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1、生物化学周爱儒生物化学周爱儒 第六版第六版第二章第二章 核酸的结构与功能核酸的结构与功能Structure and Function of Nucleic Acid核酸的发现和研究工作进展核酸的发现和研究工作进展 1868年年 Fridrich Miescher从脓细胞中提取从脓细胞中提取“核核素素” 1944年年 Avery等人等人证实证实DNA是遗传物质是遗传物质1953年年 Watson和和Crick发现发现DNA的双螺旋结构的双螺旋结构1968年年 Nirenberg发现发现遗传密码遗传密码1975年年 Temin和和Baltimore发现发现逆转录酶逆转录酶1981年年 Gilber
2、t和和Sanger建立建立DNA 测序方法测序方法1985年年 Mullis发明发明PCR 技术技术1990年年 美国启动美国启动人类基因组计划人类基因组计划(HGP) 1994年年 中国人类基因组计划启动中国人类基因组计划启动2001年年 美、英等国美、英等国完成人类基因组计划基本框架完成人类基因组计划基本框架第一节第一节第一节第一节 核酸的化学组成及一级结构核酸的化学组成及一级结构核酸的化学组成及一级结构核酸的化学组成及一级结构第二节第二节第二节第二节 DNA DNA的空间结构与功能的空间结构与功能的空间结构与功能的空间结构与功能第三节第三节第三节第三节 RNA RNA 的结构与功能的结构
3、与功能的结构与功能的结构与功能第四节第四节第四节第四节 核酸的理化性质及其应用核酸的理化性质及其应用核酸的理化性质及其应用核酸的理化性质及其应用 核酸的分类、分布与功能核酸的分类、分布与功能核酸的分类、分布与功能核酸的分类、分布与功能核糖核酸核糖核酸核糖核酸核糖核酸 （RNARNA）：）：）：）：脱氧核糖核酸脱氧核糖核酸脱氧核糖核酸脱氧核糖核酸（DNADNA）：）：）：）： m RNAm RNA（信使信使信使信使 RNA RNA ） 5 5 % % % % Pr Pr合成的直接模板合成的直接模板合成的直接模板合成的直接模板 t RNA t RNA （转运转运转运转运 RNA RNA ） 15
4、15 % % % % 转运转运转运转运AAAA r RNA r RNA （核蛋白体核蛋白体核蛋白体核蛋白体 RNARNA） 80 80 % % % % 充当装配机，提供场所充当装配机，提供场所充当装配机，提供场所充当装配机，提供场所细胞质，细胞质，细胞质，细胞质，参与蛋白质的生物合成。参与蛋白质的生物合成。参与蛋白质的生物合成。参与蛋白质的生物合成。核内染色质，遗传的物质基础，核内染色质，遗传的物质基础，核内染色质，遗传的物质基础，核内染色质，遗传的物质基础，决定遗传特性。决定遗传特性。决定遗传特性。决定遗传特性。 基因基因基因基因 DNADNA分子中的分子中的分子中的分子中的 功能功能功能功
5、能 片段。片段。片段。片段。第一节第一节 核酸的化学组成及核酸的化学组成及一级结构一级结构The Chemical Component and Primary Structure of Nucleic Acid一一一一. . 核酸的元素组成核酸的元素组成核酸的元素组成核酸的元素组成C C、HH、OO、N N、P P（RNA:9.5%RNA:9.5%、DNA:9.9%DNA:9.9%） 二、组成核酸的基本单位：核苷酸二、组成核酸的基本单位：核苷酸二、组成核酸的基本单位：核苷酸二、组成核酸的基本单位：核苷酸 核苷酸核苷酸核苷酸核苷酸核苷酸核苷酸磷磷磷磷 酸酸酸酸核核核核 苷苷苷苷A A、GGU U
6、、C C、T T戊戊戊戊 糖糖糖糖碱碱碱碱 基基基基嘌呤碱嘌呤碱嘌呤碱嘌呤碱嘧啶碱嘧啶碱嘧啶碱嘧啶碱核核核核 酸酸酸酸A A （腺嘌呤）、腺嘌呤）、腺嘌呤）、腺嘌呤）、G G （鸟嘌呤）（鸟嘌呤）（鸟嘌呤）（鸟嘌呤）U U （尿嘧啶）、（尿嘧啶）、（尿嘧啶）、（尿嘧啶）、C C （胞嘧啶）、（胞嘧啶）、（胞嘧啶）、（胞嘧啶）、T T （胸腺嘧啶）（胸腺嘧啶）（胸腺嘧啶）（胸腺嘧啶）（1 1）组成核酸的碱基）组成核酸的碱基 腺嘌呤腺嘌呤Adenine 鸟嘌呤鸟嘌呤guanine 尿嘧啶尿嘧啶uracil 胞嘧啶胞嘧啶cytosine 胸腺嘧啶胸腺嘧啶thymine嘌嘌呤呤碱碱和和嘧嘧啶啶碱碱分分
7、子子中中都都含含有有共共轭轭双双键键体体系系，在在紫紫外外区区有有吸吸收收（260 260 nmnm左右）。左右）。酮酮式式烯烯醇醇式式互互变变异异构构（2 2）戊糖）戊糖组成核酸的戊糖有两种。组成核酸的戊糖有两种。（3 3）核苷）核苷 nucleoside nucleosideC-NC-N糖苷键糖苷键（4 4）核苷酸）核苷酸nucleotidenucleotideNDPNTPNMPdNDPdNTPdNMPRNAA U C GU UUDPCTP举例：举例：AMPDNAA T C GT TdADPdTTPdGMP核苷酸的命名及其符号核苷酸的命名及其符号 磷酸（脱氧）磷酸（脱氧） 苷苷两类核酸在分
8、子组成上的异同点两类核酸在分子组成上的异同点两类核酸在分子组成上的异同点两类核酸在分子组成上的异同点RNARNADNADNA组组组组 分分分分磷磷磷磷 酸酸酸酸磷磷磷磷 酸酸酸酸戊戊戊戊 糖糖糖糖核核核核 糖糖糖糖脱氧核糖脱氧核糖脱氧核糖脱氧核糖碱碱碱碱基基基基嘌嘌嘌嘌 呤呤呤呤嘧嘧嘧嘧 啶啶啶啶A GA GU UC CT T补充：补充：1.1.碱基修饰碱基修饰核酸中也存在一些不常见的稀有碱基。核酸中也存在一些不常见的稀有碱基。2.2.核苷酸的重要衍生物核苷酸的重要衍生物（1 1） ATP ( ATP (腺嘌呤核糖核苷三磷酸腺嘌呤核糖核苷三磷酸腺嘌呤核糖核苷三磷酸腺嘌呤核糖核苷三磷酸) )（2
9、 2）cAMP cAMP 和和 cGMP cGMP细胞信息传递的重要信使。细胞信息传递的重要信使。1. 核酸一级结构的概念及其连接核酸一级结构的概念及其连接 概念：概念：核酸中核苷酸的排列顺序，又称为核苷酸序核酸中核苷酸的排列顺序，又称为核苷酸序列，列，或碱基序列。或碱基序列。 脱氧核糖核苷酸之间以脱氧核糖核苷酸之间以 磷酸二酯键磷酸二酯键 相连。相连。2. 核酸的书写核酸的书写5PAPCPGPCPTPGPTPA 35 ACGCTGTA 3三、核酸的一级结构三、核酸的一级结构* DNA和和RNA对遗传信息的携带和对遗传信息的携带和 传递，是依靠碱基排列顺序变化而传递，是依靠碱基排列顺序变化而
10、实现的。实现的。第二节第二节 DNA的空间结构与功能的空间结构与功能Dimensional Structure and Function of DNA一一.DNA.DNA的二级结构的二级结构19531953年年，WatsonWatson和和CrickCrick根根据据DNADNA结结晶晶的的X-X-衍衍射射图图谱谱和分子模型，提出了著名的和分子模型，提出了著名的DNADNA双螺旋结构模型。双螺旋结构模型。1、结构要点：、结构要点： （1 1）由逆向平行的两条链组成双螺旋。）由逆向平行的两条链组成双螺旋。）由逆向平行的两条链组成双螺旋。）由逆向平行的两条链组成双螺旋。 （2 2）两链之间遵循特定
11、的碱基互补规律（碱基配对）。）两链之间遵循特定的碱基互补规律（碱基配对）。）两链之间遵循特定的碱基互补规律（碱基配对）。）两链之间遵循特定的碱基互补规律（碱基配对）。A TA TG CG C（ 通过两个氢键相连通过两个氢键相连通过两个氢键相连通过两个氢键相连 ） （ 通过三个氢键相连通过三个氢键相连通过三个氢键相连通过三个氢键相连 ） （4 4）双螺旋结构的稳定）双螺旋结构的稳定）双螺旋结构的稳定）双螺旋结构的稳定 横向：碱基对间的氢键横向：碱基对间的氢键横向：碱基对间的氢键横向：碱基对间的氢键 纵向：疏水性碱基堆积力纵向：疏水性碱基堆积力纵向：疏水性碱基堆积力纵向：疏水性碱基堆积力（3）右手
12、螺旋，直径：）右手螺旋，直径：2nm；10bp/周；螺距：周；螺距：3.4nm。l碱基组成分析碱基组成分析Chargaff 规则：规则：A = T、G C2、生物学意义：、生物学意义： 提出了遗传信息的贮存方式、提出了遗传信息的贮存方式、提出了遗传信息的贮存方式、提出了遗传信息的贮存方式、DNADNA的复制机理的复制机理的复制机理的复制机理 是是是是DNADNA复制、转录和翻译的分子基础复制、转录和翻译的分子基础复制、转录和翻译的分子基础复制、转录和翻译的分子基础了解：了解：DNA双螺旋结构的多样性双螺旋结构的多样性二二. DNA三级结构：超螺旋结构三级结构：超螺旋结构(superhelix
13、，supercoil) 双螺旋分子进一步螺旋化生成。双螺旋分子进一步螺旋化生成。如：如：原核生物原核生物DNA的高级结构的高级结构三、三、DNA四级结构：核小体四级结构：核小体nucleosome（真核生物）（真核生物） DNA + 组蛋白（组蛋白（H1、H2A、H2B、H3、H4）四、四、DNA的功能的功能DNA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础，也是个体生命活动的信息基础。也是个体生命活动的信息基础。基基因因从从结结构构上上定定义义，是是指指DNA分分子
14、子中中的的特特定定区区段段，其其中中的的核核苷苷酸酸排排列列顺顺序序决定了基因的功能。决定了基因的功能。 第三节第三节 RNA的结构与功能的结构与功能Structure and Function of RNAmRNAmRNA的结构特点的结构特点: :真核细胞真核细胞mRNAmRNA的的3-3-末端有一段长达末端有一段长达200200个核苷酸左右的聚个核苷酸左右的聚腺苷酸腺苷酸(polyA)(polyA)，称为，称为尾结构尾结构。（参与（参与mRNAmRNA从细胞核到细胞质的转移；与其半寿期有关。）从细胞核到细胞质的转移；与其半寿期有关。）5 -5 -末端有一个甲基化的鸟苷酸，称为末端有一个甲基
15、化的鸟苷酸，称为帽结构帽结构。（与翻译与（与翻译与mRNAmRNA的稳定有关。）的稳定有关。）一一一一. mRNA. mRNADNAmRNA蛋白蛋白转录转录翻译翻译原核细原核细胞胞 细胞质细胞质细胞核细胞核DNA内含子内含子外显子外显子转录转录转录后剪接转录后剪接转运转运mRNAhnRNA翻译翻译蛋白蛋白真核细胞真核细胞 hnRNA 内含子内含子( (intron) )mRNA * mRNA成熟过程成熟过程: 外显外显子子( (exon) )2. hnRNA（不均一核（不均一核RNA):即即mRNA的初级产物。的初级产物。 3-3-末端：末端：末端：末端：CCA-OHCCA-OH 反密码环：反
16、密码子反密码环：反密码子反密码环：反密码子反密码环：反密码子（识别识别识别识别mRNAmRNA上特定的密码子上特定的密码子上特定的密码子上特定的密码子）。）。）。）。（携带携带携带携带AAAA的部位的部位的部位的部位）三叶草形三叶草形（三环四臂）（三环四臂）1. t RNA 1. t RNA 的二级结构的二级结构的二级结构的二级结构 70709090个核苷酸组成，沉降系个核苷酸组成，沉降系数为数为4S4S左右。左右。分子中含有较多的修饰成分。分子中含有较多的修饰成分。二二二二. t RNA . t RNA 2. tRNA2. tRNA2. tRNA2. tRNA的三级结构的三级结构的三级结构的
17、三级结构倒倒倒倒L L L L型型型型三三. rRNA. rRNA 小亚基小亚基 大亚基大亚基真核细胞真核细胞 18SrRNA 5SrRNA 5.8SrRNA 28SRNA 18SrRNA 5SrRNA 5.8SrRNA 28SRNA原核细胞原核细胞 16SrRNA 5SrRNA 23SrRNA 16SrRNA 5SrRNA 23SrRNAmRNAtRNA核糖体核糖体RNARNA的高级结构特点的高级结构特点RNARNA是是单单链链分分子子，因因此此，在在RNARNA分分子子中中，并并不不遵遵守守碱碱基基种种类类的的数数量量比比例例关关系系，即即分分子子中中的的嘌嘌呤呤碱碱基基总总数数不不一一定
18、等于嘧啶碱基的总数。定等于嘧啶碱基的总数。RNARNA分分子子中中，部部分分区区域域也也能能形形成成双双螺螺旋旋结结构构，不不能能形形成成双螺旋的部分，则形成突环，即双螺旋的部分，则形成突环，即“发夹型发夹型”结构。结构。在在RNARNA的双螺旋结构中，碱基的配对不如的双螺旋结构中，碱基的配对不如DNADNA中严格。中严格。G G 除了可以和除了可以和C C 配对外，也可以和配对外，也可以和U U 配对。不同类型的配对。不同类型的RNA, RNA, 其二级结构有明显的差异。其二级结构有明显的差异。tRNAtRNA中存在较多的稀有碱基，大部分位于突环部分。中存在较多的稀有碱基，大部分位于突环部分
19、。RNA的种类、分布、功能的种类、分布、功能第四节第四节 核酸的理化性质及其应用核酸的理化性质及其应用The Physical and Chemical Characters of Nucleic Acid1. DNA或或RNA的定量的定量OD260=1.0相当于相当于50g/ml双链双链DNA40g/ml单链单链DNA（或（或RNA）20g/ml寡核苷酸寡核苷酸2.判断核酸样品的纯度判断核酸样品的纯度DNA纯品纯品: OD260/OD280 = 1.8RNA纯品纯品: OD260/OD280 = 2.0一、核酸的紫外一、核酸的紫外吸收特性：吸收特性：OD260二核酸的两性性质及等电点二核酸的
20、两性性质及等电点与蛋白质相似，核酸分子中既含有酸性基团（磷酸基）与蛋白质相似，核酸分子中既含有酸性基团（磷酸基）也含有碱性基团（氨基），因而核酸也具有两性性质。也含有碱性基团（氨基），因而核酸也具有两性性质。由于核酸分子中的磷酸是一个中等强度的酸，而碱性由于核酸分子中的磷酸是一个中等强度的酸，而碱性（氨基）是一个弱碱，所以核酸的等电点比较低。如（氨基）是一个弱碱，所以核酸的等电点比较低。如DNADNA的等电点为的等电点为4 44.54.5，RNARNA的等电点为的等电点为2 22.52.5。RNARNA的等电点比的等电点比DNADNA低的原因，是低的原因，是RNARNA分子中核糖基分子中核糖基
21、2-2-OHOH通过氢键促进了磷酸基上质子的解离。通过氢键促进了磷酸基上质子的解离。DNADNA没有这种没有这种作用。作用。三三. . 核酸的水解核酸的水解（1 1）酸或碱水解）酸或碱水解 DNA DNA和和RNARNA对酸或碱的耐受程度有很大差别。对酸或碱的耐受程度有很大差别。 如：在如：在0.1 mol/L NaOH0.1 mol/L NaOH溶液中，溶液中，RNARNA几乎可以完全水解，几乎可以完全水解，DNADNA在同样条件下则不受影响。（在同样条件下则不受影响。（这种水解性能上的差别，与这种水解性能上的差别，与RNARNA核糖基上核糖基上2-OH2-OH的邻基参与作用有关。在的邻基参
22、与作用有关。在RNARNA水解时，水解时，2-OH2-OH首先进攻首先进攻磷酸基，在断开磷酯键的同时形成环状磷酸二酯，再在碱的作用形成水磷酸基，在断开磷酯键的同时形成环状磷酸二酯，再在碱的作用形成水解产物。）解产物。）（2 2）酶水解）酶水解生物体内存在多种核酸水解酶。生物体内存在多种核酸水解酶。DNADNA水解酶（水解酶（DNasesDNases）、）、RNARNA水解酶（水解酶（RNasesRNases）。）。核酸外切酶和核酸内切酶。核酸外切酶和核酸内切酶。限制性核酸内切酶：水解核酸中某些特定碱基顺序的部位。限制性核酸内切酶：水解核酸中某些特定碱基顺序的部位。四四. 核酸的变性、复性和杂交
23、核酸的变性、复性和杂交1. 1. 核酸的变性核酸的变性：指核酸双螺旋区的多聚核苷酸链间的氢键断指核酸双螺旋区的多聚核苷酸链间的氢键断裂，变成单链结构的过程。裂，变成单链结构的过程。核酸的变性并不涉及磷酸二酯键的断裂，核酸的变性并不涉及磷酸二酯键的断裂，所以它的一级结构所以它的一级结构( (碱基顺序碱基顺序) )保持不变。保持不变。变性核酸：变性核酸：OD260增高，粘度下降，浮力密度升高，增高，粘度下降，浮力密度升高，失去其部分或全部的失去其部分或全部的 生物活性。生物活性。增色效应增色效应核酸变性后，其在核酸变性后，其在260 nm260 nm处的紫外吸收值将增加。处的紫外吸收值将增加。 D
24、NA DNA约增加约增加252540%40%；RNARNA约增加约增加1.1%1.1%。核酸变性的因素核酸变性的因素：温度升高、酸碱度改变、甲醛和尿素等的存在均可引：温度升高、酸碱度改变、甲醛和尿素等的存在均可引起核酸的变性。起核酸的变性。DNADNA的热变性的热变性DNADNA的变性过程是突变性的，在很窄的温度区间内完成。的变性过程是突变性的，在很窄的温度区间内完成。因此，通常将引起因此，通常将引起DNADNA变性的温度称为融点（解链温度、变性的温度称为融点（解链温度、融解温度、融解温度、Tm Tm ）。）。T Tm m：DNADNA热变性达到一半时候的温度。热变性达到一半时候的温度。 G
25、G和和C C的含量高，的含量高，T Tm m值高：值高：（G+C)%=(Tm-69.3)X2.44G+C)%=(Tm-69.3)X2.44A260Tm T 解链曲线解链曲线2. 2. 复性复性 变性变性DNADNA在适当的条件下，两条彼此分开在适当的条件下，两条彼此分开的单链可以重新缔合成为双螺旋结构，这一过的单链可以重新缔合成为双螺旋结构，这一过程称为复性。程称为复性。DNADNA复性后，一系列性质将得到恢复，但是生物活性一复性后，一系列性质将得到恢复，但是生物活性一般只能得到部分的恢复。般只能得到部分的恢复。DNADNA复性的程度、速率与复性过程的条件有关。复性的程度、速率与复性过程的条件
26、有关。 将将热热变变性性的的DNADNA骤骤然然冷冷却却至至低低温温时时，DNADNA不不可可能能复复性。但是将变性的性。但是将变性的DNADNA缓慢冷却时，可以复性。缓慢冷却时，可以复性。 分分子子量量越越大大复复性性越越难难。浓浓度度越越大大，复复性性越越容容易易。此外，此外，DNADNA的复性也与它本身的组成和结构有关。的复性也与它本身的组成和结构有关。粘粘度度3.3. 核酸的分子杂交核酸的分子杂交 热变性的热变性的DNADNA单链，在复性时并不一定与同源单链，在复性时并不一定与同源DNADNA互补链形成双螺旋结构，它也可以与在某些区互补链形成双螺旋结构，它也可以与在某些区域有互补序列的
27、异源域有互补序列的异源DNADNA单链形成双螺旋结构。这单链形成双螺旋结构。这样形成的新分子称为杂交样形成的新分子称为杂交DNADNA分子。分子。DNADNA单链与互单链与互补的补的RNARNA链之间也可以发生杂交。链之间也可以发生杂交。核酸的杂交在分子生物学和遗传学的研究中具有核酸的杂交在分子生物学和遗传学的研究中具有重要意义。重要意义。加加加加 温温温温缓慢缓慢缓慢缓慢降温降温降温降温加加加加 温温温温缓慢缓慢缓慢缓慢降温降温降温降温（ 变变变变 性性性性 ）（ 复复复复 性性性性 ）（ 分分分分 子子子子 杂杂杂杂 交交交交 ）核酸分子杂交的应用：核酸分子杂交的应用：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定两种核酸分子间的序列相似性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是基因芯片技术的基础 核酶核酶riboeyme具有催化作用的具有催化作用的RNA。进一步深化了人们过去对酶的本质的认识；进一步深化了人们过去对酶的本质的认识；在肿瘤和病毒性疾病的治疗中起作用。在肿瘤和病毒性疾病的治疗中起作用。
