核酸的結(jié)構(gòu)和功能

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。核酸的發(fā)現(xiàn)和研究工作進(jìn)展

1868年Fridrich

Miescher從膿細(xì)胞中提取“核素”1944年

Avery等人證實(shí)DNA是遺傳物質(zhì)1953年

Watson和Crick發(fā)現(xiàn)DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)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(shù)1990年美國啟動(dòng)人類基因組計(jì)劃(HGP)

1994年中國人類基因組計(jì)劃啟動(dòng)2001年美、英等國完成人類基因組計(jì)劃基本框架核酸的分類及分布

分布于細(xì)胞核和線粒體內(nèi)。分布于細(xì)胞核、細(xì)胞質(zhì)和線粒體內(nèi)。(deoxyribonucleicacid,DNA)(ribonucleicacid,RNA)脫氧核糖核酸核糖核酸攜帶遺傳信息，決定細(xì)胞和個(gè)體的基因型(genotype)。參與遺傳信息的表達(dá)。某些病毒RNA也可作為遺傳信息的載體。第一節(jié)核酸的化學(xué)組成核酸的化學(xué)組成

元素組成C、H、O、N、P（9~10%）

分子組成——堿基(base)：嘌呤堿，嘧啶堿——戊糖(ribose)：核糖，脫氧核糖——磷酸(phosphate)核酸核苷酸磷酸核苷戊糖

堿基核糖或脫氧核糖AGCU或AGCT嘌呤(purine)

腺嘌呤(adenine,A)鳥嘌呤(guanine,G)堿基嘧啶(pyrimidine)胞嘧啶(cytosine,C)尿嘧啶(uracil,U)胸腺嘧啶(thymine,T)戊糖（構(gòu)成RNA）1′2′3′4′5′核糖(ribose)（構(gòu)成DNA）脫氧核糖(deoxyribose)核苷：AR,GR,UR,CR脫氧核苷：dAR,dGR,dTR,dCR

核苷(ribonucleoside)堿基和核糖（脫氧核糖）通過糖苷鍵連接形成核苷（脫氧核苷）。1′1核苷酸：AMP,GMP,UMP,CMP脫氧核苷酸：dAMP,dGMP,dTMP,dCMP

核苷酸(ribonucleotide)核苷（脫氧核苷）和磷酸以磷酸酯鍵連接形成核苷酸（脫氧核苷酸）。

DNA和RNA的化學(xué)組成RNADNA磷酸磷酸磷酸戊糖核糖脫氧核糖堿基AGCUAGCT核苷腺苷、鳥苷、胞苷、尿苷脫氧腺苷、脫氧鳥苷、脫氧胞苷、脫氧胸苷核苷酸AMP、GMP、CMP、UMPdAMP

、dGMP、

dCMP、dTMP體內(nèi)某些重要的核苷酸

輔酶類核苷酸：NAD+、NADP+、CoA-SH、FAD

等

多磷酸核苷酸：NMP，NDP，NTP

環(huán)化核苷酸:cAMP，cGMPAMPADPATPcAMPNADP+NAD+第二節(jié)核酸的分子結(jié)構(gòu)5′端3′端核苷酸的連接方式核苷酸之間以磷酸二酯鍵連接形成多核苷酸鏈，即核酸。CGA一、核酸的一級(jí)結(jié)構(gòu)定義多核苷酸鏈中核苷酸的排列順序。由于各核苷酸間的差異在于堿基部分，故又稱為堿基序列。5′端3′端CGAAC

P5

PTPGPCPTPOH3

書寫方法5

pApCpTpGpCpT-OH

3

5

ACTGCT

3

ACTGCT

Chargaff

規(guī)則不受年齡、營養(yǎng)、性別及其他環(huán)境等影響

無組織、器官特異性[A]=[T]，[G]=[C]；

[A]+[G]=[T]+[C]有種屬特異性DNA的空間結(jié)構(gòu)

DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型要點(diǎn)DNA分子由兩條相互平行但走向相反的脫氧多聚核苷酸鏈組成，以右手螺旋方式圍繞同一中心軸盤旋而成的雙螺旋結(jié)構(gòu)。

DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型要點(diǎn)

DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型要點(diǎn)磷酸和脫氧核糖構(gòu)成鏈的基本骨架位于螺旋外側(cè)，堿基位于內(nèi)側(cè)。兩條鏈的堿基處于同一平面，構(gòu)成堿基平面，并通過氫鍵配對(duì)，其中A=T;G

C。DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型要點(diǎn)相鄰堿基平面距離為0.34nm，其旋轉(zhuǎn)夾角為36o，螺旋每旋轉(zhuǎn)一圈含10對(duì)堿基，螺距3.4nm，直徑2nm。其表面形成大溝及小溝，與蛋白質(zhì)識(shí)別DNA有關(guān)。堿基配對(duì)

DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型要點(diǎn)

雙螺旋結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定依靠氫鍵和堿基堆積力維系，氫鍵維持雙鏈橫向穩(wěn)定，堿基堆積力維持雙鏈縱向穩(wěn)定。DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的多樣性二、DNA的超螺旋結(jié)構(gòu)超螺旋結(jié)構(gòu)(superhelix

或supercoil)DNA雙螺旋進(jìn)一步盤繞即形成超螺旋結(jié)構(gòu)。

正超螺旋(positivesupercoil)盤繞方向與DNA雙螺旋方同相同

負(fù)超螺旋(negativesupercoil)盤繞方向與DNA雙螺旋方向相反

意義DNA超螺旋結(jié)構(gòu)整體或局部的拓?fù)鋵W(xué)變化及其調(diào)控對(duì)于DNA復(fù)制和RNA轉(zhuǎn)錄過程具有關(guān)鍵作用。

原核生物DNA是環(huán)狀超螺旋結(jié)構(gòu)以負(fù)超螺旋為主真核生物DNA是高度有序和高度致密的結(jié)構(gòu)真核生物染色體由DNA和蛋白質(zhì)構(gòu)成，其基本單位是

核小體(nucleosome)。核小體的組成DNA：約200bp

組蛋白：H1H2A，H2BH3H4DNA的功能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(fù)制和轉(zhuǎn)錄的模板。是生命遺傳的物質(zhì)基礎(chǔ)，也是個(gè)體生命活動(dòng)的信息基礎(chǔ)?；蚴侵窪NA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。三、RNA的分子結(jié)構(gòu)RNA通常以單鏈形式存在，但可通過鏈內(nèi)的堿基配對(duì)（A與U，G與C）形成局部的雙螺旋結(jié)構(gòu)和高級(jí)結(jié)構(gòu)。不能形成雙螺旋的部分，則形成單鏈突環(huán)。這種結(jié)構(gòu)稱為“發(fā)夾型”結(jié)構(gòu)。RNA較DNA小得多，所含核苷酸由數(shù)十個(gè)到數(shù)千個(gè)不等。RNA的種類、大小和結(jié)構(gòu)遠(yuǎn)比DNA復(fù)雜，其功能也各不相同。

RNA的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：RNA的種類、分布、功能核蛋白體RNA信使RNA轉(zhuǎn)運(yùn)RNA核內(nèi)不均一RNA核內(nèi)小RNA胞漿小RNA細(xì)胞核和胞液線粒體功能rRNAmRNAmtrRNAtRNAmtmRNAmttRNAhnRNASnRNASnoRNAscRNA/7SL-RNA核蛋白體組分蛋白質(zhì)合成模板轉(zhuǎn)運(yùn)氨基酸成熟mRNA的前體參與hnRNA的剪接、轉(zhuǎn)運(yùn)rRNA的加工、修飾蛋白質(zhì)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)定位合成的信號(hào)識(shí)別體的組分核仁小RNA核蛋白體RNA信使RNA轉(zhuǎn)運(yùn)RNA核內(nèi)不均一RNA核內(nèi)小RNA胞漿小RNA細(xì)胞核和胞液線粒體功能rRNAmRNAmtrRNAtRNAmtmRNAmttRNAnRNASnRNASnoRNAscRNA/7SL-RNA核蛋白體組分蛋白質(zhì)合成模板轉(zhuǎn)運(yùn)氨基酸成熟mRNA的前體參與hnRNA的剪接、轉(zhuǎn)運(yùn)rRNA的加工、修飾蛋白質(zhì)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)定位合成的信號(hào)識(shí)別體的組分核仁小RNA一、信使RNAhnRNA

內(nèi)含子(intron)mRNA*mRNA成熟過程

外顯子(exon)mRNA結(jié)構(gòu)特點(diǎn)1.大多數(shù)真核mRNA的5′末端有帽子結(jié)構(gòu)——m7GpppNm-。2.大多數(shù)真核mRNA的3′末端有一個(gè)多聚腺苷酸(polyA)結(jié)構(gòu)，稱為多聚A尾。帽子結(jié)構(gòu)231mRNA的穩(wěn)定性維系.翻譯起始的調(diào)控

帽子結(jié)構(gòu)和多聚A尾的功能mRNA核內(nèi)向胞質(zhì)的轉(zhuǎn)位mRNA的功能把DNA所攜帶的遺傳信息，按堿基互補(bǔ)對(duì)原則，抄錄并轉(zhuǎn)移至胞液，決定合成蛋白質(zhì)的氨基酸排列順序。DNAmRNA蛋白質(zhì)轉(zhuǎn)錄翻譯原核細(xì)胞細(xì)胞質(zhì)細(xì)胞核DNA內(nèi)含子外顯子轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)錄后剪接轉(zhuǎn)運(yùn)mRNAhnRNA翻譯蛋白質(zhì)真核細(xì)胞遺傳密碼在mRNA分子上,從5’3’每3個(gè)相鄰的核苷酸組成1個(gè)三聯(lián)體，編碼某個(gè)氨基酸或其他信號(hào)，稱為密碼子(codon)。mRNA是合成蛋白質(zhì)的直接模板。*

tRNA的一級(jí)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)含10%~20%稀有堿基，如DHU3′末端為—CCA-OH5′末端大多數(shù)為G

具有T

C二、轉(zhuǎn)運(yùn)RNA雙氫尿嘧啶4-巰尿嘧啶

稀有堿基

tRNA的二級(jí)結(jié)構(gòu)——三葉草形

氨基酸臂

DHU環(huán)反密碼環(huán)額外環(huán)

TΨC環(huán)氨基酸臂額外環(huán)*tRNA的三級(jí)結(jié)構(gòu)——

倒L形*tRNA的功能翻譯mRNA上的遺傳密碼，將氨基酸轉(zhuǎn)運(yùn)到核蛋白體上參與蛋白質(zhì)的生物合成

*rRNA的結(jié)構(gòu)三、核蛋白體RNA*rRNA的功能參與組成核蛋白體，作為蛋白質(zhì)生物合成的場所。rRNA的種類真核生物5SrRNA28SrRNA5.8SrRNA18SrRNArRNA

原核生物5SrRNA23SrRNA16SrRNA(根據(jù)沉降系數(shù))核蛋白體的組成原核生（以大腸桿菌為例）真核生物（以小鼠肝為例）小亞基30S40SrRNA16S1542個(gè)核苷酸18S1874個(gè)核苷酸蛋白質(zhì)21種占總重量的40%33種占總重量的50%大亞基50S60SrRNA23S5S2940個(gè)核苷酸120個(gè)核苷酸28S5.85S5S4718個(gè)核苷酸160個(gè)核苷酸120個(gè)核苷酸蛋白質(zhì)31種占總重量的30%49種占總重量的35%第三節(jié)核酸的理化性質(zhì)

一般性質(zhì)高分子性質(zhì)粘度DNA>RNA超離心沉降、凝膠過濾

分子大小單位：分子量（道爾頓，D）、堿基對(duì)數(shù)目（bp、kbp）、沉降系數(shù)（S）等。兩性電解質(zhì)

但酸性強(qiáng)，電泳、離子交換層析分離紫外吸收性質(zhì)

吸收峰在260nm處

紫外吸收DNA的變性(denaturation)定義：在某些理化因素作用下，DNA雙鏈解開成兩條單鏈的過程。因素：酸、堿、加熱、尿素、酰胺、乙醇和丙酮等。變性后理化性質(zhì)變化：OD260增高、粘度下降、生物活性喪失

核酸變性后對(duì)260nm紫外光吸收值增加的現(xiàn)象稱為增色效應(yīng)。

DNA變性的本質(zhì)是雙鏈間氫鍵的斷裂DNA的變性(denaturation)變性引起紫外吸收值的改變DNA的紫外吸收光譜增色效應(yīng)：DNA變性時(shí)其溶液OD260增高的現(xiàn)象。解鏈曲線：在連續(xù)加熱DNA的過程中以溫度對(duì)OD260值作圖，所得的曲線稱為解鏈曲線。

Tm：通常將解鏈曲線的中點(diǎn)，即DNA變性50﹪時(shí)的溫度稱為熔點(diǎn)或解鏈溫度(meltingtemperature,Tm)。解鏈曲線和TmDNA的復(fù)性與分子雜交

DNA復(fù)性(renaturation)的定義變性的核酸分子在一定的條件下，兩條互補(bǔ)鏈又恢復(fù)原來的雙螺旋結(jié)構(gòu)的過程稱為復(fù)性。減色效應(yīng)DNA復(fù)性時(shí)，其溶液OD260降低。熱變性的DNA經(jīng)緩慢冷卻后即可復(fù)性，這一過程稱為退火(annealing)

。DNA復(fù)性不同來源的DNA變性后，放在一起進(jìn)行復(fù)性，或單鏈DNA與RNA放在一起，只要這些核酸單鏈間有一定數(shù)量的互