1、第二章第二章核酸的结构与功能核酸的结构与功能Structure and Function of Nucleic Acidn核核 酸酸(nucleic acid)(nucleic acid)是以是以核苷酸核苷酸为基本组成单位的生物大为基本组成单位的生物大分子，分子，携带和传递遗传信息携带和传递遗传信息。元素组成：元素组成：C、H、O、N、Pn核酸的分类及分布核酸的分类及分布存在存在于于细胞核细胞核和和线粒体线粒体 分布于细胞核、分布于细胞核、细胞质细胞质、线粒体、线粒体(deoxyribonucleic acid,DNA)(ribonucleic acid,RNA)脱氧核糖核酸脱氧核糖核酸 核糖
2、核酸核糖核酸携带遗传信息，决定细胞和个体携带遗传信息，决定细胞和个体的基因型的基因型(genotype)。遗传信息的载体遗传信息的载体是是DNA转录的产物转录的产物,传递遗传信息传递遗传信息RNA也可作为遗传信息的载体也可作为遗传信息的载体第一节第一节核酸的化学组成及其一级结构核酸的化学组成及其一级结构The Chemical Component and Primary Structure of Nucleic Acid核酸核酸(DNA和和RNA)核苷酸核苷酸核苷和脱氧核苷核苷和脱氧核苷磷酸磷酸戊糖戊糖碱基碱基嘌呤嘌呤嘧啶嘧啶核糖核糖脱氧核糖脱氧核糖n核酸组成核酸组成 一、核苷酸是构成核酸的基
3、本组成单位一、核苷酸是构成核酸的基本组成单位 碱基碱基(base)：嘌呤碱，嘧啶碱：嘌呤碱，嘧啶碱 戊糖戊糖(ribose)：核糖，脱氧核糖：核糖，脱氧核糖磷酸磷酸(phosphate)核苷酸核苷酸核苷核苷核苷酸分子组成核苷酸分子组成:碱基碱基(base)是含氮的杂环化合物。是含氮的杂环化合物。碱基碱基嘌呤嘌呤嘧啶嘧啶腺嘌呤腺嘌呤A鸟嘌呤鸟嘌呤G尿嘧啶尿嘧啶U胸腺嘧啶胸腺嘧啶T胞嘧啶胞嘧啶C存在于存在于DNA和和RNA中中仅存在于仅存在于RNA中中仅存在于仅存在于DNA中中n碱基碱基嘌呤嘌呤(purine，Pu)NNNHN123456789NNNHNNH2腺嘌呤腺嘌呤(adenine,A)NN
4、HNHNNH2O鸟嘌呤鸟嘌呤(guanine,G)NNH132456嘧啶嘧啶(pyrimidine，Py)胞嘧啶胞嘧啶(cytosine,C)NNHNH2O尿嘧啶尿嘧啶(uracil,U)NHNHOO胸腺嘧啶胸腺嘧啶(thymine,T)NHNHOOCH3n戊糖戊糖（构成（构成RNA）1 2 3 4 5 OHOCH2OHOHOH核糖核糖(ribose)（构成（构成DNA）OHOCH2OHOH脱氧核糖脱氧核糖(deoxyribose)n核苷核苷NNNN9NH2OOHOHHHHCH2OHH12糖苷键糖苷键嘌呤嘌呤N-9 或或嘧啶嘧啶N-1与与核糖核糖C-1 通过通过糖苷键糖苷键相连相连形成核苷。形
5、成核苷。核苷与磷酸通过核苷与磷酸通过酯键酯键结合构成核苷酸结合构成核苷酸n核苷酸核苷酸(ribonucleotide)NNNN9NH2OO HO HHHHCH2H1 2OPO-HOO糖苷键糖苷键酯键酯键核苷酸：核苷酸：AMP,GMP,UMP,CMP脱氧核苷酸：脱氧核苷酸：dAMP,dGMP,dTMP,dCMP 体内重要的游离核苷酸及其衍生物体内重要的游离核苷酸及其衍生物 含核苷酸的生物活性物质：NAD+、NADP+、CoA-SH、FAD 等都含有 AMPl 多磷酸核苷酸：多磷酸核苷酸：NMP，NDP，NTPl 环化核苷酸环化核苷酸:cAMP，cGMPNOCH2OOHOHNNNNH2POOHOH
6、NOCH2OOHOHNNNNH2POOHOPOOHOHNOCH2OOHOHNNNNH2POOHOPOOHOPOOHOHNOCH2OOHONNNNH2POOHNADP+NAD+二、二、DNA是脱氧核苷酸通过是脱氧核苷酸通过3 ,5 -磷酸二酯磷酸二酯键连接形成的大分子键连接形成的大分子一个脱氧核苷酸一个脱氧核苷酸3-OH与另一个脱氧核苷酸与另一个脱氧核苷酸5-Pi缩合缩合形成形成3 ,5 -磷酸二酯键磷酸二酯键。多个脱氧核苷酸通过多个脱氧核苷酸通过磷酸二酯键磷酸二酯键构成了具有构成了具有方向性的线性分子，称为多聚脱氧核苷酸，即方向性的线性分子，称为多聚脱氧核苷酸，即DNA链。链。5-末末端端3-
7、末末端端C CG GA A磷酸二酯键磷酸二酯键磷酸二酯键磷酸二酯键三、三、RNA也是具有也是具有3,5-磷酸二酯磷酸二酯键的线性大分子键的线性大分子 RNA也是多个核苷酸分子通过酯化反应形也是多个核苷酸分子通过酯化反应形成的线性大分子，并且具有方向性；成的线性大分子，并且具有方向性；RNA的戊糖是的戊糖是核糖核糖；RNA的嘧啶是的嘧啶是胞嘧啶和尿嘧啶胞嘧啶和尿嘧啶。四、核酸的四、核酸的一级结构一级结构n定义定义核酸中核酸中核苷酸的排核苷酸的排列顺序列顺序，即，即碱基序列碱基序列。A A G G P P5 5 P P T T P PG G P PC C P PT T P P OH 3OH 3 n
8、书写方法：书写方法：5 5 p pA Ap pC Cp pT Tp pG Gp pC Cp pT T-OHOH 3 3 5 5 A C T G C TA C T G C T 3 3 nDNA和和RNA的区别的区别核糖核糖 G、C、A、URNA脱氧核糖脱氧核糖 G、C、A、TDNA碱基碱基核糖核糖核酸核酸第二节第二节DNA的空间结构与功能的空间结构与功能Dimensional Structure and Function of DNA一、一、DNA的二级结构是双螺旋结构的二级结构是双螺旋结构 Chargaff Chargaff 规则的碱基组成分析规则的碱基组成分析 碱基的理化数据分析碱基的理化数
9、据分析A-T、G-C以以氢键配对较合理氢键配对较合理 DNA DNA纤维的纤维的X-X-线衍射图谱分析线衍射图谱分析 （一）（一）DNA双螺旋结构的研究背景双螺旋结构的研究背景A=T；G=C两条多聚核苷酸链在空间的走向呈两条多聚核苷酸链在空间的走向呈反向平行反向平行。两条链围绕两条链围绕着同一个螺旋轴形成着同一个螺旋轴形成右手螺旋右手螺旋的结构。双螺旋结构的的结构。双螺旋结构的直径直径为为2nm，螺距为螺距为3.4nm。脱氧核糖和磷酸基团组成的亲水性骨架位于双螺旋结构的脱氧核糖和磷酸基团组成的亲水性骨架位于双螺旋结构的外侧外侧，疏水的碱基位于，疏水的碱基位于内侧内侧。双螺旋结构的表面形成了一个
10、双螺旋结构的表面形成了一个大沟大沟和一个和一个小沟小沟。（二）（二）DNA双螺旋结构模型要点双螺旋结构模型要点1.DNA是反向平行、右手螺旋的双链结构是反向平行、右手螺旋的双链结构2.DNA双链之间形成了互补碱基对双链之间形成了互补碱基对 碱 基 配 对 关 系 称 为 互 补 碱 基 对碱 基 配 对 关 系 称 为 互 补 碱 基 对(complementary base pair)。D N A 的 两 条 链 则 互 为 互 补 链的 两 条 链 则 互 为 互 补 链(complementary strand)。碱基对平面与螺旋轴垂直。碱基对平面与螺旋轴垂直。相邻两个碱基对会有重叠，产
11、生了疏水性的相邻两个碱基对会有重叠，产生了疏水性的碱基堆积力碱基堆积力(base stacking interaction)。碱基堆积力碱基堆积力(主要主要)和互补碱基对的氢键共同和互补碱基对的氢键共同维系着维系着DNA结构的稳定。结构的稳定。3.疏水作用力和氢键共同维系着疏水作用力和氢键共同维系着DNA双螺旋双螺旋结构的稳定。结构的稳定。（三）（三）DNA双螺旋结构的多样性双螺旋结构的多样性二、二、DNA的高级结构是超螺旋结构的高级结构是超螺旋结构超螺旋结构超螺旋结构(superhelix 或或supercoil)DNA双螺旋链再盘绕即形成超螺旋结构。双螺旋链再盘绕即形成超螺旋结构。正超螺旋
12、正超螺旋(positive supercoil)盘绕方向与盘绕方向与DNA双螺旋方同相同。双螺旋方同相同。负超螺旋负超螺旋(negative supercoil)盘绕方向与盘绕方向与DNA双螺旋方向相反。双螺旋方向相反。（一）原核生物（一）原核生物DNA的环状超螺旋结构的环状超螺旋结构原核生物原核生物DNA多为环状，以负超螺旋的形多为环状，以负超螺旋的形式存在，平均每式存在，平均每200碱基就有一个超螺旋形成。碱基就有一个超螺旋形成。nDNA超螺旋结构的电镜图象超螺旋结构的电镜图象（二）真核生物（二）真核生物DNA的高度有序和高度致密的高度有序和高度致密的结构的结构 真核生物真核生物DNA以非
13、常有序的形式存在于细胞以非常有序的形式存在于细胞核内。核内。在细胞周期的大部分时间里，在细胞周期的大部分时间里，DNA以松散的以松散的染色质染色质(chromatin)形式存在，在细胞分裂期，形式存在，在细胞分裂期，则形成高度致密的染色体则形成高度致密的染色体(chromosome)。DNA染色质呈现出的串珠样结构。染色质呈现出的串珠样结构。染色质的基本单位是染色质的基本单位是核小体核小体(nucleosome)。nDNA染色质的电镜图像染色质的电镜图像l核小体结构图核小体结构图l核小体的折叠及染色体组装核小体的折叠及染色体组装2nm 11nm30nm300nm1400nm700nm逐级盘曲折
14、叠逐级盘曲折叠真核生物真核生物DNA在细胞核内的组装在细胞核内的组装 DNA的基本功能是以基因的形式荷载遗传信的基本功能是以基因的形式荷载遗传信息，并作为基因复制和转录的模板。它是息，并作为基因复制和转录的模板。它是生生命遗传的物质基础命遗传的物质基础，也是个体生命活动的信，也是个体生命活动的信息基础。息基础。基因：是指基因：是指DNA分子中的特定区段，其中的分子中的特定区段，其中的核苷酸排列顺序决定了基因的功能。核苷酸排列顺序决定了基因的功能。三、三、DNA是遗传信息的物质基础是遗传信息的物质基础l基因组：基因组：一个遗传体系所有一个遗传体系所有基因总和基因总和的一整套遗的一整套遗传信息。传
15、信息。第三节第三节 RNA RNA的结构与功能的结构与功能Structure and Function of RNA RNA与蛋白质共同负责与蛋白质共同负责基因的表达和表达基因的表达和表达过程的调控。过程的调控。RNA通常以通常以单链单链的形式存在，但有复杂的的形式存在，但有复杂的局部二级结构或三级结构。局部二级结构或三级结构。RNA比比DNA小小的多。的多。RNA的种类、大小和结构远比的种类、大小和结构远比DNA表现出表现出多样性多样性。nRNA的种类、分布、功能的种类、分布、功能核蛋白体核蛋白体RNA信使信使RNA转运转运RNA核内不均一核内不均一RNA核内小核内小RNA胞浆小胞浆小RNA
16、 细胞核和胞液细胞核和胞液线粒体线粒体功功能能rRNAmRNA mt rRNAtRNAmt mRNAmt tRNAHnRNASnRNASnoRNAscRNA/7SL-RNA 核蛋白体组分核蛋白体组分蛋白质合成模板蛋白质合成模板转运氨基酸转运氨基酸成熟成熟mRNA的前体的前体参与参与hnRNA的剪接、转运的剪接、转运rRNA的加工、修饰的加工、修饰蛋白质内质网定位合成蛋白质内质网定位合成的信号识别体的组分的信号识别体的组分核仁小核仁小RNA核蛋白体核蛋白体RNA信使信使RNA转运转运RNA核内不均一核内不均一RNA核内小核内小RNA胞浆小胞浆小RNA 细胞核和胞液细胞核和胞液线粒体线粒体功功能能
17、rRNAmRNA mt rRNAtRNAmt mRNAmt tRNAHnRNASnRNASnoRNAscRNA/7SL-RNA 核蛋白体组分核蛋白体组分蛋白质合成模板蛋白质合成模板转运氨基酸转运氨基酸成熟成熟mRNA的前体的前体参与参与hnRNA的剪接、转运的剪接、转运rRNA的加工、修饰的加工、修饰蛋白质内质网定位合成蛋白质内质网定位合成的信号识别体的组分的信号识别体的组分核仁小核仁小RNA 信使信使RNA(messenger RNA,mRNA)是合成蛋白是合成蛋白质的模板。质的模板。其前体其前体hnRNA含有内含子含有内含子(intron)和外显子和外显子(exon)。外显子是氨基酸的编码
18、序列，而内含子是非编外显子是氨基酸的编码序列，而内含子是非编码序列。码序列。寿命最短的寿命最短的RNA一、一、mRNA是蛋白质合成的是蛋白质合成的模板模板hnRNA 内含子内含子(intron)mRNA nmRNA成熟过程成熟过程 外显子外显子(exon)5-末端的末端的m7Gppp帽子帽子结构结构 3-末端的末端的poly A尾尾。从从AUG 开始，每三个核苷酸为一组编码一个氨基开始，每三个核苷酸为一组编码一个氨基酸，称为酸，称为三联体密码三联体密码(codon)。成熟的成熟的mRNA由氨基酸编码区和非编码区构成。由氨基酸编码区和非编码区构成。53m7GpppAAAAn3非翻译区5非翻译区编
19、码区AUGUAAn成熟的真核生物成熟的真核生物mRNAmRNA功能：功能：是蛋白质合成的是蛋白质合成的模板模板1、tRNA的一级结构特点的一级结构特点 含 1020%稀有碱基，如 DHU 3末端为 CCA-OH分子量最小、含稀有碱基比例最高的一类分子量最小、含稀有碱基比例最高的一类RNA二、二、tRNA是蛋白质合成中的氨基酸载体是蛋白质合成中的氨基酸载体3.tRNA的三级结构的三级结构 倒倒L形形2.tRNA的二级结构的二级结构三叶草形三叶草形4.tRNA的功能：的功能：把把活化的氨基酸活化的氨基酸搬运到搬运到核糖体核糖体，tRNA的的反密码子反密码子与与mRNA的的密码子密码子特异性结合，使
20、特异性结合，使氨基酸对号入座氨基酸对号入座。2.rRNA的结构：的结构：参与组成核蛋白体参与组成核蛋白体，为为蛋白质生物合成的场所蛋白质生物合成的场所。3.rRNA的种类：的种类：4.rRNA的功能的功能：多个茎环结构组成多个茎环结构组成三、以三、以rRNA为组分的核蛋白体是蛋白为组分的核蛋白体是蛋白 质合成的场所质合成的场所1.含量最多的含量最多的RNA核蛋白体结构核蛋白体结构原核生物翻译过程中核蛋白体结构模式原核生物翻译过程中核蛋白体结构模式:A位：氨基酰位位：氨基酰位(aminoacyl site)P位：肽酰位位：肽酰位(peptidyl site)E位：排出位位：排出位(exit si
21、te)目目 录录转肽酶活性部位转肽酶活性部位肽链延长tRNArRNAmRNACCAOH 3含稀有碱基多含稀有碱基多二级二级:三叶草形三叶草形三级三级:倒倒L形形呈花状呈花状5-m7GpppNm、3-polyA结结构构蛋白质合成的蛋白质合成的模板模板搬运搬运活化的活化的aa到核糖体到核糖体组成核蛋白体组成核蛋白体种类最多种类最多寿命最短寿命最短分子量最小分子量最小稀有碱基比例最高稀有碱基比例最高含量最多含量最多三种三种RNA内容小结内容小结功功能能特特点点核酶核酶:具有催化功能的小具有催化功能的小RNA.The Nobel Prize in Chemistry 1989 for their di
22、scovery of catalytic properties of RNASidney AltmanThomas R.Cechn原核生物基因表达的特异性原核生物基因表达的特异性五、核酸在真核细胞和原核细胞中五、核酸在真核细胞和原核细胞中表现了不同的时空特性表现了不同的时空特性n真核生物基因表达的特异性真核生物基因表达的特异性核酸的理化性质核酸的理化性质The Physical and Chemical Characters of Nucleic Acid第四节第四节核酸在波长核酸在波长 260nm 处有强烈的吸收，是处有强烈的吸收，是由由碱基碱基的共轭双键所决定的。的共轭双键所决定的。这一特
23、性常用作核酸的定性和定量分析。这一特性常用作核酸的定性和定量分析。一、核酸分子具有强烈的紫外吸收一、核酸分子具有强烈的紫外吸收240240290nm290nm范围，最大吸收峰在范围，最大吸收峰在260nm260nm481216吸吸光光度度8103AGTCU220 240 260 280 300 320nm波长波长各种碱基的紫外吸收光谱各种碱基的紫外吸收光谱1.DNA或或RNA的定量的定量OD260=1.0相当于相当于50 g/ml双链双链DNA40g/ml单链单链DNA（或（或RNA）20g/ml寡核苷酸寡核苷酸2.判断核酸样品的纯度判断核酸样品的纯度DNA纯品纯品:OD260/OD280=1
24、.8RNA纯品纯品:OD260/OD280=2.0OD260的应用的应用n定义定义DNA变性的变性的本质本质：碱基堆积力碱基堆积力和双链间和双链间氢键氢键的的破坏破坏。lDNA热变性：热变性：特点特点 骤然、突发式骤然、突发式融解温度融解温度Tm：A260变化值达到最大变变化值达到最大变化值一半时的温度，即化值一半时的温度，即50DNA双链被双链被解开时候的温度。解开时候的温度。Tm与与G+C含量含量成正比成正比l增色效应：增色效应：DNA变性变性时其溶液时其溶液A260增高增高的现象的现象三、变性的核酸可以复性或形成三、变性的核酸可以复性或形成杂交双链杂交双链当变性条件缓慢地除去后，两条解离
25、的互补链可当变性条件缓慢地除去后，两条解离的互补链可重新配对，恢复原来的双螺旋结构，这一现象称重新配对，恢复原来的双螺旋结构，这一现象称为为DNA复性复性。减色效应减色效应：DNA复性时，其溶液复性时，其溶液A260降低。降低。热变性的热变性的DNA经缓慢冷却后即可复性，这一经缓慢冷却后即可复性，这一过程称为过程称为退火退火。只要两种单链分子之间存在着一定程度的碱基只要两种单链分子之间存在着一定程度的碱基配对关系，在适宜的条件可以在不同的分子间配对关系，在适宜的条件可以在不同的分子间形成形成杂化双链杂化双链。这种杂化双链可以在不同的这种杂化双链可以在不同的DNA与与DNA之间形之间形成，也可以
26、在成，也可以在DNA和和RNA分子间或者分子间或者RNA与与RNA分子间形成。这种现象称为核酸分子杂交分子间形成。这种现象称为核酸分子杂交。n核酸分子杂交核酸分子杂交(hybridization)双链双链DNA1DNA1双链双链DNA2DNA2+加热变性加热变性DNADNA变性、复性及分子杂交变性、复性及分子杂交缓慢降温复性缓慢降温复性形成单链形成单链杂化双链杂化双链双链双链DNA1双链双链DNA2+注：也可发生在注：也可发生在DNA与与RNA或或RNA与与RNA之间之间第五节第五节 核酸酶核酸酶 Nuclease依据底物不同分类依据底物不同分类DNA酶酶(DNase)：专一降解专一降解DNA
27、。RNA酶酶(RNase)：专一降解专一降解RNA。依据切割部位不同依据切割部位不同核酸内切酶：核酸内切酶：分为限制性核酸内切酶和非特异性分为限制性核酸内切酶和非特异性核酸内切酶。核酸内切酶。限制性核酸内切酶：限制性核酸内切酶：识别并切割特异核苷酸序识别并切割特异核苷酸序列（列（回文结构回文结构）。）。核酸外切酶：核酸外切酶：5 3 或或3 5 核酸外切酶核酸外切酶核酸酶核酸酶是是指所有可以水解核酸的酶。指所有可以水解核酸的酶。Bam HGTCCAGGCCTAGGATCC GGGATCCCCTAGGHindGTCGACCAGCTGGACCTG平端切口平端切口粘端切口粘端切口限制性核酸内切酶限制
28、性核酸内切酶核酸外切酶核酸外切酶53CGTCAGTCAGTCAGTCAAGTCAGTCAGTA533 5 外切酶外切酶5 3 外切酶外切酶两种最重要的生物大分子比较组成单位组成单位 氨基酸氨基酸 核苷酸核苷酸组成单位组成单位 20 20种种AAAA A A、C C、G G、T T(DNA)(DNA)的种类的种类 A A、C C、G G、U U(RNA)(RNA)连接方式连接方式 肽键肽键 磷酸二酯键磷酸二酯键一级结构一级结构 AA AA排列顺序排列顺序 碱基序列碱基序列空间结构空间结构 二、三、四二、三、四 双螺旋、超螺旋、蛋白双螺旋、超螺旋、蛋白 级结构级结构 -核酸非共价结合核酸非共价结合功能功能 生命活动生命活动 遗传信息贮存、传代、遗传信息贮存、传代、直接执行者直接执行者 表达表达,决定蛋白质结构决定蛋白质结构蛋白质蛋白质 核酸核酸
