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1、第 二 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。,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,一、核酸的化学组成,1. 元素组成 C、H、O、N、P（910%）,2. 分子组成,碱基(base)：嘌呤碱，嘧啶碱,戊糖(ribose)：核糖，脱氧核糖,磷酸(phosphate),核苷酸,核苷,二、核苷酸的结构,1. 核苷的形成,碱基
2、和核糖（脱氧核糖）通过糖苷键连接形成核苷（脱氧核苷）。,核苷酸： AMP, GMP, UMP, CMP 脱氧核苷酸： dAMP, dGMP, dTMP, dCMP,2. 核苷酸的结构与命名,核苷（脱氧核苷）和磷酸以酯键连接形成核苷酸（脱氧核苷酸）。,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,多磷酸核苷酸：NMP，NDP，NTP,环化核苷酸: cAMP，cGMP,AMP,ADP,ATP,cAMP,三、核酸的一级结构,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。,核苷酸的连接方式
3、：,核苷酸之间以磷酸二酯键连接形成多核苷酸链，即核酸。,C,G,A,核酸的一级结构,书写方法,5 pApCpTpGpCpT-OH 3,5 A C T G C T 3,第二节 DNA的空间结构与功能Dimensional Structure and Function of DNA,一、 DNA的二级结构 双螺旋结构模型,（一）DNA双螺旋结构的研究背景,Erwin Chargaff （19051995）,Chargaff 规则： A%T% G%C%,DNA 分子 X射线衍射照片,Rosalind Franklin,Maurice Wilkins,The Nobel Prize in Physio
4、logy or Medicine 1962.,“for their discoveries concerning the molecular structure of nucleic acids and its significance for information transfer in living material“,（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” 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(major groove)及小沟(minor
5、groove)相间。,碱基垂直螺旋轴居双螺旋内側，与对側碱基形成氢键配对（互补配对形式：A=T; GC） 。 相邻碱基平面距离0.34nm，螺旋一圈螺距3.4nm，一圈10对碱基。,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。,（三）DNA双螺旋结构的多样性,不同类型的DNA双螺旋结构,B -DNA helix,Z -DNA helix,A -DNA helix,二、DNA超螺旋结构及其在染色质中的组装,所有生物的基因组DNA的长度通常比含有DNA的细胞直径大得多。因此，DNA在形成双螺旋结构的基础上，必须进一步折叠成超级螺旋结构，且在蛋白质的参与下，再进行精密的包装。这样， DNA
6、才能存在于细胞核中。,（一）DNA的超螺旋结构,超螺旋结构(superhelix 或supercoil) DNA双螺旋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。,（二）原核生物细胞中DNA的高级结构,绝大部分原核生物的DNA都是闭合环状双螺旋结构，不与蛋白质结合，双螺旋分子可进一步螺旋化形成超螺旋。,环状DNA结构示意图,（三）DNA在真核生物细胞核内的组装,在真核细胞内，DNA分子较原核细胞大得多，所以它们压缩得更为致密。真核细胞的DNA与蛋白
7、质结合，以染色体的形式存在于细胞核内。核小体是真核生物染色体的基本结构单位。,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(140bp)在核心组蛋白缠绕 1.75圈,DNA（60bp）,组蛋白H1,核小体的构成,核小体组成,核小体的折叠及染色体组装,真核生物DNA在细胞核内的组装,三、DNA的功能,以基因的形式储存、携带和传递遗传信息。,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。,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。,第三节 RNA的结构与功能,Structure and Fun
8、ction of RNA,RNA的种类、分布、功能,一、信使RNA的结构与功能,信使RNA（mRNA）的作用就好像一种信使，将存在于细胞核内的基因的遗传信息转移到细胞质中，作为蛋白质合成的模板，细胞中mRNA的种类最多，代谢最快。 真核生物的mRNA前身称为不均一核RNA（hnRNA）。hnRNA在核内经过一系列的剪接、修饰和加工，成为成熟的mRNA并转移到细胞质中。,The Nobel Prize in Physiology or Medicine 1965,Institut Pasteur Paris, France,Jacques Monod,Andr Lwoff,Franois Jac
9、ob,Institut Pasteur Paris, France,Institut Pasteur Paris, France,原核和真核细胞基因表达过程简图,原核细胞,真核细胞,* 真核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：m7GpppNpNp。,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。,mRNA分子上的每三个核苷酸为一组，构成遗传密码， 可以决定多肽链上某一个氨基酸，又称为三联体密码。,mRNA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
10、构和多聚A尾的功能,真核成熟mRNA结构,4、mRNA前体（hnRNA）的剪接,DNA,hnRNA,成熟mRNA,内含子,外显子,真核生物mRNA转录后剪接,外显子编码序列,内含子编码序列,二、转运RNA,转运RNA约占细胞中RNA总量的10% 15%，是分子量最小的一类核酸，由7495个核苷酸构成，含较多稀有碱基（约1020%） 。tRNA的功能是转运氨基酸至核糖体用于蛋白质的合成。,* tRNA的二级结构 三叶草形 氨基酸臂 DHU环 反密码环 额外环 TC环,氨基酸臂,* tRNA的三级结构 倒L形,* tRNA的功能 活化、搬运氨基酸到核糖体，参与蛋白质的合成。,三、核糖体RNA,核糖
11、体RNA（rRNA）是细胞内含量最多的RNA，约占RNA总量的75 % 80%。rRNA与蛋白质共同构成核糖体或称为核蛋白体，是细胞内蛋白质生物合成的场所。原核生物与真核生物的核糖体均由大亚基和小亚基构成。,rRNA的结构特征,rRNA一级结构的一个特征就是甲基化残基的存在，主要的修饰位点在D-核糖的C2-OH。二级结构的模型也已构建出来，rRNA分子内部局部碱基互补，形成许多“茎环”结构，为核糖体蛋白的结合与组装提供了结构基础。,原核生物16S rRNA的二级结构,核蛋白体的组成,局部双链,tRNA,rRNA,mRNA,三叶草形、倒L形 含稀有碱基多 反密码子 CCAOH 3,呈花状,5m7
12、GpppNm、 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10%,代谢快,分子量小120碱基 稳定,分子大120碱基 量 80%,稳定,三种RNA内容小结,功能,四、其它小分子RNA及RNA组学,核酶:具有催化功能的小RNA.,The Nobel Prize in Chemistry 1989,“ for their discovery of catalytic properties of RNA“,Sidney Altman,Thomas R.,Cech,核 酸 的 理 化 性 质 The Physical a
13、nd Chemical Characters of Nucleic Acid,第 四 节,一、核酸的一般性质,核酸溶液的黏度比较大 ，核酸粘度降低或消失，即意味着变性或降解。 DNA分子的长度与直径之比达到107，极易在机械力的作用下发生断裂。 核酸的沉降特性 。,二、核酸的紫外吸收,嘌呤和嘧啶碱基具有共轭双键，这使核苷、核苷酸及核酸可以吸收紫外光，最大吸收峰位于波长260nm附近，因此经常用A260（在260nm处的吸光度）或OD260（260nm处的光密度值）表示核酸的浓度。利用核酸的紫外吸收特性，可以用紫外分光光度法对DNA和RNA进行定性和定量分析。,1.DNA或RNA的定量 OD26
14、0=1.0相当于 50g/ml双链DNA 40g/ml单链DNA（或RNA） 20g/ml寡核苷酸 2.判断核酸样品的纯度 DNA纯品: OD260/OD280 = 1.8 RNA纯品: OD260/OD280 = 2.0,OD260的应用,三、核酸的变性,（一）变性（denaturation）,定义：在某些理化因素作用下，DNA双链解成两条单链的过程。 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。,DNA变性的本质是双链间氢键的断裂,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。,解链曲线：如果在连续加热DN
15、A的过程中以温度对A260（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(Tm)。其大小与G+C含量成正比。,四、复性与杂交,变性DNA在适当条件下，两条互补的单链重新缔合，恢复天然的双螺旋结构，这个过程称为复性。 将不同来源的DNA分子放在同一溶液里，经热变性后缓慢冷却，使其复性。若这些变性的DNA单链之间在某些区域有碱基互补的序列，则复性时，它们之间会形成双链，该过程称为核酸分子杂交。,分子杂交,核酸分子杂交的应用 研究DNA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 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,第五节 核 酸 酶 Nuclease,核酸酶是指所有可以水解核酸的酶 依据底物不同分类 DNA酶(deoxyribonuclease, DNase)： 专一降解DNA。 RNA酶 (ribonuclease, RNase)： 专一降解RNA。 依据切割部位不同 核酸内切酶：分为限制性核酸内切酶和非特异性限制性核酸内切酶。 核酸外切酶：53或35核酸外切酶。 限制性核酸内切酶 识别并切割特异核苷酸序列（回文结构）,
