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1、,核酸的结构与功能,重点、难点： 基本概念:核苷酸 ,DNA、RNA, Tm等 DNA双螺旋结构模型的要点； mRNA、tRNA、rRNA的结构特点及功能； DNA变性与复性等核酸重要的理化性质及其应用。,第2章 核酸的结构与功能,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。,元素组成：C、H、O、N、P,核酸的分类及分布,存在于细胞核和线粒体,分布于细胞核、细胞质、线粒体,(deoxyribonucleic acid, DNA),(ribonucleic acid,
2、 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(genotype)。遗传信息的载体,是DNA转录的产物,传递遗传信息 RNA也可作为遗传信息的载体,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,核酸组成,一、核苷酸是构成核酸的基本组成单位,碱基(base)是含氮的杂环化合物。,碱基,嘌呤,嘧啶,腺嘌呤,鸟嘌呤,尿嘧啶,胸腺嘧啶,胞嘧啶,存在于DNA和RNA中,仅存在于RNA中,仅存在于DNA中,碱基,嘌呤(purine，Pu),腺嘌呤(adenine, A),鸟
3、嘌呤(guanine, G),嘧啶(pyrimidine，Py),胞嘧啶(cytosine, C),尿嘧啶(uracil, U),胸腺嘧啶(thymine, T),碱基的互变异构体,戊糖,嘌呤N-9或嘧啶N-1与核糖C-1通过-N-糖苷键相连形成核苷(ribonucleoside)。,核苷,N,N,N,N,9,N,H,2,O,O,H,O,H,H,H,H,C,H,2,O,H,H,1,2,糖苷键,AR, GR, UR, CR,脱氧核苷,嘌呤N-9 或嘧啶N-1与脱氧核糖C-1通过-N-糖苷键相连形成脱氧核苷(deoxyribonucleoside)。,H,dAR, dGR, dTR, dCR,“稀
4、有核苷”是由“稀有碱基”所生成的核苷。,假尿苷（） 1,C5-糖苷键,1,C5,核苷或脱氧核苷与磷酸通过酯键结合构成核苷酸(ribonucleotide)或脱氧核苷酸(deoxyribonucleotide)。,核苷酸(ribonucleotide) AMP, GMP, UMP, CMP,脱氧核苷酸：dAMP, dGMP, dTMP, dCMP,多磷酸核苷酸,环化核苷酸：cAMP、cGMP，是细胞信号转导中的第二信使。,cAMP,核苷酸衍生物,体内重要的核苷酸衍生物,含核苷酸的生物活性物质： NAD+、NADP+、CoA-SH、FAD 等都含有 AMP,二、DNA是脱氧核苷酸通过3,5-磷酸二
5、酯键连接形成的大分子,一个脱氧核苷酸3的羟基与另一个核苷酸5的-磷酸基团缩合形成磷酸二酯键(phosphodiester bond)。 多个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，称为多聚脱氧核苷酸(polydeoxynucleotide)，即DNA链。,C,G,A,交替的磷酸基团和戊糖构成了DNA的骨架 (backbone)。,DNA链的方向是5 3,三、RNA也是具有3,5-磷酸二酯键的线性大分子,RNA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；,RNA的戊糖是核糖； RNA的嘧啶是胞嘧啶和尿嘧啶。,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
6、碱基不同，所以也称为碱基序列。,四、核酸的一级结构是核苷酸的排列顺序,书写方法：,5 pApCpTpGpCpT-OH 3,5 A C T G C T 3,核酸分子的大小常用碱基(base或kilobase)数目来表示。 小的核酸片段(50bp)常被称为寡核苷酸(oligonucleotide)。自然界中的DNA和RNA的长度可以高达几十万个碱基。,第二节DNA的空间结构与功能Dimensional Structure and Function of DNA,DNA的空间结构又分为二级结构(secondary structure)和高级结构。,DNA的空间结构(spatial structure
7、),构成DNA的所有原子在三维空间具有确定的相对位置关系。,double helix：The natural coiled conformation of two complementary, antiparallel DNA chains by the formation of A-T and G-C base pairs.,一、DNA的二级结构是双螺旋结构,Watson and Crick: 1953年提出双螺旋结构模型, The Nobel Prize in Physiology or Medicine 1962,不同生物种属的DNA的碱基组成不同 同一个体的不同器官或组织的DNA碱基组
8、成相同。 A = T，G = C,Chargaff 规则,（一）DNA双螺旋结构的研究背景,获得了高质量的DNA分子的X射线衍射照片。,提出了DNA分子双螺旋结构(double helix)模型。,不同生物来源DNA碱基组分和相对比例,1953年由Wilkins研究小组的Rosalind Franklin获得了高质量的X线衍射照片，显示出DNA是螺旋形分子，从密度上也提示了DNA为双链分子。,Rosalind Franklin,Watson and Cricks 1953 Nature paper proposing a double helix structure for DNA Struc
9、ture for Deoxyribose Nucleic Acid 2 April 1953 MOLECULAR STRUCTURE OF NUCLEIC ACIDS,两条多聚核苷酸链在空间的走向呈反向平行(anti-parallel)。两条链围绕着同一个螺旋轴形成右手螺旋(right-handed)的结构。双螺旋结构的直径为2nm，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外侧，疏水的碱基位于内侧。 双螺旋结构的表面形成了一个大沟(major groove)和一个小沟(minor groove)。,（二） DNA双螺旋结构模型要点,1.DNA是反向平行、右手螺旋
10、的双链结构,2.DNA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(complementary base pair)。 DNA的两条链则互为互补链(complementary strand)。 碱基对平面与螺旋轴垂直。,大沟与小沟,相邻两个碱基对会有重叠，产生了疏水性的碱基堆积力(base stacking interaction)。碱基堆积力和互补碱基对的氢键共同维系着DNA结构的稳定。,3.疏水作用力和氢键共同维系着DNA双螺旋结构的稳定。,碱基堆积作用力,DNA二级结构,B-DNA helix： A right-handed double helix with the follo
11、wing characteristics: the two strands are antiparallel; the bases are inside the helix and the phosphates and deoxyribose sugars are on the outside; adenine forms hydrogen bonds with thymine, and guanine forms them with cytosine; the bases in each pair are coplanar; there are 10.4 residues per turn,
12、 with a pitch of 35 .,Z,（三）DNA双螺旋结构的多样性,三种DNA构型的比较,（四）DNA的多链螺旋结构,在酸性的溶液中，胞嘧啶的N-3原子被质子化，可与鸟嘌呤的N-7原子形成氢键；同时，胞嘧啶的N-4的氢原子也可与鸟嘌呤的O-6形成氢键，这种氢键被称为Hoogsteen氢键。,Hoogsteen氢键,Hoogsteen氢键，不破坏Watson-Crick氢键，由此形成了CGC的三链结构(triplex)。,三链结构,鸟嘌呤之间通过Hoogsteen氢键形成特殊的四链结构(tetraplex)。,四链结构,真核生物DNA3-末端是富含GT的多次重复序列，因而自身形成了折
13、叠的四链结构。,二、DNA的高级结构是超螺旋结构,超螺旋结构(superhelix 或supercoil) DNA双螺旋链再盘绕即形成超螺旋结构。,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。,（一）原核生物DNA的环状超螺旋结构,原核生物DNA多为环状，以负超螺旋的形式存在，平均每200碱基就有一个超螺旋形成。,DNA超螺旋结构的电镜图象,右旋，再右旋,右旋后，左旋,（二）真核生物DNA的高度有序和高度致密的结构,真核生物DNA以非常有序的形式存在于细胞核内。 在细胞周期
14、的大部分时间里，DNA以松散的染色质(chromatin)形式存在，在细胞分裂期，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。 染色质的基本单位是核小体(nucleosome)。,DNA染色质的电镜图像,DNA：约200bp 组蛋白：H1 H2A，H2B H3 H4,核小体的组成,核心颗粒 核小体 连接区,核小体：是真核生物染色体的基本结构单元。,核小体串珠样的结构,core particles Particles resulting from micrococcal nuclease digestion of nucleosomes, consistin
15、g of 140-bp DNA and the histone octamer of a nucleosome.,真核生物的染色体,细胞凋亡时，DNA发生核小体间的断裂，结果产生含有不同数量的核小体片段，每个核小体片段都是200bp的整数倍，琼脂糖凝胶电泳时，形成梯状条带。,结肠癌的凋亡细胞电泳照片,小鼠胸腺细胞凋亡照片,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。,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。,三、DNA是遗传信息的物质基础,两种最重要的生物大分子比较,第三
16、节 RNA的结构与功能,Structure and Function of RNA,RNA与蛋白质共同负责基因的表达和表达过程的调控。 RNA通常以单链的形式存在，但有复杂的局部二级结构或三级结构。 RNA比DNA小的多。 RNA的种类、大小和结构远比DNA表现出多样性。,RNA 的二、三级结构。 (a) 茎-环状结构，发夹样结构；(b) “假结”样结构,RNA的种类、分布、功能,信使RNA(messenger RNA, mRNA)是合成蛋白质的模板。 不均一核RNA(hnRNA)含有内含子(intron)和外显子(exon)。 外显子是氨基酸的编码序列，而内含子是非编码序列。 hnRNA经过剪切后成为成熟的mRNA。,一、mRNA是蛋白质合成中的模板,内含子 (intron),mRNA成熟过程,外显子 (exon),
