Structure and Function of Nucleic Acid

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1 Structure and Function of Nucleic Acid
第 二 章 核酸的结构和功能 Structure and Function of Nucleic Acid

2 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。

3 一、核酸的概念和重要性 1869年Miescher从细胞核中分离出核素（nuclein）。
1889年Altman制备了核酸（nucleic acid）。 1930~40年，Kossel & Levene等确定核酸的的组分： 核酸 脱氧核糖核酸（deoxyribonucleic acid，DNA） 核糖核酸（ribonucleic acid，RNA）

4 20世纪40年代末，Avery 的“肺炎双球菌转化”实验证明DNA是有机体的遗传物质：
有荚膜，致病 温育 无荚膜，不致病 有荚膜，致病 传代 有荚膜，致病

5 除少数病毒（RNA病毒）以RNA作为遗传物质外，多数有机体的遗传物质是DNA。
不同有机体遗传物质（信息分子）的结构差别，使得其所含蛋白质（表现分子）的种类和数量有所差别，有机体表现出不同的形态结构和代谢类型。 RNA的主要作用是从DNA转录遗传信息，并指导蛋白质的合成。

6 二、核酸的分类及分布 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。 (deoxyribonucleic acid, DNA) (ribonucleic acid, RNA) 脱氧核糖核酸 核糖核酸 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。

7 第一节 核酸的化学组成及其一级结构The Chemical Component and Primary Structure of Nucleic Acid

8 核酸的化学组成 1. 元素组成 C、H、O、N、P（9~10%） 2. 分子组成 —— 碱基(base)：嘌呤碱，嘧啶碱
—— 戊糖(ribose)：核糖，脱氧核糖 —— 磷酸(phosphate)

9 核酸的组成成分 核酸 nucleic acid 核苷酸 nucleotide 核苷 nucleoside 磷酸 phosphate
嘌呤碱 purine base 或 嘧啶碱 pyrimidine base 核糖 ribose 或 脱氧核糖 deoxyribose （碱基 base） （戊糖 amyl sugar）

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

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

12 戊 糖 （构成RNA） 1´ 2´ 3´ 4´ 5´ 核糖(ribose) （构成DNA） 脱氧核糖(deoxyribose)

13 一、核苷酸的结构 1. 核苷(ribonucleoside)的形成 碱基和核糖（脱氧核糖）通过糖苷键连接形成核苷（脱氧核苷）。 1 1´
核苷：AR, GR, UR, CR 脱氧核苷：dAR, dGR, dTR, dCR

14 2. 核苷酸(ribonucleotide)的结构与命名
核苷（脱氧核苷）和磷酸以磷酸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

15 在体内能量代谢中的作用： 第二信使——cAMP 各种核苷三磷酸和脱氧核苷三磷酸是体内合成RNA和DNA合成的直接原料。
ATP——能量“货币” UTP——参加糖的互相转化与合成 CTP——参加磷脂的合成 GTP——参加蛋白质和嘌呤的合成 第二信使——cAMP

16 5´端 C 3. 核苷酸的连接 核苷酸之间以磷酸二酯键连接形成多核苷酸链，即核酸。 A G 3´端

17 5′端 3′端 C G A 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。

18 书写方法 A G P 5 P T C OH 3 5 pApCpTpGpCpT-OH 3 5 A C T G C T 3 目 录

19 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

20 一、 DNA的二级结构 ——双螺旋结构

21 （一）DNA双螺旋结构的研究背景 双螺旋结构的主要依据
（1）Wilkins和Franklin发现不同来源的DNA纤维具有相似的X射线衍射图谱。 （2）Chargaff发现DNA中A与T、C与G的数目相等。后Pauling 和Corey发现A与T生成2个氢键、C与G生成3个氢键。 （3）电位滴定证明，嘌呤与嘧啶的可解离基团由氢键连接。 目 录

22 （二） DNA双螺旋结构模型要点 （Watson, Crick, 1953） DNA分子由两条相互平行但走向相反的脱氧多核苷酸链组成，两链以-脱氧核糖-磷酸-为骨架，以右手螺旋方式绕同一公共轴盘。螺旋直径为2nm，形成大沟(major groove)及小沟(minor groove)相间。 目 录

23 （二） DNA双螺旋结构模型要点 （Watson, Crick, 1953）
碱基垂直螺旋轴居双螺旋内側，与对側碱基形成氢键配对（互补配对形式：A=T; GC） 。 相邻碱基平面距离0.34nm，螺旋一圈螺距3.4nm，一圈10对碱基。 目 录

24 （二） DNA双螺旋结构模型要点 （Watson, Crick, 1953） 氢键维持双链横向稳定性，碱基堆积力维持双链纵向稳定性。 目 录

25 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。

26 （三）DNA双螺旋结构的多样性 A B Z 外型 粗短 适中 细长 螺旋方向 右手 右手 左手
外型 粗短 适中 细长 螺旋方向 右手 右手 左手 A-DNA Z-DNA B-DNA 螺旋直径 nm nm nm 碱基直升 nm nm nm 碱基夹角 每圈碱基数 轴心与碱基对关系 2.46nm nm nm 碱基倾角 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

27 二、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）

28 DNA超螺旋结构的形成

29 核小体盘绕及染色质示意图

30 组蛋白与DNA的结合

31 噬菌体T2结构 头部 颈圈 尾部 基板 尾丝 尖钉 DNA

32 动物病毒切面模式图 被膜（脂蛋白、碳水化合物） 衣壳（蛋白质） 突起（糖蛋白） 病毒粒 核酸 （DNA或RNA）

33 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。

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

35 RNA的种类、分布、功能

36 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 目 录

37 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-5´ppp5´-N-3´p）+单顺反子+“尾巴”（Poly A）

38 * 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。

39 帽子结构

40 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

41 把DNA所携带的遗传信息，按碱基互补配对原则，抄录并传送至核糖体，用以决定其合成蛋白质的氨基酸排列顺序。
* mRNA的功能 把DNA所携带的遗传信息，按碱基互补配对原则，抄录并传送至核糖体，用以决定其合成蛋白质的氨基酸排列顺序。 DNA mRNA 蛋白 转录 翻译 原核细胞 细胞质 细胞核 DNA 内含子 外显子 转录 转录后剪接 转运 mRNA hnRNA 翻译 蛋白 真核细胞

42 二、转运RNA的结构与功能 * tRNA的一级结构特点 含 10~20% 稀有碱基，如 DHU 3´末端为 — CCA-OH
5´末端大多数为G 具有 TC

43 稀有碱基 双氢尿嘧啶 N,N二甲基鸟嘌呤 4-巯尿嘧啶 N6-异戊烯腺嘌呤

44 * tRNA的二级结构 ——三叶草形 氨基酸臂 DHU环 反密码环 额外环 TΨC环 氨基酸臂 额外环

45 * 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。

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47 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。

48 * rRNA的种类（根据沉降系数） 真核生物 5S rRNA 28S rRNA 5.8S rRNA 18S rRNA 原核生物 5S rRNA 23S rRNA 16S rRNA

49 核蛋白体的组成 原核生物（以大肠杆菌为例） 真核生物（以小鼠肝为例） 小亚基 30S 40S rRNA 16S 1542个核苷酸 18S
1874个核苷酸 蛋白质 21种 占总重量的40% 33种 占总重量的50% 大亚基 50S 60S 23S 5S 2940个核苷酸 120个核苷酸 28S 5.85S 4718个核苷酸 160个核苷酸 31种 占总重量的30% 49种 占总重量的35%

50 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)。

51 snmRNAs的种类 核内小RNA 核仁小RNA 胞质小RNA 催化性小RNA 小片段干涉 RNA snmRNAs的功能 参与hnRNA和rRNA的加工和转运。

52 RNA组学 RNA组学研究细胞中snmRNAs的种类、结构和功能。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。

53 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 目 录

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55 OD260的应用 1. DNA或RNA的定量 OD260=1.0相当于 50μg/ml双链DNA 40μg/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 目 录

56 二、DNA的变性(denaturation)
方法：过量酸，碱，加热，变性试剂如尿素、 酰胺以及某些有机溶剂如乙醇、丙酮等。 变性后其它理化性质变化： OD260增高 粘度下降 比旋度下降 浮力密度升高 酸碱滴定曲线改变 生物活性丧失 目 录

57 DNA变性的本质是双链间氢键的断裂

58 例：变性引起紫外吸收值的改变 DNA的紫外吸收光谱 增色效应：DNA变性时其溶液OD260增高的现象。 目 录

59 Tm：熔解温度（melting temperature）
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 60 80 100 1 .0 1 .4 1 .2 100% A260 t \ 0C Tm 1 2 3 Poly d(A-T) DNA Poly d(G-C) 2 3 1

60 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。 目 录

61 核酸分子杂交(hybridization)
在DNA变性后的复性过程中，如果将不同种类的DNA单链分子或RNA分子放在同一溶液中，只要两种单链分子之间存在着一定程度的碱基配对关系，在适宜的条件（温度及离子强度）下，就可以在不同的分子间形成杂化双链(heteroduplex)。 这种杂化双链可以在不同的DNA与DNA之间形成，也可以在DNA和RNA分子间或者RNA与RNA分子间形成。这种现象称为核酸分子杂交。

62 核酸的变性、复性和杂交 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。 变性（加热） 复性（缓慢冷却） 杂交（缓慢冷却） 探针

63 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

64 复性 变性 不同来源的DNA分子 DNA-DNA 杂交双链分子

65 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

66 第 五 节 核 酸 酶 Nuclease

67 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)： 专一降解DNA。 RNA酶 (ribonuclease, RNase)： 专一降解RNA。 依据切割部位不同 核酸内切酶：分为限制性核酸内切酶和非特异性限制性核酸内切酶。 核酸外切酶：5´→3´或3´→5´核酸外切酶。

68 核酸酶的功能 生物体内的核酸酶负责细胞内外催化核酸的降解 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

69 核 酶 催化性RNA (ribozyme) 作为序列特异性的核酸内切酶降解mRNA。
核 酶 催化性RNA (ribozyme) 作为序列特异性的核酸内切酶降解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。