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1、2019/1/7,1,第 二 章 核酸的结构和功能,Structure and Function of Nucleic Acid,四川大学基础医学与法医学院生物化学与分子生物学 廖英,2019/1/7,2,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。,2019/1/7,3,一、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 Nirenberg发现遗传密码 1975年 Temin和
2、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,2019/1/7,4,二、核酸的分类及分布,2019/1/7,5,1. 核酸的化学组成及一级结构 2. DNA的空间结构与功能 3. RNA的结构与功能 4. 核酸的理化性质 5. 核酸酶,2019/1/7,6,第一节 核酸的化学组成及一级结构,The Chemical Component and Primary Structur
3、e of Nucleic Acid,2019/1/7,7,核酸,核苷酸,核苷,磷酸,碱基,戊糖,核酸完全水解产生嘌呤和嘧啶等碱性物质、戊糖（核糖或脱氧核糖）和磷酸的混合物。核酸部分水解则产生核苷和核苷酸。每个核苷分子含一分子碱基和一分子戊糖，一分子核苷酸部分水解后除产生核苷外，还有一分子磷酸。核酸的各种水解产物可用层析或电泳等方法分离鉴定。,2019/1/7,8,核酸的化学组成,1. 元素组成 C、H、O、N、P（910%）,2019/1/7,9,嘌呤(purine),腺嘌呤(adenine, A),鸟嘌呤(guanine, G),碱 基,2019/1/7,10,嘧啶(pyrimidine),
4、胞嘧啶(cytosine, C),尿嘧啶(uracil, U),胸腺嘧啶(thymine, T),2019/1/7,11,戊 糖,（构成RNA）,1,2,3,4,5,核糖(ribose),2019/1/7,12,N1 C 1,碱基 + 戊糖,糖苷键,核苷,一、核苷酸的结构, 核苷 ( ribonucleoside ) 的形成,2019/1/7,13,N9 C 1,N1 C 1,糖苷键,糖苷键,2019/1/7,14,Adenosine Guanosine Cytidine Uridine,核苷：AR, GR, UR, CR 脱氧核苷：dAR, dGR, dCR, dTR,H,H,H,2019/
5、1/7,15,核苷酸： AMP, GMP, UMP, CMP 脱氧核苷酸： dAMP, dGMP, dTMP, dCMP,核苷+磷酸 核苷酸,磷酸酯键,5-磷酸酯键,2019/1/7,16,体内重要的游离核苷酸及其衍生物,1.多磷酸核苷酸：NMP，NDP，NTP,AMP,ADP,ATP,2019/1/7,17,cAMP,cGMP,3,5,2. 环化磷酸化 cAMP cGMP,2019/1/7,18,3.含核苷酸的生物活性物质 NAD+、NADP+、CoA-SH、FAD 等都含有 AMP,NADP+,NAD+,2019/1/7,19, 核苷酸的连接,核苷酸之间以3 5磷酸二酯键连接形成多核苷酸链
6、，即核酸。,C,A,G,2019/1/7,20,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。,C,A,G,二、核酸的一级结构,2019/1/7,21,书写方法 5 3,5 pApCpTpGpCpT-OH 3,5 A C T G C T 3,2019/1/7,22,* 指DNA或RNA中核苷酸的排列顺序,亦即碱基序列 * 是通过一个核苷酸的3-OH 与另一分子核苷酸 的5-磷酸基形成3, 5-磷酸二酯键相连 * 多聚核苷酸总有5-磷酸末端（常用5-P表 示）；3-羟基末端（常用3-OH表示） * 多聚核苷酸链具有方向性，一般书写方向是 53,小结,201
7、9/1/7,23,第二节 DNA的空间结构与功能,Dimensional Structure and Function of DNA,2019/1/7,24,DNA的二级结构-双螺旋结构 DNA双螺旋结构的研究背景和历史意义 DNA双螺旋结构模型要点 DNA的超螺旋结构及其在染色质中的组装 DNA的超螺旋结构 原核生物DNA的高级结构 DNA在真核生物细胞核内的组装 DNA的功能,2019/1/7,25,一、 DNA的二级结构 双螺旋结构,DNA的碱基顺序本身就是遗传信息存储的分子形式。生物界物种的多样性即寓于DNA分子中四种核苷酸千变万化的不同排列组合之中。,2019/1/7,26,（一）D
8、NA双螺旋结构的研究背景,2019/1/7,27,In 1953, James Watson and Francis Crick proposed the double-helix model of DNA,2019/1/7,28,（二） 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-磷酸构成骨架，为右手螺旋。螺旋直径为2nm，形成大沟(major groove)及小沟(minor groove)相间。,5,3,3,5,2019/1/7,29,碱基垂直螺旋轴居双螺旋内側，与对側碱基形成氢键配对（互补
9、配对形式：A=T; GC） 。,（二） DNA双螺旋结构模型要点 （Watson, Crick, 1953）,5,3,3,5,2019/1/7,30,碱基互补配对,T,A,C,G,2019/1/7,31,（二） DNA双螺旋结构模型要点 （Watson, Crick, 1953）,5,3,3,5,相邻碱基平面距离0.34nm，螺旋一圈螺距3.4nm，一圈10对碱基。,2019/1/7,32,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。,5,3,3,5,（二） DNA双螺旋结构模型要点 （Watson, Crick, 1953）,2019/1/7,33,（三）DNA双螺旋结构的多样性,
10、2019/1/7,34,二、DNA的超螺旋结构及其在染色质中的组装,（一）DNA的超螺旋结构,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,2019/1/7,35,解链过程中正超螺旋的形成,2019/1/7,36,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。,意义,2019/1/7,37,（二）原核生物DNA的高级结构 闭合环状双螺旋分
11、子,2019/1/7,38,（三）DNA在真核生物细胞核内的组装,真核生物染色体由DNA和蛋白质构成，其基本单位是 核小体(nucleosome)。,核小体的组成 DNA：约200bp 组蛋白：H1 H2A，H2B H3 H4,2019/1/7,39,2019/1/7,40,2019/1/7,41,三、DNA的功能,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（gene）：一段有功能的DNA片段，生物 细胞中DNA分子的最小功能单 位。,2019/1/7,42,第三节 RNA的结构与功能,Structure
12、and Function of RNA,2019/1/7,43,RNA的种类、分布、功能,2019/1/7,44,一 、信使RNA的结构与功能,内含子 (intron),* mRNA成熟过程,外显子 (exon),2019/1/7,45,* 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：m7GpppNm-。,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。,2019/1/7,46,Protein Coding Region,hnRNA,mRNA,2019/1/7,47,mRNA
13、核内向胞质的转位 mRNA的稳定性维系 翻译起始的调控,帽子结构和多聚A尾的功能,2019/1/7,48,* mRNA的功能 携带遗传密码，作为蛋白质生物合成的模板。 把DNA所携带的遗传信息，按碱基互补配对原则，抄录并传送至核糖体，用以决定其合成蛋白质的氨基酸排列顺序。,原核细胞,真核细胞,2019/1/7,49,DNA,Nucleus,真核细胞,2019/1/7,50,Ribosomes,mRNA,RNA polymerase,Actively Transcribed Chromatin,原核细胞,2019/1/7,51,* tRNA的一级结构特点 含 1020% 稀有碱基，如 DHU 3
14、末端为 CCA-OH 具有 TC,二、转运RNA的结构与功能,2019/1/7,52,N,N二甲基鸟嘌呤,N6-异戊烯腺嘌呤,双氢尿嘧啶,4-巯尿嘧啶,稀有碱基,2019/1/7,53,假尿嘧啶核苷,尿嘧啶(U),2019/1/7,54,氨基酸臂,额外环,* tRNA 二级结构 三叶草形,氨基酸臂) DHU环 反密码环 额外环 TC环,3 CAU 5,mRNA,GUA,* 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。,2019/1/7,56,* rRNA的结构,三、核蛋白体RNA的结构与功能,* rRNA的功能 参与组成核蛋白体，作为蛋白质生物合
15、成的场所。,2019/1/7,57,* rRNA的种类（根据沉降系数）,真核生物 5S rRNA 28S rRNA 5.8S rRNA 18S rRNA,原核生物 5S rRNA 23S rRNA 16S rRNA,2019/1/7,58,核蛋白体的组成,2019/1/7,59,四 、其他小分子RNA及RNA组学,除了上述三种RNA外，细胞的不同部位存在的许多其他种类的小分子RNA，统称为非mRNA小RNA(small non-messenger RNAs, snmRNAs)。,snmRNAs,2019/1/7,60,snmRNAs的种类 核内小RNA snRNA (small nucleic
16、 RNA) 核仁小RNA snoRNA (small nucleolar RNA) 胞质小RNA scRNA (small cytoplasmic RNA ) 催化性小RNA sctRNA (small cytalytic RNA) 小片段干涉 RNA siRNA (small interfering RNA),snmRNAs的功能 参与hnRNA和rRNA的加工和转运。,2019/1/7,61,RNA组学研究细胞中snmRNAs的种类、结构和功能。同一生物体内不同种类的细胞、同一细胞在不同时间、不同状态下snmRNAs的表达具有时间和空间特异性。,RNA组学,2019/1/7,62,核 酸 的 理 化 性 质,第 四 节,The Physical and Chemica
