核酸的結(jié)構(gòu)與功能

核酸的分類及分布存在于細胞核和線粒體

分布于細胞核、細胞質(zhì)、線粒體(deoxyribonucleicacid,DNA)(ribonucleicacid,RNA)脫氧核糖核酸

核糖核酸攜帶遺傳信息，并通過復(fù)制傳遞給下一代是DNA轉(zhuǎn)錄的產(chǎn)物，參與遺傳信息的復(fù)制與表達。某些病毒RNA也可作為遺傳信息的載體目前一頁\總數(shù)九十八頁\編于一點第一節(jié)核酸的化學組成及其一級結(jié)構(gòu)TheChemicalComponentandPrimaryStructureofNucleicAcid目前二頁\總數(shù)九十八頁\編于一點核酸(DNA和RNA)核苷酸核苷和脫氧核苷磷酸戊糖堿基嘌呤嘧啶核糖脫氧核糖核酸組成

目前三頁\總數(shù)九十八頁\編于一點分子組成堿基(base)：嘌呤堿，嘧啶堿戊糖(ribose)：核糖，脫氧核糖磷酸(phosphate)一、核苷酸是構(gòu)成核酸的基本組成單位目前四頁\總數(shù)九十八頁\編于一點堿基(base)是含氮的雜環(huán)化合物堿基嘌呤嘧啶腺嘌呤鳥嘌呤尿嘧啶胸腺嘧啶胞嘧啶存在于DNA和RNA中僅存在于RNA中僅存在于DNA中堿基目前五頁\總數(shù)九十八頁\編于一點嘌呤(purine，Pu)

腺嘌呤(adenine,A)鳥嘌呤(guanine,G)目前六頁\總數(shù)九十八頁\編于一點嘧啶(pyrimidine，Py)胞嘧啶(cytosine,C)尿嘧啶(uracil,U)胸腺嘧啶(thymine,T)目前七頁\總數(shù)九十八頁\編于一點堿基的互變異構(gòu)體

目前八頁\總數(shù)九十八頁\編于一點戊糖（構(gòu)成RNA）1′2′3′4′5′核糖(ribose)（構(gòu)成DNA）脫氧核糖(deoxyribose)目前九頁\總數(shù)九十八頁\編于一點脫氧核苷嘌呤N-9或嘧啶N-1與脫氧核糖C-1通過β-N-糖苷鍵相連形成脫氧核苷(deoxyribonucleoside)。糖苷鍵:-C-NH2-目前十頁\總數(shù)九十八頁\編于一點

嘌呤N-9或嘧啶N-1與核糖C-1通過β-N-糖苷鍵相連形成核苷(ribonucleoside)。核苷NNNN9NH2OOHOHHHHCH2OHH1'2'糖苷鍵目前十一頁\總數(shù)九十八頁\編于一點核苷或脫氧核苷與磷酸通過酯鍵結(jié)合構(gòu)成核苷酸(ribonucleotide)或脫氧核苷酸(deoxyribonucleotide)。核苷酸(ribonucleotide)NNNN9NH2OOHOHHHHCH2H1'2'OPO-HOO糖苷鍵酯鍵目前十二頁\總數(shù)九十八頁\編于一點多磷酸核苷酸目前十三頁\總數(shù)九十八頁\編于一點環(huán)化核苷酸：cAMP、cGMP，是細胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo)中的第二信使。cAMP核苷酸衍生物目前十四頁\總數(shù)九十八頁\編于一點二、DNA是脫氧核苷酸通過3’,5’-磷酸二酯鍵連接形成的大分子一個脫氧核苷酸3的羥基與另一個核苷酸5的α-磷酸基團縮合形成磷酸二酯鍵(phosphodiesterbond)。

多個脫氧核苷酸通過磷酸二酯鍵構(gòu)成了具有方向性的線性分子，稱為多聚脫氧核苷酸(polydeoxynucleotide)，即DNA鏈。目前十五頁\總數(shù)九十八頁\編于一點5′-末端3′-末端CGA磷酸二酯鍵磷酸二酯鍵目前十六頁\總數(shù)九十八頁\編于一點交替的磷酸基團和戊糖構(gòu)成了DNA的骨架(backbone)DNA鏈的方向是5

→3目前十七頁\總數(shù)九十八頁\編于一點三、RNA是具有3’,5’-磷酸二酯鍵的線性大分子RNA也是多個核苷酸分子通過酯化反應(yīng)形成的線性大分子，并且具有方向性；RNA的戊糖是核糖；RNA的嘧啶是胞嘧啶和尿嘧啶。目前十八頁\總數(shù)九十八頁\編于一點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四、核酸的一級結(jié)構(gòu)是核苷酸的排列順序目前十九頁\總數(shù)九十八頁\編于一點AGP5PTPGPCPTPOH3書寫方法：5pApCpTpGpCpT-OH

35ACTGCT

3目前二十頁\總數(shù)九十八頁\編于一點核酸分子的大小常用堿基(base或kilobase)數(shù)目來表示。小的核酸片段(<50bp)常被稱為寡核苷酸(oligonucleotide)。自然界中的DNA和RNA的長度可以高達幾十萬個堿基。

核酸大小的表示法目前二十一頁\總數(shù)九十八頁\編于一點DNA和RNA的區(qū)別核糖G、C、A、URNA脫氧核糖G、C、A、TDNA堿基核糖核酸目前二十二頁\總數(shù)九十八頁\編于一點第二節(jié)DNA的空間結(jié)構(gòu)與功能DimensionalStructureandFunctionofDNA目前二十三頁\總數(shù)九十八頁\編于一點DNA的空間結(jié)構(gòu)又分為二級結(jié)構(gòu)(secondarystructure)和高級結(jié)構(gòu)。DNA的空間結(jié)構(gòu)(spatialstructure)構(gòu)成DNA的所有原子在三維空間具有確定的相對位置關(guān)系。目前二十四頁\總數(shù)九十八頁\編于一點一、DNA的二級結(jié)構(gòu)是雙螺旋結(jié)構(gòu)目前二十五頁\總數(shù)九十八頁\編于一點不同生物種屬的DNA的堿基組成不同同一個體的不同器官或組織的DNA堿基組成相同。[A]=[T]，[G]=[C]Chargaff規(guī)則（一）DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的研究背景獲得了高質(zhì)量的DNA分子的X射線衍射照片提出了DNA分子雙螺旋結(jié)構(gòu)(doublehelix)模型目前二十六頁\總數(shù)九十八頁\編于一點AGCTA/TG/CG+C嘌呤/嘧啶大腸桿菌26.024.925.223.91.090.9950.11.04結(jié)核桿菌15.134.935.414.61.030.9970.31.00酵母31.718.317.432.60.971.0535.71.00牛29.021.221.228.71.011.0042.41.01豬29.820.720.729.11.021.0041.41.01人30.419.919.930.11.011.0039.81.01不同生物來源DNA堿基組分和相對比例目前二十七頁\總數(shù)九十八頁\編于一點兩條多聚核苷酸鏈在空間的走向呈反向平行(anti-parallel)。兩條鏈圍繞著同一個螺旋軸形成右手螺旋(right-handed)的結(jié)構(gòu)。雙螺旋結(jié)構(gòu)的直徑為2.37nm，螺距為3.54nm。脫氧核糖和磷酸基團組成的親水性骨架位于雙螺旋結(jié)構(gòu)的外側(cè)，疏水的堿基位于內(nèi)側(cè)。雙螺旋結(jié)構(gòu)的表面形成了一個大溝(majorgroove)和一個小溝(minorgroove)。（二）DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型要點1.DNA是反向平行、右手螺旋的雙鏈結(jié)構(gòu)目前二十八頁\總數(shù)九十八頁\編于一點目前二十九頁\總數(shù)九十八頁\編于一點親水性的骨架位于雙鏈的外側(cè)。疏水性的堿基位于雙鏈的內(nèi)側(cè)。骨架與堿基目前三十頁\總數(shù)九十八頁\編于一點2.DNA雙鏈之間形成了互補堿基對堿基配對關(guān)系稱為互補堿基對(complementarybasepair)。DNA的兩條鏈則互為互補鏈(complementarystrand)。堿基對平面與螺旋軸垂直。目前三十一頁\總數(shù)九十八頁\編于一點堿基互補配對:鳥嘌呤/胞嘧啶目前三十二頁\總數(shù)九十八頁\編于一點堿基互補配對:腺嘌呤/胸腺嘧啶目前三十三頁\總數(shù)九十八頁\編于一點大溝與小溝目前三十四頁\總數(shù)九十八頁\編于一點相鄰兩個堿基對會有重疊，產(chǎn)生了疏水性的堿基堆積力(basestackinginteraction)。堿基堆積力和互補堿基對的氫鍵共同維系著DNA結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。3.疏水作用力和氫鍵共同維系著DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。目前三十五頁\總數(shù)九十八頁\編于一點堿基堆積作用力目前三十六頁\總數(shù)九十八頁\編于一點（三）DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的多樣性目前三十七頁\總數(shù)九十八頁\編于一點旋向螺距(nm)堿基數(shù)（每圈）螺旋直徑（nm）骨架走行存在條件A型右手2.3112.5平滑體外脫水B型右手3.4102.3平滑DNA生理條件Z型左手4.5121.8鋸齒型CG序列三種DNA構(gòu)型的比較目前三十八頁\總數(shù)九十八頁\編于一點（四）DNA的多鏈螺旋結(jié)構(gòu)在酸性的溶液中，胞嘧啶的N-3原子被質(zhì)子化，可與鳥嘌呤的N-7原子形成氫鍵；同時，胞嘧啶的N-4的氫原子也可與鳥嘌呤的O-6形成氫鍵，這種氫鍵被稱為Hoogsteen氫鍵。Hoogsteen氫鍵Hoogsteen氫鍵，不破壞Watson-Crick氫鍵，由此形成了C＋GC的三鏈結(jié)構(gòu)(triplex)。目前三十九頁\總數(shù)九十八頁\編于一點二、DNA的高級結(jié)構(gòu)是超螺旋結(jié)構(gòu)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。負超螺旋(negativesupercoil)盤繞方向與DNA雙螺旋方向相反。目前四十頁\總數(shù)九十八頁\編于一點原核生物DNA多為環(huán)狀，以負超螺旋的形式存在，平均每200堿基就有一個超螺旋形成。目前四十一頁\總數(shù)九十八頁\編于一點DNA超螺旋結(jié)構(gòu)的電鏡圖象目前四十二頁\總數(shù)九十八頁\編于一點（二）真核生物DNA的高度有序和高度致密的結(jié)構(gòu)真核生物DNA以非常有序的形式存在于細胞核內(nèi)。在細胞周期的大部分時間里，DNA以松散的染色質(zhì)(chromatin)形式存在，在細胞分裂期，則形成高度致密的染色體(chromosome)。目前四十三頁\總數(shù)九十八頁\編于一點DNA染色質(zhì)呈現(xiàn)出的串珠樣結(jié)構(gòu)。染色質(zhì)的基本單位是核小體(nucleosome)。DNA染色質(zhì)的電鏡圖像目前四十四頁\總數(shù)九十八頁\編于一點DNA：約200bp組蛋白：H1H2A，H2BH3H4核小體的組成目前四十五頁\總數(shù)九十八頁\編于一點核小體串珠樣的結(jié)構(gòu)目前四十六頁\總數(shù)九十八頁\編于一點雙鏈DNA的折疊和組裝蛋白質(zhì)目前四十七頁\總數(shù)九十八頁\編于一點DNA經(jīng)過多次折疊，被壓縮了8000～10000倍，組裝在直徑只有為數(shù)微米的細胞核內(nèi)。目前四十八頁\總數(shù)九十八頁\編于一點真核生物的染色體目前四十九頁\總數(shù)九十八頁\編于一點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(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。三、DNA是遺傳信息的物質(zhì)基礎(chǔ)目前五十頁\總數(shù)九十八頁\編于一點第三節(jié)

RNA的結(jié)構(gòu)與功能StructureandFunctionofRNA目前五十一頁\總數(shù)九十八頁\編于一點RNA與蛋白質(zhì)共同負責基因的表達和表達過程的調(diào)控。RNA通常以單鏈的形式存在，但有復(fù)雜的局部二級結(jié)構(gòu)或三級結(jié)構(gòu)。RNA比DNA小的多。RNA的種類、大小和結(jié)構(gòu)遠比DNA表現(xiàn)出多樣性。目前五十二頁\總數(shù)九十八頁\編于一點RNA的種類、分布、功能目前五十三頁\總數(shù)九十八頁\編于一點信使RNA(messengerRNA,mRNA)是合成蛋白質(zhì)的模板。不均一核RNA(hnRNA)含有內(nèi)含子(intron)和外顯子(exon)。外顯子是氨基酸的編碼序列，而內(nèi)含子是非編碼序列。hnRNA經(jīng)過剪切后成為成熟的mRNA。一、mRNA是蛋白質(zhì)合成中的模板目前五十四頁\總數(shù)九十八頁\編于一點hnRNA內(nèi)含子(intron)mRNAmRNA成熟過程

外顯子(exon)目前五十五頁\總數(shù)九十八頁\編于一點從AUG開始，每三個核苷酸為一組編碼了一個氨基酸，稱為三聯(lián)體密碼(codon)。成熟的mRNA由氨基酸編碼區(qū)和非編碼區(qū)構(gòu)成。5-末端的帽子(cap)結(jié)構(gòu)和3-末端的多聚A尾(poly-Atail)結(jié)構(gòu)。成熟的真核生物mRNA目前五十六頁\總數(shù)九十八頁\編于一點帽子結(jié)構(gòu):m7GpppNm（一）大部分真核細胞mRNA的5'末端都以7-甲基鳥嘌呤-三磷酸核苷為起始結(jié)構(gòu)

mRNA的帽結(jié)構(gòu)可以與帽結(jié)合蛋白(capbindingprotein，CBP)結(jié)合。目前五十七頁\總數(shù)九十八頁\編于一點真核生物的mRNA的3-末端轉(zhuǎn)錄后加上一段長短不一的聚腺苷酸。（二）在真核生物mRNA的3'末端有多聚腺苷酸結(jié)構(gòu)目前五十八頁\總數(shù)九十八頁\編于一點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(jié)構(gòu)和多聚A尾的功能目前五十九頁\總數(shù)九十八頁\編于一點（三）mRNA依照自身的堿基順序指導(dǎo)蛋白質(zhì)氨基酸順序的合成從mRNA分子5'末端起的第一個AUG開始，每3個核苷酸為一組稱為密碼子(codon)或三聯(lián)體密碼(tripletcode)。

AUG被稱為起始密碼子；決定肽鏈終止的密碼子則稱為終止密碼子。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)，決定了多肽鏈的氨基酸序列。目前六十頁\總數(shù)九十八頁\編于一點（四）mRNA的成熟過程是hnRNA的剪接過程卵清蛋白mRNA的成熟目前六十一頁\總數(shù)九十八頁\編于一點轉(zhuǎn)運RNA(transferRNA,tRNA)在蛋白質(zhì)合成過程中作為各種氨基酸的載體,將氨基酸轉(zhuǎn)呈給mRNA。由74～95核苷酸組成；占細胞總RNA的15%；具有很好的穩(wěn)定性。二、tRNA是蛋白質(zhì)合成中的氨基酸載體目前六十二頁\總數(shù)九十八頁\編于一點（一）tRNA中含有多種稀有堿基目前六十三頁\總數(shù)九十八頁\編于一點tRNA具有局部的莖環(huán)(stem-loop)結(jié)構(gòu)或發(fā)卡(hairpin)結(jié)構(gòu)。（二）tRNA具有莖環(huán)結(jié)構(gòu)tRNA的二級結(jié)構(gòu)——三葉草形氨基酸臂DHU環(huán)反密碼環(huán)TψC環(huán)附加叉目前六十四頁\總數(shù)九十八頁\編于一點tRNA的倒L三級結(jié)構(gòu)目前六十五頁\總數(shù)九十八頁\編于一點tRNA的3-末端都是以CCA結(jié)尾。3-末端的A與氨基酸共價連結(jié)，tRNA成為了氨基酸的載體。不同的tRNA可以結(jié)合不同的氨基酸。（三）tRNA的3-末端連接氨基酸目前六十六頁\總數(shù)九十八頁\編于一點tRNA的反密碼子環(huán)上有一個由三個核苷酸構(gòu)成的反密碼子(anticodon)。tRNA上的反密碼子依照堿基互補的原則識別mRNA上的密碼子。（四）tRNA的反密碼子識別mRNA的密碼子目前六十七頁\總數(shù)九十八頁\編于一點核蛋白體RNA(ribosomalRNA，rRNA)是細胞內(nèi)含量最多的RNA(>80％)。rRNA與核蛋白體蛋白結(jié)合組成核蛋白體(ribosome)，為蛋白質(zhì)的合成提供場所。三、以rRNA為組分的核蛋白體是蛋白質(zhì)合成的場所目前六十八頁\總數(shù)九十八頁\編于一點核蛋白體的組成原核生物（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%目前六十九頁\總數(shù)九十八頁\編于一點大腸桿菌的核蛋白體目前七十頁\總數(shù)九十八頁\編于一點18S

rRNA的二級結(jié)構(gòu)目前七十一頁\總數(shù)九十八頁\編于一點蛋白質(zhì)合成時形成的復(fù)合體目前七十二頁\總數(shù)九十八頁\編于一點RNA組學

是研究細胞內(nèi)snmRNA的種類、結(jié)構(gòu)和功能。同一生物體內(nèi)不同種類的細胞、同一細胞在不同時空狀態(tài)下snmRNAs表達譜的變化，以及與功能之間的關(guān)系。四、snmRNA參與了基因表達的調(diào)控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目前七十三頁\總數(shù)九十八頁\編于一點核內(nèi)小RNA核仁小RNA胞質(zhì)小RNA催化性小RNA小片段干涉RNA

參與hnRNA的加工剪接snmRNAs的種類snmRNAs的功能目前七十四頁\總數(shù)九十八頁\編于一點核酶某些小RNA分子具有催化特定RNA降解的活性，這種具有催化作用的小RNA亦被稱為核酶(ribozyme)或催化性RNA(catalyticRNA)。目前七十五頁\總數(shù)九十八頁\編于一點siRNA是生物宿主對外源侵入的基因表達的雙鏈RNA進行切割所產(chǎn)生的特定長度和特定核酸序列的小片段RNA。siRNA可以與外源基因表達的mRNA相結(jié)合，并誘發(fā)這些mRNA的降解?；诖藱C理，人們發(fā)明了RNA干擾(RNAinterference，RNAi)技術(shù)。小片段干擾RNA目前七十六頁\總數(shù)九十八頁\編于一點原核生物基因表達的特異性五、核酸在真核細胞和原核細胞中表現(xiàn)了不同的時空特性目前七十七頁\總數(shù)九十八頁\編于一點真核生物基因表達的特異性目前七十八頁\總數(shù)九十八頁\編于一點核酸的理化性質(zhì)ThePhysicalandChemicalCharactersofNucleicAcid第四節(jié)目前七十九頁\總數(shù)九十八頁\編于一點核酸的酸堿及溶解度性質(zhì)核酸為多元酸，具有較強的酸性。核酸的高分子性質(zhì)粘度：DNA>RNAdsDNA>ssDNA沉降行為:不同構(gòu)象的核酸分子的沉降的速率有很大差異，這是超速離心法提取和純化核酸的理論基礎(chǔ)。目前八十頁\總數(shù)九十八頁\編于一點核酸在波長260nm處有強烈的吸收，是由堿基的共軛雙鍵所決定的。這一特性常用作核酸的定性和定量分析。一、核酸分子具有強烈的紫外吸收目前八十一頁\總數(shù)九十八頁\編于一點堿基的紫外吸收光譜目前八十二頁\總數(shù)九十八頁\編于一點DNA或RNA的定量A260=1.0相當于50μg/ml雙鏈DNA(dsDNA)40μg/ml單鏈DNA(ssDNAorRNA)20μg/ml寡核苷酸確定樣品中核酸的純度

純DNA:A260/A280=1.8

純RNA:A260/A280=2.0紫外吸收的應(yīng)用目前八十三頁\總數(shù)九十八頁\編于一點二、DNA變性是雙鏈解離為單鏈的過程在某些理化因素作用下，DNA雙鏈解開成兩條單鏈的過程。定義DNA變性的本質(zhì)是雙鏈間氫鍵的斷裂。目前八十四頁\總數(shù)九十八頁\編于一點協(xié)同性的DNA解鏈高溫或極端的pHDNA的變性目前八十五頁\總數(shù)九十八頁\編于一點部分變性DNA的電鏡圖像目前八十六頁\總數(shù)九十八頁\編于一點增色效應(yīng)(hyperchromiceffect)：DNA變性時其溶液OD260增高的現(xiàn)象。DNA解鏈時的紫外吸收變化目前八十七頁\總數(shù)九十八頁\編于一點DNA的解鏈曲線連續(xù)加熱DNA的過程中以溫度相對于A260值作圖，所得的曲線稱為解鏈曲線。

解鏈過程中，紫外吸光度的變化達到最大變化值的一半時所對應(yīng)的溫度。解鏈溫度(meltingtemperature，Tm)目前八十八頁\總數(shù)九十八頁\編于一點G+C含量越高，解鏈溫度就越高。解鏈曲線的變化目前八十九頁\總數(shù)九十八頁\編于一點三、變性的核酸可以復(fù)性或形成雜交雙鏈當變性條件緩慢地除去后，兩條解離的互補鏈可重新配對，恢復(fù)原來的雙螺旋結(jié)構(gòu)，這一現(xiàn)象稱為DNA復(fù)性(renaturation)。減色效應(yīng)：DNA復(fù)性時，其溶液OD260降低。熱變性的DNA經(jīng)緩慢冷卻后即可復(fù)性，這一過程稱為退火(annealing)。目前九十頁\總數(shù)九十八頁\編于一點不同種類的DNA單鏈分子或RNA分子放