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1、第三章 核酸的结构与功能 Chapter 3 Structure and Function of Nucleic Acid n核酸是存在于细胞中的一类大分子酸性 物质，包括核糖核酸（RNA）和脱氧核糖核 酸（DNA）两大类。 一、Whats nucleic acid? 二、核酸的分类及分布 90%以上分布于细细胞核，其余 分布于核外如线线粒体，叶绿绿体 ，质质粒等。 分布于胞核、胞液。 (DNA) (RNA) 脱氧核糖核酸 核糖核酸 携带遗传带遗传 信息，决定细细胞 和个体的基因型(genotype) 。 参与细细胞内DNA遗传遗传 信息 的表达。某些病毒RNA也 可作为遗传为遗传 信息的载载
2、体。 nRNA和DNA都是以单核苷酸为基本单 位所组成的多核苷酸长链。 Section 1 The Chemical Component and Primary Structure of Nucleic Acid 第一节 核酸的化学组成 及一级结构 核酸的水解产产物： 核酸核苷酸 磷酸 核苷 戊糖 含氮碱 核糖 脱氧核糖 嘌呤碱 嘧啶嘧啶 碱 嘧啶碱: 一、核苷酸中的碱基与戊糖 尿嘧啶嘧啶 胞嘧啶嘧啶 胸腺嘧啶嘧啶 Uracil，U Cytosine，C Thymine，T 3 1 2 4 5 6 N N O N N O H H N N O H NH2 N N O O H H CH3 嘌呤碱：
3、 3 1 2 4 5 6 7 8 9 腺嘌呤(adenine, A)鸟鸟嘌呤(guanine, G) N N N N H NH2 N N N N H N N N N H NH 2 O H 戊糖： 1 （构成RNA） -D-核糖(ribose) （构成DNA） -D-脱氧核糖(deoxyribose) 23 4 5 OH O CHOH OHOH 2 核苷： n核苷是由戊糖与含氮碱基经脱水缩合而 生成的化合物。 n在大多数情况下，核苷是由核糖或脱氧 核糖的C1 -羟基与嘧啶碱N1或嘌呤碱N9 进行缩合，生成的化学键称为糖苷键。 腺苷(AR) 脱氧胞苷(dCR) 1 1 N9N1 OH 核苷：AR,
4、 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, dCMP 核苷酸的结结构与命名 核苷（脱氧核苷）和磷酸以磷酸 酯键酯键 连连接形成核苷酸（脱氧核苷酸 ）。 3,5-磷酸二酯键酯键 的形成 核苷酸的命名及缩缩写符号 脱氧碱基磷酸基数目磷酸 dAMP GD TT C U 体内重要的游离核苷酸及其衍生物 n含核苷酸的生物活性物质质： NAD+、NADP+、CoA-SH、FAD 等都含有 AMP l 多磷酸核苷酸：NMP，NDP，NTP l 环环化核苷酸: cAMP， cGMP A
5、MPAMPADPADP ATPATP cAMPcAMP NADP+NAD+ 多核苷酸链链 n核酸就是由许多核苷酸 单位通过3 ,5 -磷酸二酯 键连接起来形成的不含侧 链的长链状化合物。 n核酸是具有方向性的长 链状化合物，多核苷酸链 的两端，一端称为5 -端， 另一端称为3 -端。 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。 5端 3端 C G A A G P5 P T P G P C P T P OH 3 书写方法 5 pApCpTpGpCpT-OH 3 5 A C T G C T 3 第二节 DN
6、A的空间结构与功能 Section 2 Dimensional Structure and Function of DNA 一、DNA的二级结构双螺旋结构模型 nDNA双螺旋结构是 DNA二级结构的一种重 要形式，它是Watson和 Crick两位科学家于1953 年提出来的一种结构模 型（获1962年度诺贝尔 奖）。 James Watson (L) and Francis Crick (R), and the model they built of the structure of DNA Chargaff 研究小组组的贡贡献 n19501953，Chargaff研究小组对DNA的化 学组
7、成进行了分析研究，发现： DNA碱基组成有物种差异，且物种亲缘关系 越远，差异越大； 相同物种，不同组织器官中DNA碱基组成相 同，而且不因年龄、环境及营养而改变； DNA分子中四种碱基的摩尔百分比具有一定 的规律性，即A=T、G=C、A+G=T+C。这一 规律被称为Chargaff规则。 B型DNA双螺旋结结构模式图图 碱基配对对及氢键氢键 形成 B型双螺旋DNA的结结构特征 1. 为右手、反平行双螺旋，形成大沟及小沟相间 。 2. 主链位于螺旋外侧，碱基位于内侧； 3. 两条链间存在碱基互补：A与T或G与C配对形 成氢键，称为碱基互补原则（A与T为两个氢键， G与C为三个氢键）； 4. 螺
8、旋的稳定因素为氢键和碱基堆砌力； 5. 螺旋的螺距为3.4nm，直径为2nm。 B型双螺旋DNA的结结构特点： “大沟”、“小沟”的功能 沟状结构与DNA、蛋白质间的相 互识别有关。 n目前已知DNA双螺旋结构可分为A、B、 C、D及Z型等数种，除Z型为左手双螺旋外 ，其余均为右手双螺旋。 （二）DNA双螺旋结构的多样性 （二）DNA双螺旋结构的多样性 A-DNA B-DNA Z-DNA 二、DNA的超螺旋结构及其在染色质中的 组装 n超螺旋结构(superhelix 或supercoil) DNA双螺旋链再盘绕即形成超螺旋结构。 n正超螺旋(positive supercoil) 盘绕方向与
9、DNA双螺旋方向相同。 n负超螺旋(negative supercoil) 盘绕方向与DNA双螺旋方向相反。 n绝大多数原核生物的DNA都是共价封闭的环 状双螺旋。如果再进一步盘绕则形成麻花状的超 螺旋结构。 （一）原核生物DNA的高级结级结 构： （二）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(nucleosome)。 核小体的组成 DNA：约200bp 组蛋白：H1 H2A，H2B H3 H4 核小体的结结构 核小体、染色质质与染色体 三、DNA的功能 nDNA的基本功能是 作为遗传信息的载体， 为生物遗传信息复制以 及基因信息的转录提供 模
10、板。 nDNA分子中具有特定生物学功能的片 段称为基因（gene）。 n一个生物体的全部DNA序列称为基因 组（genome）。 第三节 RNA的结构与功能 Section 3 Structure and Function of RNA nRNA通常以单链形式存在，但也可形 成局部的双螺旋结构。 nRNA分子的种类较多，分子大小变化 较大，功能多样化。 n主要的RNA种类有rRNA、mRNA、 tRNA、HnRNA。 RNA的种类类、分布与功能 一、mRNA的结构与功能 nmRNA可形成局部双螺旋结构的二级结构。 nmRNA在真核生物中的初级产物称为HnRNA。 hnRNA 内含子 (intr
11、on)编码编码 序列 mRNA 外显显子 (exon)编码编码 序列 n大多数真核成熟的mRNA分子具有典型 的5 -端的7-甲基鸟苷二磷酸（m7GTP）帽 子结构和3 -端的多聚腺苷酸(polyA)尾巴 结构。 真核生物mRNA 3 -端的polyA结结构 nmRNA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)。 nmRNA分子中带有遗传密码，其功能是 为蛋白质的合成提供模板(templet)。 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 二、tRNA
12、的结构与功能 ntRNA是分子最小，但含有稀有碱基最多 的RNA，其稀有碱基的含量可多达20%。 ntRNA是单链核酸，但其分子中的某些局 部也可形成双螺旋结构。 （二）tRNA的二级结构(三叶草形) 二、转运RNA的结构与功能 氨基酸臂 附加叉 u DHU环 u 反密码环 u TC环 u 附加叉 u 氨基酸臂 三环环四臂一叉 （三）tRNA的三级结级结 构 倒L形 （四）tRNA的功能 活化、搬运氨基酸到核糖体，参 与蛋白质的翻译。 （二）tRNA的三级结构： 三、rRNA的结构与功能 nrRNA与蛋白质一起构成核蛋白体 ，作为蛋白质生物合成的场所。 * rRNA的种类类（根据沉降系数） 真
13、核生物 5S rRNA 28S rRNA 5.8S rRNA 18S rRNA 原核生物 5S rRNA 23S rRNA 16S rRNA 大肠肠杆菌16S rRNA的二级结级结 构 四、其他小分子RNA及RNA组学 第四节 核酸的理化性质、变性和复性 Section 4 The Physical and Chemical Characters, Denaturation and Renaturation of Nucleic Acid, 需要解决的问题问题 ： n核酸具有哪些理化性质？ n什么是核酸的变性和复性？ n什么是核酸的分子杂交？ n核酸具有酸性；能吸 收紫外光，最大吸收峰为 26
14、0nm。 n故常用紫外分光光度 法测定核酸的含量。 一、核酸的一般理化性质 二、DNA的变性 n引起DNA变性的因素主要有：高温， 强酸强碱，有机溶剂等。 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。 DNA变性的本质是双链间氢键的断裂 增色效应：指DNA变性后对260nm紫外光 的光吸收度增加的现象； DNA变变性后的性质质改变变： n加热DNA溶液，使其 对260nm紫外光的吸收度 突然增加，达到其最大 值一半时的温度，就是 DNA的解链温度（熔点 ，melting temperature, Tm）。 DNA的解链链温 度 nTm的高低与DNA分子中G+C的含量有 关，G
15、+C的含量越高，则Tm越高。 三、DNA的复性与分子杂交 DNA复性的定义 在适当条件下，变性DNA的两条互补 链可恢复天然的双螺旋构象，这一现象称 为复性。 减色效应 DNA复性时，其溶液OD260降低。 热变性的DNA经缓慢冷却后即可复性 ，这一过程称为退火。 n不同来源的DNA变性后，在一起复性， 只要核酸分子的核苷酸序列含有可以形成 碱基互补的片段，彼此间就可以形成局部 双链，即形成杂化双链，这一过程称为杂 交。 n核酸杂交可以是DNA-DNA，也可以是 DNA-RNA杂交。 DNA 分子的变变性、复性与杂杂交 DNA-DNA 杂交双链分子 变性 复性 不同来源的 DNA分子 DNA-
16、DNA杂杂交示意图图 DNA-RNA杂杂交示意图图 掌握 1DNA和RNA分子组成的异同； 2掌握核苷酸之间的连接方式及多核苷 酸链的方向性； 3掌握DNA双螺旋结构模型要点 4掌握核酸的紫外吸收性、DNA变性、 Tm、复性及杂交的概念。 熟悉 1核酸的分类、细胞分布及生物学功能； 2熟记常见的核苷酸的缩写符号； 3熟悉mRNA、tRNA的结构特点及功能。 蛋白质与核酸结构比较 蛋白质质核酸 DNARNA 元素组组成C H O NC H O N P 基本单单位 L-a-氨基酸 （20种） 脱氧核苷酸 A T G C 核苷酸 A U G C 连连接方式肽键肽键3,5-磷酸二酯键酯键 方向N C5 3 一级结级结 构 氨基酸排列 顺顺序 核苷酸排列顺顺序 空间结间结 构 二、三、四 级结级结 构 二级结级结 构、 超螺旋结结构 （多样样性）