第二章核酸的结构与功能 主要内容：介绍核酸的分类和化学组成，重点讨论DNA和RNA的结构特征，初步认识核酸的结构特征与其功能的相关性；介绍核酸的主要理化性质和核酸研究的一般方法思考核酸的结构与功能第一节 核酸的研究历史和重要性第二节 核酸的分类和基本结构单位核苷酸第三节 DNA的分子结构第四节 RNA的分子结构第五节 核酸的某些理化性质及核酸研究常用技术第六节 人类基因组计划简介核酸的研究历史和重要性1869 Miescher从脓细胞的细胞核中分离出了一种含磷酸的有机物，当时称为核素（nuclein）,后称为核酸（nucleicacid）1944Avery等通过肺炎球菌转化试验证明DNA是遗传物质1953Watson和Crick提出DNA结构的双螺旋模型1958Crick提出遗传信息传递的中心法则70年代建立DNA重组技术80年代以后 分子生物学、分子遗传学等学科突飞猛进发展，实施人类基因组计划（HGP）核酸的分类及分布、功能(deoxyribonucleicacid,DNA)(ribonucleicacid,RNA)脱氧核糖核酸 核糖核酸 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核酸的元素组成核酸的元素组成 主要元素组成： C、H、O、N、P(911%) 与蛋白质比较，核酸一般不含S，而P的含量较为稳定，占9-11% 核酸基本构成单位：核苷酸(nucleotide)核苷酸由戊糖、磷酸和含氮碱三部分构成核酸的基本结构单位核苷酸1核酸分子中核苷酸的化学组成与命名(1)碱基、核苷、核苷酸的概念和关系(2)常见碱基的结构与命名法(3)常见（脱氧）核苷酸的基本结构与命名(4)稀有核苷酸2细胞内游离核苷酸及其衍生物5-磷酸核苷酸的基本结构OO（N=A、G、C、U、T）HH(O)H12NOHCH2HH543PO-OOO-碱基、核苷、核苷酸的概念和关系NitrogenousbasePentosesugarHOCH2HOHDoxyribose(inDNA)HOCH2HOOHRibose(inRNA)PhosphatePyrimidinesCytosineThymineUracilCUTPurihesAdenineGuanineAGHH核糖和脱氧核糖基本碱基结构和命名嘌呤嘧啶Adenine(A)Guanine(G)Cytosine(C)Uracil(U)Thymine(T)核苷酸的结构和命名腺嘌呤核苷酸（AMP）Adenosinemonophosphate脱氧腺嘌呤核苷酸（dAMP）DeoxyadenosinemonophosphateOH鸟嘌呤核苷酸（GMP）胞嘧啶核苷酸（CMP）尿嘧啶核苷酸（UMP）脱氧鸟嘌呤核苷酸（dGMP）脱氧胞嘧啶核苷酸（dCMP）脱氧胸腺嘧啶核苷酸（dTMP）HPPPPPPPP常见（脱氧）核苷酸的结构和命名鸟嘌呤核苷酸（GMP）尿嘧啶核苷酸（UMP）胞嘧啶核苷酸（CMP）腺嘌呤核苷酸（AMP）脱氧腺嘌呤核苷酸（dAMP）脱氧鸟嘌呤核苷酸（dGMP）脱氧胞嘧啶核苷酸（dCMP）脱氧胸腺嘧啶核苷酸（dTMP）几种稀有核苷酸假尿苷（）二氢尿嘧啶（DHU）AmCH3CH3H3Cm26GHH5细胞内游离核苷酸及其衍生物多磷酸核苷酸环核苷酸辅酶类核苷酸。
5-NMP5-NDP5-NTPN=A、G、C、U 5-dNMP5-dNDP5-dNTP N=A、G、C、T腺苷酸及其多磷酸化合物AMPAdenosinemonophosphateADPAdenosinediphosphateATPAdenosinetriphosphateOPOOHOA(G)OOOHCH2HHHHcAMP(cGMP)的结构Cyclic adenylie (Guanine)acid第三节DNA的分子结构一、DNA一级结构二、DNA的二级结构三、DNA的三级结构DNA的一级结构DNA分子中各脱氧核苷酸之间的连接方式（3-5磷酸二酯键）和排列顺序叫做DNA的一级结构，简称为碱基序列一级结构的走向的规定为53不同的DNA分子具有不同的核苷酸排列顺序，因此携带有不同的遗传信息一级结构的表示法结构式，线条式，字母式一级结构测定53DNA、RNA的一级结构 DNA一级结构53OHOHOH53RNA一级结构DNA一级结构的表示法53结构式53 p p p pOH3ACTG1线条式5ACTGCATAGCTCGA3字母式DNA酶法序列分析的原理酶反应电泳方向模板CCGGTAGCAACT35GG53引物dATPdCTPdGTPdTTP+ddATPdATPdCTPdGTPdTTP+ddTTPdATPdCTPdGTPdTTP+ddGTPdATPdCTPdGTPdTTP+ddCTPGGCCAGGCCATCGTTGAGGCGGCCGGCCATCGGCCATCGTTGGGCCATCGGGCCATGGCCATCGTGGCCATCGTTACGTAGTTGCTACC35TCAACGATGG53读出模板互补序列读出模板序列DNA的二级结构（1） DNA的双螺旋结构(Watson-Crick模型)DNA双螺旋结构特征及意义（2） DNA双螺旋的多态性（3）某些其它DNA螺旋结构 DNA回文结构、镜像重叠、三股螺旋DNA的双螺旋结构的形成53535353磷酸核糖碱基T-A碱基对C-G碱基对DNA的双螺旋模型特点两条反向平行的多聚核苷酸链沿一个假设的中心轴右旋相互盘绕而形成。
磷酸和脱氧核糖单位作为不变的骨架组成位于外侧，作为可变成分的碱基位于内侧，链间碱基按AT，GC配对（碱基配对原则，Chargaff定律）螺旋直径2nm，相邻碱基平面垂直距离0.34nm,螺旋结构每隔10个碱基对（basepair,bp）重复一次，间隔为3.4nm氢键碱基堆集力磷酸基上负电荷被胞内组蛋白或正离子中和碱基处于疏水环境中DNA的双螺旋结构稳定因素DNA的双螺旋结构的意义该模型揭示了DNA作为遗传物质的稳定性特征，最有价值的是确认了碱基配对原则，这是是DNA复制、转录和反转录的分子基础，亦是遗传信息传递和表达的分子基础该模型的提出是本世纪生命科学的重大突破之一，它奠定了生物化学和分子生物学乃至整个生命科学飞速发展的基石DNA双螺旋的不同构象三种DNA双螺旋构象比较A-DNAZ-DNAB-DNAABZ外型粗短适中细长螺旋方向右手右手左手螺旋直径2.55nm2.37nm1.84nm碱基直升0.23nm0.34nm0.38nm碱基夹角32.7034.6060.00每圈碱基数1110.412轴心与碱基对关系2.46nm3.32nm4.56nm碱基倾角1901090糖苷键构象反式反式C、T反式，G顺式大沟很窄很深很宽较深平坦小沟很宽、浅窄、深较窄很深DNA双螺旋构象的类型A-DNAZ-DNAB-DNA 回文结构DNA序列中以某一中心区域为对称轴，其两侧的碱基对顺序正读和反读都相同的双螺旋结构。
即对称轴一侧的片段旋转180后，与另一侧片段对称重复 回文结构能形成十字结构和发夹结构AATTCAAGGGAGAAGTATAGAAGAGGGAAGGATCTTAAGTTCCCTCT TCATATCT TCTCCCTTCCTAG 存在于同一股上的某些DNA区段的反向重复序列此序列各单股中没有互补序列，不能形成十字型或发夹结构镜像重复DNA回文序列及几种结构形式回文序列发夹式结构十字形结构中心区域DNA二级结构的多样性DNA分子中十字形结构的形成富于AT富于ATHolliday结构Southern印迹法DNA分子限制片段限制性酶切割琼脂糖电泳转移至硝酸纤维素膜上与放射性标记DNA探针杂交放射自显影带有DNA片段的凝胶凝胶滤膜用缓冲液转移DNA吸附有DNA片段的膜DNA三链间的碱基配对DNA分子内的三链结构多聚嘌呤多聚嘧啶DNA分子间的三链结构DNA的三级结构 在细胞内，由于DNA分子与其它分子（主要是蛋白质）的相互作用，使DNA双螺旋进一步扭曲形成的高级结构.实例：超螺旋染色体（chromosome）病毒（virus）DNA超螺旋结构的形成核小体盘绕及染色质示意图组蛋白与DNA的结合真核生物染色体DNA组装不同层次的结构DNA（2nm）核小体链（11nm，每个核小体200bp）纤丝（30nm，每圈6个核小体）突环（150nm，每个突环大约75000bp）玫瑰花结（300nm，6个突环）螺旋圈（700nm，每圈30个玫瑰花）染色体（1400nm，每个染色体含10个玫瑰花200bp）噬菌体T2结构头部颈圈尾部基板尾丝尖钉DNA动物病毒切面模式图被膜（脂蛋白、碳水化合物）衣壳（蛋白质）核酸突起（糖蛋白）病毒粒（DNA或RNA）第四节 RNA的分子结构一、RNA一级结构和类别二、tRNA的分子结构三、rRNA的分子结构四、mRNA的分子结构RNA的一级结构RNA分子中各核苷之间的连接方式（3-5磷酸二酯键）和排列顺序叫做RNA的一级结构OHOHOH53RNA与DNA的差异DNARNA糖脱氧核糖核糖碱基AGCTAGCU不含稀有碱基含稀有碱基RNA的类别信使RNA（messengerRNA，mRNA）：在蛋白质合成中起模板作用；核糖体RNA（ribosoalRNA，rRNA）：与蛋白质结合构成核糖体（ribosome）,核糖体是蛋白质合成的场所；转移RNA（transforRNA，tRNA）：在蛋白质合成时起着携带活化氨基酸的作用。
tRNA 的结构二级结构特征：单链三叶草叶形四臂四环三级结构特征：在二级结构基础上进一步折叠扭曲形成倒L型酵母tRNAAla的二级结构DHU环IGC反密码子反密码环氨基酸臂可变环TC环CCAAla35tRNA的三级结构rRNA的分子结构特征：单链，螺旋化程度较tRNA低与蛋白质组成核糖体后方能发挥其功能5sRNA的二级结构mRNA的分子结构原核生物mRNA特征：先导区+翻译区（多顺反子）+末端序列真核生物mRNA特征：“帽子”（m7G-5ppp5-N-3p）+单顺反子+“尾巴”（PolyA）原核细胞mRNA的结构特点53顺反子顺反子顺反子插入顺序插入顺序先导区末端顺序真核细胞mRNA的结构特点AAAAAAA-OH5 “帽子”PolyA3 顺反子m7G-5ppp-N-3p第五节 核酸的某些理化性质及核酸研究常用技术一、核酸的两性解离性质二、核酸的紫外吸收特性（max=260nm）三、核酸的变性、复性和分子杂交四、核酸的熔解温度（Tm）五、核酸的沉降特性 沉降系数（s）的概念DNA的紫外吸收光谱天然DNA变性DNA核苷酸总吸收值1232202402602800.10.20.30.4波长（nm）光吸收123DNA的变性过程加热部分双螺旋解开 无规则线团 链内碱基配对核酸的变性、复性和杂交变性（加热）探针杂交（缓慢冷却）复性（缓慢冷却）变性：在物理、化学因素影响下，DNA碱基对间的氢键断裂，双螺旋解开，这是一个是跃变过程，伴有A260增加（增色效应）,DNA的功能丧失。
复性：在一定条件下，变性DNA单链间碱基重新配对恢复双螺旋结构，伴有A260减小（减色效应）,DNA的功能恢复分子杂交的原理示意图 不同来源的DNA单链间或单链DNA与RNA之间只要有碱基配对的区域，在复性时可形成局部双螺旋区，称核酸分子杂交（hybridization）制备特定的探针（probe）通过杂交技术可进行基因的检测和定位研究实例：southern印迹法Tm：熔解温度（melting temperature）Polyd(A-T)DNAPolyd(G-C)DNA的变性发生在一个很窄的温度范围内，通常把热变性过程中A260达到最大值一半时的温度称为该DNA的熔解温度，用Tm表示Tm的大小与DNA分子中（G+C）的百分含量成正相关，测定Tm值可推算核酸碱基组成及判断DNA纯度某些DNA的Tm值60801001.01.41.2100%A260t0CTmTmTm1。