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1、1,第一章、核酸的结构与功能（nucleic acid）,2,本章内容提要：,第一节、核酸的发现与研究简史第二节、核酸的种类、分布及功能第三节、核酸的组成、结构第四节、核酸的理化性质,3,第一节、核酸的发现与研究简史,1868年，瑞士的外科医生Friedrich Miescher从脓细胞中发现了DNA。1944 年，O.Avery 通过肺炎双球菌转化实验证明DNA是遗传物质1953年，Watson-Crick提出DNA双螺旋结构模型，为分子生物学的发展史奠定了基础。2000年，人类基因组计划（HGP）基本完成：,返回,4,肺炎双球菌转化试验研究对象：肺炎双球菌SIII型菌株：有荚膜，菌落表面光
2、滑，有致病性RII型菌株：无荚膜，菌落表面粗糙，无致病性,5,6,Watson-Crick的DNA双螺旋结构模型,7,人类基因组计划（HGP）：,1986年，著名生物学家H.Dulbecco在Science杂志率先提出；完成人类基因组DNA全序列测定；是生物学有史以来最巨大和意义深远的一项科学工程；将有益于人类健康、医疗、制药、人口、环境等方面，对生命科学也有极大贡献。人类细胞有23对染色体，单倍体基因组大约有3109碱基对,8,第二节、核酸的种类、分布及功能,一、核酸的种类脱氧核糖核酸（deoxyribonucleic acid，DNA）和核糖核酸（ribonucleic acid，RNA）
3、两大类。,9,DNA：含有D-2-脱氧核糖；通常为双链结构，使DNA分子稳定；是主要的遗传物质，通过复制而将遗传信息由亲代传给子代。RNA：含有D-核糖；通常为单链结构（某些病毒为双链RNA）；与遗传信息的表达有关。,10,、DNA的种类,1、线型双链DNA：真核生物染色体DNA、某些病毒DNA。2、环状双链DNA：原核生物染色体DNA、质粒DNA、真核生物细胞器DNA、某些病毒DNA。3、线型单链DNA：某些病毒DNA，如：小鼠微小病毒4、环状单链DNA：某些病毒DNA，如：丝杆噬菌体fd,11,质粒（plasmid）：细菌中的染色体外的遗传成分；为环状双链DNA分子；为重组DNA技术中的有
4、用工具。,12,、RNA的种类,1、信使RNA（mRNA）占细胞总RNA的3%5%左右，含量最少；代谢活跃。在蛋白质的生物合成中起模板作用。2、转运RNA(tRNA)占细胞总RNA的15%左右；细胞中最小的一种RNA分子。在蛋白质的生物合成中起携带氨基酸和解译的作用。,13,3、核糖体RNA(ribosome RNA，rRNA)占细胞中总RNA80%左右，含量最大。在蛋白质合成中起催化作用，催化肽键的形成（可以说，核糖体是一种核酶，蛋白质只是维持rRNA构象）。原核细胞中rRNA有三种，分别是：16SrRNA（小亚基），23SrRNA、5SrRNA（大亚基）；高等真核细胞中rRNA有四种，分别
5、是：18SrRNA（小亚基），28SrRNA、5.8SrRNA、5SrRNA（大亚基）。,14,二、核酸的分布,1、DNA的分布核（98%）；浆（2%）原核细胞：核区；细胞质真核细胞：细胞核；线粒体、叶绿体等细胞器2、RNA的分布核（%）903、病毒或只含DNA，或只含RNA。,15,三、核酸的生物功能,1、是主要的遗传物质2、RNA功能的多样性控制蛋白质合成；作用于RNA转录后加工与修饰；基因表达与细胞功能的调控；催化作用；遗传信息的加工与进化；在RNA病毒中是遗传信息的一级载体,返回,16,第三节、核酸的组成、结构,17,18,一、核苷酸,包括核糖核苷酸（RNA的结构单位）和脱氧核糖核苷酸
6、（DNA的结构单位）细胞内还有各种游离的核苷酸和核苷酸衍生物，它们有重要的生理功能。如：FAD、CoA、NAD+、NADP+、腺苷钴胺素,19,（一）碱基（base）,1、嘧啶碱(pyrimidine base)嘧啶的衍生物。核酸中常见的嘧啶：胞嘧啶(cytosine,C)、尿嘧啶(uracil,U)（RNA）、胸腺嘧啶(thymine,T)（DNA）。胸腺嘧啶在tRNA中也有少量存在。2、嘌呤碱(purine base)嘌呤的衍生物。核酸中常见的嘌呤：鸟嘌呤(guanine,G)、腺嘌呤(adenine,A),20,2-氧,4-氨基嘧啶,5-甲基尿嘧啶,2,4-二氧嘧啶,6-氨基嘌呤,2-氨
7、基,6-氧嘌呤,21,核酸中五种碱基中的酮基和氨基，均位于碱基环中氮原子的邻位，可以发生酮式一烯醇式或氨基、亚氨基之间的结构互变，书写时用任何一种皆可。,22,3、稀有碱基（minorbase）,（1）稀有碱基：又称修饰碱基（modified base），稀有的微量碱基衍生物。（2）稀有碱基种类极多，大多数都是甲基化（m）碱基。修饰基团在碱基上的写在碱基符号左边，修饰基团在核糖上的写在碱基符号右边，修饰基团的位置写在右上角，数目写在右下角。（3）稀有碱基在各种类型核酸中的分布不均一，在tRNA中含量较高（可高达10%）,23,24,（二）核苷,1.核苷：由戊糖与碱基以糖苷键连接而成，是一种糖苷
8、。2.通常是戊糖的C1与嘧啶碱的N1或嘌呤碱的N9相连接。糖苷键为CN键，为N-糖苷键（核酸中均为-糖苷键）。3.包括核糖核苷和脱氧核糖核苷。,25,4.糖环中的碳原子标号右上角加撇，而碱基中原子的标号不加撇。5、稀有核苷包括修饰核苷和异构化核苷。核糖也能被修饰，主要是甲基化；稀有核苷主要在RNA中；假尿苷：核糖的C1与尿嘧啶的C5相连。,26,（三）核苷酸,1.核糖核苷的糖环上有3个自由羟基，能形成3种不同的核苷酸；脱氧核糖核苷的糖环上有2个自由羟基，只能形成2种不同的核苷酸；生物体内游离存在的核苷酸多是5-核苷酸。,27,28,29,2.多磷酸核苷酸,种类：5-二磷酸核苷（5-NDP）、5
9、-三磷酸核苷（5-NTP）功能：核酸合成的前体；重要的辅酶和能量载体。,30,3、环化核苷酸,重要的有：cAMP、cGMP。功能：细胞功能的调节因子和信号分子。,31,cAMP的产生,32,二、核酸的共价结构,核酸的共价结构：即核酸的一级结构，指核酸的核苷酸序列。（一）核酸中核苷酸的连接方式3,5磷酸二酯键书写顺序：5 3,33,核酸共价结构的表示方法：,竖线式表达法：用竖线代表戊糖，字母代表碱基；P代表磷酸基团,文字表示法：P在碱基左侧，表示P在C5位置上，P在碱基右侧，表示P与C3相连，书写顺序5 3。,5 pCpApG 3,34,(二)DNA的一级结构,DNA的一级结构：构成DNA的脱氧
10、核苷酸按照一定的排列顺序，通过3,5磷酸二酯键相连形成的线形结构。也称为碱基的排列顺序。,35,（三）RNA的一级结构,1、tRNA的一级结构3端皆为CpCpAOH。,36,2、mRNA的一级结构,（1）原核细胞：多顺反子（cistron），即一条mRNA链上有多个编码区，5端和3端各有一段非翻译区（untranslated region，UTR）顺反子：基因功能的单位；编码一条多肽链的一段染色体；一种结构基因。,37,（2）真核生物的mRNA的结构特点,单顺反子。5端有帽子结构：由甲基化鸟苷经焦磷酸与mRNA的的5末端核苷酸相连，形成5，5-三磷酸连接。（图）三种类型：m7G5PPP5Np；
11、m7G5PPP5NmpNp；m7G5PPP5NmpNmpNp三种。作用：抗5核酸外切酶的降解作用；在蛋白质合成过程中，有助于核糖体对mRNA的识别与结合，使翻译得以正确起始。3端有poly（A）：3端大约20250的聚腺苷酸，可能与mRNA从细胞核到细胞质的运输有关。,38,5-帽子：m7G 5-ppp5-Nm（Nm）p-,39,40,三、DNA的高级结构,（一）Chargaff规则关于DNA碱基组成的规律，包括：1.A=T；2.G=C；3.含氨基的碱基（A+C）=含酮基的碱基（G+T）4.A+G=C+T暗示了A与T，G与C相互配对的可能性。DNA碱基组成具有生物种的特异性。,41,（二）DN
12、A的二级结构,1、双螺旋结构模型-Watson-Crick，1953：两条平行多脱氧核苷链以相反方向围绕同一轴盘绕；两条链都是右手螺旋（图）。两条链配对偏向一侧，形成一条大沟和一条小沟（图）。碱基在螺旋内，其平面与中心轴垂直；磷酸与核糖在外，由3，5-磷酸二酯键连接，糖环平面与中心轴平行（图）。螺旋平均直径为2nm，碱基对的堆积距离为0.34nm，每10个核苷酸形成螺旋的一转（图）。两条链由碱基对之间的氢键相连，在空间上可能的碱基对只有A与T（两个氢键）以及G与C（三个氢键）（图）。,42,43,44,45,46,2、其他,DNA能以多种不同的构象存在。1.B-DNA：Watson-Crick
13、双螺旋，比较接近细胞正常状态下DNA存在的构象。2.A-DNA：比较粗短，碱基倾角大一些，大沟深度明显超过小沟。3.Z-DNA：细长，大沟平坦，磷酸和糖骨架呈Z字型；左手DNA螺旋。（图）DNA的变构效应可能与基因表达的调节有关。,47,48,49,3、特殊的DNA二级结构,(1)回文结构回文结构也称反向重复（inverted repeats）,50,(2)发夹形和十字形,51,(3)H-DNA-三链螺旋,52,4、维持DNA二级结构的作用力,氢键虽然它只是一种作用较弱的次级键，但当DNA分子中氢键数量众多，仍可产生足够的能量来维持DNA分子结构稳定性。碱基堆积力碱基堆积力实质是疏水相互作用和
14、范德华力。它对维持DNA的二级结构起主要作用。,53,（三）DNA的三级结构,1、DNA三级结构：DNA分子（双螺旋）通过扭曲和折叠所形成的特定构象。2.超螺旋(superhelix)：环状双链DNA或两端固定的线形双链DNA进一步缠绕时形成的结构；DNA三级结构的一种形式；具有更致密的结构。,54,负超螺旋（negative superhelix）：向DNA双螺旋的相反方向缠绕而成的超螺旋，又称松弛缠绕；天然的超螺旋DNA均为负超螺旋；可使其二级结构处于松散状态，使分子内部张力减少，利于DNA复制、转录和基因重组。正超螺旋（positive superhelix）：向DNA双螺旋的相同方向缠
15、绕而成的超螺旋，又称紧密缠绕；使分子内部张力加大，旋得更紧。,55,（四）DNA与蛋白质复合物的结构,生物体内的核酸通常都与蛋白质结合形成复合物，以核蛋白的形式存在。如：病毒、真核生物的染色体。,56,真核生物染色体的结构,基本单位核小体（nucleosome):由DNA和组蛋白核心构成；组蛋白：H2A、H2B、H3、H4、H1核心由H2A、H2B、H3、H4各两个组成八聚体；DNA以左手螺旋在组蛋白核心上盘绕1.8圈，共146bp，核小体之间有连接DNA和组蛋白H1连接呈串珠状结构。（图）,57,58,四、RNA的高级结构,RNA通常是单链线形分子，但可自身回折形成局部双螺旋（二级结构），进
16、而折叠（三级结构）。除tRNA外，几乎所有RNA都与蛋白质形成核蛋白复合物（四级结构）RNA二级结构：单链RNA自行盘绕形成局部双螺旋的多“茎”多“环”结构。螺旋部分称为“茎”或“臂”；非螺旋部分称为“环”；在螺旋区，A与U配对，G与C配对。（图）,59,60,（一）tRNA的高级结构,1、tRNA的二级结构（1）形状：三叶草形。（2）组成：4臂4环组成4臂：氨基酸接受臂、反密码臂、二氢尿嘧啶臂、TC臂。4环：反密码环（次黄嘌呤I核苷酸常出现于反密码子中）、二氢尿嘧啶环、TC环和额外环（大小不同，tRNA分类的重要指标）（图）,61,62,（1）氨基酸臂：富含鸟嘌呤，末端为CCA，接受活化的氨
17、基酸。（2）二氢尿嘧啶环：由812个核苷酸组成，具有两个二氢尿嘧啶，故得名。（3）反密码环：由7个核苷酸组成。环中部为反密码子，由3个碱基组成。次黄嘌呤核苷酸（I）常出现于反密码环中。（4）额外环：有318个核苷酸组成。不同的tRNA有不同大小的额外环，故可作为tRNA分类指标。（5）TC环：由7个核苷酸组成。几乎所有tRNA在此环中都含有TC。,63,2、tRNA的三级结构,倒“L”形，所有的tRNA折叠后形成大小相似及三维构象相似的三级结构。,64,（二）rRNA的高级结构,大肠杆菌16SrRNA和5SrRNA的二级结构,返回,65,第四节、核酸的理化性质,一、核酸的水解（一）核酸的酸解糖
18、苷键和磷酸酯键都能被酸水解；,66,糖苷键比磷酸酯键更易被酸水解；嘌呤碱的糖苷键比嘧啶碱的糖苷键对酸更不稳定；对酸最不稳定的是嘌呤与脱氧核糖之间的糖苷键。如：DNA在pH1.6于37对水透析，可完全除去嘌呤碱，得到无嘌呤酸（apurinic acid）。,67,（二）碱水解,1、RNA的磷酸酯键易被碱水解，产生核苷酸。原因：RNA的核糖上有2-OH羟基，在碱作用下形成磷酸三酯；磷酸三酯极不稳定，随即水解，产生核苷2，3-环磷酸酯；环磷酸酯继续水解，产生2-核苷酸和3-核苷酸。（图）2、DNA的磷酸酯键不易被碱水解，DNA一般对碱稳定。,68,69,（三）酶水解,1、水解核酸的酶（1）磷酸二酯酶
19、：非特异性水解磷酸二酯键的酶。催化寡核苷酸及多核苷酸中双重酯化的磷酸分子进行水解的酶类。如：3，5-cAMP磷酸二酯酶。（2）核酸酶（nuclease）：专一水解核酸的磷酸二酯酶。,70,二、核酸的酸碱性质,核酸的磷酸基具有酸性，碱基具有碱性，因此，核酸具有两性电离的性质，为两性电解质。核酸中磷酸基的酸性大于碱基的碱性，其等电点偏酸性。DNA的pI约为45，RNA的pI约为2.02.5，在pH78电泳时泳向正极。,71,三、核酸的紫外吸收,（一）核酸的紫外吸收特性嘌呤碱和嘧啶碱具有共轭双键，使碱基、核苷、核苷酸和核酸在240290nm的紫外波段有一强烈的吸收峰，最大吸收值在260nm附近。,7
20、2,（二）核酸的紫外吸收特性的应用,1.作为定量测定核酸的方法。2.鉴定核酸样品的纯度。A260/A280比值：纯DNA=1.8；纯RNA=2.0；样品中含有杂蛋白，A260/A280比值明显降低。3.可判断核酸是否发生变性或降解。增色效应（hyperchromic effect）：当核酸变性或降解时，其紫外线吸收强度显著增高减色效应（hypochromic effect）：变性的核酸在一定条件下恢复原有性质时，其紫外线吸收强度又可回复到原有水平。双螺旋结构使碱基对的电子云发生重叠，减少了对紫外光的吸收。,73,四、核酸的变性、复性和杂交,（一）核酸的变性(denaturation)1、核酸的
21、变性：核酸双链螺旋区的氢键断裂，变成单链，不涉及共价键的断裂。与核酸的降解区别开。2、引起核酸变性的因素加热、强酸、强碱、有机试剂（尿素、甲醛、甲醇、乙醇、甲酰胺等）或射线等一切可以破坏核酸分子氢键的处理，都可使核酸变性。3、变性DNA的特征紫外吸收增强；粘度降低；浮力密度升高；比旋下降；生物功能减小或消失等。,74,4、DNA的热变性DNA热变性是在一个很窄的温度范围内发生的。DNA的融解温度(Tm)：或称熔点，在核酸加热变性过程中，核酸分子内50%的双螺旋结构被破坏时的温度，又称为核酸的解链温度。（即在260nm下光吸收达到最大光吸收一半是的温度）DNA的Tm值一般在8295之间。,75,
22、与Tm值有关的因素,GC所占总碱基数的百分比成正相关经验公式：Tm=69.30.41(G+C)%或（G+C）%=（Tm-69.3）2.44离子强度溶液的离子强度较低时，Tm值较低，融点范围也较宽。因此，DNA制剂不应保存在离子强度过低的溶液中。均一性均质DNA：热变性温度范围较小；异质DNA：热变性温度范围较宽。,76,5.RNA的变性,转变不如DNA明显，随着温度的升高，RNA 中双链部分的碱基堆积会逐渐减少，吸光值逐渐地、不规则地增大；Tm值较低。,77,（二）核酸的复性,1、DNA的复性：变性因素解除后，因变性而分开的DNA两条单链即可再聚合成原来的双螺旋，其原有的性质，可得到部分恢复。
23、,78,2、DNA的复性主要制约因素,（1）降温速度复性时温度下降必须是一缓慢过程，若在超过Tm的温度下迅速冷却至低温，复性几乎是不可能的。退火(annealing)：热变性DNA一般经缓慢冷却后即可复性，此过程称之为。（2）DNA浓度浓度较高时，易于复性。（3）DNA片段的大小DNA片段越大，复性越慢。（4）基因组大小具有很多重复序列的DNA，复性较快。,79,（三）核酸的杂交,1.核酸的杂交（hybridization）：不同来源的核酸变性后，合并在一处进行复性；这时，只要这些核酸分子的核苷酸序列含有可以形成碱基互补配对的片段，复性也会发生于不同来源的核酸链之间，即形成所谓的杂化双链。杂交可以发生于DNA与DNA之间，也可以发生于RNA与RNA之间和DNA与RNA之间。,返回,
