1、核酸的结构和功能核酸的结构和功能医学知识医学知识核核 酸酸(nucleic acid)是以核苷酸为基本组成单位的生物大是以核苷酸为基本组成单位的生物大分子，携带和传递遗传信息。分子，携带和传递遗传信息。核酸的结构和功能医学知识2核酸的分类及分布核酸的分类及分布 存在存在于细胞核和线粒体内。于细胞核和线粒体内。存在存在于胞核、胞液和线粒体。于胞核、胞液和线粒体。(deoxyribonucleic acid,DNA)(ribonucleic acid,RNA)脱氧核糖核酸脱氧核糖核酸 核糖核酸核糖核酸携带遗传信息，决定细胞和个携带遗传信息，决定细胞和个体的遗传型体的遗传型(genotype)。参与
2、遗传信息的复制与表达。参与遗传信息的复制与表达。某些病毒某些病毒RNA也可作为遗传信也可作为遗传信息的载体。息的载体。核酸的结构和功能医学知识3第一节第一节核酸的化学组成及一级结构核酸的化学组成及一级结构The Chemical Component and Primary Structure of Nucleic Acid核酸的结构和功能医学知识4核酸的基本组成单位是核苷酸核酸的基本组成单位是核苷酸(nucleotide)。碱基碱基戊糖戊糖磷酸磷酸核苷酸核苷酸核苷核苷核酸核酸DNA的基本组成单位是脱氧核糖核苷酸的基本组成单位是脱氧核糖核苷酸。RNA的基本组成单位是核糖核苷酸的基本组成单位是核糖
3、核苷酸。核酸的结构和功能医学知识5嘌呤嘌呤 嘧啶嘧啶 碱基碱基腺嘌呤（腺嘌呤（A）鸟嘌呤（鸟嘌呤（G）胞嘧啶（胞嘧啶（C）胸腺嘧啶（胸腺嘧啶（T）尿嘧啶（尿嘧啶（U）DNA、RNA均有均有DNA有有RNA有有一、核苷酸的结构一、核苷酸的结构每种核酸都含有四种碱基每种核酸都含有四种碱基。核酸的结构和功能医学知识6嘌呤嘌呤(purine)NNNHN123456789NNNHNNH2腺嘌呤腺嘌呤(adenine,A)NNHNHNNH2O鸟嘌呤鸟嘌呤(guanine,G)碱碱 基基核酸的结构和功能医学知识7NNH132456嘧啶嘧啶(pyrimidine)胞嘧啶胞嘧啶(cytosine,C)NNHNH
4、2O尿嘧啶尿嘧啶(uracil,U)NHNHOO胸腺嘧啶胸腺嘧啶(thymine,T)NHNHOOCH3核酸的结构和功能医学知识8 五种碱基都能形成酮式五种碱基都能形成酮式-烯醇式或氨基烯醇式或氨基-亚氨基亚氨基的互变异构。这两种异构体的平衡关系受介质酸的互变异构。这两种异构体的平衡关系受介质酸碱环境的影响。碱环境的影响。HNHNCNH2+O+HNNH2NNH2亚亚氨氨基基氨氨基基+H+NCOHNCO-+H+酮酮式式烯烯醇醇式式核酸的结构和功能医学知识9戊戊 糖糖（构成（构成RNA）核糖核糖(ribose)（构成（构成DNA）脱氧核糖脱氧核糖(deoxyribose)12453OOHOHHHH
5、CH2OHHOHOHOHHHHCH2OHHOH12345核酸的结构和功能医学知识10碱基和核糖（或脱氧核糖）通过碱基和核糖（或脱氧核糖）通过糖苷键糖苷键连连接形成接形成核苷核苷(nucleoside)（或脱氧核苷）。（或脱氧核苷）。腺嘌呤核苷NNNN9NH2OOHOHHHHCH2OHH12糖苷键胞嘧啶脱氧核苷1NNONH212OHOHHHHCH2OHH糖苷键核酸的结构和功能医学知识11核苷酸：核苷酸：AMP,GMP,UMP,CMP脱氧核苷酸：脱氧核苷酸：dAMP,dGMP,dTMP,dCMP 核苷（脱氧核苷）和磷酸以核苷（脱氧核苷）和磷酸以酯键酯键连接形成连接形成核核苷酸苷酸（脱氧核苷酸）。（
6、脱氧核苷酸）。糖苷键酯键腺苷酸NNNN9NH2OOHOHHHHCH2H12OPO-HOO5核酸的结构和功能医学知识12l 多磷酸核苷酸：多磷酸核苷酸：NMP，NDP，NTPNNNN9NH2OOHOHHHHCH2H12OPO-OOPOO-OPO-OO一磷酸腺苷（AMP）二磷酸腺苷（ADP）三磷酸腺苷（ATP）核酸的结构和功能医学知识13l 环化核苷酸环化核苷酸:cAMP，cGMPNNNNNH2OOHOHHHCH2HOPHOOcAMP核酸的结构和功能医学知识14二、核酸的一级结构二、核酸的一级结构定义定义核酸中核苷酸的排列顺序。核酸中核苷酸的排列顺序。由于核苷酸间的差异主要是碱基不同，所由于核苷酸
7、间的差异主要是碱基不同，所以也称为以也称为碱基序列碱基序列。核酸的结构和功能医学知识155 端端3 端端核苷酸之间以核苷酸之间以3 ,5 -磷酸二酯键磷酸二酯键连接形成多核连接形成多核苷酸链，即核酸。苷酸链，即核酸。CGA核酸的结构和功能医学知识16书写方法书写方法PPAPCPCPTPGOHCPTPAPA53pApCpTpGpCpTpApApC-OH 35 ACTGCTAAC35核酸的结构和功能医学知识17 DNA 与与RNA的区别的区别核酸核酸碱基碱基戊糖戊糖DNAA、G、C、T脱氧脱氧核糖核糖RNAA、G、C、U核糖核糖核酸的结构和功能医学知识18第二节第二节DNA的空间结构与功能的空间结
8、构与功能Dimensional Structure and Function of DNA核酸的结构和功能医学知识19一、一、DNA的二级结构的二级结构双螺旋结构双螺旋结构核酸的结构和功能医学知识20（一）（一）DNA双螺旋结构的研究背景双螺旋结构的研究背景 碱基组成分析碱基组成分析Chargaff 规则：规则：A=T G=C 碱基的理化数据分析碱基的理化数据分析A-T、G-C以以氢键配对较合理氢键配对较合理 DNA纤维的纤维的X-线衍射图谱分析线衍射图谱分析 核酸的结构和功能医学知识21已知的核酸化学数据已知的核酸化学数据核酸的结构和功能医学知识22（二）（二）DNA双螺旋结构模型要点双螺旋
9、结构模型要点 1.两条链反向平行，围绕同两条链反向平行，围绕同一中心轴构成一中心轴构成右手双螺右手双螺旋旋(double helix)。螺旋。螺旋直径直径2nm，表面有，表面有大沟大沟和小沟和小沟。2.磷酸磷酸-脱氧核糖骨架位于脱氧核糖骨架位于螺旋螺旋外侧外侧，碱基垂直于，碱基垂直于螺旋轴而伸入螺旋轴而伸入内侧内侧。每。每圈螺旋含圈螺旋含10个碱基对个碱基对(bp)，螺距为螺距为3.4nm。核酸的结构和功能医学知识23碱基平面与纵轴碱基平面与纵轴垂直垂直，糖环平面与纵轴，糖环平面与纵轴平行平行核酸的结构和功能医学知识243.两条链通过碱基间的氢两条链通过碱基间的氢键相连，键相连，A对对T有两个
10、氢有两个氢键，键，C对对G有三个氢键，有三个氢键，这种这种A-T、C-G配对的规配对的规律，称为律，称为碱基互补规则碱基互补规则。4.维持双螺旋稳定的因素：维持双螺旋稳定的因素：横向为氢键，纵向为碱横向为氢键，纵向为碱基间的堆积力。基间的堆积力。核酸的结构和功能医学知识25碱基互补配对碱基互补配对 核酸的结构和功能医学知识26（三）（三）DNA双螺旋结构的多样性双螺旋结构的多样性Z型型DNAB型型DNAA型型DNA核酸的结构和功能医学知识27二、二、DNA的超螺旋结构及其在染色质的超螺旋结构及其在染色质中的组装中的组装（一）（一）DNA的超螺旋结构的超螺旋结构超螺旋结构超螺旋结构(superh
11、elix 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 核酸的结构和功能医学知识28意义意义DNA超螺旋结构整体或局部的拓扑学超螺旋结构整体或局部的拓扑学变化及其调控对于变化及其调控对于DNA复制和复制和RNA转录过转录过程具有关键作用。程具有关键作用。核酸的结构和功能医学知识29核酸的结构和功能医学知识30（三）（三）DNA
12、在真核生物细胞核内的组装在真核生物细胞核内的组装真核生物染色体由真核生物染色体由DNA和蛋白质构成，和蛋白质构成，其基本单位是其基本单位是 核小体核小体(nucleosome)。核小体的组成核小体的组成DNA：约约200bp 组蛋白：组蛋白：H1H2A，H2BH3H4核酸的结构和功能医学知识31串珠状核小体结构串珠状核小体结构核酸的结构和功能医学知识32串珠状核小体串珠状核小体DNA双螺旋片段双螺旋片段染色质纤染色质纤维维伸展形染色质片段伸展形染色质片段密集形染色质片段密集形染色质片段整个染色整个染色体体核酸的结构和功能医学知识33核小体核小体螺线管螺线管真核生物染色体真核生物染色体DNA组装
13、组装核酸的结构和功能医学知识34三、三、DNA的功能的功能DNA的基本功能是以的基本功能是以基因基因的形式荷载遗的形式荷载遗传信息，并作为基因复制和转录的模板。它传信息，并作为基因复制和转录的模板。它是生命是生命遗传的物质基础遗传的物质基础，也是个体生命活动，也是个体生命活动的信息基础。的信息基础。基因从结构上定义，基因从结构上定义，是指是指DNA分子中的分子中的特定区段，其中的核苷酸排列顺序决定了基特定区段，其中的核苷酸排列顺序决定了基因的功能。因的功能。核酸的结构和功能医学知识35肺炎双球菌的转化实验肺炎双球菌的转化实验Oswald Avery(1944)核酸的结构和功能医学知识36 实验
14、二，实验二，噬菌体的标记实验噬菌体的标记实验核酸的结构和功能医学知识37 核酸的结构和功能医学知识38 核酸的结构和功能医学知识39 核酸的结构和功能医学知识40第三节第三节 RNA的结构与功能的结构与功能Structure and Function of RNA核酸的结构和功能医学知识41动物细胞内主要动物细胞内主要RNA的种类及功能的种类及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 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 tRNAHnRNASnRNASn
15、oRNAscRNA/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rRNAmRNA mt rRNAtRNAmt mRNAmt tRNAHnRNASnRNASnoRNAscRNA/7SL-RNA 核蛋白体组
16、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核酸的结构和功能医学知识42一一、信使、信使RNA的结构与功能的结构与功能hnRNA 内含子内含子(intron)mRNA *mRNA成熟过程成熟过程 外显外显子子(exon)核酸的结构和功能医学知识43*mRNA结构特点结构特点1.大多数真核大多数真核mRNA的的5 末端均在转录后加上一末端均在转录后加上一个个7-甲基鸟苷，同时第一个核苷
17、酸的甲基鸟苷，同时第一个核苷酸的C 2也是也是甲基化，形成帽子结构：甲基化，形成帽子结构：m7GpppNm-。2.大多数真核大多数真核mRNA的的3 末端有一个多聚腺苷末端有一个多聚腺苷酸酸(polyA)结构，称为多聚结构，称为多聚A尾。尾。核酸的结构和功能医学知识44帽子结构帽子结构核酸的结构和功能医学知识45mRNA核内向胞质的转位核内向胞质的转位mRNA的稳定性维系的稳定性维系翻译起始的调控翻译起始的调控 帽子结构和帽子结构和多聚多聚A尾的功能尾的功能mRNA的功能：的功能：作为蛋白质合成的模板。作为蛋白质合成的模板。核酸的结构和功能医学知识46*tRNA的一级结构特点的一级结构特点 含
18、稀有碱基较多含稀有碱基较多 3 末端为末端为 CCA-OH 5 末端大多数为末端大多数为G 由由7090个核苷酸组成个核苷酸组成二、转运二、转运RNA的结构与功能的结构与功能核酸的结构和功能医学知识47 稀有碱基稀有碱基 HNNHOOR51HNNNNHNCH2CH2NOO7ORIRDHUNNNNOHRmGH2NCH3核酸的结构和功能医学知识48*tRNA的二级结构的二级结构三叶草形三叶草形氨基酸氨基酸臂臂额外环额外环核酸的结构和功能医学知识49*tRNA的三级结构的三级结构 倒倒L形形*tRNA的功能的功能活化、搬运氨基酸活化、搬运氨基酸到核糖体，参与蛋白质到核糖体，参与蛋白质的翻译。的翻译。
19、核酸的结构和功能医学知识50*rRNA的结构的结构三、核蛋白体三、核蛋白体RNA的结构与功能的结构与功能*rRNA的功能的功能参与组成核蛋白参与组成核蛋白体，作为蛋白质生物体，作为蛋白质生物合成的场所。合成的场所。核酸的结构和功能医学知识51核糖体的组成核糖体的组成原核生物原核生物真核生物真核生物小亚基小亚基30S40SrRNA16S18S蛋白质蛋白质21种种33种种大亚基大亚基50S60SrRNA23S5S28S5.8S5S蛋白质蛋白质33种种49种种核糖体核糖体70S80S核酸的结构和功能医学知识52四四、其他小分子、其他小分子RNA及及RNA组学组学除了上述三种除了上述三种RNA外，细胞
20、的不同部位外，细胞的不同部位存在的许多其他种类的小分子存在的许多其他种类的小分子RNA，统称为，统称为非非mRNA小小RNA(small non-messenger RNAs，snmRNAs)。snmRNAs核酸的结构和功能医学知识53snmRNAs的的种类种类核内小核内小RNA(snRNA)核仁小核仁小RNA(snoRNA)胞质小胞质小RNA(scRNA)催化性小催化性小RNA小片段干扰小片段干扰 RNA(siRNA)snmRNAs的的功能功能参与参与hnRNA和和rRNA的转录后加工和转运的转录后加工和转运以及基因表达过程的调控等。以及基因表达过程的调控等。核酸的结构和功能医学知识54核酸
21、的理化性质核酸的理化性质The Physical and Chemical Characters of Nucleic Acid第第 四四 节节核酸的结构和功能医学知识56一、核酸的一般理化性质一、核酸的一般理化性质 核酸为多元酸，具有较强的核酸为多元酸，具有较强的酸性酸性；DNA是线性高分子，是线性高分子，粘度极大粘度极大；在在260nm波长有最大吸收峰，是由波长有最大吸收峰，是由碱基碱基的共轭双键的共轭双键决定的。这一特性常用作核酸决定的。这一特性常用作核酸的定性、定量分析。的定性、定量分析。核酸的结构和功能医学知识57核酸的结构和功能医学知识581.DNA或或RNA的定量的定量OD260
22、=1.0相当于相当于50 g/ml双链双链DNA40 g/ml单链单链DNA（或（或RNA）20 g/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=1.8RNA纯品纯品:OD260/OD280=2.0OD260的应用的应用核酸的结构和功能医学知识59二、二、DNA的变性的变性(denaturation)定义定义：在某些理化因素作用下，在某些理化因素作用下，DNA双链解开双链解开成两条单链的过程。成两条单链的过程。变性因素：变性因素：过量酸，碱，加热等。过量酸，碱，加热等。变性后理化性质的主要改变：变性后理化性质的主要改变：OD260增高增高
23、粘度下降粘度下降核酸的结构和功能医学知识60DNA变性的本变性的本质是双链间氢质是双链间氢键的断裂键的断裂核酸的结构和功能医学知识61DNA的紫外吸收光谱的紫外吸收光谱增色效应：增色效应：DNA变性时其溶液变性时其溶液OD260增高的现象。增高的现象。核酸的结构和功能医学知识62解链曲线：解链曲线：在连续加热在连续加热DNA的过程中以温度的过程中以温度对对A260值作图，所得的曲线称为解链曲线值作图，所得的曲线称为解链曲线。核酸的结构和功能医学知识63 Tm：紫外光吸紫外光吸收值达到最大值收值达到最大值的的50%时的温度时的温度称为称为DNA的的解链解链温度温度，又称融解，又称融解温度温度(m
24、elting temperature,Tm)。其大小与。其大小与G+C含量成正比。含量成正比。核酸的结构和功能医学知识64三、三、DNA的复性与分子杂交的复性与分子杂交 DNA复性复性(renaturation)的定义的定义在适当条件下，变性在适当条件下，变性DNA的两条互补链可的两条互补链可恢复天然的双螺旋构象，这一现象称为恢复天然的双螺旋构象，这一现象称为复性复性。减色效应减色效应DNA复性时，其溶液复性时，其溶液OD260降低。降低。热变性的热变性的DNA经缓慢冷却后即可复性，经缓慢冷却后即可复性，这一过程称为这一过程称为退火退火(annealing)。核酸的结构和功能医学知识65 热变
25、性的热变性的DNA在复性过程中，具有在复性过程中，具有碱基序列部分互补的不同的碱基序列部分互补的不同的DNA之间或之间或DNA与与RNA之间形成杂化双链的现象。之间形成杂化双链的现象。核酸分子杂交核酸分子杂交(hybridization)：核酸的结构和功能医学知识66变性变性复性复性复性复性核酸的结构和功能医学知识67核酸分子杂交的应用核酸分子杂交的应用研究研究DNA分子中某一种基因的位置分子中某一种基因的位置定两种核酸分子间的序列相似性定两种核酸分子间的序列相似性检测某些专一序列在待检样品中存在与否检测某些专一序列在待检样品中存在与否是基因芯片技术的基础是基因芯片技术的基础 核酸的结构和功能
26、医学知识68第五节第五节 核核 酸酸 酶酶 Nuclease核酸的结构和功能医学知识69核酸酶核酸酶是指所有可以水解核酸的酶是指所有可以水解核酸的酶依据底物不同分类依据底物不同分类DNA酶酶(deoxyribonuclease,DNase)RNA酶酶(ribonuclease,RNase)依据切割部位不同分类依据切割部位不同分类核酸内切酶：核酸内切酶：限制性核酸内切酶限制性核酸内切酶 非特异性核酸内切酶非特异性核酸内切酶核酸外切酶：核酸外切酶：5 3 或或3 5 核酸外切酶。核酸外切酶。核酸的结构和功能医学知识70u参与参与DNA的合成与修复及的合成与修复及RNA合成后的剪合成后的剪接等重要基
27、因复制和基因表达过程接等重要基因复制和基因表达过程 u负责清除多余的、结构和功能异常的核酸，负责清除多余的、结构和功能异常的核酸，同时也可以清除侵入细胞的外源性核酸同时也可以清除侵入细胞的外源性核酸 u在消化液中降解食物中的核酸以利吸收在消化液中降解食物中的核酸以利吸收 u体外重组体外重组DNA技术中的重要工具酶技术中的重要工具酶 生物体内的核酸酶负责催化细胞内外核酸的降解生物体内的核酸酶负责催化细胞内外核酸的降解 核酸酶的功能核酸酶的功能 核酸的结构和功能医学知识71 核核 酶酶u 催化性催化性DNA(DNAzyme)人工合成的寡聚脱人工合成的寡聚脱氧核苷酸片段，也能序列特异性降解氧核苷酸片段，也能序列特异性降解RNA。u 催化性催化性RNA(ribozyme)序列特异性的核酸内切酶序列特异性的核酸内切酶参与参与RNA转录后加工修饰转录后加工修饰作为针对病毒或肿瘤基因的药物降解作为针对病毒或肿瘤基因的药物降解mRNA。核酸的结构和功能医学知识72
