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1、第 二 章核酸的结构和功能,核酸：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
2、组计划基本框架,二、核酸的分类及分布,核酸的化学组成,1.元素组成:C、H、O、N、P（910%）,第一节核酸的化学组成及一级结构,一、核苷酸的结构,两类核酸的基本化学组成比较,嘌呤碱 腺嘌呤(A)腺嘌呤(A)鸟嘌呤(G)鸟嘌呤(G)嘧啶碱 胞嘧啶(C)胞嘧啶(C)胸腺嘧啶(T)尿嘧啶(U),碱基,戊糖,D-2-脱氧核糖 D-核糖,酸,磷酸 磷酸,嘌呤,腺嘌呤(A),鸟嘌呤(G),碱 基,嘧啶,胞嘧啶(C),尿嘧啶(U),胸腺嘧啶(T),戊 糖,核苷：AR,GR,UR,CR脱氧核苷：dAR,dGR,dTR,dCR,核苷酸：AMP,GMP,UMP,CMP脱氧核苷酸：dAMP,dGMP,dTMP,
3、dCMP,体内重要的游离核苷酸及其衍生物,含核苷酸的生物活性物质：NAD+、NADP+、CoA-SH、FAD 等都含有 AMP,多磷酸核苷酸：NMP，NDP，NTP,环化核苷酸:cAMP，cGMP,AMP,ADP,ATP,cAMP,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。,C,G,A,书写方法,5 pApGpTpGpCpT-OH 3,5 A G T G C T 3,RNA 的 一 级 结 构,与DNA的差别在于：,1、戊糖是核糖而非脱氧核糖,2、嘧啶成分是胞嘧啶（C）和尿嘧啶（U），无胸腺嘧啶（T）,核酸分子的大小常用碱基数目或碱基
4、对数目来表示。核酸片段50bp称为寡核苷酸,第二节 DNA的空间结构与功能,一、DNA的二级结构双螺旋结构模型,（一）DNA双螺旋结构的研究背景,碱基组成分析Chargaff 规则,碱基的理化数据分析A-T、G-C以氢键配对较合理,DNA纤维的X-线衍射图谱分析,(1)腺嘌呤和胸腺嘧啶的摩尔数相等.A=T,鸟嘌呤与胞嘧啶的摩尔数相等.G=C,嘌呤总数=嘧啶总数 A+G=C+T,(2)DNA的组成具有种属特异性,(3)DNA的碱基组成没有组织的特异性,且较为稳定,不随年龄、营养状态、环境改变的影响,Chargaff 碱基组成规律,（二）DNA双螺旋结构模型要点（Watson,Crick,1953
5、）,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，形成大沟及小沟相间。,（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;GC）。相邻碱基平面距离0.34nm，螺旋一圈螺距3.4nm，一圈10对碱基。,碱基互补配对,T,A,G,C,（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。,（二）DNA结构的多样性,A-DNA：右手螺旋,B-DNA
6、：Watson-Crick模型，右手螺旋生理条件下DNA最稳定的结构形式,Z-DNA：左手螺旋,二、DNA的超螺旋结构及其在染色质中的组装,（一）DNA的超螺旋结构,超螺旋结构DNA双螺旋链再盘绕即形成超螺旋结构。,正超螺旋盘绕方向与DNA双螺旋方同相同,负超螺旋盘绕方向与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,原核生物没有典型的细胞核结构，超螺旋结构被认为是原核生物DNA的三级结构。,（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。,核
7、小体的组成DNA：约200bp 组蛋白：H1H2A，H2BH3H4,H2A、H2B、H3和H4各两分子组成组蛋白八聚体，构成核心组蛋白。,双螺旋DNA以左手超螺旋的方式绕核心颗粒1.75圈，缠绕在核心组蛋白表面，构成核心颗粒。,核心颗粒和 连接区DNA及附着在连接区DNA上的 组蛋白H1构成核小体。,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。,第三节 RNA的结构与功能,RNA的种类、分布、功能,一、信使RNA
8、的结构与功能,*mRNA成熟过程,*mRNA半衰期最短，几分钟到数小时,*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C2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,mRNA核内向胞质的转位mRNA的稳定性维系翻译起始的调控,帽子结构和多聚A尾的功能,*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。,*tRNA的一级结构特点 含 1020%稀有碱基，如 DHU 3末端为 C
9、CA-OH 具有 TC,二、转运RNA的结构与功能,mRNA分子从5-端的AUG开始，每3个核苷酸为一组，决定多肽链上的一个氨基酸，称为密码子,N,N二甲基鸟嘌呤,N6-异戊烯腺嘌呤,双氢尿嘧啶,4-巯尿嘧啶,稀有碱基,*tRNA的二级结构三叶草形 氨基酸臂 DHU环 反密码环 额外环 TC环,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、rRNA的结构与功能,（一）rRNA的结构特点,1.含量最丰富,约占总RNA的80%以上。,2.与核蛋白体蛋白结合成核蛋白体,rRNA 与蛋白质既可分离,又可结合。,3.核蛋白体由大小两个亚
10、基构成,两亚基呈不 规则形状,聚合时中间有裂缝,可通过mRNA。,*rRNA的种类（根据沉降系数）,真核生物5S rRNA28S rRNA5.8S rRNA18S rRNA,原核生物5S rRNA23S rRNA16S rRNA,核蛋白体的组成,（二）rRNA的功能,核蛋白体是细胞内蛋白质合成的场所,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。,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
11、异性。,RNA组学,第四节 核酸的理化性质及其应用,一、核酸的一般理化性质,1.呈酸性2.粘度大3.在引力场中下沉4.在260nm有最大吸收峰,核 酸 的 粘 度,*分子量越大粘度也越大,RNA分子比DNA分子小，粘度也就小,*生物分子的空间结构也影响粘度,核酸的紫外吸收特性,嘌呤碱和嘧啶碱有共轭双键，都能强烈吸收紫外光，最大吸收波长为260nm,蛋白质对紫外光的最大吸收波长是280nm,1.DNA或RNA的定量OD260=1.0相当于50g/ml双链DNA40g/ml单链DNA（或RNA）20g/ml寡核苷酸2.判断核酸样品的纯度DNA纯品:OD260/OD280=1.8RNA纯品:OD26
12、0/OD280=2.0,OD260的应用,二、DNA的变性,定义：在某些理化因素作用下，DNA双链解开成两条单链的过程。,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,DNA的变性与降解的区别,降解,变性,蛋白质和(DNA)核酸的变性的共性,两者均不涉及共价键的断裂,一级结构不破坏,粘度改变，生物活性丧失,DNA变性的本质是双链间氢键的断裂,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。,热变性,解链曲线：如
13、果在连续加热DNA的过程中以温度对A260（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。,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(Tm)。其大小与G+C含量成正比。,RNA的变性,双链的RNA分子、RNA-DNA 杂化分子可变性,中性pH条件下，三者Tm值大小为：,双链RNA分子,RNA-DNA 杂化分子,DNA分子,三、DNA的复性与分子杂交,变性的DNA在去除变性因素并处于适当的条件下，彼此分离的双链又可重新结合恢复天然的双螺旋结构这一过程称为复性。,1.概念,2.复性速度
14、受温度的影响,热变性的DNA经缓慢冷却后即可复性，这一过程称为退火。,复性后DNA分子性质,一系列的理化性质随即恢复,d.生物活性部分恢复,a.260nm处的紫外吸收值下降,b.粘度上升,c.浮力、密度降低,（减色效应）,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。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。,核酸分子杂交,DNA-DNA杂交双链分子
15、,不同来源的DNA分子,核酸分子杂交的应用（1）研究DNA分子中某一种基因的位置（2）确定两种核酸分子间的序列相似性（3）检测某些专一序列在待检样品中存在与否（4）是基因芯片技术的基础,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：专一降解DNA。RNA酶：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：53或35核酸外切酶。,第 五 节 核 酸 酶,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,生物体内的核酸酶负责细胞内外催化核酸的降解,核酸酶的功能,核 酶,催化性DNA 人工合成的寡聚脱氧核苷酸片段，也能序列特异性降解RNA。,催化性RNA 作为序列特异性的核酸内切酶降解mRNA。,
