子的核苷酸排列順序，也就是堿基序列。2003年4月14日，美、英、法、日、意、中同時宣布：人類30億堿基DNA序列已測定出來p45第20頁，共75頁，2023年，2月20日，星期五DNA分子攜帶2類遺傳信息：1.有功能活性的序列可通過轉錄指導RNA的合成，其中

mRNA可指導蛋白質合成2.調控序列能被蛋白質分子識別和結合，調控基因的表達p45第21頁，共75頁，2023年，2月20日，星期五DNA的甲基化DNA分子中，某些堿基可以通過加上一個甲基而被修飾，稱為DNA的甲基化。原核生物：對酶切位點修飾，防止DNA被降解真核生物：通常發(fā)生在CG二核苷酸序列的C上，調控基因表達（多抑制基因表達）意義：“CG島”：基因組中存在的成簇、穩(wěn)定的CG重復序列，其特征：①CG含量高；②大部分非甲基化；③位于多數(shù)管家基因5’端調控區(qū)第22頁，共75頁，2023年，2月20日，星期五雙螺旋(doublehelix)結構模型1953年，JamesWatson&FrancisCrick二、DNA的空間結構與功能p46（一）DNA的二級結構第23頁，共75頁，2023年，2月20日，星期五1.DNA雙螺旋結構的研究基礎Chargaff規(guī)則1.A=T，G=C2.不同種屬的DNA堿基組成不同3.同一個體不同器官組織的堿基組成相同F(xiàn)ranklin&Wilkins的X線衍射圖譜顯示DNA是螺旋形分子p46第24頁，共75頁，2023年，2月20日，星期五

①DNA分子是由兩條多核苷酸單鏈以相反的方向互相纏繞形成的右手螺旋結構；雙螺旋表面有大溝和小溝。2.DNA雙螺旋結構模型的要點：p46第25頁，共75頁，2023年，2月20日，星期五大溝小溝p46第26頁，共75頁，2023年，2月20日，星期五②

雙螺旋的直徑為2.4nm，每個螺旋含10.5個堿基對，高度約3.54nm；親水的糖-磷酸骨架位于螺旋外側；疏水的堿基位于螺旋內側，堿基平面與螺旋長軸垂直。p46第27頁，共75頁，2023年，2月20日，星期五p463.54nm1.2nm第28頁，共75頁，2023年，2月20日，星期五③

兩條鏈通過堿基間的氫鍵連接，遵從堿基互補配對原則，即：A-T（形成兩個氫鍵）G-C（形成三個氫鍵）。p46第29頁，共75頁，2023年，2月20日，星期五④

維持DNA雙螺旋結構穩(wěn)定的因素為氫鍵和堿基堆積力（即疏水作用）。p46第30頁，共75頁，2023年，2月20日，星期五第31頁，共75頁，2023年，2月20日，星期五3.DNA雙螺旋結構具有多樣性

螺距（nm）殘基數(shù)直徑（nm）螺旋方向

A型(75%,Na)2.86112.3右旋B型(92%,Na)3.5410.52.4

右旋C型(66%,Li)3.089.331.9右旋D/Rhybrid2.558.5Z型4.0121.8左旋（解鏈和調控）p47第32頁，共75頁，2023年，2月20日，星期五ABZ表面結構的變化對DNA與蛋白質的相互作用有重要意義第33頁，共75頁，2023年，2月20日，星期五4.DNA的多鏈螺旋結構三鏈結構：T*A/T配對，C+*G/C配對“*”為Hoogsteen氫鍵四鏈結構：真核生物線性DNA3’-端GT重復序列的G間以“*”氫鍵連接p48第34頁，共75頁，2023年，2月20日，星期五DNA在細胞內以雙螺旋為基礎進一步旋轉折疊形成超螺旋結構（supercoiledstructure），稱為DNA三級結構。*雙螺旋繞數(shù)減少引起的稱負超螺旋*雙螺旋繞數(shù)增加引起的稱正超螺旋（二）DNA的三級結構——超螺旋結構p49超螺旋意義：①體積壓縮②影響雙螺旋的解鏈程序及與其它分子的作用第35頁，共75頁，2023年，2月20日，星期五雙螺旋旋轉過度，通過整體左旋來解去過度的螺旋正超螺旋

左旋負超螺旋

右旋雙螺旋右旋不足，部分堿基不能配對,通過整體右旋補足第36頁，共75頁，2023年，2月20日，星期五松弛型超螺旋部分解鏈閉環(huán)DNA：都以負超螺旋形式存在常見于細菌質粒、某些病毒、線粒體DNA等p50第37頁，共75頁，2023年，2月20日，星期五真核生物線性DNA：形成核小體是常見的三級結構形式p50第38頁，共75頁，2023年，2月20日，星期五核小體:10nm×6nm，盤狀小顆粒，由核小體核心和連接區(qū)組成核小體核心：

組蛋白H2A、H2B、H3、H4各2

分子組成的八聚體，表面繞有146堿基對（basepair,bp),3

以1-圈DNA正超螺旋組成

4連接區(qū)：

組蛋白H1和約20-80bpDNA鏈連結p50第39頁，共75頁，2023年，2月20日，星期五

核小體彼此相連成串珠狀染色質細絲，進一步螺旋化形成中空的線圈狀螺線管，每圈螺旋由6個核小體組成，即染色質纖維。再進一步盤曲、折疊形成染色單體。p50第40頁，共75頁，2023年，2月20日，星期五第41頁，共75頁，2023年，2月20日，星期五三、RNA的結構和功能RNA的結構特點：①基本單位：4種核糖核苷酸，含稀有堿基②基本結構鍵：3’,5’-磷酸二酯鍵③二級結構：單鏈，有局部雙螺旋（發(fā)夾結構）④遵循堿基配對原則U-A、C-G配對，但不嚴格，存在U-G⑤分子?。簬资畘2萬個NMPp51第42頁，共75頁，2023年，2月20日，星期五RNA的骨架結構第43頁，共75頁，2023年，2月20日，星期五按RNA的結構和功能不同分類：*

信使RNA（mRNA）*轉運RNA（tRNA）*核糖體RNA（rRNA）*核內不均一RNA（hnRNA）*核小RNA（snRNA）p52第44頁，共75頁，2023年，2月20日，星期五（一）信使RNA

從DNA轉錄遺傳信息，可作為蛋白質生物合成的模板的RNA稱為信使RNA（messengerRNA,mRNA）。含量最少（1~5%）；種類最多（幾萬種）；大小差異大（500-20000個base）；壽命短。p52第45頁，共75頁，2023年，2月20日，星期五1.真核生物mRNA結構的特點（1）5’-末端有帽子（cap）結構：m7Gppp

轉錄后加的，同時第2、3位核苷酸的2’-OH也被甲基化。意義：保護和促進翻譯的作用。N2N3N4p53第46頁，共75頁，2023年，2月20日，星期五（2）3’-末端有多聚腺苷酸的尾（polyAtail)20-200個核苷酸，轉錄后無模板添加。

意義：維持mRNA的穩(wěn)定性和翻譯模板活性。（3）分子中可能有修飾堿基：如m6Ap53第47頁，共75頁，2023年，2月20日，星期五（4）分子中有編碼區(qū)/可讀框（openreadingframe,ORF）和非編碼區(qū)/非翻譯區(qū)（untranslatedregion,UTR）：

5’端UTR：有翻譯信號

3’端UTR：有時富AU序列，可能與mRNA不穩(wěn)定有關p53第48頁，共75頁，2023年，2月20日，星期五2.原核生物mRNA結構的特點（1）多順反子即1分子mRNA編碼幾種蛋白質；兩端有

UTR，編碼序列之間有間隔序列，可被核糖體識別、結合（2）5’端無帽子結構，3’端無多聚腺苷酸尾（3）一般無修飾堿基p53第49頁，共75頁，2023年，2月20日，星期五（二）轉運RNA轉運RNA（transferRNA,tRNA）的作用是在蛋白質合成過程中按照mRNA指定的順序將氨基酸運送到核糖體進行肽鏈的合成。p53第50頁，共75頁，2023年，2月20日，星期五（1）占15%左右，分子量最?。?3-93核苷酸）（2）含較多稀有堿基：（7-15個/分子）多為堿基的甲基化產(chǎn)物。意義：

*防止堿基對形成，易與其他分子反應；

*增加疏水性，便于結合酶及核糖體tRNA的共同特征：p53第51頁，共75頁，2023年，2月20日，星期五第52頁，共75頁，2023年，2月20日，星期五G（3）5’末端多為pG，3’-末端都是-CCAp53第53頁，共75頁，2023年，2月20日，星期五（4）

tRNA的二級結構形狀類似于三葉草4個環(huán)，4個臂p54第54頁，共75頁，2023年，2月20日，星期五*

與5SrRNA結合*真核起始tRNA為

AΨCG或AUCGp54第55頁，共75頁，2023年，2月20日，星期五（5）tRNA的三級結構呈倒L型維持三級結構的力量：氫鍵、堿基堆積力、非標準配對、核糖2’羥基形成的氫鍵p54第56頁，共75頁，2023年，2月20日，星期五

含量最多，約占RNA總量80%；有特定二級結構，也可形成三級結構。（三）核糖體RNA

核糖體RNA（ribosomalRNA,rRNA）與核糖體蛋白共同構成核糖體（ribosome），是蛋白質合成的場所，起“裝配機”的作用。p54第57頁，共75頁，2023年，2月20日，星期五原核生物16SrRNA的二級結構第58頁，共75頁，2023年，2月20日，星期五34種50種p54第59頁，共75頁，2023年，2月20日，星期五（四）細胞內其他RNA1.具有催化活性的RNAP551982年，Cech等，原生動物四膜蟲26SrRNA的剪接成熟過程在沒有蛋白質（酶）的條件下可進行自我剪接。這種有催化作用的RNA被稱為核酶（ribozyme）。第60頁，共75頁，2023年，2月20日，星期五p55

（1）長鏈非編碼RNA（lncRNA）：＞200nt2.其他非編碼RNA（non-codingRNA，ncRNA）

結構類似mRNA但無可讀框在轉錄起始、轉錄后等水平調控基因表達參與分化發(fā)育、物質代謝及腫瘤、神經(jīng)疾病發(fā)生等第61頁，共75頁，2023年，2月20日，星期五

核小RNA（snRNA）：U1，2，4，5，6

核質，參與mRNA剪接核仁小RNA（snoRNA）：U16，24

核仁，參與rRNA前體的甲基化質內小RNA（scRNA）：胞質，參與形成信號識別顆粒，引導含信號肽的蛋白質進入內質網(wǎng)微小RNA（miRNA）小干擾RNA（siRNA）（2）短鏈（?。┓蔷幋aRNA（sncRNA）：＜200ntp55第62頁，共75頁，2023年，2月20日，星期五特點miRNAsiRNA前體內源性發(fā)夾結構的轉錄產(chǎn)物內源或外源雙鏈RNA（dsRNA）誘導產(chǎn)生結構22nt左右的單鏈分子22nt左右的雙鏈分子加工酶Dicer或類似Dicer的酶復合體Dicer功能與蛋白質組成RISC，抑制翻譯與蛋白質組成RISC，降解mRNA（RNAi）作用位點mRNA的3’-UTRmRNA的任何部位靶mRNA結合不需完全互補需完全互補生物學效應調控分化發(fā)育過程抑制轉座子活性和病毒感染p56第63頁，共75頁，2023年，2月20日，星期五一、核酸的一般理化性質

第三節(jié)核酸的理化性質p57

核酸為兩性電解質，含酸性的磷酸基及含氮堿基，酸性較強，酸性條件下穩(wěn)定核酸屬大分子，粘度大核酸提取困難：

DNA易斷裂，RNA易被降解第64頁，共75頁，2023年，2月20日，星期五

堿基含共軛雙鍵，有吸收紫外線的性質，最大吸收峰在260nm處，可進行定性、定量分析。二、紫外吸收p57第65頁，共75頁，2023年，2月20日，星期五50μg雙鏈DNA40μgRNA33μg單鏈DNAA260=1.0相當于：紫外吸收的應用1.核酸的定量2.判斷核酸樣品的純度純DNA：A260/A280=1.8純RNA：A260/A280=2.0p57第66頁，共75頁，2023年，2月20日，星期五三、核酸的變性、復性和雜交*DNA雙鏈堿基之間的氫鍵屬次級鍵，易被破壞*氫鍵的形成是自由能降低的過程，可自發(fā)形成DNA變性和復性的基礎：p57第67頁，共75頁，2023年，2月20日，星期五

維持DNA雙螺旋穩(wěn)定的堿基堆積力和氫鍵被破壞，導致