核酸的結(jié)構與功能

核酸的結(jié)構與功能第一頁，共五十五頁，2022年，8月28日核酸(nucleicacid)

是以核苷酸為基本組成單位的生物大分子，攜帶和傳遞遺傳信息。第二頁，共五十五頁，2022年，8月28日1868年FridrichMiescher

從膿細胞中提取核素。1944年

Avery等人證實DNA是遺傳物質(zhì)。1953年

Watson和Crick發(fā)現(xiàn)DNA的雙螺旋結(jié)構。1968年Nirenberg發(fā)現(xiàn)遺傳密碼。1975年Temin和Baltimore發(fā)現(xiàn)逆轉(zhuǎn)錄酶。1981年Gilbert和Sanger建立DNA測序方法。1985年Mullis發(fā)明PCR技術。1990年美國啟動人類基因組計劃(HGP)。1994年中國人類基因組計劃啟動。2001年美英等國完成人類基因組計劃。核酸研究的發(fā)展簡史第三頁，共五十五頁，2022年，8月28日核酸的分類及分布存在于細胞核和線粒體

分布于細胞液中(DNA)(ribonucleicacid,RNA)脫氧核糖核酸

核糖核酸攜帶遺傳信息，并通過復制傳遞給下一代。DNA的遺傳信息通過RNA傳遞到蛋白質(zhì),表達出各種生命現(xiàn)象第四頁，共五十五頁，2022年，8月28日第一節(jié)核酸的分子組成第五頁，共五十五頁，2022年，8月28日核酸的元素組成核酸由C、H、O、N和P元素組成，核酸分子中P含量比較恒定，約占9%-10%，故測定樣品中P的含量即可算出其核酸的含量。第六頁，共五十五頁，2022年，8月28日核酸(DNA和RNA)核苷酸核苷和脫氧核苷磷酸戊糖堿基嘌呤嘧啶核糖脫氧核糖核酸基本組成第七頁，共五十五頁，2022年，8月28日堿基是含氮的雜環(huán)化合物。堿基嘌呤嘧啶腺嘌呤(A)鳥嘌呤(G)尿嘧啶(U)胸腺嘧啶(T)胞嘧啶(C)存在于DNA和RNA中

僅存在于RNA中

僅存在于DNA中堿基第八頁，共五十五頁，2022年，8月28日嘌呤(purine，Pu)腺嘌呤(adenine,A)鳥嘌呤(guanine,G)第九頁，共五十五頁，2022年，8月28日嘧啶(pyrimidine，Py)胞嘧啶(cytosine,C)尿嘧啶(uracil,U)胸腺嘧啶(thymine,T)第十頁，共五十五頁，2022年，8月28日戊糖（構成RNA）1′2′3′4′5′核糖(ribose)（構成DNA）脫氧核糖(deoxyribose)第十一頁，共五十五頁，2022年，8月28日磷酸OHOPOHOH第十二頁，共五十五頁，2022年，8月28日核酸的基本組成單位——核苷酸戊糖與堿基通過糖苷鍵連接而成的化合物稱為核苷。核苷與磷酸通過磷酸酯鍵連接，即為核苷酸。戊糖上的游離羥基均可與磷酸生成酯鍵結(jié)合，當生物體內(nèi)的核苷酸主要是核苷C-5羥基與磷酸形成酯鍵的化合物，稱為5-核苷酸。第十三頁，共五十五頁，2022年，8月28日脫氧核苷糖苷鍵通常是由戊糖C-1的羥基與嘌呤堿N-9或嘧啶堿N-1上的氫脫水結(jié)合生成。核苷中的戊糖若為脫氧核糖，稱為脫氧核苷。第十四頁，共五十五頁，2022年，8月28日

嘌呤N-9或嘧啶N-1與核糖C-1通過糖苷鍵相連形成核苷。核苷NNNN9NH2OOHOHHHHCH2OHH1'2'糖苷鍵第十五頁，共五十五頁，2022年，8月28日核苷或脫氧核苷與磷酸通過酯鍵結(jié)合構成核苷酸(ribonucleotide)或脫氧核苷酸(deoxyribonucleotide)。核苷酸NNNN9NH2OOHOHHHHCH2H1'2'OPO-HOO糖苷鍵酯鍵第十六頁，共五十五頁，2022年，8月28日核酸的種類與命名

DNA脫氧腺苷酸(一磷酸脫氧腺苷,dAMP)脫氧鳥苷酸(一磷酸脫氧鳥苷,dGMP)脫氧胞苷酸(一磷酸脫氧胞苷,dCMP)脫氧胸苷酸(一磷酸脫氧胸苷,dTMP)

RNA腺苷酸(一磷酸腺苷,AMP)鳥苷酸(一磷酸鳥苷,GMP)胞苷酸(一磷酸胞苷,CMP)尿苷酸(一磷酸胸苷,UMP)第十七頁，共五十五頁，2022年，8月28日體內(nèi)幾種重要的核苷酸：多磷酸核苷酸5-核苷酸的磷酸基可進一步磷酸化，生成二磷酸核苷（NDP）和三磷酸核苷（NTP），如5-腺苷磷酸化后可生成二磷酸腺苷（ADP）和（ATP）。上述為ATP結(jié)構式。第十八頁，共五十五頁，2022年，8月28日環(huán)化核苷酸：cAMP、cGMP，是細胞信號轉(zhuǎn)導中的第二信使。cAMP體內(nèi)幾種重要的核苷酸：環(huán)化核苷酸第十九頁，共五十五頁，2022年，8月28日第二節(jié)核酸的分子結(jié)構第二十頁，共五十五頁，2022年，8月28日一、核酸的一級結(jié)構一個脫氧核苷酸3-OH與另一個核苷酸5-磷酸基團縮合形成磷酸二酯鍵。兩個核苷酸借磷酸二酯鍵連接成二核苷酸；上百個以上核苷酸連接起來就成多核苷酸，即核酸。長鏈的一端，磷酸只與戊糖C-5相連稱5-末端；另一端在戊糖上C-3上具有只有羥基，稱3-末端。（一）核苷酸之間的連接方式第二十一頁，共五十五頁，2022年，8月28日5′-末端3′-末端CGA磷酸二酯鍵磷酸二酯鍵第二十二頁，共五十五頁，2022年，8月28日AGP5PTPGPCPTPOH3多核苷酸的書寫方法：5pApCpTpGpCpT-OH

35

ACTGCT

3第二十三頁，共五十五頁，2022年，8月28日定義在多核苷酸中核苷酸的排列順序為核酸的一級結(jié)構。由于核苷酸間的差異主要是堿基不同，所以也稱為堿基序列也就是說堿基的排列順序也是核酸的一級結(jié)構。所以A、G、C、U、T等既可代表堿基，也可代表核算中的核苷酸5′端3′端CGA（二）核酸的一級結(jié)構第二十四頁，共五十五頁，2022年，8月28日二、核酸的空間結(jié)構與功能

多個（脫氧）核苷酸通過磷酸二酯鍵構成了具有方向性的線性分子，稱為多聚（脫氧）核苷酸，即（DNA）RNA鏈。第二十五頁，共五十五頁，2022年，8月28日DNA的空間結(jié)構又分為二級結(jié)構(secondarystructure)和高級結(jié)構。DNA的空間結(jié)構(spatialstructure)構成DNA的所有原子在三維空間具有確定的相對位置關系。第二十六頁，共五十五頁，2022年，8月28日交替的磷酸基團和戊糖構成了DNA的骨架(backbone)。DNA鏈的方向是5

→

3第二十七頁，共五十五頁，2022年，8月28日一、DNA的二級結(jié)構是雙螺旋結(jié)構第二十八頁，共五十五頁，2022年，8月28日不同生物種屬的DNA的堿基組成不同同一個體的不同器官或組織的DNA堿基組成相同。[A]=[T]，[G]=[C]Chargaff規(guī)則（一）DNA雙螺旋結(jié)構的研究背景獲得了高質(zhì)量的DNA分子的X射線衍射照片。提出了DNA分子雙螺旋結(jié)構(doublehelix)模型。第二十九頁，共五十五頁，2022年，8月28日兩條多聚核苷酸鏈在空間的走向呈反向平行(anti-parallel)。兩條鏈圍繞著同一個螺旋軸形成右手螺旋(right-handed)的結(jié)構。脫氧核糖和磷酸基團組成的親水性骨架位于雙螺旋結(jié)構的外側(cè)，疏水的堿基位于內(nèi)側(cè)。堿基對平面與螺旋軸垂直雙螺旋結(jié)構的表面形成了一個大溝(majorgroove)和一個小溝(minorgroove)。

（二）DNA雙螺旋結(jié)構模型要點1.DNA是反向平行、右手螺旋的雙鏈結(jié)構第三十頁，共五十五頁，2022年，8月28日第三十一頁，共五十五頁，2022年，8月28日親水性的骨架位于雙鏈的外側(cè)。疏水性的堿基位于雙鏈的內(nèi)側(cè)。骨架與堿基第三十二頁，共五十五頁，2022年，8月28日2.DNA雙鏈之間形成了互補堿基對鏈條鏈同一個平面上的堿基通過氫鍵形成堿基對，總是A與T，G與C配對，這就是堿基互補規(guī)律。堿基配對關系稱為互補堿基對;通過堿基互補而結(jié)合的兩條鏈則互為互補鏈A與T之間有兩個氫鍵，G與C之間有三個氫鍵。堿基對之間距離為0.34nm,每一個螺旋有10對堿基,所以螺距為3.4nm。雙螺旋結(jié)構的直徑為2nm。第三十三頁，共五十五頁，2022年，8月28日相鄰兩個堿基對會有重疊，產(chǎn)生了疏水性的堿基堆積力，堿基堆積力和互補堿基對的氫鍵共同維系著DNA結(jié)構的穩(wěn)定。3.疏水作用力和氫鍵共同維系著DNA雙螺旋結(jié)構的穩(wěn)定。第三十四頁，共五十五頁，2022年，8月28日DNA二級結(jié)構第三十五頁，共五十五頁，2022年，8月28日二、DNA的高級結(jié)構是超螺旋結(jié)構超螺旋結(jié)構(superhelix或supercoil)DNA雙螺旋鏈再盤繞即形成超螺旋結(jié)構。正超螺旋(positivesupercoil)盤繞方向與DNA雙螺旋方同相同。負超螺旋(negativesupercoil)盤繞方向與DNA雙螺旋方向相反。

第三十六頁，共五十五頁，2022年，8月28日DNA的基本功能是以基因的形式荷載遺傳信息，并作為基因復制和轉(zhuǎn)錄的模板。它是生命遺傳的物質(zhì)基礎，也是個體生命活動的信息基礎?；驈慕Y(jié)構上定義，是指DNA分子中的特定區(qū)段，其中的核苷酸排列順序決定了基因的功能。用基因的遺傳信息在細胞中合成了有功能意義的各種蛋白質(zhì)，因此核酸是遺傳的物質(zhì)基礎，蛋白質(zhì)是生命的物質(zhì)基礎三、DNA是遺傳信息的物質(zhì)基礎第三十七頁，共五十五頁，2022年，8月28日RNA的空間結(jié)構和功能RNA也是多個核苷酸分子通過酯化反應形成的線性大分子，并且具有方向性；RNA的戊糖是核糖；RNA的嘧啶是胞嘧啶和尿嘧啶。第三十八頁，共五十五頁，2022年，8月28日信使RNA(mRNA)，是合成蛋白質(zhì)的模板。轉(zhuǎn)運RNA(tRNA)，在蛋白質(zhì)合成過程中作為各種氨基酸的載體,將氨基酸轉(zhuǎn)呈給mRNA核糖體RNA(rRNA)，核糖體的組成部分，核糖體是蛋白質(zhì)合成的場所RNA的種類及功能第三十九頁，共五十五頁，2022年，8月28日RNA的空間結(jié)構RNA通常以單鏈形式存在，但是單鏈可以在某些節(jié)段回折形成局部的雙螺旋結(jié)構。局部堿基配對時，不能配對的堿基膨出成環(huán)狀，這樣局部的雙鏈與環(huán)形成一種鼓槌形的結(jié)構，也稱發(fā)夾結(jié)構。此即RNA的二級結(jié)構。所有的rRNA都有三個發(fā)夾結(jié)構，呈三葉草形。第四十頁，共五十五頁，2022年，8月28日tRNA具有局部發(fā)卡結(jié)構。tRNA的二級結(jié)構——三葉草形氨基酸臂DHU環(huán)反密碼環(huán)TψC環(huán)附加叉第四十一頁，共五十五頁，2022年，8月28日tRNA的倒L三級結(jié)構RNA在二級結(jié)構的基礎上,進一步折疊即成為三級結(jié)構。第四十二頁，共五十五頁，2022年，8月28日DNA和RNA的區(qū)別核糖G、C、A、URNA脫氧核糖G、C、A、TDNA堿基核糖核酸第四十三頁，共五十五頁，2022年，8月28日RNA與蛋白質(zhì)共同負責基因的表達和表達過程的調(diào)控。RNA通常以單鏈的形式存在，但有復雜的局部二級結(jié)構或三級結(jié)構。RNA比DNA小的多。RNA的種類、大小和結(jié)構遠比DNA表現(xiàn)出多樣性。第四十四頁，共五十五頁，2022年，8月28日核酸的理化性質(zhì)第三節(jié)第四十五頁，共五十五頁，2022年，8月28日有三種方式表示核酸分子大?。旱罓栴D（Dalton)表示其相對分子量大小;堿基對數(shù)目(basepair,bp或kb,1kb=1000bp);沉降系數(shù)(S),是表示rRNA分子大小的常用方法。小的核酸片段(<50bp)常被稱為寡核苷酸(oligonucleotide)。自然界中的DNA和RNA的長度可以高達幾十萬個堿基。

一、核酸的一般理化性質(zhì)第四十六頁，共五十五頁，2022年，8月28日核酸在波長260nm

處有強烈的吸收，是由堿基的共軛雙鍵所決定的。這一特性常用作核酸的定性和定量分析。核酸分子具有強烈的紫外吸收第四十七頁，共五十五頁，2022年，8月28日堿基的紫外吸收光譜第四十八頁，共五十五頁，2022年，8月28日二、DNA變性在加熱、酸、堿、尿素等理化因素作用下，使DNA分子堿基對之間的氫鍵斷裂，天然有序的雙螺旋結(jié)構變成任意纏繞的單鏈分子定義DNA變性的本質(zhì)是雙鏈間氫鍵的斷裂。變性不涉及共價鍵的斷裂，不破壞其一級結(jié)構，相對分子量也不發(fā)生變化第四十九頁，共五十五頁，2022年，8月28日協(xié)同性的DNA解鏈高溫或極端的pHDNA的變性第五十頁，共五十五頁，2022年，8月28日三、DNA的復性和分子雜交變性DNA在一定條件下，分開的兩條互補鏈重新締合成雙螺旋結(jié)構，并恢復其原有的理化性質(zhì)和生物學活性，這個過程為DNA的復性或退火。熱變性的DNA經(jīng)緩慢冷卻后即可復性，這一過程稱為退火(annealing)

。復性受很多因素影響，DNA分子越長，核苷酸組成越復雜，DNA復性也就越困難。變性及復性的原理是PCR技術的基礎，現(xiàn)已在醫(yī)學中得到廣泛應用。第五十一頁，共五十五頁，2022年，8月28日兩條來源不同的多核苷酸鏈，只要大部分堿基互相配對，在復性過程中可形成雙螺旋結(jié)構，稱雜交作用。這種雜化