第三章 核酸的結(jié)構(gòu)與功能23

核酸的結(jié)構(gòu)和功能第三章StructureandFunctionofNucleicAcid10/18/20231第三章核酸的結(jié)構(gòu)和功能第二節(jié)DNA的空間結(jié)構(gòu)與功能第三節(jié)RNA的結(jié)構(gòu)與功能第一節(jié)核酸的化學(xué)組成及一級結(jié)構(gòu)第四節(jié)核酸的理化性質(zhì)、變性和復(fù)性及其應(yīng)用第五節(jié)核酸的分離與純化第六節(jié)核酸酶10/18/20232

核酸(nucleicacid):

由單核苷酸為基本單位組成的生

物大分子。是

生物遺傳的

物質(zhì)基礎(chǔ)。3核酸的分類脫氧核糖核酸（DNA）

核糖核酸（RNA）

核酸mRNAtRNA

rRNA4第一節(jié)核酸的化學(xué)組成及其一級結(jié)構(gòu)TheChemicalComponentandPrimaryStructureofNucleicAcid5一、核酸的化學(xué)組成1.

元素組成C、H、O、N、P（9~10%）2.

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)6核酸

單核苷酸

磷酸核苷（脫氧核苷）戊糖（脫氧戊糖）堿基（嘌呤堿、嘧啶堿）7嘌呤(purine)腺嘌呤(adenine,A)鳥嘌呤(guanine,G)（一）堿基8嘧啶(pyrimidine)胞嘧啶(cytosine,C)尿嘧啶(uracil,U)胸腺嘧啶(thymine,T)9DNARNA嘌呤M7GN6，N6-2m6AN6-m6AN6-m6AM7G嘧啶m5CDHUhm5CT核酸中部分稀有堿基10（二）戊糖（構(gòu)成RNA）1′2′3′4′5′核糖(ribose)（構(gòu)成DNA）脫氧核糖(deoxyribose)11核苷：AR,GRUR,CR脫氧核苷：dAR,dGR，dTR,dCR（三）核苷核苷(ribonucleoside)的形成堿基和核糖（脫氧核糖）通過糖苷鍵連接形成核苷（脫氧核苷）12核苷酸：AMP,GMP,UMP,CMP脫氧核苷酸：dAMP,dGMP,dTMP,dCMP

核苷（脫氧核苷）和磷酸以磷酸酯鍵連接形成核苷酸（脫氧核苷酸）。

（四）核苷酸(ribonucleotide)13重要的核苷酸衍生物含核苷酸的生物活性物質(zhì)：

NAD+、NADP+、CoA-SH、FAD等都含有AMP

多磷酸核苷酸：NMP，NDP，NTP環(huán)化核苷酸:cAMP，cGMPADPcAMP14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二、核酸的一級結(jié)構(gòu)核苷酸之間以磷酸二酯鍵連接形成多核苷酸鏈。核苷酸鏈具有方向性15AGP5

PTPGPCPTPOH3

書寫方法5

pApCpTpGpCpT-OH

3

5

ACTGCT

3

線條式文字式16第二節(jié)DNA的空間結(jié)構(gòu)與功能DimensionalStructureandFunctionofDNA17DNA的二級結(jié)構(gòu)-雙螺旋結(jié)構(gòu)DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的研究背景和歷史意義DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型要點(diǎn)DNA的超螺旋結(jié)構(gòu)及其在染色質(zhì)中的組裝DNA的超螺旋結(jié)構(gòu)原核生物DNA的高級結(jié)構(gòu)DNA在真核生物細(xì)胞核內(nèi)的組裝DNA的功能18一、DNA的二級結(jié)構(gòu)——雙螺旋結(jié)構(gòu)1953年，Waston和Crick提出了DNA分子結(jié)構(gòu)的雙螺旋模型即著名的沃森－克里克模型1989年美國科學(xué)家用“掃描隧道顯微鏡”首次觀察到DNA雙螺旋模型1990年，中國科學(xué)家白春禮用自己研制的“掃描隧道顯微鏡”首次觀察到三鏈狀脫氧核糖核酸，為生命信息研究又辟新途徑19一、DNA的二級結(jié)構(gòu)——雙螺旋結(jié)構(gòu)20（一）DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的研究背景堿基組成分析Chargaff

規(guī)則：[A]=

[T]

[G]

[C]堿基的理化數(shù)據(jù)分析A-T、G-C以氫鍵配對較合理

DNA纖維的X-線衍射圖譜分析21（二）DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型要點(diǎn)DNA分子由兩條相互平行但走向相反的脫氧多核苷酸鏈組成，兩鏈以-脫氧核糖-磷酸-為骨架，以右手螺旋方式繞同一公共軸盤。螺旋直徑為2nm，形成大溝(majorgroove)及小溝(minorgroove)相間。22堿基垂直螺旋軸居雙螺旋內(nèi)側(cè)，與對側(cè)堿基形成氫鍵配對（互補(bǔ)配對形式：A=T;G

C）。相鄰堿基平面距離0.34nm，螺旋一圈螺距3.4nm，一圈10對堿基。（二）DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型要點(diǎn)23堿基互補(bǔ)配對堿基配對模式24氫鍵維持雙鏈橫向穩(wěn)定性，堿基堆積力維持雙鏈縱向穩(wěn)定性。（二）DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型要點(diǎn)25堿基堆積力：嘌呤和嘧啶堿基形狀扁平，呈疏水性，分布于雙螺旋結(jié)構(gòu)的內(nèi)側(cè)，相鄰平面十分貼近，大量堿基層層堆積，從而使雙螺旋結(jié)構(gòu)內(nèi)部形成一個(gè)強(qiáng)大的疏水核心，與介質(zhì)中水分子分開26（三）DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的多樣性27二、DNA的超螺旋結(jié)構(gòu)及其在染色質(zhì)中組裝（一）DNA的超螺旋結(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(fù)超螺旋(negativesupercoil)盤繞方向與DNA雙螺旋方向相反28（一）DNA的超螺旋結(jié)構(gòu)a.松弛狀DNAb.解鏈環(huán)形DNAabcc.超螺旋DNA29（二）原核生物DNA是環(huán)狀超螺旋結(jié)構(gòu)30（三）DNA在真核生物細(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)。31

核心顆粒核小體連接區(qū)核心顆粒：由長146bp的雙螺旋DNA以超螺旋方式纏繞組蛋白八聚體1.8圈組成。連接區(qū)：由連接區(qū)DNA和組蛋白H1組成連接區(qū)DNA：連接相鄰兩個(gè)核心顆粒核小體的構(gòu)成

連接區(qū)DNA（約60bp）H1DNA（約146bp）組蛋白八聚體32組蛋白種類：H1、H2A、H2B、H3、H4組蛋白八聚體（核心組蛋白）：由各二分子H2A、H2B、H3、H4組成八聚體H1：位于連接區(qū)組蛋白（histone)33真核生物染色體DNA組裝不同層次的結(jié)構(gòu)染色體是由DNA和蛋白質(zhì)構(gòu)成的不同層次纏繞線和螺線管結(jié)構(gòu)34

DNA雙鏈以左手螺旋纏繞在組蛋白形成的八聚體核心上即核小體念珠狀結(jié)構(gòu)核小體鏈進(jìn)一步盤繞、折疊形成染色質(zhì)絲組成突環(huán)玫瑰花結(jié)螺線圈由螺線圈組裝成染色單體。真核生物的染色體的組裝過程：35DNA的基本功能是以基因的形式負(fù)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(gè)體生命活動的信息基礎(chǔ)。三、DNA的功能證明DNA是遺傳物質(zhì)的證據(jù)：1944年的肺炎球菌轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)1952年的噬菌體感染實(shí)驗(yàn)36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。

基因組（genome）是指來自一個(gè)遺傳體系的一整套遺傳信息。對原核生物而言即單個(gè)環(huán)狀染色體所含全部DNA；對于真核生物而言即指一個(gè)生物體的染色體所包含的全部DNA，常稱為染色體基因組。37StructureandFunctionofRNA第三節(jié)RNA的結(jié)構(gòu)與功能38RNA基本結(jié)構(gòu)是以磷酸二酯鍵連接而成的無分支線性多聚核苷酸鏈，主要有四種核苷酸（AMP、GMP、CMP、UMP）RNA分子較小，由數(shù)十個(gè)到數(shù)千個(gè)核苷酸組成，通常是單鏈線形分子，但可自身回折，在堿基互補(bǔ)區(qū)形成局部雙螺旋結(jié)構(gòu)RNA核糖環(huán)C－2位上有一游離羥基，使其化學(xué)性質(zhì)不如DNA穩(wěn)定，且可產(chǎn)生很多修飾成分，使主鏈復(fù)雜多樣的折疊結(jié)構(gòu)RNA特點(diǎn)39RNA的種類、分布、功能40*mRNA結(jié)構(gòu)特點(diǎn)1.大多數(shù)真核mRNA的5′末端均在轉(zhuǎn)錄后加上一個(gè)7-甲基鳥苷，同時(shí)第一個(gè)核苷酸的C′2也是甲基化，形成帽子結(jié)構(gòu)：m7GpppNm-。2.大多數(shù)真核mRNA的3′末端有一個(gè)多聚腺苷酸(polyA)結(jié)構(gòu)，稱為多聚A尾。一、信使RNA的結(jié)構(gòu)與功能41真核生物mRNA的帽子結(jié)構(gòu)5＇5＇42mRNA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43

轉(zhuǎn)錄核內(nèi)DNA遺傳信息的堿基排列順序，并攜帶至細(xì)胞質(zhì)，指導(dǎo)蛋白質(zhì)合成中的氨基酸排列順序。

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的功能44mRNA從5’－末端AUG（起始密碼子）開始每三個(gè)核苷酸決定多肽鏈上的一個(gè)氨基酸稱為三聯(lián)體密碼（Triplecode）或密碼子(Codon)為多肽鏈的編碼序列451.tRNA分子含有較多的稀有堿基含10%稀有堿基，如DHU假尿苷C-C二、轉(zhuǎn)運(yùn)RNA的結(jié)構(gòu)與功能46稀有堿基472.tRNA的二級結(jié)構(gòu)——三葉草形氨基酸臂

DHU環(huán)反密碼環(huán)額外環(huán)

TΨC環(huán)額外環(huán)氨基酸臂DHU環(huán)反密碼環(huán)環(huán)TΨC環(huán)反密碼子5＇額外環(huán)483.tRNA的三級結(jié)構(gòu)——倒L形*tRNA的功能搬運(yùn)氨基酸到核糖體和識別密碼子，參與蛋白質(zhì)的翻譯。49三、核蛋白體RNA的結(jié)構(gòu)與功能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。50*rRNA的種類（根據(jù)沉降系數(shù)）真核生物5SrRNA28SrRNA5.8SrRNA18SrRNA原核生物5SrRNA23SrRNA16SrRNA51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(gè)核苷酸18S1874個(gè)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(gè)核苷酸120個(gè)核苷酸28S5.8S5S4718個(gè)核苷酸160個(gè)核苷酸120個(gè)核苷酸蛋白質(zhì)31種占總重量的30%49種占總重量的35%52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的小分子RNA，統(tǒng)稱為非mRNA小RNA(smallnon-messengerRNAs,snmRNAs)。

snmRNAs53RNA組學(xué)研究細(xì)胞中snmRNAs的種類、結(jié)構(gòu)和功能。同一生物體內(nèi)不同種類的細(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。RNA組學(xué)54snmRNAs的種類核內(nèi)小RNA核仁小RNA胞質(zhì)小RNA催化性小RNA小片段干涉RNAsnmRNAs的功能參與hnRNA和rRNA的加工和轉(zhuǎn)運(yùn)。55核酸的理化性質(zhì)ThePhysicalandChemicalCharactersofNucleicAcid第四節(jié)56一、核酸的一般理化性質(zhì)571.DNA或RNA的定量OD260=1.0相當(dāng)于50μg/ml雙鏈DNA40μg/ml單鏈DNA（或RNA）20