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、核酸的发现和研究工作进展 1868年 Fridrich Miescher从脓细胞中提取“核素”
1944年 Avery等人证实DNA是遗传物质 1953年 Watson和Crick发现DNA的双螺旋结构 1968年 Nirenberg发现遗传密码 1975年 Temin和Baltimore发现逆转录酶 1981年 Gilbert和Sanger建立DNA 测序方法 1985年 Mullis发明PCR 技术 1990年 美国启动人类基因组计划(HGP) 1994年 中国人类基因组计划启动 2001年 美、英等国完成人类基因组计划基本框架

4 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，其余分布于线粒体、叶绿体、质粒等。
(deoxyribonucleic acid, DNA) 携带遗传信息，决定细胞和个体的基因型(genotype)。 分布于胞核、胞液。 核糖核酸 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。 (ribonucleic acid, RNA)

5 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

6 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) 基

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

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

9 DNA中含有的碱基是：A T C G RNA中含有的碱基是：A U C G 紫外吸收的特性（共轭双键） 吸收波长：260nm 用于定量测定

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

11 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

12 核苷：戊糖与含氮碱基脱水缩合而生成 糖苷键 C-N 键 β1’ N9 N1

13 假尿嘧啶（Ψ）核苷 的糖苷键不是C-N键，而是C-C键

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 核苷酸的结构与命名

16 体内重要的游离核苷酸及其衍生物 多磷酸核苷酸：NMP，NDP，NTP 环化核苷酸: cAMP，cGMP 含核苷酸的生物活性物质： cAMP
NAD+、NADP+、CoA-SH、FAD 等都含有 AMP cAMP ATP NADP+ NAD+ AMP ADP

17 5´端 C 3. 核苷酸的连接 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

18 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。

19 书写方法 A G T C 5 pApCpTpGpCpT-OH 3 5 A C T G C T 3
核酸具有方向性，一端称为5’-端，另一端称为3’-端

20 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

21 一、 DNA的二级结构 ——双螺旋结构

22 （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

23 （二） DNA双螺旋结构模型要点 DNA分子是反向平行的互补双链结构； （Watson, Crick, 1953） 骨架：-脱氧核糖-磷酸-
碱基：“挂”在主链骨架上

24 DNA分子为右手螺旋结构 螺旋直径为2nm，形成大沟及小沟。 相邻碱基平面距离0.34nm，螺旋一圈螺距3.4nm，一圈10对碱基 维系键：疏水作用力，氢键

25 碱基堆积力：碱基平面之间的疏水作用力 氢键：垂直螺旋轴居双螺旋内側，与对側碱基形成氢键配对

26 碱基互补配对 : A = T; G  C C G A T

27 碱基互补配对是半保留复制的基础

28 （三）DNA双螺旋结构的多样性

29 二、DNA的超螺旋结构及其在染色质中的组装
超螺旋结构： ——DNA双螺旋链再盘绕即形成超螺旋结构。

30 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

31 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。

32 （二）原核生物DNA的高级结构

33 （三）DNA在真核生物细胞核内的组装 核小体的组成 DNA：约200bp 组蛋白：H1 H2A，H2B H3 H4
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

34 真核生物中的核小体结构： DNA 双螺旋形成超螺旋结构，再与核内的蛋白质结合，形成核小体的结构
DNA 缠绕八聚体 1.75圈，然后与H1连接，形成串珠状结构

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36 意义：有规律压缩体积，减少占用的空间

37 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。

38 基因（gene）: DNA分子中具有特定生物学功能的片段
基因组（genome）：一个生物体的全部DNA序列称。 基因组的大小与生物的复杂性有关，如病毒SV40的基因组大小为5.1×103bp，大肠杆菌为5.7×106bp，人为3×109bp。

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

40 RNA通常以单链形式存在，但也可形成局部的双螺旋结构。

41 RNA的种类、分布、功能

42 一 、信使RNA(messenger RNA)

43 * 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：m7GpppN-。 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。

44 帽子结构 5’ 5’

45 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

46 编码区：mRNA分子中每三个相邻的核苷酸组成一组，在蛋白质翻译合成时代表一个特定的氨基酸，这种核苷酸三联体称为遗传密码（coden）
功能:为蛋白质的合成提供模板

47 * mRNA的功能:为蛋白质的合成提供模板
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

48 二、转运RNA(transfer RNA)
* tRNA的一级结构特点 tRNA是分子最小(70～90个核苷酸） 含 10-20% 稀有碱基，如 DHU、等 3´末端为 — CCA-OH(氨基酸臂） 5´末端大多数为G 具有 TC

49 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

50 氨基酸臂 * 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 额外环

51 3’－OH 端可以结合氨基酸 反密码环可以与mRNA上的密码子配对 将合适的氨基酸携带到合适的位置 tRNA的功能：作为各种氨基酸的转运载体在蛋白质合成中转运氨基酸原料

52 命名原则： tRNATyr: 可以和Tyr结合的tRNA Tyr-tRNATyr : 结合了Tyr的tRNA

53 * 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。

54 三、核蛋白体RNA(ribosomal RNA)
rRNA是细胞中含量最多的RNA，占总量的80%。 * rRNA的功能 参与组成核蛋白体，作为蛋白质生物合成的场所。

55 * 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

56 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%

57 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)

58 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。

59 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。

60 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

61 一、核酸的一般理化性质 核酸具有酸性； DNA分子粘度大；RNA 分子粘度小 能吸收紫外光，最大吸收峰为260nm。可用于核酸的定性和定量测定。

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63 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

64 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： 增色效应 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

65 DNA变性的本质是双链间氢键的断裂

66 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。

67 解链曲线：如果在连续加热DNA的过程中以温度对A260（absorbance，A，A260代表溶液在260nm处的吸光率）值作图，所得的曲线称为解链曲线。
热变性

68 Tm：变性是在一个相当窄的温度范围内完成，在这一范围内，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)。

69 Tm的高低与DNA分子中G+C的含量有关， G+C的含量越高，则Tm越高。

70 三、DNA的复性 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。

71 四、分子杂交与探针技术 两条来源不同的单链核酸（DNA或RNA），只要它们有大致相同的互补碱基顺序，在适宜的条件（温度及离子强度）下，经退火处理即可复性，形成新的杂种双螺旋，这一现象称为核酸的分子杂交。

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73 核酸杂交可以是DNA-DNA，也可以是DNA-RNA杂交。
不同来源的，具有大致相同互补碱基顺序的核酸片段称为同源顺序。

74 探针技术 利用核酸的分子杂交，可以确定或寻找不同物种中具有同源顺序的DNA或RNA片段。

75 在核酸杂交分析过程中，常将已知顺序的核酸片段用放射性同位素或生物素进行标记。这种带有一定标记的已知顺序的核酸片段称为探针。

76 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

77 第五节 核 酸 酶 Nuclease

78 DNA酶(DNase)：专一降解DNA。 RNA酶 (RNase)：专一降解RNA。
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(DNase)：专一降解DNA。 RNA酶 (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。

79 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

80 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。 T.Cech 1988年诺贝尔化学奖 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。