目录目录第二章第二章核酸的结构与功能核酸的结构与功能Structure and Function of Nucleic Acid n核核 酸酸(nucleic acid)(nucleic acid) 是以核苷酸为基本组成单位的生物大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分子，携带和传递遗传信息 n核酸的分类及分布核酸的分类及分布存在存在于于细胞核细胞核和和线粒体线粒体 分布于分布于细胞核细胞核、、细胞质细胞质、、线粒体线粒体(deoxyribonucleic acid, DNA)(ribonucleic acid, RNA)脱氧核糖核酸脱氧核糖核酸 核糖核酸核糖核酸携带遗传信息，携带遗传信息，并通过复制传递给下一并通过复制传递给下一代代是是DNADNA转录的产物，转录的产物，参与遗传信息的参与遗传信息的复复制与制与表达某些病毒表达某些病毒RNARNA也可作为遗传也可作为遗传信息的载体信息的载体 第一节第一节核酸核酸的化学组成及其一级结构的化学组成及其一级结构The Chemical Component and Primary Structure of Nucleic Acid 目录目录核酸核酸 ( (DNA和和RNA) )核苷酸核苷酸核苷和脱氧核苷核苷和脱氧核苷磷酸磷酸戊糖戊糖碱基碱基嘌呤嘌呤嘧啶嘧啶核糖核糖脱氧核糖脱氧核糖n核酸组成核酸组成 n分子组成分子组成碱基碱基(base)：嘌呤碱，嘧啶碱：嘌呤碱，嘧啶碱戊糖戊糖(ribose)：核糖，脱氧核糖：核糖，脱氧核糖磷酸磷酸(phosphate)一、核苷酸是构成核酸的基本组成单位一、核苷酸是构成核酸的基本组成单位 目录目录碱基碱基(base)(base)是含氮的杂环化合物是含氮的杂环化合物碱基碱基嘌呤嘌呤嘧啶嘧啶腺嘌呤腺嘌呤鸟嘌呤鸟嘌呤尿嘧啶尿嘧啶胸腺嘧啶胸腺嘧啶胞嘧啶胞嘧啶存在于存在于DNA和和RNA中中仅存在于仅存在于RNA中中仅存在于仅存在于DNA中中n碱基碱基 目录目录核苷或脱氧核苷与磷酸通过核苷或脱氧核苷与磷酸通过酯键酯键结合构成结合构成核苷酸核苷酸(ribonucleotide)或或脱氧核苷酸脱氧核苷酸(deoxyribonucleotide)。
n核苷酸核苷酸(ribonucleotide)NNNN9NH2OO HO HHHHCH2H1 '2'OPO- -HOO糖苷键糖苷键酯键酯键 目录目录n多磷酸核苷酸多磷酸核苷酸 环化核苷酸：环化核苷酸：cAMP、、cGMP，，是细胞信号转导中的第二信使是细胞信号转导中的第二信使cAMPn核苷酸衍生物核苷酸衍生物 二、二、DNADNA是脱氧核苷酸通过是脱氧核苷酸通过3’,5’-3’,5’-磷磷酸二酯键连接形成的大分子酸二酯键连接形成的大分子一一个个脱脱氧氧核核苷苷酸酸3 3 的的羟羟基基与与另另一一个个核核苷苷酸酸5 5 的的αα- -磷磷酸酸基基团团缩缩合合形形成成磷磷酸酸二二酯酯键键(phosphodiester bond) 多多个个脱脱氧氧核核苷苷酸酸通通过过磷磷酸酸二二酯酯键键构构成成了了具具有有方方向向 性性 的的 线线 性性 分分 子子 ，， 称称 为为 多多 聚聚 脱脱 氧氧 核核 苷苷 酸酸(polydeoxynucleotide)，，即即DNA链链 目录目录三、三、RNARNA是具有是具有3’,5’-3’,5’-磷酸二酯磷酸二酯键的线性大分子键的线性大分子ØRNA也也是是多多个个核核苷苷酸酸分分子子通通过过酯酯化化反反应应形形成成的的线线性大分子，并且具有方向性性大分子，并且具有方向性；；ØRNA的戊糖是核糖；的戊糖是核糖；ØRNA的嘧啶是胞嘧啶和尿嘧啶。
的嘧啶是胞嘧啶和尿嘧啶 n定义定义核酸中核苷酸的排列顺序核酸中核苷酸的排列顺序由由于于核核苷苷酸酸间间的的差差异异主主要要是是碱基不同，所以也称为碱基不同，所以也称为碱基序列碱基序列5′5′端端3′端端CGA四、核酸的一级结构是四、核酸的一级结构是核苷酸的排列顺序核苷酸的排列顺序 Ø核酸分子的大小常用碱基核酸分子的大小常用碱基(base或或kilobase)数目来表示数目来表示Ø小小 的的 核核 酸酸 片片 段段 (<50bp)常常 被被 称称 为为 寡寡 核核 苷苷 酸酸(oligonucleotide)Ø 自然界中的自然界中的DNA和和RNA的长度可以高达几十万个碱基的长度可以高达几十万个碱基 核酸大小的表示法 第二节第二节DNADNA的空间结构与功能的空间结构与功能Dimensional Structure and Function of DNA 目录目录DNADNA的的空空间间结结构构又又分分为为二二级级结结构构(secondary structure)和高级结构和高级结构nDNADNA的空间结构的空间结构(spatial structure)构成构成DNA的所有原子在三维空间的所有原子在三维空间具有确定的相对位置关系。
具有确定的相对位置关系 一、一、DNADNA的二级结构是双螺旋结构的二级结构是双螺旋结构 Ø两两条条多多聚聚核核苷苷酸酸链链在在空空间间的的走走向向呈呈反反向向平平行行(anti-parallel)两两条条链链围围绕绕着着同同一一个个螺螺旋旋轴轴形形成成右右手手螺螺旋旋(right-handed)的结构双螺旋结构的直径为的结构双螺旋结构的直径为2.37nm，螺距为，螺距为3.54nmØ脱脱氧氧核核糖糖和和磷磷酸酸基基团团组组成成的的亲亲水水性性骨骨架架位位于于双双螺螺旋旋结结构构的的外侧外侧，疏水的碱基位于，疏水的碱基位于内侧内侧Ø双双螺螺旋旋结结构构的的表表面面形形成成了了一一个个大大沟沟(major groove)和和一一个个小小沟沟(minor groove) DNADNA双螺旋结构模型要点双螺旋结构模型要点1.1.DNA是反向平行、右手螺旋的双链结构是反向平行、右手螺旋的双链结构 Ø相相邻邻两两个个碱碱基基对对会会有有重重叠叠，，产产生生了了疏疏水水性性的的碱碱基基堆堆积力积力(base stacking interaction)Ø碱碱基基堆堆积积力力和和互互补补碱碱基基对对的的氢氢键键共共同同维维系系着着DNA结结构的稳定。
构的稳定3.疏水作用力和氢键共同维系着疏水作用力和氢键共同维系着DNA双螺旋双螺旋结构的稳定结构的稳定 目录目录旋向旋向螺距螺距(nm)碱基数碱基数（每圈）（每圈）螺旋直径螺旋直径（（nm））骨架骨架走行走行存在条件存在条件A型型 右手右手2.3112.5平滑平滑体外脱水体外脱水B型型右手右手3.4102.3平滑平滑DNA生理条件生理条件Z型型左手左手4.5121.8锯齿型锯齿型CG序列序列n三种三种DNADNA构型的比较构型的比较 二、二、DNADNA的高级结构是超螺旋结构的高级结构是超螺旋结构超螺旋结构超螺旋结构(superhelix 或或supercoil)DNA双螺旋链再盘绕即形成超螺旋结构双螺旋链再盘绕即形成超螺旋结构 正超螺旋正超螺旋(positive supercoil)盘绕方向与盘绕方向与DNA双螺旋方同相同双螺旋方同相同 负超螺旋负超螺旋(negative supercoil)盘绕方向与盘绕方向与DNA双螺旋方向相反双螺旋方向相反 （一）原核生物（一）原核生物DNADNA的环状超螺旋结构的环状超螺旋结构原核生物原核生物DNA多为环状，以负超螺旋的形式存在多为环状，以负超螺旋的形式存在，，平均每平均每200200碱基就有一个超螺旋形成。
碱基就有一个超螺旋形成 （二）真核生物（二）真核生物DNADNA的高度有序和高度致密的高度有序和高度致密的结构的结构Ø真核生物真核生物DNA以非常有序的形式存在于细胞核内以非常有序的形式存在于细胞核内Ø在在细细胞胞周周期期的的大大部部分分时时间间里里，，DNA以以松松散散的的染染色色质质(chromatin)形形式式存存在在，，在在细细胞胞分分裂裂期期，，则则形形成成高高度度致密的染色体致密的染色体(chromosome) 目录目录DNA：：约约200bp 组蛋白：组蛋白：H1H2A，，H2BH3H4n核小体的组成核小体的组成 ØDNA的的基基本本功功能能是是以以基基因因的的形形式式荷荷载载遗遗传传信信息息，，并并作作为为基基因因复复制制和和转转录录的的模模板板它它是是生生命命遗遗传传的的物物质质基基础，也是个体生命活动的信息基础础，也是个体生命活动的信息基础Ø基基因因从从结结构构上上定定义义，，是是指指DNA分分子子中中的的特特定定区区段段，，其中的核苷酸排列顺序决定了基因的功能其中的核苷酸排列顺序决定了基因的功能 三、三、DNADNA是遗传信息的物质基础是遗传信息的物质基础 第三节第三节 RNARNA的结构与功能的结构与功能Structure and Function of RNA 目录目录ØRNA与与蛋蛋白白质质共共同同负负责责基基因因的的表表达达和和表表达达过过程程的的调调控。
控ØRNA通通常常以以单单链链的的形形式式存存在在，，但但有有复复杂杂的的局局部部二二级级结构或三级结构结构或三级结构ØRNA比比DNA小的多ØRNA的种类、大小和结构远比的种类、大小和结构远比DNA表现出多样性表现出多样性 nRNARNA的种类、分布、功能的种类、分布、功能 目录目录Ø信使信使RNA(messenger RNA, mRNA)是合成蛋白质的模板是合成蛋白质的模板Ø不不均均一一核核RNA(hnRNA)含含有有内内含含子子(intron)和和外外显显子子(exon) Ø外显子是氨基酸的编码序列，而内含子是非编码序列外显子是氨基酸的编码序列，而内含子是非编码序列ØhnRNA经过剪切后成为经过剪切后成为成熟的成熟的mRNA一、一、mRNAmRNA是蛋白质合成中的模板是蛋白质合成中的模板 目录目录Ø从从AUG 开开始始，，每每三三个个核核苷苷酸酸为为一一组组编编码码了了一一个个氨氨基基酸酸，，称为三联体密码称为三联体密码(codon)Ø成熟的成熟的mRNA由氨基酸编码区和非编码区构成由氨基酸编码区和非编码区构成 Ø5 -末末端端的的帽帽子子(cap)结结构构和和3 -末末端端的的多多聚聚A尾尾(poly-A tail)结构。
结构 n成熟的真核生物成熟的真核生物mRNAmRNA 目录目录（三）（三）mRNAmRNA依照自身的碱基顺序指导蛋白质依照自身的碱基顺序指导蛋白质氨基酸顺序的合成氨基酸顺序的合成Ø从从mRNA分分子子5'5'末末端端起起的的第第一一个个AUGAUG开开始始，，每每3 3个个核核苷苷酸酸为为一一组组称称为为密密码码子子(codon)或或三三联联体体密密码码(triplet code) ØAUG被被称称为为起起始始密密码码子子；；决决定定肽肽链链终终止止的的密密码码子子则称为终止密码子则称为终止密码子Ø位位于于起起始始密密码码子子和和终终止止密密码码子子之之间间的的核核苷苷酸酸序序列列称称为为开开放放阅阅读读框框(open reading frame, ORF)，，决决定定了了多多肽链的氨基酸序列肽链的氨基酸序列 目录目录（四）（四）mRNAmRNA的成熟过程是的成熟过程是hnRNAhnRNA的剪接过程的剪接过程卵清蛋白卵清蛋白mRNA的成熟的成熟 目录目录Ø转转运运RNA(transfer RNA, tRNA)在在蛋蛋白白质质合合成成过过程程中中作作为各种氨基酸的载体为各种氨基酸的载体, 将氨基酸转呈给将氨基酸转呈给mRNA。
Ø由由74～～95核苷酸组成；核苷酸组成；Ø占细胞总占细胞总RNA的的15%；；Ø具有很好的稳定性具有很好的稳定性二、二、tRNAtRNA是蛋白质合成中的氨基酸载体是蛋白质合成中的氨基酸载体 目录目录ØtRNA具具有有局局部部的的茎茎环环(stem-loop)结结构构或或发发卡卡(hairpin)结构二）（二）tRNAtRNA具有茎环结构具有茎环结构tRNA的二级结构的二级结构——三叶草形三叶草形Ø氨基酸臂氨基酸臂ØDHU环环Ø反密码环反密码环ØTψC环环Ø附加叉附加叉 目录目录ØtRNA的的3 -末末端都是以端都是以CCA结结尾Ø3 -末末端的端的A与氨基酸共价连与氨基酸共价连结，结，tRNA成为了氨基酸的载成为了氨基酸的载体Ø不同的不同的tRNA可以结合不同的可以结合不同的氨基酸 （三）（三）tRNAtRNA的的3 3 - -末末端连接端连接氨基酸氨基酸 目录目录ØtRNA的的反反密密码码子子环环上上有有一一个个由由三三个个核核苷苷酸酸构构成成 的的 反反 密密 码码 子子(anticodon)ØtRNA上上的的反反密密码码子子依依照照碱碱基基互互补补的的原原则则识识别别mRNA上的密码子。
上的密码子四）（四）tRNAtRNA的反密码子识别的反密码子识别mRNAmRNA的密码子的密码子 目录目录Ø核核蛋蛋白白体体RNA(ribosomal RNA，，rRNA)是是细细胞胞内内含含量最多的量最多的RNA(>80％％)ØrRNA与与核核蛋蛋白白体体蛋蛋白白结结合合组组成成核核蛋蛋白白体体(ribosome)，为蛋白质的合成提供场所为蛋白质的合成提供场所三、以三、以rRNA为组分的核蛋白体是蛋为组分的核蛋白体是蛋白质合成的场所白质合成的场所 目录目录ØRNA组学组学 是是研研究究细细胞胞内内snmRNA的的种种类类、、结结构构和和功功能能同同一一生生物物体体内内不不同同种种类类的的细细胞胞、、同同一一细细胞胞在在不不同同时时空空状状态态下下snmRNAs表达谱的变化，以及与功能之间的关系表达谱的变化，以及与功能之间的关系 四、四、snmRNA参与了基因表达的调控参与了基因表达的调控Ø细细胞胞的的不不同同部部位位存存在在的的许许多多其其他他种种类类的的小小分分子子RNA，， 统统 称称 为为 非非 mRNA小小 RNA(small non-messenger RNAs, snmRNAs)。
nsnmRNAs l核内小核内小RNAl核仁小核仁小RNAl胞质小胞质小RNAl催化性小催化性小RNAl小片段干涉小片段干涉 RNA 参与参与hnRNA的加工剪接的加工剪接nsnmRNAssnmRNAs的的种类种类nsnmRNAssnmRNAs的的功能功能 目录目录n核酶核酶某某些些小小RNA分分子子具具有有催催化化特特定定RNA降降解解的的活活性性，，这这种种具具有有催催化化作作用用的的小小RNARNA亦亦被被称称为为核核酶酶(ribozyme)或催化性或催化性RNA(catalytic RNA) 核酸的理化性质核酸的理化性质The Physical and Chemical Characters of Nucleic Acid第四节第四节 Ø核酸的酸碱及溶解度性质核酸的酸碱及溶解度性质l核酸为多元酸，具有较强的酸性核酸为多元酸，具有较强的酸性Ø核酸的高分子性质核酸的高分子性质l粘度：粘度：DNA>RNA dsDNA > ssDNAl沉沉降降行行为为:不不同同构构象象的的核核酸酸分分子子的的沉沉降降的的速速率率有有很很大大差差异异，，这这是是超超速速离离心心法法提提取取和和纯纯化化核核酸酸的的理理论基础。
论基础 核酸在波长核酸在波长 260nm 处有强烈的吸收，是由处有强烈的吸收，是由碱基碱基的共轭双键的共轭双键所决定的这一特性常用作核酸的定性和所决定的这一特性常用作核酸的定性和定量分析定量分析一、核酸分子具有强烈的紫外吸收一、核酸分子具有强烈的紫外吸收 ØDNA或或RNA的定量的定量A260 = 1.0 相当于相当于 50μg/ml 双链双链DNA(dsDNA)40μg/ml 单链单链DNA (ssDNA or RNA)20μg/ml 寡核苷酸寡核苷酸Ø确定样品中核酸的纯度确定样品中核酸的纯度 纯纯 DNA: A260/A280 = 1.8纯纯 RNA: A260/A280 = 2.0n紫外吸收的应用紫外吸收的应用 二、二、DNADNA变性是双链解离为单链的过程变性是双链解离为单链的过程在某些理化因素作用下，在某些理化因素作用下，DNA双链解双链解开成两条单链开成两条单链的过程n定义定义DNA变性的本质是双链间氢键的断裂变性的本质是双链间氢键的断裂 Ø增增色色效效应应(hyperchromic effect)：DNA变变性性时时其其溶溶液液OD260增高增高的现象nDNADNA解链时的解链时的紫紫外吸收变化外吸收变化 nDNADNA的解的解链链曲线曲线连连续续加加热热DNA的的过过程程中中以以温温度度相相对对于于A260值值作作图图，，所得的曲线称为所得的曲线称为解链曲线解链曲线。
解解链链过过程程中中，，紫紫外外吸吸光光度度的的变变化化达达到到最最大大变变化化值值的一半时所对应的温度的一半时所对应的温度解链温度解链温度(melting temperature，，Tm) 三、变性的核酸可以复性或形成三、变性的核酸可以复性或形成杂交双链杂交双链Ø当当变变性性条条件件缓缓慢慢地地除除去去后后，，两两条条解解离离的的互互补补链链可可重重新新配配对对，，恢恢复复原原来来的的双双螺螺旋旋结结构构，，这这一一现现象象称称为为DNA复复性性(renaturation) Ø减色效应：减色效应：DNA复性时，其溶液复性时，其溶液OD260降低Ø热热变变性性的的DNA经经缓缓慢慢冷冷却却后后即即可可复复性性，，这这一一过过程程称称为为退火退火(annealing) Ø不不同同种种类类的的DNA单单链链分分子子或或RNA分分子子放放在在同同一一溶溶液液中中，，只只要要两两种种单单链链分分子子之之间间存存在在着着一一定定程程度度的的碱碱基基配配对对关关系系，，在在适适宜宜的的条条件件可可以以在在不不同同的的分分子子间间形形成成杂杂化化双双链链(heteroduplex)Ø这这种种杂杂化化双双链链可可以以在在不不同同的的DNA与与DNA之之间间形形成成，，也也可可以以在在DNA和和RNA分分子子间间或或者者RNA与与RNA分分子子间间形形成成。
这种现象称为核酸分子杂交这种现象称为核酸分子杂交n核酸分子杂交核酸分子杂交(hybridization) Ø研究研究DNA分子中某一种基因的位置分子中某一种基因的位置Ø鉴定两种核酸分子间的序列相似性鉴定两种核酸分子间的序列相似性Ø检测某些专一序列在待检样品中存在与否检测某些专一序列在待检样品中存在与否n核酸分子杂交的应用核酸分子杂交的应用 目录目录思考题 •试述试述DNA的分子结构特点的分子结构特点 •试述试述DNA的生物学功能的生物学功能 •试述三种主要试述三种主要RNA的生物学功能的生物学功能 •试述核酸分子杂交技术的实际应用试述核酸分子杂交技术的实际应用 目录目录名词解释名词解释•ribonucleotide•phosphodiester bond•double helix •complementary base pair•nucleosome 目录目录•hnRNA•anticodon•open reading frame, ORF•melting temperature，，Tm 。