Structure and Function of Nucleic Acid 第 二 章 核酸的结构和功能 Structure and Function of Nucleic Acid The biochemistry and molecular biology department of CMU

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。

核酸的分类及分布 脱氧核糖核酸 核糖核酸 存在于细胞核和线粒体内。 (deoxyribonucleic acid, DNA) (ribonucleic acid, RNA) 脱氧核糖核酸 核糖核酸 存在于细胞核和线粒体内。 携带遗传信息，决定细胞和个体的遗传型(genotype)。 存在于胞核、胞液和线粒体。 参与遗传信息的复制与表达。某些病毒RNA也可作为遗传信息的载体。

The Chemical Component and Primary Structure of Nucleic Acid 第一节 核酸的化学组成及一级结构 The Chemical Component and Primary Structure of Nucleic Acid

核酸的基本组成单位是核苷酸 (nucleotide)。 碱基 核苷 核酸 核苷酸 戊糖 磷酸 DNA的基本组成单位是脱氧核糖核苷酸 。 RNA的基本组成单位是核糖核苷酸 。

一、核苷酸的结构 腺嘌呤（A） 嘌呤 DNA、RNA均有 鸟嘌呤（G） 碱基 胞嘧啶（C） DNA有 嘧啶 胸腺嘧啶（T） RNA有 尿嘧啶（U） RNA有 每种核酸都含有四种碱基 。

腺嘌呤(adenine, A) 碱 基 嘌呤(purine) 鸟嘌呤(guanine, G)

尿嘧啶(uracil, U) 嘧啶(pyrimidine) 胸腺嘧啶(thymine, T) 胞嘧啶(cytosine, C)

五种碱基都能形成酮式-烯醇式或氨基-亚氨基的互变异构。这两种异构体的平衡关系受介质酸碱环境的影响。

戊 糖 核糖(ribose) 脱氧核糖(deoxyribose) （构成RNA） （构成DNA）

碱基和核糖（或脱氧核糖）通过糖苷键连接形成核苷(nucleoside) （或脱氧核苷）。

核苷（脱氧核苷）和磷酸以酯键连接形成核苷酸（脱氧核苷酸）。 核苷酸： AMP, GMP, UMP, CMP 脱氧核苷酸： dAMP, dGMP, dTMP, dCMP

多磷酸核苷酸： NMP，NDP，NTP

环化核苷酸: cAMP，cGMP

二、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。

核苷酸之间以3 , 5  -磷酸二酯键连接形成多核苷酸链，即核酸。 5´端 C 核苷酸之间以3 , 5  -磷酸二酯键连接形成多核苷酸链，即核酸。 A G 3´端

书写方法

DNA 与RNA的区别 核酸 碱基 戊糖 DNA A、G、C、T 脱氧核糖 RNA A、G、C、U 核糖

DNA的空间结构与功能Dimensional Structure and Function of DNA 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

（一）DNA双螺旋结构的研究背景 碱基组成分析 Chargaff 规则：[A] = [T] [G] = [C] 碱基的理化数据分析 DNA纤维的X-线衍射图谱分析

已知的核酸化学数据

（二） DNA双螺旋结构模型要点 1. 两条链反向平行，围绕同一中心轴构成右手双螺旋 (double helix)。螺旋直径2nm，表面有大沟和小沟。 2. 磷酸-脱氧核糖骨架位于螺旋外侧，碱基垂直于螺旋轴而伸入内侧。每圈螺旋含10个碱基对 (bp)，螺距为3.4nm。

碱基平面与纵轴垂直，糖环平面与纵轴平行

3. 两条链通过碱基间的氢键相连，A对T有两个氢键，C对G有三个氢键，这种A-T、C-G配对的规律，称为碱基互补规则。 4. 维持双螺旋稳定的因素：横向为氢键，纵向为碱基间的堆积力。

碱基互补配对 C G A T

（三）DNA双螺旋结构的多样性 A型DNA Z型DNA B型DNA

二、DNA的超螺旋结构及其在染色质中的组装 超螺旋结构(superhelix 或supercoil) DNA双螺旋链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

意义 DNA超螺旋结构整体或局部的拓扑学变化及其调控对于DNA复制和RNA转录过程具有关键作用。

（二）原核生物DNA的高级结构

（三）DNA在真核生物细胞核内的组装 真核生物染色体由DNA和蛋白质构成，其基本单位是 核小体(nucleosome)。 核小体的组成 DNA：约200bp 组蛋白：H1 H2A，H2B H3 H4

串珠状核小体结构

DNA双螺旋片段 串珠状核小体 染色质纤维 伸展形染色质片段 密集形染色质片段 整个染色体

真核生物染色体DNA组装 螺线管 核小体

三、DNA的功能 DNA的基本功能是以基因的形式荷载遗传信息，并作为基因复制和转录的模板。它是生命遗传的物质基础，也是个体生命活动的信息基础。 基因从结构上定义，是指DNA分子中的特定区段，其中的核苷酸排列顺序决定了基因的功能。

肺炎双球菌的转化实验 Oswald Avery (1944)

实验二，噬菌体的标记实验

第三节 RNA的结构与功能 Structure and Function of RNA

动物细胞内主要RNA的种类及功能

一 、信使RNA的结构与功能 * mRNA成熟过程 内含子 (intron) 外显子 (exon) hnRNA mRNA

* 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C´2也是甲基化，形成帽子结构：m7GpppNm-。 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。

帽子结构

帽子结构和多聚A尾的功能 mRNA核内向胞质的转位 mRNA的稳定性维系 翻译起始的调控 mRNA的功能：作为蛋白质合成的模板。

二、转运RNA的结构与功能 * tRNA的一级结构特点 含稀有碱基较多 3´末端为 — CCA-OH 5´末端大多数为G 由70~90个核苷酸组成

稀有碱基

* tRNA的二级结构 ——三叶草形 氨基酸臂 额外环

* tRNA的三级结构 —— 倒L形 * tRNA的功能 活化、搬运氨基酸到核糖体，参与蛋白质的翻译。

三、核蛋白体RNA的结构与功能 * rRNA的结构 * rRNA的功能 参与组成核蛋白体，作为蛋白质生物合成的场所。

核糖体的组成 原核生物 真核生物 小亚基 30S 40S rRNA 16S 18S 蛋白质 21种 33种 大亚基 50S 60S 23S 49种 核糖体 70S 80S

四 、其他小分子RNA及RNA组学 snmRNAs 除了上述三种RNA外，细胞的不同部位存在的许多其他种类的小分子RNA，统称为非mRNA小RNA (small non-messenger RNAs，snmRNAs)。

snmRNAs的种类 核内小RNA (snRNA) 核仁小RNA (snoRNA) 胞质小RNA (scRNA) 催化性小RNA 小片段干扰 RNA (siRNA) snmRNAs的功能 参与hnRNA和rRNA的转录后加工和转运以及基因表达过程的调控等。

RNA组学 (RNomics) 是研究细胞中snmRNAs的种类、结构和功能的科学。同一生物体内不同种类的细胞、同一细胞在不同时间、不同状态下snmRNAs的表达具有时间和空间特异性。

The Physical and Chemical Characters of Nucleic Acid 第 四 节 核酸的理化性质 The Physical and Chemical Characters of Nucleic Acid

一、核酸的一般理化性质 核酸为多元酸，具有较强的酸性； DNA是线性高分子，粘度极大； 在260nm波长有最大吸收峰，是由碱基的共轭双键决定的。这一特性常用作核酸的定性、定量分析。

OD260的应用 1. DNA或RNA的定量 OD260=1.0相当于 50 g/ml双链DNA 40 g/ml单链DNA（或RNA） 2.判断核酸样品的纯度 DNA纯品: OD260/OD280 = 1.8 RNA纯品: OD260/OD280 = 2.0

二、DNA的变性(denaturation) 变性因素：过量酸，碱，加热等。 变性后理化性质的主要改变： OD260增高 粘度下降

DNA变性的本质是双链间氢键的断裂

增色效应：DNA变性时其溶液OD260增高的现象。

解链曲线：在连续加热DNA的过程中以温度对A260值作图，所得的曲线称为解链曲线。

Tm：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(melting temperature, Tm)。其大小与G+C含量成正比。

三、DNA的复性与分子杂交 DNA复性(renaturation)的定义 热变性的DNA经缓慢冷却后即可复性，这一过程称为退火(annealing) 。 减色效应 DNA复性时，其溶液OD260降低。

核酸分子杂交 (hybridization)： 　热变性的DNA在复性过程中，具有碱基序列部分互补的不同的DNA之间或DNA与RNA之间形成杂化双链的现象。

变性 复性 复性

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) RNA酶 (ribonuclease, RNase) 依据切割部位不同分类 核酸内切酶： 限制性核酸内切酶 非特异性核酸内切酶 核酸外切酶： 　　5´→3´或3´→5´核酸外切酶。

核酸酶的功能 生物体内的核酸酶负责催化细胞内外核酸的降解 参与DNA的合成与修复及RNA合成后的剪接等重要基因复制和基因表达过程 负责清除多余的、结构和功能异常的核酸，同时也可以清除侵入细胞的外源性核酸 在消化液中降解食物中的核酸以利吸收 体外重组DNA技术中的重要工具酶

核 酶 催化性RNA (ribozyme) 序列特异性的核酸内切酶 参与RNA转录后加工修饰 作为针对病毒或肿瘤基因的药物降解mRNA。 核 酶 催化性RNA (ribozyme) 　序列特异性的核酸内切酶 　参与RNA转录后加工修饰 　作为针对病毒或肿瘤基因的药物降解mRNA。 催化性DNA (DNAzyme) 人工合成的寡聚脱氧核苷酸片段，也能序列特异性降解RNA。