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1、第三章 核酸结构与功能,(Structure and Function of Nucleic Acid),核酸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。,一、什么是核酸(nucleic acid),天然存在的核酸可分为核糖核酸(RNA)和脱氧核糖核酸(DNA)两大类。,核酸的结构与功能 Structure and Function of Nucleic Acid,二、核酸的发现和研究工作进展,1868年 Fridrich Miescher从脓细胞中提取“核素” 1944年 Avery等人证实DNA是遗传物质 1953年 Watson和Crick发现DNA的双螺旋结构 1968年
2、 Nirenberg发现遗传密码 1975年 Temin和Baltimore发现逆转录酶 1981年 Gilbert和Sanger建立DNA 测序方法 1985年 Mullis发明PCR 技术 1990年 美国启动人类基因组计划(HGP) 1994年 中国人类基因组计划启动 2001年 美、英等国完成人类基因组计划基本框架 2003年 人类基因组计划完成 约34万个基因,三、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
3、,核糖核酸,携带遗传信息，决定细胞和个体的基因型(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。,第一节 核酸的化学组成 (The Chemical Component of Nucleic Acid),一、化学组成,(一) 元素组成组成核酸的主要元素：C、H、O、N、P（9%10%）,(二) 分子组成,1.碱基(base) 嘌呤碱，嘧啶碱,2.戊糖(ribose) 核糖，脱氧核糖,3.磷酸(phosphate),稀有碱基：如次黄嘌呤、二氢尿嘧啶等。,(1)嘌呤(purine),腺嘌呤(adenine, A),鸟嘌呤(guanine, G),1.碱
4、 基,N,N,H,N,H,N,N,H,2,O,(2)嘧啶(pyrimidine),胞嘧啶(cytosine, C),胸腺嘧啶(thymine, T),2.戊 糖,二、基本单位核苷酸,(一)核苷(ribonucleoside),(二)核苷酸(ribonucleotide),(三)重要的游离核苷酸及其衍生物,1.多磷酸核苷酸 NMP，NDP，NTP,2.环化核苷酸 cAMP，cGMP,(四)核苷酸的连接,1.核苷酸之间以磷酸二酯键连接形成多核苷酸链，即核酸。,C,A,H,磷酸二酯键,2.书写方法,5 pApGpTpGpCpT-OH 3,5 A G T G C T 3,第二节 DNA的结构与功能 (
5、Structure and Function of DNA),一、核酸的一级结构,(一)定义 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，所以也称为碱基序列。,DNA: A、T、G、C RNA: A、U、G、C,二、DNA的空间结构与功能,(一) DNA的二级结构,1. 定义 即平行反向的右手双螺旋结构。Watson, Crick于1953提出。,2. 研究背景,(1) 碱基组成分析 Chargaff 规则：A = T G C,(2)碱基的理化数据分析 A-T、G-C以氢键配对较合理,(3)X-线衍射图谱分析,Watson-Crick最早建立的DNA模型 “We have dis
6、covered the secret of life”,3. DNA双螺旋结构模型要点,(1) 由两条相互平行但走向相反的脱氧多核苷酸链组成，以右手螺旋方式盘绕中心轴。螺旋直径为2nm，形成大沟及小沟相间。这些沟结构与蛋白质、DNA之间的相互识别有关。,5/,3/,5/,3/,(2) 碱基间距0.34nm，螺旋一圈10对碱基，螺距3.4nm 。,(4)糖与磷酸骨架居双螺旋外侧，碱基在内相互形成氢键配对(A=T; GC)。,(3)氢键维持横向稳定性，碱基堆积力维持纵向稳定性。,碱基互补配对,T,A,G,C,4.DNA双螺旋结构的多样性,Watson和Crick当年提出的是理想化的DNA双螺旋模型
7、，后来发现其各项参数均与实际的DNA双螺旋结构有一定差异。,(二) DNA的三级结构,1.原核生物DNA的超螺旋结构,(1) 定义 即在DNA二级结构的基础上进一步折叠成环状或麻花状的超螺旋结构(superhelix 或supercoil)。,环状 麻花状,(3) 意义 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。,正超螺旋(positive supercoil) 盘绕方向与DNA双螺旋方同相同。,负超螺旋(negative supercoil) 盘绕方向与DNA双螺旋方向相反。,(2) 种类,2.真核生物DNA的超螺旋结构,真核生物染色体由DNA
8、和蛋白质构成，其基本单位是 核小体。,(1) DNA在真核生物细胞核内的组装,2nm DNA,(三) DNA的功能,1.DNA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。它是生命遗传的物质基础，也是个体生命活动的信息基础。,2.基因从结构上定义，是指DNA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。,3.进化程度越高的生物其DNA分子越大，人类基因组有3109个碱基对。,第三节 RNA的结构与功能 (Structure and Function of RNA),RNA的种类、分布、功能,核蛋白体,RNA,信使,RNA,转运,RNA,核内不均一,RNA,核内小,
9、RNA,胞浆小,RNA,细胞核和胞液,线粒体,功,能,rRNA,mRNA,mt,rRNA,tRNA,mt,mRNA,mt,tRNA,HnRNA,SnRNA,SnoRNA,scRNA/7SL,-,RNA,核蛋白体组分,蛋白质合成模板,转运氨基酸,成熟,mRNA,的前体,参与,hnRNA,的剪接、转运,rRNA,的加工、修饰,蛋白质内质网定位合成,的信号识别体的组分,核仁小,RNA,核蛋白体,RNA,信使,RNA,转运,RNA,核内不均一,RNA,核内小,RNA,RNA,细胞核和胞液,线粒体,功,能,rRNA,mRNA,mt,rRNA,tRNA,mt,mRNA,mt,tRNA,HnRNA,SnRN
10、A,SnoRNA,scRNA/7SL,-,RNA,核蛋白体组分,蛋白质合成模板,转运氨基酸,成熟,mRNA,的前体,参与,hnRNA,的剪接、转运,rRNA,的加工、修饰,蛋白质内质网定位合成,的信号识别体的组分,核仁小,RNA,根据RNA的功能可分为mRNA、tRNA、rRNA等多种。,(一) mRNA的功能 1.构成遗传密码，传递DNA所携带的遗传信息。2.用连续三个核苷酸作为密码子以决定其合成蛋白质的氨基酸排列顺序。,一、mRNA的结构与功能,(二) mRNA结构特点,1.大多数真核mRNA的5末端均在转录后加上一个7-甲基鸟苷，同时第一个核苷酸的C2也是甲基化，形成帽子结构：m7Gpp
11、pN。,2.大多数真核mRNA的3末端有一个多聚腺苷酸(polyA)结构，称为多聚A尾。,3.帽子结构和多聚A尾的功能 mRNA核内向胞质的转位；mRNA的稳定性维系；翻译起始的调控 。,(一) tRNA的特点 1.含 1020% 稀有碱基，如 DHU、 TC。 2. 3末端为 CCA-OH。,二、tRNA的结构与功能,(二) tRNA的结构,tRNA的二级结构,(1) tRNA的二级结构为平面卷曲的三叶草构型。,(2)由单链卷曲形成局部环状双链。 (3)反密码环，带有反密码子可破译遗传密码。 (4)氨基酸臂，直接结合被活化的氨基酸。,2. tRNA的三级结构 倒L形,(三) tRNA的功能
12、破译遗传密码；活化、搬运氨基酸到核糖体，参与蛋白质的翻译。,X线衍射结构证明，tRNA的共同三级结构为倒L形。,* tRNA的三级结构 倒L形,* tRNA的功能 活化、搬运氨基酸到核糖体，参与蛋白质的翻译。,(二) rRNA由单链卷曲构成的多茎环结构。,三、rRNA的结构与功能,(三)rRNA参与组成核糖体的大、小亚基，作为蛋白质生物合成的场所。,(一) rRNA占总RNA的80以上。,(四)根据沉降系数，rRNA在原核生物中有 5S,23S,16S 三种；在真核生物中有 5S,28S,5.8S,18S四种。,四、小分子核内RNA,snmRNAs除了上述三种RNA外，细胞的不同部位存在的许多
13、其他种类的小分子RNA，统称为非mRNA小RNA (small non-messenger RNAs, snmRNAs)。包括核内小RNA、核仁小RNA、胞质小RNA、催化性小RNA、小片段干涉 RNA。参与hnRNA和rRNA的加工和转运。,五、核酶 (一)具有催化功能的核酸称为核酶。,(二) 核酶的锤头状结构,通常为60个核苷酸组成，包括有催化部分和底物部分组成锤头结构。,(三)核酶研究的意义,核酶的发现，对中心法则作了重要补充；是对传统酶学的挑战；利用核酶的结构设计合成人工核酶 。,核酸是含磷酸和碱基的两性电解质，通常表现为较强的酸性。在碱性条件下，RNA不稳定，可在室温下水解。利用这个
14、性质可以测定RNA的碱基组成，也可清除DNA溶液中混杂的RNA。,第四节 核酸的理化性质 (The Physical and Chemical Characters of Nucleic Acid),一、核酸的一般性质,二、紫外吸收,(一) 由于嘌呤和嘧啶中含有共轭双键，核酸在260nm处有最大吸收峰。,1. DNA或RNA的定量2.判断核酸样品的纯度 DNA纯品: OD260/OD280 = 1.8 RNA纯品: OD260/OD280 = 2.0,(二) OD260的应用,三、DNA的变性与复性,(一)变性 (denaturation),1.定义 在某些理化因素作用下，DNA双链解开成两条
15、单链的过程。本质是双链间氢键的断裂。,3.变性后其他理化性质变化,2.因素 强酸，强碱，高温，高压，变性试剂如尿素以及某些有机溶剂如乙醇等。,(2)增色效应：DNA变性时其溶液OD260增高的现象。,DNA的紫外吸收光谱,200 250 260 300,1.5,1.0,0.5,波长(nm),吸光度值,变性状态,天然状态,(3)Tm：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。,Tm,(二)复性,1.DNA复性(renaturation)的定义,(3)减色效应：DNA复性时，其溶液OD260降低。,(1)当变性因素去除后，变性DNA的两条互补链可恢复天然的双螺旋构象，这一现象称为复性。,(2)热变性的DNA经缓慢冷却后即可复性，这一过程称为退火(annealing) 。,1.在DNA复性过程中，将不同种类的DNA单链分子或RNA分子置同一溶液中，就可以形成杂化双链(heteroduplex)。2.杂化双链可以在不同的DNA与DNA之间形成，也可在DNA和RNA分子间或者RNA与RNA分子间形成。这种现象称为核酸分子杂交。,(三)核酸分子杂交(hybridization),
