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1、绚丽多彩的生物世界是怎么产生的？成千上万种不同性状和习性生物间有什么关系？这是自古以来，人们追问的问题。 DNA,第 三 章 核酸的结构和功能,Structure and Function of Nucleic Acid,核 酸(nucleic acid)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。,核酸的概念,核酸的分类及分布,90%以上分布于细胞核，其余分布于核外如线粒体，叶绿体，质粒等。,分布于胞核、胞液。,(deoxyribonucleic acid, DNA),(ribonucleic acid, RNA),脱氧核糖核酸,核糖核酸,携带遗传信息，决定细胞和个体的基因型(
2、genotype)。,参与细胞内DNA遗传信息的表达。某些病毒RNA也可作为遗传信息的载体。,信使RNA（mRNA） 携带DNA遗传信息转运RNA（tRNA） 通过反密码子识别mRNA的 密码子，使氨基酸对号入座核蛋白体 (rRNA) 与核糖体蛋白形成核 糖 体，是蛋白质合成的场所,RNA的分类及功能,第一节核酸的化学组成及其一级结构The Chemical Component and Primary Structure of Nucleic Acid,元素组成: C、H、O、N、P（9%10%）,分子组成三部分,碱基(base)：嘌呤碱，嘧啶碱 戊糖(ribose)：核糖，脱氧核糖 磷酸(p
3、hosphate),构成核酸的基本组成单位核苷酸 DNA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 。,嘌呤,嘧啶,碱基,腺嘌呤（A）,鸟嘌呤（G）,胞嘧啶（C）,胸腺嘧啶（T）,尿嘧啶（U）,DNA、RNA均有,DNA有,RNA有,核苷酸的结构,每种核酸都含有四种碱基 。,嘌呤(purine),腺嘌呤(adenine, A),鸟嘌呤(guanine, G),碱 基,嘧啶(pyrimidine),胞嘧啶(cytosine, C),尿嘧啶(uracil, U),胸腺嘧啶(thymine, T),戊 糖,小结：两类核酸的基本成分区别,核苷（或脱氧核苷）：碱基和核糖（或脱氧
4、核糖）通过糖苷键连接形成。,糖苷键,核苷酸： AMP, GMP, UMP, CMP 脱氧核苷酸： dAMP, dGMP, dTMP, dCMP,核苷酸（脱氧核苷酸）：核苷（脱氧核苷）和磷酸以酯键（酸脱羟基醇脱氢）连接形成。,核苷酸的命名,AMP adenosine monophosphate腺苷一磷酸 或 一磷酸腺苷简称：腺苷酸 dAMP deoxyadenosine monophosphate脱氧一磷酸腺苷/一磷酸脱氧腺苷简称：脱氧腺苷酸,默认情况下核苷酸均为5-核苷酸,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 AMP,多
5、磷酸核苷酸：NMP，NDP，NTP,环化核苷酸: cAMP，cGMP,AMP,ADP,ATP,cAMP,核苷酸种类和名称：,常见碱基部分可为5种碱基的一种 核糖部分可为核糖或脱氧核糖 酸的部分可为一磷酸、二磷酸、三磷酸或环磷酸中的一种,根据三个组成部分,核苷酸的主要功能：,核苷三磷酸是合成核酸原料，又能提供能量。 核苷二磷酸活化中间代谢物,如UDP-葡萄糖等。 核苷一磷酸是核酸的组分,还是一些辅酶的成分。 核苷环磷酸在细胞信号转导中起重要作用。,核苷酸的连接,一个核苷酸（脱氧核苷酸）3的羟基与另一个核苷酸（脱氧核苷酸） 5的-磷酸基团缩合形成磷酸二酯键(phosphodiester bond)
6、。,C,G,A,多个核苷酸（脱氧核苷酸）通过磷酸二酯键构成了具有方向性的线性分子，称为多聚核苷酸 (脱氧核苷酸)链，即DNA链。,核酸中核苷酸的排列顺序/碱基序列。,连接键：,3，5 磷酸二酯键,方向性：,53,定义：,DNA的一级结构,（染色体DNA的结构）,书写方法,5 pApCpTpGpCpT-OH 3,5 A C T G C T 3,简化：,再简化：,DNA一级结构的意义：,编码生命的遗传信息,简单而又完美四个字“A 、 G 、C 、T”！ 惊叹：具有强大编码能力 DNA计算机 神奇： 演化整个生物界 生命语言,DNA的二级结构双螺旋结构,碱基配对规律（ Chargaff规则）,195
7、0年Chargaff通过研究DNA的分子组成，发现： 不同物种来源的DNA的碱基组成不同 同一生物的不同组织里的DNA碱基是相同的。 DNA中嘌呤碱基等于嘧啶碱基。即：A+G=T+C;A =T 、G = C,碱基互补配对,T,A,G,C,DNA双螺旋结构模型要点 （Watson, Crick, 1953）,DNA分子由两条相互平行但走向相反的脱氧多核苷酸链组成，两链以-脱氧核糖-磷酸-为骨架，以右手螺旋方式绕同一公共轴盘。螺旋直径为2nm，形成大沟及小沟相间。,“大沟”、“小沟”的功能,沟状结构与DNA、蛋白质间的相互识别有关。,DNA双螺旋结构模型要点 （Watson, Crick, 195
8、3）,碱基垂直螺旋轴居双螺旋内侧，与对侧碱基形成氢键配对（互补配对形式：A=T; GC）。,碱基配对规律的合理性,DNA双螺旋结构模型要点 （Watson, Crick, 1953）,相邻碱基平面距离0.34nm，螺旋一圈螺距3.4nm，一圈10对碱基。 碱基在内侧平面与纵轴垂直，糖基在外侧平面与纵轴平行（即碱基平面与戊糖平面相互垂直）。,DNA双螺旋结构模型要点 （Watson, Crick, 1953）,氢键维持双链横向稳定性，碱基堆积力维持双链纵向稳定性。,小结：DNA二级结构主要特点,两条脱氧核酸链构成右手双螺旋结构，链的走向相反 磷酸脱氧核糖链在螺旋的外侧，碱基在螺旋的内侧 脱氧核糖
9、平面与碱基平面相互垂直 碱基配对规律：A=T、GC 稳定力：横向：氢键纵向：碱基堆积力,DNA双螺旋结构的多样性,研究意义,DNA双螺旋结构模型完美地说明了遗传物质的遗传、生化和结构的主要特征，它的提出是生物学史上划时代的事件。从此，遗传学的历史和生物学的历史正式从细胞阶段进入了分子阶段。,超螺旋结构,意义:,DNA双螺旋链再盘绕即形成超螺旋结构,DNA超螺旋结构整体或局部的拓扑学变化及其调控对于DNA复制和RNA转录过程具有关键作用。,DNA的三级结构,大多原核生物的DNA是共价封闭的环形DNA双螺旋，在细胞内进一步盘绕成类核。,环状和超螺旋DNA结构示意图,（一）原核生物DNA的环状超螺旋
10、结构,研究 表明：DNA若 完 全 展 开的 话，有将 近 2 米，而细胞的尺 寸是 微级的 。那么DNA是如何 存 在于细胞内部的呢？,（二）真核生物DNA的高度有序和高度致密的结构,核小体的构成,核心颗粒,连接区,核心组蛋白：,组蛋白八聚体H2A、H2B、H3 、H4各2分子,DNA双螺旋分子(150bp)在核心组蛋白缠绕 1.75圈,DNA（60bp）,组蛋白H1,核小体,由DNA和蛋白质构成 是真核生物染色质的基本单位,核小体的折叠及染色体组装,逐级盘曲折叠,DNA压缩了800010000倍,三、DNA的功能,是DNA分子中特定区段核苷酸的排列顺序，即碱基序列信息，它决定了基因的功能。
11、,基因：,基因组：,一个遗传体系所有基因总和的一整套遗传信息。,以基因的形式储存、携带和传递遗传信息。,第三节 RNA的结构与功能,Structure and Function of RNA,RNA特点：,RNA种类、分布、功能：,2. tRNA的二级结构三叶草形,3. tRNA的三级结构 倒L形,转运RNA（tRNA）,1. tRNA的一级结构特点,4.tRNA的功能：,把活化的aa搬运到核糖体，tRNA的反密码子与mRNA的密码子特异性结合，使氨基酸对号入座。,转运RNA的功能,DHU环反密码环额外环TC环氨基酸臂,信使RNA的结构与功能,* 真核生物mRNA成熟过程,5,3,m7Gppp
12、,AAAAn,1.哺乳类动物mRNA结构示意图：,信使RNA（mRNA）,帽子结构,2.真核细胞mRNA结构特点：,5帽子结构：m7Gpppm2Npm2Np 3末端多聚A尾polyA,编码区hnRNA剪掉内含子，外显子拼接。,3. mRNA的功能,把DNA的遗传信息，转录成mRNA的密码、 指导蛋白质合成的氨基酸排列顺序。,DNA（遗传信息）,mRNA（密码载体）,蛋白质,(氨基酸序列),1.rRNA的结构：,参与组成核蛋白体， 为蛋白质生物合成的场所。,2.rRNA的种类：,3.rRNA的功能：,多个茎环结构组成,三、核蛋白体RNA（rRNA）,局部双链,tRNA,rRNA,mRNA,三叶草
13、形、倒L形 含稀有碱基多 反密码子 CCAOH 3,呈花状,5m7GpppNm、 3 polyA 编码序列,单链,局部双链,结构,蛋白质合成的模板,搬运活化的aa 到核糖体,组成核蛋白体,分子大小不一, 量 80%,稳定,三种RNA内容小结,功能,核酶(ribozyme)一词用于描述具有催化活性的RNA, 即化学本质是核糖核酸(RNA), 却具有酶的催化功能。核酶的功能很多,有的能够切割RNA, 有的能够切割DNA, 有些还具有RNA 连接酶、磷酸酶等活性。,随着对核酶的深入研究，已经认识到核酶在遗传病，肿瘤和病毒性疾病上的潜力。比如，对于艾滋病毒HIV的转录信息来源于RNA而非DNA，核酶能
14、够在特定位点切断RNA，使得它失去活性。如果一个能专一识别HIV的RNA的核酶存在于被病毒感染的细胞内，那么它就能建立抵抗入侵的第一防线。甚至，HIV确实进入到了细胞并进行了复制，RNA也可以在病毒生活史的不同阶段切断HIV的RNA而不影响自身的RNA。又如，白血病是造血系统的恶性肿瘤,目前尚缺少有效的治疗方法。核酶的发现，尤其是锤头状核酶，为白血病的基因治疗带来了新的希望。近些年，在国外的一些国家已经在小白鼠体内得到较好的效果。 核酶是在对多种植物病毒卫星RNA及类病毒RNA的自我剪接研究中 发现的，数量较少，常见于rRNA的内含子。,蛋白质与核酸结构比较,核 酸 的 理 化 性 质 The
15、 Physical and Chemical Characters of Nucleic Acid,第 三 节,DNA变性的图示：,理化因素，DNA双链间氢键断裂，成两条单链。,定义：,一、核酸分子具有强烈的紫外吸收,二、DNA变性是双链解离为单链的过程,增（高）色效应： DNA变性时其溶液OD260增高的现象,例：变性引起紫外吸收值的改变,DNA的紫外吸收光谱,增色效应：DNA变性时其溶液OD260增高的现象。,DNA的变性(denaturation),方法：过量酸，碱，加热，变性试剂如尿素、酰胺以及某些有机溶剂如乙醇、丙酮等。,变性后其它理化性质变化：,OD260增高 粘度下降 比旋度下降
16、 浮力密度升高 酸碱滴定曲线改变 生物活性丧失,DNA热变性：,特点 骤然、突发式 融解温度Tm(melting temperature) Tm与G+C含量成正比,热变性,解链曲线：如果在连续加热DNA的过程中以温度对A260（absorbance，A，A260代表溶液在260nm处的吸光率）值作图，所得的曲线称为解链曲线。,Tm：变性是在一个相当窄的温度范围内完成，在这一范围内，紫外光吸收值达到最大值的50%时的温度称为DNA的解链温度，又称融解温度(melting temperature, Tm)。其大小与G+C含量成正比。,1.DNA复性(renaturation)/退火(annealing),
