第三章 核酸的结构与 功能 Nucleic Acid structure and Function

什么是核酸? 核酸是遗传信息物质

DNA(deoxyribonucleic acid) RNA(ribonucleic acid) 核酸的结构与功能 nucleic acid DNA(deoxyribonucleic acid) RNA(ribonucleic acid)

DNA（deoxyribonucleic acid) RNA(ribonucleic acid)

核酸研究的历史 1869年，瑞士科学家Miescher在外科绷带上得到一种含磷酸很高的酸性化合物。 因 存在 于 核 中， 故命名为“核质” (nuclein)。 1889年，Altmann制备了不含蛋白质的核酸制品，首先使用了核酸(nucleic acid)这个名称。

核酸研究的历史 1928－1932年，确立了核酸在生命现象中的地位。 1944年，转化作用的发现，证实： 核酸  遗传物质 核酸  遗传物质 1953年，Waston和Crick建立了双螺旋模型，这是核酸发展史上的重要里程碑。

核酸研究的历史 早期的研究仅将核酸看成是细胞中的一种成分，后逐步证明核酸中含有戊糖，磷酸和碱基，是一种线状聚合物。

DNA is the carrier of genetic information

核 苷 酸 的 结 构 酯键 糖苷键 左 边 是 电 脑 模 型 ， 右 边 是 简 化 的 表 示 法

Ribose and Deoxyribose

第一节 核酸的化学 组成

第一节 核酸的化学组成 碱基 水解 完全水解 核酸 单核苷酸 戊糖     磷酸

核酸的化学组成 Nucleic acid  nucleotide phosphate + nucleoside DNARNA Nucleic acid  nucleotide phosphate + nucleoside base + pentose deoxyribonucleotide ribonucleotide deoxyribonucleoside ribonucleoside deoxyribose ribose purine 、pyrimidine

The structure of base 核酸中的碱基是含氮杂环化合物： 嘌呤 嘧碇

碱基的互变异构 酮式－烯醇 C=O C-OH N N 氨基－亚氨基 C-NH2 C=NH2 + +HN HN 受介质pH影响

碱基的共轭双键 260nm波长的紫外吸收强。 核酸测定的基础。

Ribose and Deoxyribose

pentose

核苷是碱基与戊糖以糖苷键相连接形成的化合物：

核苷酸 核苷或脱氧核苷与磷酸通过酯键相连接分别构成 核苷酸或脱氧核苷酸 按组成分类： 含有1个磷酸基团的核苷酸称为核苷一磷酸（NMP），如CMP 含有2个磷酸基团的核苷酸称为核苷二磷酸（NDP），如GDP 含有3个磷酸基团的核苷酸称为核苷三磷酸（NTP），如ATP

核苷酸 许多单核苷酸在体内具有许多重要的生理功能 ATP是体内能量的直接来源和利用形式。 腺苷酸是NAD＋、FAD、辅酶A等的组成成分。 cAMP与cGMP是细胞内信号转导过程中重要的调节因子。

核苷酸的连接方式 AMP Adenosine ADP ATP

第二节 核酸的一级结构

核苷酸的连接 (连接酶)

DNA的一级结构 DNA的一级结构是通过3’,5’-磷酸二酯键构成一个没有分支的线性大分子，其两个末端分别是5’-末端（游离磷酸基）和3’-末端（游离羟基）。是指DNA分子中核苷酸的排列顺序。 由于脱氧核苷酸之间的差别仅是其碱基的不同，所以DNA分子碱基的排列顺序就代表了核苷酸的排列顺序。

DNA的 一级结构 5’ 3’

核酸的书写方法 5’：左侧（上） 3’：右侧（下） AUGGC和AGUGC的碱基组成相同，但表示二段不同的核酸序列。

第三节 DNA的空间结构与功能

Chargaff 规则 腺嘌呤与胸腺嘧啶的摩尔数相等，鸟嘌呤与胞嘧啶的摩尔数相等， 即： A=T，G=C 不同生物种属的DNA,其碱基组成不同 同一个体不同器官、不同组织的DNA具有相同的碱基组成。 提示： A与T，G与C之间可能以互补的方式存在。

DNA的双螺旋结构

DNA的双螺旋结构 DNA分子由两条脱氧核糖核酸作骨架的双链组成，以右手螺旋方式盘旋 糖－磷酸骨架均位于外侧，碱基在内侧碱基平面之间距离为0.34nm。螺旋一周为10碱基对，螺距为3.4nm。 双螺旋的两条链是反方向平行的。 碱基配对：G = C A = T。 稳定力：互补碱基之间的氢键 疏水性堆积力-碱基堆积力 B型-DNA

DNA的三级结构 原核生物和真核生物线粒体、叶绿体中的DNA是共价封闭的环状双螺旋，再形成超螺旋。 环状双螺旋 超螺旋

DNA的三级结构 真核生物中DNA的三级结构与蛋白质有关。 和DNA结合的蛋白质有组蛋白和非组蛋白。 组蛋白H2A、H2B、H3和H4各两个分子形成八聚体，被两圈140-145碱基对的DNA所围绕。形成核小体。 H1位于核小体之间的连接区，组成串珠状结构。

DNA的三级结构 核小体

DNA的功能 基因：就是DNA大分子的一个片段，有复制、转录等主要功能，是生物遗传繁殖的物质基础。 一个生物体的全部基因序列称为基因组。

DNA功能是储存遗传信息，保证每一种生物机体合成它们独特的蛋白质和RNA，使机体按一定时间和空间顺序来合成细胞成分。 DNA is the storehouse,or cellular library that contains the information required to build a cell or organism.

生物体内DNA的大小

第四节 RNA的空间结构 与功能

RNA的结构和功能 结构：RNA由一条多核苷酸链组成，经卷曲盘绕可形成局部双螺旋二级结构和三级结构 动物细胞内主要RNA的分布与功能 参与hnRNA的剪接转运 snRNA 小核RNA 成熟mRNA的前体 hnRNA 不均一核RNA 转运氨基酸 mt tRNA tRNA 转运RNA 蛋白质合成的模板 mt mRNA mRNA 信使RNA 核蛋白体的组成成分 mt rRNA rRNA 核蛋白体RNA 功 能 线粒体 细胞核与胞液 蛋白质合成的场所

一、信使RNA（ mRNA） 传递DNA遗传信息的RNA称为信使RNA （mRNA）。 细胞核内初合成的mRNA前体是不均一核RNA（hnRNA），经剪接生成成熟的mRNA。去掉内含子（intron）转录后产物，留下外显子（extron）转录后产物，重新连在一起。

mRNA的结构特点： ⑴．大多数真核mRNA的5’-端在转录后均加上一个帽子结构。mRNA的帽子结构可保护mRNA免受核酸酶从5’端的降解作用，并在翻译起始中起重要作用。 ⑵．绝大多数真核mRNA的3’-端有200多个腺苷酸残基的尾巴（Poly A），其作用在于增加mRNA的稳定性和维持其翻译活动。

m7GpppG

mRNA的功能 mRNA的功能是把核内DNA的碱基顺序（即遗传信息）按照碱基互补原则，抄录并转移到细胞质，决定蛋白质合成过程中的氨基酸排列顺序。 mRNA通过三个核苷酸联成的密码子编码氨基酸。

二、转运RNA（ tRNA） tRNA的结构特点： tRNA分子中含有较多的稀有碱基：DHU、ψ和mG、 mA等 tRNA中的3个环分别是DHU环、TψC环和反密码环 tRNA的三级结构呈现倒L型，一端为氨基酸臂，另一端为反密码子

tRNA的功能 其功能是携带蛋白质合成所需的氨基酸，并按mRNA上的密码顺序“ 对号入座”地将其转运到mRNA分子上。

tRNA的三叶草结构

tRNA的三级结构 tRNA的三级结构 均呈倒L字母形，其3’末端含CAA-OH的氨基酸臂位于一端，反密码环位于另一端。

三、核蛋白体RNA( rRNA) rRNA与蛋白质结合形成的核蛋白是细胞内蛋白质合成的场所。 rRNA 分子大小不均一，真核细胞的rRNA有4种，其沉降系数分别为28S、58S、5S和18S。大约与70种蛋白质结合而存在于的核蛋白体的大小亚基中 rRNA的二级结构为茎环样结构。

四、核酶(ribozyme) rRNA前体的自我剪接是由内含子催化的，其本质是RNA。具有酶的催化活力的RNA就称为核酶，核酶的发现改变了酶都是蛋白质的传统概念。

第五节 核酸的理化性质及其应用

核酸的一般性质 核酸的紫外线吸收 核酸分子通常表现为较强的酸性。 由于DNA分子细长，其在溶液中的粘度很高；RNA分子比DNA短，在溶液中的粘度低于DNA。   核酸的紫外线吸收 核酸分子中的碱基都含有共轭双键，在260nm波长处有最大紫外光吸收。 蛋白质在280nm波长处有最大吸收，所以可利用溶液260nm和280nm处吸收光度（A）的比值来估计核酸的纯度。

DNA的理化性质及其应用 变性 复性 增色效应 减色效应 解链温度 杂交 探针

DNA的理化性质及其应用 变性 复性 增色效应 减色效应 解链温度 杂交 探针

核酸的变性与复性 （一）变性 DNA变性是指在某些因素的作用下，维系DNA双螺旋的次级键发生断裂，双螺旋DNA分子被解开成单链的过程。 变性可使其粘度下降和紫外吸收值的改变等。 2．增色效应和解链温度（Tm）。 3．G＋C含量越高，Tm值越大；A＋T含量越高，Tm越值小。 （二）复性 1．解开的两条链重新缔合形成双螺旋，称为DNA的复性或退火。 2．退火温度：比Tm低25℃。

变性和复性 双链分开和重新形成双链这样的过程称为变性和复性。 破坏氢键形成的因素都可能使DNA变性，如过量的酸、碱或加热。

变性与复性

增色效应和减色效应 OD260 : 单核苷酸>单链DNA>双链DNA DNA变性时，溶液的OD260增高，称为增色效应。 在解链曲线中的中点称为中点解链温度，或解链温度(Tm)。 变性和复性是可逆的，热变性的DNA经缓慢冷却后即可复性，故复性也称为退火(annealing)

杂交 杂交：不同的DNA链放在同一溶液中作变性处理，或把单链DNA和RNA放在一起，局部的碱基配对，就可以形成局部双链。这一过程称为杂交。 杂交的应用。

核酸分子杂交是根据两条核酸单链在一定条件下可按碱基互补原则退火形成双链的原理，用已知的单链核苷酸片段作为探针检测样本中是否存在与其互补的同源核酸序列的方法。   常用的核酸分子杂交方法： Southern 印迹杂交、Northern 印迹杂交 斑点杂交、狭缝杂交 原位杂交（菌落原位杂交、细胞原位杂交、 组织片原位杂交） 夹心杂交

探针 探针：在核酸杂交的基础上发展起来的一种用于研究和诊断的新技术称为探针技术。 单链的核苷酸聚合体标记后，就可以称为探针。

探针 探针技术：在核酸杂交的基础上发展起来的一种用于研究和诊断的新技术。 探针(probe)：经同位素标记的具有特定碱基序列的单链核苷酸聚合体。 探针可用于：基因诊断、致病基因的定位、Southern blotting、Northern blotting、原位杂交、DNA芯片技术等临床实践和科研。

第六节 核酸酶 限制性内切酶的应用 Alu I ….AGCT….. ….AG CT... …..TCGA….. ….TC GA...   BamH I …GGATCC… ...G GATTC... ...CCTAGG… …CCTAG G...

小 结 DNA的组成与结构及性质 一级：碱基序列 二级：双螺旋结构 三级：核小体、超螺旋等 RNA的组成与结构 mRNA：遗传密码及其性质 小 结 DNA的组成与结构及性质 一级：碱基序列 二级：双螺旋结构 三级：核小体、超螺旋等 RNA的组成与结构 mRNA：遗传密码及其性质 tRNA：三叶草、倒L型结构、反密码子 rRNA：大、小亚基组装而成 DNA与RNA的区别