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1、第四章第四章 核酸的结构与功能核酸的结构与功能 第一节第一节核酸的化学组成核酸的化学组成 第二节第二节核苷酸的结构核苷酸的结构 第三节第三节核酸的一级结构核酸的一级结构 第四节第四节DNA的结构与功能的结构与功能 第五节第五节RNA的空间结构与功能的空间结构与功能 第六节第六节核酸的理化性质及应用核酸的理化性质及应用 第七节第七节核酸酶核酸酶核酸的研究历史：核酸的研究历史： 1868年，瑞士外科医生年，瑞士外科医生FridrichMiescher从脓细胞核中分离到核酸样物从脓细胞核中分离到核酸样物质。质。 1944年，年，OswaldAvery通过肺炎双球菌通过肺炎双球菌转化实验证实了转化实验
2、证实了DNA是遗传的物质基础。是遗传的物质基础。 核酸分为核酸分为DNA和和RNA。DNA存在于细胞存在于细胞核和线粒体内，核和线粒体内，RNA存在于细胞质和细存在于细胞质和细胞核内。胞核内。第一节第一节 核酸的化学组成核酸的化学组成v核酸是一种线形多聚核苷酸。核酸是一种线形多聚核苷酸。核酸核酸在核酸酶作用下水在核酸酶作用下水解为核苷酸，所以核酸的解为核苷酸，所以核酸的基本单位是：核苷酸。基本单位是：核苷酸。v核苷酸由碱基、戊糖和磷酸组成。核苷酸由碱基、戊糖和磷酸组成。核苷酸核苷酸磷酸磷酸核苷核苷碱基碱基戊糖戊糖核酸核酸核糖核糖脱氧核糖脱氧核糖嘌呤嘌呤嘧啶嘧啶碱基碱基+戊糖戊糖核苷核苷+磷酸磷
3、酸核苷酸核苷酸poly聚合聚合核酸核酸(核苷酸之间通过核苷酸之间通过3 ,5 -磷酸二磷酸二脂键连接脂键连接)按戊糖不同，可分：按戊糖不同，可分：1、脱氧核糖核酸（、脱氧核糖核酸（DNA）：）：分布于细胞核中，为染分布于细胞核中，为染色体主要成份。色体主要成份。D-2-脱氧核糖；磷酸；碱基（腺嘌呤，鸟嘌呤，胞嘧脱氧核糖；磷酸；碱基（腺嘌呤，鸟嘌呤，胞嘧啶，胸腺嘧啶）啶，胸腺嘧啶）2、核糖核酸：（、核糖核酸：（RNA）：）：分布于细胞质和核仁中。分布于细胞质和核仁中。D-核糖；磷酸；碱基（腺嘌呤，鸟嘌呤，胞嘧啶，尿核糖；磷酸；碱基（腺嘌呤，鸟嘌呤，胞嘧啶，尿嘧啶）嘧啶）戊糖核糖核糖脱氧核糖脱氧核
4、糖核酸的重要性核酸的重要性1、DNA是遗传物质，是遗传信息的载体：是遗传物质，是遗传信息的载体：DNARNA多肽中氨基酸的组成和顺序多肽中氨基酸的组成和顺序（中心法则）（中心法则）2、DNA以自身的半保留复制方式把遗传信息一代一代以自身的半保留复制方式把遗传信息一代一代传递下去；传递下去；3、核酸的研究在医学、农学等生命科学中发挥重要作、核酸的研究在医学、农学等生命科学中发挥重要作用；用；4、基因工程进行的、基因工程进行的DNA重组，将创造出自然界原来没重组，将创造出自然界原来没有的新品种。有的新品种。第二节第二节 核苷酸的结构核苷酸的结构一、碱基一、碱基1、嘧啶碱：、嘧啶碱：在嘧啶在嘧啶2位
5、碳原子上由酮基取代位碳原子上由酮基取代H，4位碳原子上有氨基或位碳原子上有氨基或酮基取代酮基取代H嘧嘧啶啶(pyrimidine)胞嘧啶胞嘧啶（2-氧，氧，4-氨基嘧氨基嘧啶啶）Cytosine(C)尿嘧啶尿嘧啶(2，4-二氧嘧啶二氧嘧啶)Uracil(U)胸腺嘧啶（胸腺嘧啶（5-甲甲基尿嘧啶）基尿嘧啶）Thymine(T)此外还有：此外还有：5-甲基胞嘧啶，甲基胞嘧啶，5-羟甲基胞嘧啶，羟甲基胞嘧啶，5,6-双氢双氢尿嘧啶，假尿嘧啶。尿嘧啶，假尿嘧啶。假尿嘧啶核苷假尿嘧啶核苷DHU:双氢尿嘧啶双氢尿嘧啶2、嘌呤碱：、嘌呤碱：在嘌呤在嘌呤2位或位或6位碳原子上位碳原子上H被氨基或酮基取代被氨基
6、或酮基取代此外还有：此外还有：N6-甲基腺嘌呤，甲基腺嘌呤，7-甲基鸟嘌呤等（甲基鸟嘌呤等（p.479，表，表13-2）。）。嘌嘌呤呤(purine)腺嘌呤腺嘌呤(6-氨基嘌呤氨基嘌呤)Adenine(A)鸟嘌呤鸟嘌呤(2-氨基氨基6-氧嘌呤氧嘌呤)Guanine(G)7-甲基鸟嘌呤甲基鸟嘌呤mG：甲基鸟嘌呤核苷：甲基鸟嘌呤核苷 在在DNA和和RNA中都有腺嘌呤（中都有腺嘌呤（A）、鸟嘌呤）、鸟嘌呤（G）和胞嘧啶（）和胞嘧啶（C）。胸腺嘧啶（）。胸腺嘧啶（T）只出现在）只出现在DNA分子中，尿嘧啶（分子中，尿嘧啶（U）则只出现于）则只出现于RNA分子分子中。中。 嘌呤嘌呤嘧啶嘧啶核糖核糖磷酸磷
7、酸DNAA，GC，T脱氧核糖脱氧核糖磷酸磷酸RNAA，GC，U核糖核糖磷酸磷酸两类核酸分子的组成比较两类核酸分子的组成比较嘌呤、嘧啶环上由于有共轭双键，在嘌呤、嘧啶环上由于有共轭双键，在260nm波长附近对紫外光有较强的吸收。波长附近对紫外光有较强的吸收。二、核苷二、核苷由核糖和碱基之间以糖苷键（由核糖和碱基之间以糖苷键（C-N糖苷键）缩合而成。糖苷键）缩合而成。连接方式是嘌连接方式是嘌呤环上的呤环上的N-9或嘧啶环上的或嘧啶环上的N-1与糖的与糖的C-1以糖苷键相连。以糖苷键相连。-构型（构型（1位羟基位羟基在环的上面）。在环的上面）。v核糖核苷：腺嘌呤核苷、鸟嘌呤核核糖核苷：腺嘌呤核苷、鸟
8、嘌呤核苷、胞嘧啶核苷、尿嘧啶核苷（苷、胞嘧啶核苷、尿嘧啶核苷（p.480，表，表13-3）v脱氧核糖核苷：腺嘌呤脱氧核苷、脱氧核糖核苷：腺嘌呤脱氧核苷、鸟嘌呤脱氧核苷、胞嘧啶脱氧核苷、鸟嘌呤脱氧核苷、胞嘧啶脱氧核苷、胸腺嘧啶脱氧核苷胸腺嘧啶脱氧核苷v（假尿嘧啶核苷：核糖与尿嘧啶第（假尿嘧啶核苷：核糖与尿嘧啶第5位碳原子形成位碳原子形成C-C糖苷键）糖苷键）腺嘌呤核苷（腺苷）腺嘌呤核苷（腺苷）核苷核苷= =核糖核糖+ +碱基碱基胞嘧啶脱氧核苷（脱氧胞苷）胞嘧啶脱氧核苷（脱氧胞苷）三、核苷酸三、核苷酸v核苷中的戊糖羟基（主要是核苷中的戊糖羟基（主要是5位上的）被磷酸酯化，形成核位上的）被磷酸酯化，
9、形成核苷酸（苷酸（p.481，表，表3-4）。）。核糖核苷酸：腺嘌呤核苷酸（核糖核苷酸：腺嘌呤核苷酸（AMP）、鸟嘌呤核苷酸）、鸟嘌呤核苷酸（GMP）、胞嘧啶核苷酸（）、胞嘧啶核苷酸（CMP）、尿嘧）、尿嘧啶核苷酸（啶核苷酸（UMP）脱氧核糖核苷酸：腺嘌呤脱氧核苷酸（脱氧核糖核苷酸：腺嘌呤脱氧核苷酸（dAMP）、鸟嘌）、鸟嘌呤脱氧核苷酸（呤脱氧核苷酸（dGMP）、胞嘧啶脱氧核）、胞嘧啶脱氧核苷酸（苷酸（dCMP）、胸腺嘧啶脱氧核苷酸）、胸腺嘧啶脱氧核苷酸（dTMP）v核糖核苷酸在核糖核苷酸在2、3、5位上都有一个自由羟基，能各自被磷位上都有一个自由羟基，能各自被磷酸酯化；酸酯化；v脱氧核糖核苷
10、酸在脱氧核糖核苷酸在2位上没有羟基，故只有位上没有羟基，故只有3、5能被磷酸酯能被磷酸酯化。化。四、多磷酸核苷酸四、多磷酸核苷酸核苷与一个磷酸产生磷酸酯化的核苷酸，称为核苷单磷酸核苷与一个磷酸产生磷酸酯化的核苷酸，称为核苷单磷酸（NMP）；核苷单磷酸进一步磷酸化，形成核苷二磷酸）；核苷单磷酸进一步磷酸化，形成核苷二磷酸（NDP）和核苷三磷酸（）和核苷三磷酸（NTP）。）。磷酸之间的焦磷酸键含有很高的能量，称为高能键（磷酸之间的焦磷酸键含有很高的能量，称为高能键（），），是生物体内能量利用和贮存的主要物质（是生物体内能量利用和贮存的主要物质（12000卡卡/每克分子高能每克分子高能键）。键）。核
11、苷二磷酸：核苷二磷酸：ADP、GDP、CDP、UDP核苷三磷酸：核苷三磷酸：ATP、GTP、CTP、UTP脱氧核苷二磷酸：脱氧核苷二磷酸：dADP、dGDP、dCDP、dTDP脱氧核苷三磷酸：脱氧核苷三磷酸：dATP、dGTP、dCTP、dTTP核苷酸核苷酸= =核苷核苷+ +磷酸磷酸 磷酸基团位于核糖的第五位碳原子磷酸基团位于核糖的第五位碳原子C-5上。上。 NMP（nucleosidemonophosphate) NDP(nucleosidediphosphate) NTP(nucleosidetriphosphate)五、环化核苷酸类（五、环化核苷酸类（3,5-环状腺苷酸，环状腺苷酸，c
12、AMP）由腺苷酸上磷酸与核糖的由腺苷酸上磷酸与核糖的3，5碳原子形成双脂环化而成，碳原子形成双脂环化而成，其中其中3位的磷酸酯键为高能键：位的磷酸酯键为高能键：由由腺苷酸环化酶腺苷酸环化酶催化催化ATP脱去一分子焦磷酸而环化成脱去一分子焦磷酸而环化成cAMP；它又可被专一性的；它又可被专一性的磷酸二酯酶磷酸二酯酶水解成水解成5-AMP。六、核苷酸的性质六、核苷酸的性质1、紫外吸收：嘌呤碱和嘧啶碱具有共轭双键，因此使得碱、紫外吸收：嘌呤碱和嘧啶碱具有共轭双键，因此使得碱基、核苷和核苷酸在基、核苷和核苷酸在240290nm的紫外波段有强烈的吸的紫外波段有强烈的吸收峰，最大吸收值在收峰，最大吸收值在
13、260nm附近。附近。2、互变异构作用：凡含有酮基的嘧啶或嘌呤碱，在溶液中、互变异构作用：凡含有酮基的嘧啶或嘌呤碱，在溶液中可发生酮式和烯醇式的互变异构现象：可发生酮式和烯醇式的互变异构现象：在生物细胞内一般是以酮式存在（这对核酸中氢键结构在生物细胞内一般是以酮式存在（这对核酸中氢键结构的形成十分重要）。的形成十分重要）。酮式烯醇式胞嘧啶 （2-氧，4-氨基嘧 啶 ）Cytosine(C)第三节第三节核酸的一级结构核酸的一级结构 一级结构指其核苷酸的排列顺序。由于一级结构指其核苷酸的排列顺序。由于核苷酸间的差异主要是碱基不同，也称核苷酸间的差异主要是碱基不同，也称碱基序列碱基序列。 DNA：四
14、种脱氧核苷酸按一定顺序以：四种脱氧核苷酸按一定顺序以磷磷酸二酯键酸二酯键相连形成的聚脱氧核苷酸链相连形成的聚脱氧核苷酸链（polydeoxynucleotides）。）。 DNA的书写顺序是的书写顺序是53。DNA一级结构5末端的磷酸基团末端的磷酸基团3，5-磷酸二酯键磷酸二酯键3末端羟基末端羟基第四节第四节 DNADNA的结构与功能的结构与功能一、一、DNA的二级结构的研究史的二级结构的研究史 二十世纪二十年代，二十世纪二十年代，Levene研究了核酸的化学结构并提研究了核酸的化学结构并提出了四核苷酸假说。他认为出了四核苷酸假说。他认为DNA分子是由分子是由A、G、C、T4种核苷酸不断重复延
15、伸而成。种核苷酸不断重复延伸而成。 二十世纪五十年代初，二十世纪五十年代初，Chargaff采用层析和紫外吸收分采用层析和紫外吸收分析等技术研究了析等技术研究了DNA分子的碱基组成，发现不同物种分子的碱基组成，发现不同物种的的DNA碱基组成不一样，并总有碱基组成不一样，并总有A=T；C=G。 1953年，年，Watson和和Crick以以Chargaff的发现为基础，进的发现为基础，进行行DNA晶体的晶体的X-射线衍射图谱研究，提出了射线衍射图谱研究，提出了DNA的双的双螺旋结构。螺旋结构。1962年，年，Watson（美）和（美）和Crick（英）与（英）与Wilkins共享共享Nobel生
16、理医学奖，生理医学奖，Wilkins通过对通过对DNA分分子的子的X-射线衍射研究证实了射线衍射研究证实了Watson和和Crick的的DNA模模型。型。DNA的二级结构(双螺旋) 1953年，年，Watson和和Crick提出提出的的DNA双螺双螺旋结构旋结构二、二、DNADNA双螺旋结构的要点双螺旋结构的要点1、Watson-Crick模型模型的特性：模型模型的特性：v双螺旋：两条反向平行的多核苷酸链围绕同一中心轴相互双螺旋：两条反向平行的多核苷酸链围绕同一中心轴相互缠绕，并且均为右手螺旋；双螺旋结构上有二条螺形凹沟：缠绕，并且均为右手螺旋；双螺旋结构上有二条螺形凹沟：一条较深，称大沟；一
17、条较浅，称小沟。一条较深，称大沟；一条较浅，称小沟。v基团位置：碱基位于双螺旋的内侧，且其平面与纵轴垂直；基团位置：碱基位于双螺旋的内侧，且其平面与纵轴垂直；磷酸与核糖位于双螺旋外侧，彼此通过磷酸与核糖位于双螺旋外侧，彼此通过3,5-磷酸二酯键相磷酸二酯键相连，形成连，形成DNA分子的骨架，且糖环的平面与纵轴平行。分子的骨架，且糖环的平面与纵轴平行。v基团走向：多核苷酸链的方向取决于磷酸二酯键的走向，基团走向：多核苷酸链的方向取决于磷酸二酯键的走向，习惯上以习惯上以C3C5为正向。为正向。v尺度：双螺旋平均直径为尺度：双螺旋平均直径为2nm。两个相邻的碱基之间相距。两个相邻的碱基之间相距高度（
18、碱基堆积距离）为高度（碱基堆积距离）为0.34nm，两个核苷酸之间的夹角，两个核苷酸之间的夹角为为36o。因此，沿中心轴每旋转一周有。因此，沿中心轴每旋转一周有10个核苷酸，每一转个核苷酸，每一转的高度（螺距）为的高度（螺距）为3.4nm。v碱基在一条链上的排列顺序不受任何限制，但依据碱基配碱基在一条链上的排列顺序不受任何限制，但依据碱基配对原则，当一条链序列确定后，可决定另一条互补链的序对原则，当一条链序列确定后，可决定另一条互补链的序列。列。v氢键：两条核苷酸链依靠彼此碱基之间的氢键相连而结氢键：两条核苷酸链依靠彼此碱基之间的氢键相连而结合在一起：合在一起：A与与T相配对，形成两个氢键：相
19、配对，形成两个氢键：A（N6）-T（O4）A（N1）-T（N3）G与与C相配对，形成三个氢键：相配对，形成三个氢键：G（N2）-C（O2）G（N1）-C（N3）G（O6）-C（N4）上述碱基之间的配对原则，称之为碱基互补。上述碱基之间的配对原则，称之为碱基互补。T = AC G2、Dickerson十二聚体（人工合成）的补充：十二聚体（人工合成）的补充：（1）两个核苷酸之间的夹角并非都是）两个核苷酸之间的夹角并非都是36，可由，可由28至至42不等，不等，实际平均每一螺周含实际平均每一螺周含10.4个碱基对；个碱基对；（2）组成碱基对的两个核苷酸的分布并非在同一平面上，而）组成碱基对的两个核苷
20、酸的分布并非在同一平面上，而是碱基对沿长轴旋转一定角度，从而使碱基对的形状像是碱基对沿长轴旋转一定角度，从而使碱基对的形状像螺旋桨叶片的样子，故称为螺旋桨叶片的样子，故称为螺旋桨状扭曲螺旋桨状扭曲。这可提高碱。这可提高碱基堆积力，使基堆积力，使DNA结构更稳定；结构更稳定；（3）维持）维持DNA二级结构的作用力：氢键、碱基堆积力。后者二级结构的作用力：氢键、碱基堆积力。后者为维持二级结构的主要作用力。为维持二级结构的主要作用力。三、三、DNADNA结构的多样性结构的多样性vDNA的右手螺旋并不是自然界的右手螺旋并不是自然界DNA唯一存在的方式。唯一存在的方式。右手螺旋结构是在生理盐水溶液中提取
21、的右手螺旋结构是在生理盐水溶液中提取的DNA的结构，的结构，目前将这种结构称为目前将这种结构称为B-DNA。v1979年，年，AlexanderRich发现了左手螺旋，称为发现了左手螺旋，称为Z-DNA，另外也有，另外也有A-DNA的存在。的存在。1、C-3内式和内式和C-2内式是指呋喃核糖信封式构象中内式是指呋喃核糖信封式构象中C3还是还是C2指向指向C5，见，见p14图图1-13；2、糖苷键构象：嘌呤六元环或嘧啶的、糖苷键构象：嘌呤六元环或嘧啶的O2指向。远离糖的为反式，指向糖的为顺式。指向。远离糖的为反式，指向糖的为顺式。嘌呤六元环顺式嘌呤六元环顺式嘧啶嘧啶O2环顺式环顺式四、四、DNA
22、DNA的三级结构的三级结构DNA的三级结构指的三级结构指DNA双螺旋通过扭曲和折双螺旋通过扭曲和折叠所形成的特定构象，包括不同二级结构单元间的叠所形成的特定构象，包括不同二级结构单元间的相互作用、单链与二级结构单元间的相互作用以及相互作用、单链与二级结构单元间的相互作用以及DNA的拓扑特征。超螺旋是的拓扑特征。超螺旋是DNA三级机构的一种形三级机构的一种形式。式。v环形环形DNA：大部分原核生物的大部分原核生物的DNA是共价封闭的环状双螺是共价封闭的环状双螺旋。旋。包括：某些病毒、噬菌体、细菌质粒、真核生包括：某些病毒、噬菌体、细菌质粒、真核生物线粒体和叶绿体、细菌染色体物线粒体和叶绿体、细菌
23、染色体DNA。线形线形DNA的两端有粘末端，也可借助的两端有粘末端，也可借助DNA连连接酶将互补的粘末端连接成环形接酶将互补的粘末端连接成环形DNA。v超螺旋结构超螺旋结构1、超螺旋的形成原因：、超螺旋的形成原因：当当DNA双螺旋分子以一定构象自由存在时，是处双螺旋分子以一定构象自由存在时，是处于能量最低状态，为松弛型；如果额外多转或少转于能量最低状态，为松弛型；如果额外多转或少转几圈，就会使双螺旋中存在张力。当双螺旋分子的几圈，就会使双螺旋中存在张力。当双螺旋分子的末端是开放的，这种张力可以通过链的转动而释放末端是开放的，这种张力可以通过链的转动而释放出来，出来，DNA将恢复正常的双螺旋状态
24、；但如果将恢复正常的双螺旋状态；但如果DNA分子的两端是固定的，或者是环状分子，这种额外分子的两端是固定的，或者是环状分子，这种额外的张力就不能释放掉，的张力就不能释放掉，DNA分子本身就会发生扭曲，分子本身就会发生扭曲，用以抵消张力。这种扭曲称为超螺旋（双螺旋的螺用以抵消张力。这种扭曲称为超螺旋（双螺旋的螺旋）。旋）。2、拓扑学特性：、拓扑学特性：（1）连环数：在双螺旋中，一条链以右手螺旋绕另）连环数：在双螺旋中，一条链以右手螺旋绕另一条链缠绕的次数，以一条链缠绕的次数，以L表示；表示；（2）扭曲数：）扭曲数：DNA分子中的分子中的Watson-Crick螺旋数目螺旋数目（螺周数），以（螺周
25、数），以T表示；表示；（3）超螺旋数：双螺旋链再扭曲成螺旋的周数，以）超螺旋数：双螺旋链再扭曲成螺旋的周数，以W表示。表示。三者关系：三者关系：L=T+WL值必须是整数。值必须是整数。3、负超螺旋：、负超螺旋：设一段设一段260bp，螺周数为，螺周数为25的的DNA。1）当将此线形）当将此线形DNA连接成环形时，此环形连接成环形时，此环形DNA称称为松弛型为松弛型DNA：L=25T=25W=02）当将此线形）当将此线形DNA的螺旋先拧松两周（其他的周的螺旋先拧松两周（其他的周内螺旋不解链），再连接成环形时，可形成两种环内螺旋不解链），再连接成环形时，可形成两种环形形DNA：（1）解链环形）解链
26、环形DNA：L=23T=23W=0（含有（含有一个解链后形成的突环）一个解链后形成的突环）（2）超螺旋）超螺旋DNA：L=23T=25W=-2（为负（为负超螺旋）超螺旋）v真核生物：真核生物：DNA和蛋白质组装成染色体，染色体和蛋白质组装成染色体，染色体的基本单位是核小体。的基本单位是核小体。v核小体由核小体由DNA和组蛋白构成。组蛋白有和组蛋白构成。组蛋白有H1，H2A，H2B，H3和和H4。H2A，H2B，H3和和H4各两分子各两分子构成核小体的核心，称为组蛋白八聚体。构成核小体的核心，称为组蛋白八聚体。DNA双双螺旋分子缠绕在八聚体上构成核小体的核心颗粒。螺旋分子缠绕在八聚体上构成核小体
27、的核心颗粒。核小体的核心颗粒之间再由核小体的核心颗粒之间再由DNA和组蛋白和组蛋白H1构构成的连接区连接起来形成串珠状结构。核小体进成的连接区连接起来形成串珠状结构。核小体进一步旋转折叠形成棒状染色体，将近一步旋转折叠形成棒状染色体，将近1m长的长的DNA分子容纳于直径只有数微米的细胞核中。分子容纳于直径只有数微米的细胞核中。核小体结构模式图核小体结构模式图真真核核染染色色不不同同层层次次的的结结构构模模型型DNADNA的功能的功能 DNA的基本功能：用为生物遗传信息复制的模板的基本功能：用为生物遗传信息复制的模板和基因转录的模板，它是遗传繁殖的物质基础。和基因转录的模板，它是遗传繁殖的物质基
28、础。 基因组（基因组（genome）：）：一个生物体的全部基因序列。一个生物体的全部基因序列。最简单的生物如最简单的生物如SV40病毒的基因组仅含有病毒的基因组仅含有5100碱碱基对（基对（basepairbp），），大肠杆菌基因组的大小大肠杆菌基因组的大小为为5700千碱基对（千碱基对（kbp），人的基因组则由大约），人的基因组则由大约3.0109个个bp组成。组成。第五节第五节 RNARNA的空间结构与功能的空间结构与功能一、结构特点一、结构特点1、碱基组成：、碱基组成：AMP、GMP、CMP、UMP，还有，还有一些稀有碱基；一些稀有碱基；2、戊糖是核糖；、戊糖是核糖；3、天然、天然RNA
29、是单链线形分子，只有局部区域为链是单链线形分子，只有局部区域为链内双螺旋（单链分子自身回折使得互补碱基配内双螺旋（单链分子自身回折使得互补碱基配对而形成，不配对的区域形成突环）。对而形成，不配对的区域形成突环）。核糖核酸(RNA)分为信使信使RNA(mRNA)转运转运RNA(tRNA)核糖核糖体RNA(rRNA)二、类型二、类型1、信使、信使RNA的结构与功能的结构与功能v信使信使RNA（messengerRNA，mRNA）v不均一核不均一核RNA（heterogeneounuclearRNA，hnRNA）：）：在细胞核内合成的在细胞核内合成的mRNA的初级产物，经的初级产物，经过剪接成为成熟
30、的过剪接成为成熟的mRNA并移到细胞质。并移到细胞质。v真核生物成熟真核生物成熟mRNA的结构特点：的结构特点：（1）5端帽子结构（端帽子结构（capsequence)：mGpppNm.帽子结构能促进核糖体与帽子结构能促进核糖体与mRNA的结合，加速翻译起的结合，加速翻译起始速度始速度,同时可以增强同时可以增强mRNA的稳定性。的稳定性。（2）3末端多聚末端多聚A的尾巴。可能与的尾巴。可能与mRNA从核内向胞质从核内向胞质的转位及的转位及mRNA的稳定有关。的稳定有关。mRNA的功能是把核内的功能是把核内DNA的碱基顺序按照碱基互补的碱基顺序按照碱基互补的原则，抄录并转送至胞质，指导蛋白质的合
31、成。的原则，抄录并转送至胞质，指导蛋白质的合成。2 2、转运、转运RNARNA的结构与功能的结构与功能 转运转运RNA（transferRNA，tRNA）是细胞内分子量最）是细胞内分子量最小的一类核酸，其功能是在细胞蛋白质合成过程中作为小的一类核酸，其功能是在细胞蛋白质合成过程中作为各种氨基酸的载体。各种氨基酸的载体。tRNA的特点的特点：1、tRNA分子中含有分子中含有1020%的稀有碱基，包括双氢的稀有碱基，包括双氢尿嘧啶（尿嘧啶（DHU）、假尿嘧啶（）、假尿嘧啶（）和甲基化的嘌）和甲基化的嘌呤（呤（mG，mA）。）。mG：甲基鸟嘌呤核苷：甲基鸟嘌呤核苷I：次黄嘌呤核苷：次黄嘌呤核苷假尿嘧
32、啶核苷假尿嘧啶核苷DHU:双氢尿嘧啶双氢尿嘧啶2、tRNA中存在一些能局部互补配对的区域，能形成局中存在一些能局部互补配对的区域，能形成局部双链，进而形成一种茎部双链，进而形成一种茎-环状或发夹结构，由于茎环环状或发夹结构，由于茎环结构的存在，使结构的存在，使tRNA形成了三叶草形的二级结构。形成了三叶草形的二级结构。3、tRNA共同的三级结构：倒共同的三级结构：倒L型型。结构：结构：（1）氨基酸臂：由）氨基酸臂：由7对碱基组成，对碱基组成，3末端为末端为-CCA，接受活化，接受活化的氨基酸；的氨基酸；（2）二氢尿嘧啶环：由）二氢尿嘧啶环：由8-12个碱基组成，具有两个二氢尿嘧个碱基组成，具有
33、两个二氢尿嘧啶；啶；（3）反密码子环：由）反密码子环：由7个碱基组成，环中部有个碱基组成，环中部有3个碱基组成的个碱基组成的反密码子，将由此与反密码子，将由此与mRNA上的密码子配上的密码子配对；对；（4）额外环：由）额外环：由3-18个碱基组成，大小不同，为个碱基组成，大小不同，为tRNA分类的分类的依据之一；依据之一；（5）TC环：由环：由7个碱基组成，含有假尿嘧啶。个碱基组成，含有假尿嘧啶。（，psai）3 3、核糖体、核糖体RNARNA的结构与功能的结构与功能v核糖体核糖体RNA（ribosomalRNA，rRNA），），是细胞内含量最是细胞内含量最多的多的RNA，约占，约占RNA总量
34、的总量的80%以上。以上。rRNA与核糖体蛋白与核糖体蛋白共同构成核糖体（共同构成核糖体（ribosome）。）。v传统认为传统认为rRNA是构成核糖体的骨架，催化蛋白质肽键形成是构成核糖体的骨架，催化蛋白质肽键形成的是核糖体蛋白质（大亚基）上的肽基转移酶催化的。的是核糖体蛋白质（大亚基）上的肽基转移酶催化的。v现在认为核糖体催化肽键形成的是现在认为核糖体催化肽键形成的是rRNA，蛋白质只是维持，蛋白质只是维持rRNA构象，起辅助作用。构象，起辅助作用。大肠杆菌核糖体中有：大肠杆菌核糖体中有：5SrRNA，16SrRNA，23SrRNA动物细胞核糖体中有：动物细胞核糖体中有：5SrRNA，5.
35、8SrRNA，18SrRNA，28SrRNA。小亚基大亚基核糖体的组成核糖体的组成原核生物原核生物真核生物真核生物核糖体核糖体70S80S小亚基小亚基30S40SrRNA16S(1542个核苷酸个核苷酸)18S（1874个核苷酸）个核苷酸）蛋白质蛋白质21种种(占总重量的占总重量的40%)33种（占总重量的种（占总重量的50%）大亚基大亚基50S60SrRNA23S(2940个核苷酸个核苷酸)28S（4718个核苷酸）个核苷酸）5S(120个核苷酸个核苷酸)5.85S(160个核苷酸个核苷酸)5S(120个核苷酸个核苷酸)蛋白质蛋白质31种种(占总重量的占总重量的30%)49种种(占总重量的占
36、总重量的35%)4 4、其它小分子、其它小分子RNARNA功能功能核糖体核糖体RNArRNA核糖体组成成分核糖体组成成分信使信使RNAmRNA蛋白质合成模板蛋白质合成模板转运转运RNAtRNA转运氨基酸转运氨基酸不均一核不均一核RNAHnRNA成熟成熟mRNA的前体的前体小核小核RNASnRNA参与参与HnRNA的剪接转运的剪接转运小核仁小核仁RNASnoRNArRNA的加工和修饰的加工和修饰小胞质小胞质RNAScRNA蛋白质内质网定位合成的蛋白质内质网定位合成的信号识别体的组成成分信号识别体的组成成分五、核酶五、核酶 某些某些RNA分子本身具有自我催化能力，可以分子本身具有自我催化能力，可以
37、完成完成rRNA的剪接。这种有催化作用的的剪接。这种有催化作用的RNA被被称为核酶（称为核酶（Ribozyme）。）。1989年，美国科学家年，美国科学家Altman和和Cech由于发现核酶而获由于发现核酶而获Nobel化学奖。化学奖。 是对传统观念的一种挑战。是对传统观念的一种挑战。 在医学上有特殊的用途。在医学上有特殊的用途。第六节第六节 核酸的理化性质及应用核酸的理化性质及应用一、核酸的一般理化性质一、核酸的一般理化性质v多元酸，较强的酸性。多元酸，较强的酸性。既有磷酸基，又有既有磷酸基，又有碱性基，故为两性电解质，在一定的碱性基，故为两性电解质，在一定的pH条条件下，可解离而带电荷，因
38、此都有一定的件下，可解离而带电荷，因此都有一定的等电点（等电点（p.504-506）。）。vDNA为线性高分子为线性高分子极性化合物极性化合物，粘度极大，粘度极大，而而RNA分子远小于分子远小于DNA，粘度也小得多。，粘度也小得多。溶于水，不溶于有机溶剂。溶于水，不溶于有机溶剂。由于碱基成分的紫外吸收特征，由于碱基成分的紫外吸收特征，DNA和和RNA溶溶液均具有液均具有260nm紫外吸收峰。可通过测定紫外吸收紫外吸收峰。可通过测定紫外吸收值来分析核酸含量。值来分析核酸含量。可通过测定核酸溶液中磷含量可通过测定核酸溶液中磷含量W和紫外吸收值，和紫外吸收值，再求出摩尔磷吸光系数再求出摩尔磷吸光系数
39、(P)来表示溶液中核酸变性与来表示溶液中核酸变性与否：否：(P)=30.98A/WL（A=光密度，光密度，L=比色杯直径，比色杯直径，W=每升中磷的重量（克）每升中磷的重量（克）单链多核苷酸的单链多核苷酸的(P)双螺旋多核苷酸的双螺旋多核苷酸的(P)：增色效应：当核酸变性时，增色效应：当核酸变性时，(P)值升高的现象值升高的现象减色效应：当核酸复性后，减色效应：当核酸复性后，(P)值又降低的现象值又降低的现象双螺旋结构使碱基对的电子云发生重叠而减少双螺旋结构使碱基对的电子云发生重叠而减少对紫外光的吸收。对紫外光的吸收。二、核酸的紫外吸收特性二、核酸的紫外吸收特性三、三、DNADNA的变性的变性
40、 DNA变性：在某些理化因素作用下，变性：在某些理化因素作用下，DNA分子互补碱分子互补碱基对之间的氢键断裂，使基对之间的氢键断裂，使DNA双螺旋结构松散，变成双螺旋结构松散，变成单链。监测指标为单链。监测指标为A260的变化。的变化。 常用的变性方法为加热。常用的变性方法为加热。 增色效应增色效应（hyperchromiceffect）：）：DNA解链过程中，解链过程中，其其A260增加，并与解链程度有一定的关系。增加，并与解链程度有一定的关系。 解链曲线：在连续加热过程中以温度对解链曲线：在连续加热过程中以温度对A260的关系作图。的关系作图。 解链温度：解链温度：DNA变性从开始到完全解
41、链是在一个相当变性从开始到完全解链是在一个相当窄的范围内完成窄的范围内完成的。在这一范围内的。在这一范围内A260达到最大值的达到最大值的50%时的温度称为解链温度，又称为融解温度时的温度称为解链温度，又称为融解温度（meltingtemperature，Tm）。）。 Tm的大小与其所含碱基中的的大小与其所含碱基中的G+C比例相关比例相关，G+C比例比例越高，越高，Tm值越高。值越高。四、四、DNADNA的复性与分子杂交的复性与分子杂交 复性；变性复性；变性DNA在适当条件下，两条互补链可在适当条件下，两条互补链可重新恢复天然的双螺旋构象，称为复性。热变重新恢复天然的双螺旋构象，称为复性。热变
42、性性DNA经缓慢冷却后即可复性，也称为退火经缓慢冷却后即可复性，也称为退火（annealing）。）。 DNA复性速度受温度的影响。复性时温度缓慢复性速度受温度的影响。复性时温度缓慢下降才可使其重新配对复性。如加热后将其迅下降才可使其重新配对复性。如加热后将其迅速冷却至速冷却至4以下，则不可能发生复性。以下，则不可能发生复性。比比Tm低低25为为DNA复性的最佳条件复性的最佳条件。核酸的分子杂交核酸的分子杂交(hybridization):加热加热双链双链DNA单链单链DNA杂交杂交杂化双链杂化双链在在DNA复性过程中，双链分子的再形成既可以发生在序复性过程中，双链分子的再形成既可以发生在序列
43、完全互补的核酸分子之间列完全互补的核酸分子之间,也可以发生在碱基序列部分也可以发生在碱基序列部分互补的不同的互补的不同的DNA之间或之间或DNA与与RNA之间，这种现象称之间，这种现象称为分子杂交。为分子杂交。四、沉降特性四、沉降特性在超离心机强大引力场中，不同构象的核酸沉降速度在超离心机强大引力场中，不同构象的核酸沉降速度差异很大：差异很大：RNA闭环形质粒闭环形质粒DNA开环形及线形开环形及线形DNA蛋白质蛋白质离心后，用注射针头从离心管侧面在超螺旋DNA 区带部位刺入，收集这一区带的DNA。用异戊醇抽提收集到的DNA 以除去染料，然后透析除CsCl，再用苯酚抽提12 次，即可用乙醇将DN
44、A 沉淀出来。这样得到的DNA 有很高的纯度，可供DNA 重组、测定序列及绘制限制酶图谱等。在少数情况下，需要特别纯的DNA 时，可以将此DNA样品再进行一次氯化铯密度梯度超离心分离。第七节第七节 核酸酶核酸酶 核酸酶核酸酶（nucleases）是指所有可以水解核酸的）是指所有可以水解核酸的酶，在细胞内催化核酸的降解。酶，在细胞内催化核酸的降解。 按照作用底物的不同，核酸酶分为按照作用底物的不同，核酸酶分为DNA酶酶（DNase）和）和RNA酶（酶（RNase）。）。 有的核酸酶作用在多核苷酸链的有的核酸酶作用在多核苷酸链的5末端或末端或3末末端，因此称为核酸端，因此称为核酸5末端外切酶（末端
45、外切酶（牛脾磷酸二牛脾磷酸二酯酶）酯酶）或或3末端外切酶（末端外切酶（蛇毒磷酸二酯酶）蛇毒磷酸二酯酶）； 有的核酸酶作用于链的内部，称为核酸内切酶，有的核酸酶作用于链的内部，称为核酸内切酶，其中有一部分具有严格的序列依赖性，被称为其中有一部分具有严格的序列依赖性，被称为限制性内切酶。限制性内切酶。EcoR I，它识别下列六核苷酸顺序：，它识别下列六核苷酸顺序：习 题直接参与蛋白质生物合成的RNA是:A、rRNAB、tRNAC、mRNAD、SnRNAE、SnoRNA习 题有关DNA变性的描述哪些不对？A、DNA变性时糖苷键断裂B、磷酸二酯键断裂 C、变性温度的最高点称为TmD、A260nm增加E
46、、双链间氢键被破坏习 题有关DNA复性的不正确说法是：A、又叫退火B、37 为最适温度C、热变性后迅速冷却可以加速复性D、4 为最适温度E、25 为最适温度习 题DNA的多样性指：A、DNA都是右手螺旋B、DNA都是左手螺旋C、温度变化时DNA从右手螺旋变成左手螺旋D、改变离子强度与温度对DNA构型有影响E、不同构象的DNA在功能上有差异习 题名词解释核小体 增色效应 Tm核酶 分子杂交问答题 用32P标记的病毒感染细胞后产生有标记的后代，而用35S标记的病毒感染细胞则不能产生有标记 的后代，为什么？习 题已知人类细胞基因组的大小约30亿bp，试计算一下一个二倍体细胞中DNA的总长度，这么长的DNA分子是如何装配到直径只有几微米的细胞核内的？简述真核生物mRNA的结构特点。
