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P76第一节第一节 概概 述述核酸核酸(nucleic acid)(nucleic acid)以以核苷酸核苷酸为基本组成单位的生物大分子，为基本组成单位的生物大分子，携带和传递遗传信息。携带和传递遗传信息。DNADNA（D Deoxyriboeoxyribon nucleic ucleic a acid)cid)脱氧核糖核酸脱氧核糖核酸 RNARNA（R Riboibon nucleic ucleic a acid)cid)核糖核酸核糖核酸一、核酸的发现和研究工作进展一、核酸的发现和研究工作进展 1868年年 Fridrich Miescher从外科绷带的从外科绷带的脓细胞核脓细胞核中提取中提取“核素核素”1944年年 Avery等人等人证实证实DNA是遗传物质是遗传物质1953年年 Watson和和Crick发现发现DNA的双螺旋结构的双螺旋结构1968年年 Nirenberg发现发现遗传密码遗传密码1975年年 Temin和和Baltimore发发现现逆转录酶逆转录酶1981年年 Gilbert和和Sanger建建立立DNA 测序方法测序方法1985年年 Mullis发明发明PCR 技术技术1990年年 美国启动美国启动人类基因组计划人类基因组计划(HGP)1994年年 中国人类基因组计划启动中国人类基因组计划启动2001年年 美、英等国美、英等国完成人类基因组计划基本框架完成人类基因组计划基本框架含磷量极高含磷量极高的酸性物质的酸性物质肺炎球菌转化实验图解肺炎球菌转化实验图解III S型细胞型细胞（有毒）（有毒）II R型细胞型细胞（无毒）（无毒）破碎细胞破碎细胞DNAase降降解后的解后的DNAII R型细胞接受型细胞接受III S型型DNA只有只有II R型型大多数大多数仍为仍为II R型型少数少数II R型细胞被转化型细胞被转化产生产生III S型荚膜型荚膜S（光滑有荚膜）（光滑有荚膜）SRRR（粗糙无荚膜）（粗糙无荚膜）+DNA二、核酸的分类及分布、功能二、核酸的分类及分布、功能脱氧核糖核酸脱氧核糖核酸(deoxyribonucleic acid,DNA)核糖核酸核糖核酸(ribonucleic acid,RNA)98%98%以以上上分分布布于于细细胞胞核核，其其余余分分布布于于核核外外如如线线粒粒体体，叶叶绿绿体体，质质粒等。粒等。携带遗传信息，决定细胞和个体携带遗传信息，决定细胞和个体的基因型的基因型(genotype)。分布于胞核、胞液（分布于胞核、胞液（90%90%）。）。参与细胞内参与细胞内DNA遗传信息的表达。遗传信息的表达。某些病毒某些病毒RNA也可作为遗传信息也可作为遗传信息的载体的载体。第二节第二节 核酸的分子组成核酸的分子组成一、化学元素组成一、化学元素组成主要元素组成：主要元素组成：C、H、O、N、P(911%)与蛋白质比较，核酸与蛋白质比较，核酸一般不含一般不含S，而，而P的的含量较为稳定，占含量较为稳定，占9-11%。二、基本构成单位：核苷酸二、基本构成单位：核苷酸(nucleotide)核苷酸由核苷酸由戊糖、磷酸和含氮碱基戊糖、磷酸和含氮碱基三部分构成三部分构成P79戊戊 糖糖 为了区别于碱基上的原子编号，核糖上的碳原子编号为了区别于碱基上的原子编号，核糖上的碳原子编号的右上方加上的右上方加上“”,如如1，3，5等。等。-D-2-脱氧核脱氧核糖糖-D-核糖核糖碱碱 基基嘌呤嘌呤腺嘌呤腺嘌呤6-氨基嘌呤氨基嘌呤 鸟嘌呤鸟嘌呤 2-氨基氨基-6-氧嘌呤氧嘌呤嘧啶嘧啶胞嘧啶胞嘧啶2-氧氧-4-氨基嘧啶氨基嘧啶尿嘧啶尿嘧啶2,4-二氧嘧啶二氧嘧啶胸腺嘧啶胸腺嘧啶5-甲基甲基-2,4-二氧嘧啶二氧嘧啶碱基的结构特征碱基的结构特征l嘌嘌呤呤碱碱和和嘧嘧啶啶碱碱分分子子中中都都含含有有共共轭轭双双键键体体系系，在在紫紫外外区区有有吸吸收收（260 260 nmnm左右左右）。）。核苷核苷 nucleosidenucleosidenucleosidenucleosidel戊糖与碱基脱水戊糖与碱基脱水形成形成C-NC-N糖苷键糖苷键。P79碱基、核苷、核苷酸的概念和关系碱基、核苷、核苷酸的概念和关系 Nitrogenous basePentose sugarHOCH2HOHDoxyribose(in DNA)HOCH2HOOHRibose(in RNA)PhosphatePyrimidinesCytosineThymineUracilCUTPurihesAdenineGuanineAG核酸核酸磷酸磷酸核苷核苷戊糖戊糖碱基碱基腺嘌呤核苷酸（腺嘌呤核苷酸（AMP）Adenosine monophosphate脱氧腺嘌呤核苷酸（脱氧腺嘌呤核苷酸（dAMP）Deoxyadenosine monophosphate鸟嘌呤核苷酸（鸟嘌呤核苷酸（GMP）胞嘧啶核苷酸（胞嘧啶核苷酸（CMP）尿嘧啶核苷酸（尿嘧啶核苷酸（UMP）脱氧鸟嘌呤核苷酸（脱氧鸟嘌呤核苷酸（dGMP）脱氧胞嘧啶核苷酸（脱氧胞嘧啶核苷酸（dCMP）脱氧胸腺嘧啶核苷酸（脱氧胸腺嘧啶核苷酸（dTMP）HOH核苷酸的结构和命名核苷酸的结构和命名核核苷苷和和磷磷酸酸以以磷磷酸酸酯酯键键连连接接稳定PPPPPPPP腺嘌呤核苷酸腺嘌呤核苷酸（AMP）鸟嘌呤核苷酸鸟嘌呤核苷酸（GMP）尿嘧啶核苷酸尿嘧啶核苷酸（UMP）胞嘧啶核苷酸胞嘧啶核苷酸（CMP）脱氧腺嘌呤核苷酸脱氧腺嘌呤核苷酸（dAMP）脱氧鸟嘌呤核苷酸脱氧鸟嘌呤核苷酸（dGMP）脱氧胸腺嘧啶核苷酸脱氧胸腺嘧啶核苷酸（dTMP）脱氧胞嘧啶核苷酸脱氧胞嘧啶核苷酸（dCMP）常见核苷酸的结构和命名常见核苷酸的结构和命名稀有核苷酸稀有核苷酸修饰成分修饰成分l核酸中也存在一些不常见的稀有碱基。核酸中也存在一些不常见的稀有碱基。稀有碱基的种类很多，大部分是上述碱稀有碱基的种类很多，大部分是上述碱基的甲基化产物。基的甲基化产物。7-甲基-GtRNA细胞内游离核苷酸及其衍生物细胞内游离核苷酸及其衍生物 多磷酸核苷酸多磷酸核苷酸辅酶类核苷酸辅酶类核苷酸-AMP辅辅酶酶或或辅辅基基（NAD+、NADP+、FAD、CoA等等，均均含有含有AMP）环核苷酸环核苷酸烟酰胺腺嘌呤二核苷酸烟酰胺腺嘌呤二核苷酸(脱氢酶辅酶脱氢酶辅酶,辅酶辅酶I)(尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸)P1785-NMP 5-NDP 5-NTPN=A、G、C、U5-dNMP 5-dNDP 5-dNTPN=A、G、C、T腺苷酸及其多磷酸化合物腺苷酸及其多磷酸化合物 AMP Adenosine monophosphate ADP Adenosine diphosphate ATP Adenosine triphosphateATPATP的性质的性质ATP ATP 分子的最显著特点是含有分子的最显著特点是含有两个高能磷酸键。两个高能磷酸键。ATPATP水解时水解时,可以释放出大量自由能。可以释放出大量自由能。ATP ATP 是生物体内最重要的能量是生物体内最重要的能量转换中间体。转换中间体。ATP ATP 水解释放出水解释放出来的能量用于推动生物体内各来的能量用于推动生物体内各种需能的生化反应。种需能的生化反应。ATP ATP 也也是是一一种种很很好好的的磷磷酰酰化化剂剂。磷磷酰酰化化反反应应的的底底物物可可以以是是普普通通的的有有机机分分子子，也也可可以以是是酶酶。磷磷酰酰化化的的底底物物分分子子具具有有较较高高的的能能量量（活活化化分分子子），是是许许多多生生物物化学反应的化学反应的激活激活步骤。步骤。葡萄糖、脂肪酸降解cAMPcAMP和和cGMP cGMP cAMP(3cAMP(3,5,5-环环化化腺腺苷苷酸酸)和和cGMP(3cGMP(3,5,5-环环化化鸟鸟苷苷酸酸)的的主主要要功功能能是是作作为为细细胞胞的的第第二二信使。信使。cAMPcAMP和和 cGMPcGMP的的 环环 状状磷磷酯酯键键是是一一个个高高能能键。键。在在pH7.4,pH7.4,cAMPcAMP和和cGMPcGMP的的水水解解能能约约为为43.9 43.9 KJ/molKJ/mol，比比ATPATP水解能高得多。水解能高得多。环核苷酸环核苷酸三三 、核苷酸的生物学功能、核苷酸的生物学功能 作为核酸的单体作为核酸的单体 细胞中的携能物质细胞中的携能物质（如（如ATP、GTP、CTP、UTP）酶酶的的辅辅助助因因子子的的结结构构成成分分（如如NAD+、NADP+、FAD、CoA等，均含有等，均含有AMP）细胞通讯的媒介（如细胞通讯的媒介（如cAMP、cGMP）活性代谢物（活性代谢物（UDPG等）等）合成蛋白质,活化糖分子磷脂酰胆碱、磷脂磷脂酰胆碱、磷脂酰乙醇胺以及纤维酰乙醇胺以及纤维素素 2、稀有核苷酸：稀有碱基、稀有核苷酸：稀有碱基/核苷核苷/核苷酸核苷酸 3、核苷酸的其他形式、核苷酸的其他形式n多磷酸核苷（多磷酸核苷（NDP、NTP)n环化核苷酸（环化核苷酸（cAMP、cGMP等）等）n辅酶或辅基（辅酶或辅基（NAD、NADP、FAD、CoA等，均含有等，均含有AMP），），n活性代谢物（活性代谢物（UDPG、CDP-胆碱，等）胆碱，等）1、核苷酸的组成：含氮碱基、戊糖和磷酸。、核苷酸的组成：含氮碱基、戊糖和磷酸。小结：小结：第三节第三节 核酸的分子结构核酸的分子结构RNA结构图一、一级结构一、一级结构（primary structure）一级结构一级结构是指核酸分子中是指核酸分子中核苷酸核苷酸的排列顺序及的排列顺序及连接方式。核苷酸的排列顺序代表了遗传信息。连接方式。核苷酸的排列顺序代表了遗传信息。1、核苷酸的连接方式、核苷酸的连接方式：3,5 磷酸二酯键磷酸二酯键2、核酸的基本结构形式、核酸的基本结构形式：多核苷酸链：多核苷酸链n信息量：信息量：4nn末端：末端：5 端、端、3 端端n多核苷酸链的方向：多核苷酸链的方向：5端端3端端(由左至右由左至右)3、表示方法、表示方法：结构式、线条式、文字缩写：结构式、线条式、文字缩写5 5 3 3 核酸分子中核苷酸之间核酸分子中核苷酸之间的共价键的共价键3 -5 磷酸二酯键磷酸二酯键DNADNA、RNARNA的一级结构的一级结构DNADNA一级结构一级结构53OHOHOH53RNARNA一级结构一级结构P82线条式线条式文字式文字式P83DNA双螺旋结构的研究背景双螺旋结构的研究背景 碱基组成分析碱基组成分析Chargaff 规则规则 A=T；G C 碱基的理化数据分析：碱基的理化数据分析：A-T、G-C以以氢键氢键配对较合理配对较合理 DNA纤维的纤维的X-线衍射图谱分析线衍射图谱分析 Wilkins 和和Franklin发现不同来源发现不同来源DNA纤维具有相似纤维具有相似X-线衍射线衍射图谱图谱;DNA含有两条含有两条或两条以上具有螺旋结构的多核苷酸链或两条以上具有螺旋结构的多核苷酸链,且且有沿纤维长轴有沿纤维长轴0.34和和3.4nm两个重要周期性两个重要周期性变化变化,说明说明DNA可能有共同的分子模型可能有共同的分子模型.二、二、DNA的二级结构的二级结构（一）（一）DNA的二级结构的二级结构（secondary structure）1、碱基、碱基组成组成规则规则(Chargaff规则规则)nA=T，G=C；A+G=T+C(嘌呤与嘧啶的总数相等嘌呤与嘧啶的总数相等)n有种属有种属特异性特异性n无组织、器官特异性无组织、器官特异性n不受年龄、营养、性别及其他环境等影响不受年龄、营养、性别及其他环境等影响 P871953年年Watson（美国印第美国印第安纳洲立大学的生物化学安纳洲立大学的生物化学博士）博士）和和Crick（英国物理英国物理学家）在英国剑桥大学卡学家）在英国剑桥大学卡文迪许实验室文迪许实验室 提出了提出了 DNA的双螺旋结的双螺旋结 构模型，阐明了构模型，阐明了DNA半保半保留复制模式，从而开辟了留复制模式，从而开辟了分子生物学研究的新纪元分子生物学研究的新纪元。1962年年获得了诺贝尔生获得了诺贝尔生理医学奖理医学奖DNADNA分分子子由由两两条条DNADNA单单链链组组成。成。DNADNA的的双双螺螺旋旋结结构构是是分分子子中中两两条条DNADNA单单链链之之间间基基团团相互识别相互识别和和作用作用的结果。的结果。双双螺螺旋旋结结构构是是DNADNA二二级级结结构的最基本形式。构的最基本形式。不朽的旋转楼梯不朽的旋转楼梯DNADNA双螺旋结构的要点双螺旋结构的要点（1 1）DNADNA分分子子由由两两条条多多聚聚脱脱氧氧核核糖糖核核苷苷酸酸链链(简简称称DNADNA单单链链)组组成成。两两条条链链沿沿着着同同一一根根轴轴平平行行盘盘绕绕，形形成成右右手手双双螺螺旋旋结结构构。螺螺旋旋中中的的两两条条链链方方向向相相反反，即即其其中中一一条条链链的的方方向向为为5 5端端3 3端端，而另一条链的方向为而另一条链的方向为3 3端端5 5端。端。（2 2）嘌嘌呤呤和和嘧嘧啶啶碱碱基基位位于于螺螺旋旋的的内内侧侧，磷磷酸酸和和脱脱氧氧核核糖糖基基位位于于螺螺旋旋外外侧侧。碱碱基基环环平平面面与与螺螺旋旋轴轴垂垂直直，糖糖基基环环平平面面与与碱碱基基环环平平面成面成9090角。角。DNA的双螺旋结构的双螺旋结构（3 3）螺旋横截面的）螺旋横截面的直径约为直径约为2nm2nm，每，每条链相邻两个碱条链相邻两个碱基平面之间的距基平面之间的距离为离为0.34 nm0.34 nm，每，每1010个核苷酸形成个核苷酸形成一个螺旋，其螺一个螺旋，其螺矩（即螺旋旋转矩（即螺旋旋转一圈的高度）为一圈的高度）为3.4 nm3.4 nm。（4 4）维持两条）维持两条DNADNA链相互结合的力链相互结合的力是链间碱基对形成的是链间碱基对形成的氢键氢键。碱基结合具有严格的配对规律碱基结合具有严格的配对规律:A A与与T T结合，结合，G G与与C C结合，这种配对关结合，这种配对关系，称为系，称为碱基互补。碱基互补。A A和和T T之间形成两个氢键，之间形成两个氢键，G G与与C C之间形成三个氢键。之间形成三个氢键。在在DNADNA分分子子中中，嘌嘌呤呤碱碱基基的的总总数数与嘧啶碱基的总数相等。与嘧啶碱基的总数相等。P85（5 5）螺旋表面形成）螺旋表面形成大大沟沟(major groove)(major groove)及及小沟小沟(minor groove)(minor groove)，彼此相间，彼此相间排列。排列。小沟较浅；大沟较小沟较浅；大沟较深，是深，是蛋白质识别蛋白质识别DNADNA碱基序列的基础碱基序列的基础。（6 6）氢键氢键维持双链横维持双链横向稳定性，向稳定性，碱基堆积碱基堆积力力维持双链纵向稳定维持双链纵向稳定性。性。DNADNA双螺旋的稳定性双螺旋的稳定性DNADNA双螺旋结构在生理条件下很双螺旋结构在生理条件下很稳定稳定。维持这种稳定性的因素包括：两条维持这种稳定性的因素包括：两条DNADNA链之间形链之间形成的成的氢键，碱基堆积力氢键，碱基堆积力。双螺旋结构双螺旋结构内部形成的疏水区内部形成的疏水区，消除了介质中水，消除了介质中水分子对碱基之间氢键的影响；分子对碱基之间氢键的影响；介质中的介质中的阳离子阳离子（如（如NaNa+、K K+和和MgMg2+2+）中和了磷酸）中和了磷酸基团的负电荷，降低了基团的负电荷，降低了DNADNA链之间的排斥力等。链之间的排斥力等。改变介质条件和环境温度，将影响双螺旋的稳定改变介质条件和环境温度，将影响双螺旋的稳定性。性。天然存在的天然存在的DNA分子最显著的特分子最显著的特点是很点是很长长，分子质量很，分子质量很大大，一般在，一般在1061010。l大肠杆菌染色体由大肠杆菌染色体由400万碱基对万碱基对(basepair，bp)组成的双螺旋组成的双螺旋DNA单单分子。其长度为分子。其长度为1.4106nm，相当于，相当于1.4mm，而直径为，而直径为20nm，相当原子，相当原子的大小。的大小。l黑腹果蝇最大染色体由黑腹果蝇最大染色体由6.2107bp组组成，长成，长2.1cml多瘤病毒的多瘤病毒的DNA由由5100bp组成组成 ，长长1.7mmDNA的双螺旋结构的双螺旋结构的意义的意义 该该模模型型揭揭示示了了DNA作作为为遗遗传传物物质质的的稳稳定定性性特特征征，最最有有价价值值的的是是确确认认了了碱碱基基配配对对原原则则，这这是是DNA复复制制、转转录录和和反反转转录录的的分分子子基基础础，亦亦是是遗传信息传递和表达的分子基础。遗传信息传递和表达的分子基础。该该模模型型的的提提出出是是20世世纪纪生生命命科科学学的的重重大大突突破破之之一一，它它奠奠定定了了生生物物化化学学和和分分子子生生物物学学乃乃至至整整个生命科学飞速发展的基石。个生命科学飞速发展的基石。DNA双螺旋的多样性双螺旋的多样性P86左 DNA的二级结构存在的二级结构存在3种主要类型，即：种主要类型，即：B-DNA、Z-DNA、A-DNA。其中，。其中，B-DNA的二级结构稳定，在细胞中是主要存在的二级结构稳定，在细胞中是主要存在形式；形式；A-DNA是是B-DNA的重要变构形式；的重要变构形式；Z-DNA是左手螺旋。是左手螺旋。B-DNA是活性最高的构象，是活性最高的构象，A-DNA 的活性次之，的活性次之，Z-DNA的的活性最低。活性最低。在细胞中在细胞中DNA的三种构型是动态变化的，以此调控染色体的的三种构型是动态变化的，以此调控染色体的动态结构变化和基因的复制、转录。动态结构变化和基因的复制、转录。三种三种DNA双螺旋构象比较双螺旋构象比较A-DNAZ-DNAB-DNAA B Z外型外型 粗短粗短 适中适中 细长细长螺旋方向螺旋方向 右手右手 右手右手 左手左手螺旋直径螺旋直径 2.3nm 2.0nm 1.8nm碱基夹角碱基夹角 32.70 34.60 60.00糖苷键构象糖苷键构象 反式反式 反式反式 C、T反式，反式，G顺式顺式大沟大沟 很窄很深很窄很深 很宽较深很宽较深 平坦平坦小沟小沟 很宽、浅很宽、浅 窄、深窄、深 较窄很深较窄很深每对碱基对之间的距离每对碱基对之间的距离 0.25nm 0.34nm 0.37nm每圈碱基数每圈碱基数 11 10 12螺距螺距2.8nm 3.4nm 4.5nm碱基对与水平倾角碱基对与水平倾角 200 00 90多聚嘌呤多聚嘌呤多聚嘧啶多聚嘧啶DNA三链间三链间的碱基配对的碱基配对T-A-TC-G-CP89，17DNA分子间的分子间的三链结构三链结构DNA分子内分子内的三链结构的三链结构DNA的三链结构可能与的三链结构可能与基因表达调控基因表达调控有关，第三股链的存在有关，第三股链的存在阻碍了一些阻碍了一些调控蛋白调控蛋白或或RNA聚合酶聚合酶与与DNA的结合的结合。（二）（二）DNADNA的三级结构的三级结构 双螺旋进一步扭曲双螺旋进一步扭曲,形成一种比双螺旋更高形成一种比双螺旋更高层次的空间构象。层次的空间构象。包括：包括：线线状状DNADNA形成的纽结、超螺旋和多重形成的纽结、超螺旋和多重螺旋，螺旋，环环状状DNADNA形成的结、超螺旋和连环等。形成的结、超螺旋和连环等。大多数原核生物大多数原核生物：1 1）只含有）只含有一个一个共价封共价封闭闭的的环状环状双螺旋分子双螺旋分子2 2）超螺旋结构超螺旋结构：双螺：双螺旋基础上的螺旋化旋基础上的螺旋化正超螺旋正超螺旋(positive supercoil)(positive supercoil):盘绕方向与双螺旋方同相同盘绕方向与双螺旋方同相同负超螺旋负超螺旋(negative supercoil)(negative supercoil):盘绕方向与双螺旋方向相反盘绕方向与双螺旋方向相反 原核细胞原核细胞的的DNA存在类核结存在类核结构中不含组蛋白，与构中不含组蛋白，与精胺精胺（spermine）和和亚精胺亚精胺(spermidine)结合结合,呈环状超螺旋结构呈环状超螺旋结构螺螺旋旋和和超超螺螺旋旋电电话话线线螺旋螺旋超螺旋超螺旋（三）（三）DNA在真核生物细胞核内的组装在真核生物细胞核内的组装核小体核小体(nucleosome)：由由DNA和组蛋白构成。和组蛋白构成。组蛋白核心组蛋白核心：H2B H2B,H2A,H3,H4,H2A,H3,H4DNA：以负超螺旋缠绕在组蛋白（以负超螺旋缠绕在组蛋白（碱性蛋白碱性蛋白:组氨酸和组氨酸和精氨酸较多）精氨酸较多）上上H1H1组蛋白在核小体之间组蛋白在核小体之间P88真核生物染色体真核生物染色体DNA组装不同层次的结构组装不同层次的结构DNA（2nm）核小体链（核小体链（11nm，每个核小体，每个核小体200bp）纤丝（纤丝（30nm，每圈，每圈6个核小体）个核小体）突环（突环（150nm，每个突环大约，每个突环大约75000bp）玫瑰花结（玫瑰花结（300nm，6个突环）个突环）螺旋圈（螺旋圈（700nm，每圈，每圈30个玫瑰花）个玫瑰花）染色体（染色体（1400nm，每个染色体含每个染色体含10个玫瑰花个玫瑰花200bp）（三）（三）DNA的功能的功能DNA的的基基本本功功能能是是以以基基因因的的形形式式荷荷载载遗遗传传信信息息，并并作作为为基基因因复复制制和和转转录录的的模模板板。它它是是生生命命遗遗传传的的物物质质基基础础，也也是是个个体体生生命命活动的信息基础活动的信息基础。基基因因从从结结构构上上定定义义，是是指指DNA分分子子中中的的特特定定区区段段，其其中中的的核核苷苷酸酸排排列列顺顺序序决定了基因的功能。决定了基因的功能。结构与功能的关系结构与功能的关系遗传上稳定是相对的；遗传上稳定是相对的；变异是绝对的。变异是绝对的。三、三、RNA的分子结构的分子结构RNARNA的结构特点的结构特点RNARNA是是单单链链分分子子，因因此此在在RNARNA分分子子中中，嘌嘌呤呤（A A、G G）的总数不一定等于的总数不一定等于嘧啶嘧啶（U U、C C）的总数。）的总数。RNARNA分分子子中中，部部分分区区域域也也能能形形成成双双螺螺旋旋结结构构，不不能能形形成成双双螺螺旋旋的的部部分分，则则形形成成单单链链突突环环。这这种种结结构构称称为为“发夹型发夹型”结构。结构。在在RNARNA的的双双螺螺旋旋结结构构中中，碱碱基基的的配配对对情情况况不不象象DNADNA中中严严格格。G G 除除了了可可以以和和C C 配配对对外外，也也可可以以和和U U 配配对对。G-U G-U 配配对对形形成成的的氢氢键键较较弱弱。不不同同类类型型的的RNA,RNA,其其二二级结构有明显的差异。级结构有明显的差异。tRNAtRNA中中除除了了常常见见的的碱碱基基外外，还还存存在在一一些些稀稀有有碱碱基基，这类碱基大部分位于突环部分这类碱基大部分位于突环部分.P91，20茎环发卡三级结构三级结构原核细胞原核细胞mRNAmRNA的结构特点的结构特点先导区先导区+翻译区（翻译区（多顺反子多顺反子）+末端序列末端序列53顺反子顺反子顺反子顺反子顺反子顺反子插入顺序插入顺序插入顺序插入顺序先导区先导区末端序列末端序列（一）（一）信使信使RNA的结构与功能的结构与功能*mRNA的功能的功能 把把DNA所所携携带带的的遗遗传传信信息息，按按碱碱基基互互补补配配对对原原则则，抄抄录录并并传传送送至至核核糖糖体体，用用以以决决定定其其合合成成蛋蛋白白质质的的氨基酸排列顺序。氨基酸排列顺序。DNAmRNA蛋白蛋白转录转录翻译翻译原核细胞原核细胞 细胞质细胞质细胞核细胞核DNA内含子内含子外显子外显子转录转录转录后剪接转录后剪接转运转运mRNAhnRNA翻译翻译蛋白蛋白真核细胞真核细胞 *真核生物真核生物mRNA的的结构特点结构特点1.大大多多数数真真核核mRNA的的5末末端端均均在在转转录录后后加加上上一一个个7-甲甲基基鸟鸟苷苷，同同时时第第一一个个核核苷苷酸酸的的C2也也是甲基化，形成帽子结构：是甲基化，形成帽子结构：m7GpppNm-。2.大多数真核大多数真核mRNA的的3末端有一个多聚腺苷酸末端有一个多聚腺苷酸(polyA)结构，称为多聚结构，称为多聚A尾。尾。P885帽子结构帽子结构3多聚多聚A尾尾5非编码区非编码区3非编码区非编码区编码区编码区起始密码子UAG,UGA终止密码子真核细胞真核细胞mRNAmRNA的结构特点的结构特点“帽子帽子”（m7G-5ppp5-N-3p）+单顺反子单顺反子+“尾巴尾巴”（Poly A）AAAAAAA-OH5“帽子帽子”PolyA 3顺反子顺反子m7G-5ppp-N-3 pN原有第一个碱基帽子帽子：7-甲基鸟苷以甲基鸟苷以5-5-三磷酸连接到三磷酸连接到mRNA的的5端，端，2-OH甲基化。甲基化。与防止与防止mRNA降解；降解；与翻译起始有关。与翻译起始有关。尾巴作用：尾巴作用：20-250bp，能控制，能控制mRNA通过通过核膜进入胞浆；与延核膜进入胞浆；与延长长mRNA寿命有关寿命有关。P89*真核生物真核生物mRNA成熟过程成熟过程内含子内含子(intron)hnRNA 外显外显子子(exon)mRNA mRNA寿命寿命：暂时需要的基因产物，暂时需要的基因产物，半衰期几秒到几分钟，半衰期几秒到几分钟，哺乳动物哺乳动物平均半衰期平均半衰期3h，每代细胞需更新，每代细胞需更新10次左右，次左右，细菌细菌半衰半衰期期1.5分钟。分钟。（二）（二）tRNA的结构与功能的结构与功能 (原核生物原核生物60种种tRNA，真核生物，真核生物100-120种种)双氢尿嘧啶双氢尿嘧啶(DHU)次黄嘌呤次黄嘌呤(I)假尿嘧啶假尿嘧啶()P89*tRNA的二级结构的二级结构三叶草形三叶草形 氨基酸臂氨基酸臂 DHU环环 反密码环反密码环 额外环额外环 TC环环氨基酸氨基酸臂臂额外环额外环3末端末端5末端末端*tRNA的的一级结构一级结构特点特点 含含 1020%稀有碱基，稀有碱基，如如 DHU 3末端为末端为-CCA-OH 5末端大多数为末端大多数为G 具有具有 T C*tRNA的三级结构的三级结构倒倒“L”型型反密码子环反密码子环*tRNA的的功功能能：活活化化、搬搬运运氨氨基基酸酸到到核核糖体，参与蛋白质的翻译糖体，参与蛋白质的翻译。tRNA小结小结1、分子较小，含较多的稀有碱基和非标准碱基配对、分子较小，含较多的稀有碱基和非标准碱基配对2、5端一般为鸟嘌呤核苷酸，端一般为鸟嘌呤核苷酸，3端为端为CCA-OH3。3、二级结构为、二级结构为“三叶草三叶草”型（型（cloverleaf pattern）n反密码环反密码环：反密码环中部的三个碱基可以与：反密码环中部的三个碱基可以与mRNA的三联体密码形成的三联体密码形成碱基互补配对碱基互补配对，解读遗，解读遗传密码，称为传密码，称为反密码子反密码子（anticodon）。）。次黄嘌呤次黄嘌呤I常出现于反密码子中。常出现于反密码子中。n氨基酸臂氨基酸臂：3末端的末端的CCA-OH3单链用单链用于连接该于连接该tRNA转运的氨基酸。转运的氨基酸。n二氢尿嘧啶环二氢尿嘧啶环（DHU）：识别氨酰）：识别氨酰-tRNA合成酶合成酶nTC环环：识别核蛋白体（核糖体）：识别核蛋白体（核糖体）4、“倒倒L”型三级结构型三级结构ACCDHU环环T 环环反密码环反密码环5额外环额外环（三）（三）rRNA的结构与功能的结构与功能核蛋白体的组成核蛋白体的组成原核生物原核生物（以大肠杆菌为例）（以大肠杆菌为例）真核生物真核生物（以小鼠肝为例）（以小鼠肝为例）小亚基小亚基30S40SrRNA16S1542个核苷酸个核苷酸18S1874个核苷酸个核苷酸蛋白质蛋白质21种种占总重量的占总重量的40%33种种占总重量的占总重量的50%大亚基大亚基50S60SrRNA23S5S2940个核苷酸个核苷酸120个核苷酸个核苷酸28S5.85S5S4718个核苷酸个核苷酸160个核苷酸个核苷酸120个核苷酸个核苷酸蛋白质蛋白质31种种占总重量的占总重量的30%49种种占总重量的占总重量的35%P9116SrRNA5SrRNA23SrRNA30Ssubunit50Ssubunit70Sprokaryoticribosome18SrRNA5SrRNA28SrRNA5.8SrRNA40Ssubunit60Ssubunit80SeukaryoticribosomeProkaryoticEukaryoticL2L3L32S1S2S3S21L132proteinsoflargesubunit(L1L32)21proteinsofsmallsubunit(S1S21)L2L3L50S1S2S3S33L150proteinsoflargesubunit(L1L50)33proteinsofsmallsubunit(S1S33)rRNA的分子结构的分子结构特征特征：单链，螺旋化程度较单链，螺旋化程度较tRNA低低 与与蛋蛋白白质质组组成成核核糖糖体体后后方方能能发发挥挥其其功功能能，作为蛋白质合成的场所作为蛋白质合成的场所5sRNA5sRNA的二级结构的二级结构核糖核酸核糖核酸核糖核酸核糖核酸 （RNARNA）：）：）：）：脱氧核糖核酸脱氧核糖核酸脱氧核糖核酸脱氧核糖核酸（DNADNA）：）：）：）：m RNAm RNA t RNA t RNA r RNA r RNA（信使（信使（信使（信使 RNA RNA）（转运（转运（转运（转运 RNA RNA）（核蛋白体（核蛋白体（核蛋白体（核蛋白体 RNARNA）细胞质细胞质细胞质细胞质，参与蛋白质的生物合成参与蛋白质的生物合成参与蛋白质的生物合成参与蛋白质的生物合成5 5%，PrPr合成的直接模板合成的直接模板合成的直接模板合成的直接模板1515%，活化与转运，活化与转运，活化与转运，活化与转运AAAA80 80%，充当装配机，提供场所，充当装配机，提供场所，充当装配机，提供场所，充当装配机，提供场所核内染色质核内染色质核内染色质核内染色质，遗传的物质基础遗传的物质基础遗传的物质基础遗传的物质基础 基因基因基因基因 DNA DNA分子中的分子中的分子中的分子中的 功能功能功能功能 片段片段片段片段（决定遗传特性决定遗传特性决定遗传特性决定遗传特性）（特定的碱基序列特定的碱基序列特定的碱基序列特定的碱基序列）小结小结第四节第四节 核酸的理化性质核酸的理化性质P97 一、酸性化合物一、酸性化合物n两性解离，但酸性强两性解离，但酸性强n 电泳行为电泳行为泳向正极（泳向正极（pH7-8）二、高分子性质二、高分子性质n 粘度粘度 DNARNA（DNA分子长度大）分子长度大）n 超离心沉降超离心沉降n 凝胶过滤凝胶过滤n 分子大小单位：分子量（分子大小单位：分子量（道尔顿道尔顿D，1D就表示一个单位的分子质量，碳12原子质量的1/12）、碱基对数目（、碱基对数目（bp）、离心沉降常数）、离心沉降常数（S，单位离心力场中分子沉降的速率，单位离心力场中分子沉降的速率，1S=1*10-13s秒，血红蛋白秒，血红蛋白4S）n 沉淀行为沉淀行为加盐加盐（中和（中和电荷电荷DNA核蛋白难溶于核蛋白难溶于0.14mol/LNaCl溶液，但可溶于高浓度溶液，但可溶于高浓度1-2mol/L NaCl溶液，而溶液，而RNA 核蛋核蛋白则易溶于白则易溶于0.14mol/L NaCl溶液）溶液）；乙醇乙醇紫外吸收紫外吸收1.DNA或或RNA的定量的定量OD260=1.0相当于相当于50g/ml双链双链DNA40g/ml单链单链DNA（或（或RNA）20g/ml寡核苷酸寡核苷酸2.判断核酸样品的纯度判断核酸样品的纯度DNA纯品纯品:OD260/OD280=1.8RNA纯品纯品:OD260/OD280=2.0OD260的应用的应用 三、紫外吸收三、紫外吸收n最大吸收波长：最大吸收波长：260nmn 核酸定量分析核酸定量分析n 核酸定性分析核酸定性分析 四、变性、复性、分子杂交四、变性、复性、分子杂交1、DNA变性变性（DNA denaturation）：）：DNA变性变性是指在理化因素作用下，是指在理化因素作用下，DNA分子中的氢键断裂，分子中的氢键断裂，碱基堆积力遭到破坏，双螺旋结构解体，双链分开碱基堆积力遭到破坏，双螺旋结构解体，双链分开形成单链的过程形成单链的过程。变性后的变性后的DNA一级结构（一级结构（3-5磷磷酸二酯键）没有改变。酸二酯键）没有改变。DNA的变性的变性(denaturation)方法：方法：过量酸、碱、加热，过量酸、碱、加热，变性试剂变性试剂如尿素、酰如尿素、酰胺以及某些有机溶剂如乙醇、丙酮等。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：变性后其它理化性质变化：ODOD260260增高；粘度下降；比旋度下降；浮力密增高；粘度下降；比旋度下降；浮力密度升高；酸碱滴定曲线改变；生物活性改变度升高；酸碱滴定曲线改变；生物活性改变DNADNA变性的本质是双链间变性的本质是双链间氢键氢键的断裂的断裂DNADNA变性变性增色效应：增色效应：DNADNA变性时其溶液变性时其溶液ODOD260260增高的现象增高的现象。当当DNADNA的的稀盐稀盐溶液加热到溶液加热到80-10080-100时，双螺旋结构时，双螺旋结构即发生解体，两条链彼此分开，形成无规线团。即发生解体，两条链彼此分开，形成无规线团。80 90 100 100%50%OD260（254）Tm 变性温度范围变性温度范围融融解解温温度度（melting melting temperaturetemperature,TmTm）：DNADNA热热变变性性过过程程中中，紫紫外外吸吸收收达达到到最最大大值值的的一一半半时时溶溶液液的的温温度度称称为为融解温度（融解温度（TmTm）或解链温度、变性温度。）或解链温度、变性温度。实验室常用的方法实验室常用的方法热变性热变性P99影响影响TmTm值的因素值的因素(1)(1)溶液溶液的性质的性质(2)DNA(2)DNA的性质和组成的性质和组成大肠杆菌大肠杆菌DNADNA在不同浓度在不同浓度KClKCl溶液下的溶液下的熔融温度曲线熔融温度曲线 小结小结（1）变性后理化性质改变）变性后理化性质改变nDNA溶液的粘度降低溶液的粘度降低n浮力密度增加浮力密度增加n旋光偏振光改变旋光偏振光改变n紫外吸收增加（高色效应）紫外吸收增加（高色效应）高色效应高色效应（hyperochromic effect）：）：DNA变性后，变性后，在在260nm处的紫外吸收增高，称为高色效应或增色处的紫外吸收增高，称为高色效应或增色效应。效应。（2）变变性性后后的的DNA一一级级结结构构（3-5磷磷酸酸二二酯酯键键）没有改变。没有改变。（3）融融解解温温度度（melting temperature,Tm）：DNA热热变变性性过过程程中中，紫紫外外吸吸收收达达到到最最大大值值的的一一半半时时溶液的温度称为融解温度（溶液的温度称为融解温度（Tm）GC含量越高，含量越高，Tm越大越大DNA越长，越长，Tm越大越大溶液离子强度增高，溶液离子强度增高，Tm值增加值增加DNA越纯，相变范围越小越纯，相变范围越小 2、DNA复性复性DNA复性复性(renaturation)的定义的定义:在适当条件下，在适当条件下，变性变性DNADNA的两条互补链可恢复天然的双螺旋构象，的两条互补链可恢复天然的双螺旋构象，这一现象称为这一现象称为复性复性。热变性的热变性的DNADNA经缓慢冷却后即可复性，这一过程经缓慢冷却后即可复性，这一过程称为称为退火退火(annealing)(annealing)。减色效应减色效应（hypochromic effect）:DNA复性复性时，其溶液时，其溶液OD260降低。降低。DNADNA复性复性在在DNA变变性性后后的的复复性性过过程程中中，如如果果将将不不同同种种类类的的DNA单单链链分分子子或或RNA分分子子放放在在同同一一溶溶液液中中，只只要要两两种种单单链链分分子子之之间间存存在在着着一一定定程程度度的的碱碱基基配配对对关关系系，在在适适宜宜的的条条件件（温温度度及及离离子子强强度度）下下，就就可可以以在在不不同同的的分分子子间间形形成成杂化双链杂化双链(heteroduplex)。这这种种杂杂化化双双链链可可以以在在不不同同的的DNA与与DNA之之间间形形成成，也也可可以以在在DNA和和RNA分分子子间间或或者者RNA与与RNA分分子子间间形形成成。这这种种现现象象称称为为核核酸酸分子杂交。分子杂交。核酸分子杂交核酸分子杂交(hybridization)p105核核酸酸的的杂杂交交DNA-DNA杂交双链分子杂交双链分子变性变性 复性复性 不同来源的不同来源的DNA分子分子核酸分子杂交的应用核酸分子杂交的应用:研究基因的位置研究基因的位置确定两种核酸序列的相似性确定两种核酸序列的相似性检测样品中的特异序列检测样品中的特异序列基因芯片技术的基础基因芯片技术的基础 核酸探针（核酸探针（nucleic acid probe）:能特异性的探测带某一能特异性的探测带某一特定序列的特定序列的DNA或或RNA分子的标记核酸分子。分子的标记核酸分子。3、核酸分子杂交、核酸分子杂交(hybridization)n由不同来源的核酸单链形成由不同来源的核酸单链形成杂化双链杂化双链的过程的过程n分子杂交技术的应用分子杂交技术的应用：基因克隆筛选基因克隆筛选;酶切图谱制作酶切图谱制作;特定基因序列的定量和定性特定基因序列的定量和定性;突变分析突变分析;疾病诊断等疾病诊断等一、变性一、变性一、变性一、变性1 1、概念、概念、概念、概念核酸双链间氢键断裂，双链结构解开形成核酸双链间氢键断裂，双链结构解开形成核酸双链间氢键断裂，双链结构解开形成核酸双链间氢键断裂，双链结构解开形成两条单链的的过程两条单链的的过程两条单链的的过程两条单链的的过程变性因素：变性因素：变性因素：变性因素：加热及化学处理加热及化学处理加热及化学处理加热及化学处理（有机溶剂等有机溶剂等有机溶剂等有机溶剂等）2 2、特性、特性、特性、特性 伴有高色伴有高色伴有高色伴有高色（增色增色增色增色）效应效应效应效应 高色效应高色效应高色效应高色效应在在在在260 nm 260 nm 的紫外吸收增强的紫外吸收增强的紫外吸收增强的紫外吸收增强 熔点熔点熔点熔点（TmTm）DNA DNA 达到达到达到达到 50%50%变性时的温度变性时的温度变性时的温度变性时的温度DNADNA分子中分子中分子中分子中 G-C G-C 组份愈多，组份愈多，组份愈多，组份愈多，Tm Tm 值就愈高值就愈高值就愈高值就愈高DNADNA分子就愈稳定。反之亦然。分子就愈稳定。反之亦然。分子就愈稳定。反之亦然。分子就愈稳定。反之亦然。小结小结（二）（二）（二）（二）复性复性复性复性1 1、概念、概念、概念、概念因变性而解开的两条单链，在温度缓慢下降时因变性而解开的两条单链，在温度缓慢下降时因变性而解开的两条单链，在温度缓慢下降时因变性而解开的两条单链，在温度缓慢下降时重又聚合成双链结构，这一过程叫作复性重又聚合成双链结构，这一过程叫作复性重又聚合成双链结构，这一过程叫作复性重又聚合成双链结构，这一过程叫作复性2 2、特性、特性、特性、特性 复性时伴有复性时伴有复性时伴有复性时伴有低低低低（减减减减 ）效应效应效应效应（即在（即在（即在（即在 260 nm 260 nm 的紫外吸收减弱）的紫外吸收减弱）的紫外吸收减弱）的紫外吸收减弱）复性又称复性又称复性又称复性又称“退火退火退火退火”变性后若温度迅速下降，则不发生复性变性后若温度迅速下降，则不发生复性变性后若温度迅速下降，则不发生复性变性后若温度迅速下降，则不发生复性（三）（三）（三）（三）分子杂交分子杂交分子杂交分子杂交1 1、概念、概念、概念、概念分子杂交是以核酸的变性和复性为基础分子杂交是以核酸的变性和复性为基础分子杂交是以核酸的变性和复性为基础分子杂交是以核酸的变性和复性为基础 不同来源的两条核酸单链，若有大致相同的碱不同来源的两条核酸单链，若有大致相同的碱不同来源的两条核酸单链，若有大致相同的碱不同来源的两条核酸单链，若有大致相同的碱 基互补顺序，经退火处理，可形成杂交双链。基互补顺序，经退火处理，可形成杂交双链。基互补顺序，经退火处理，可形成杂交双链。基互补顺序，经退火处理，可形成杂交双链。分子杂交可发生在分子杂交可发生在分子杂交可发生在分子杂交可发生在 DNA-DNADNA-DNA、DAN-DAN-RNARNA 和和和和 RNA-RNARNA-RNA第五节第五节 核酸酶核酸酶(nucleases)核酸酶核酸酶是指所有可以水解核酸的酶是指所有可以水解核酸的酶 一、种类一、种类1、根据底物分类、根据底物分类nDNase、RNase；n单链核酸酶、双链核酸酶、杂合双链核酸酶单链核酸酶、双链核酸酶、杂合双链核酸酶2、根据催化部位分类：外切核酸酶和内切核酸酶、根据催化部位分类：外切核酸酶和内切核酸酶外切酶：外切酶：5端端3端或端或3端端5端核酸外切酶。端核酸外切酶。内切酶：内切酶：限制性核酸内切酶和非限制性核酸内切酶。限制性核酸内切酶和非限制性核酸内切酶。限限制制性性核核酸酸内内切切酶酶(restriction endonucleases)：能能够够识识别别DNA分分子子的的特特定定核核苷苷酸酸序序列列，并并在在识识别别位位点点或或其其周周围围断断开开DNA双链双链的一类核酸酶的一类核酸酶 .v参参与与DNA的的合合成成与与修修复复及及RNA合合成成后后的的剪剪接接等重要等重要基因复制基因复制和和基因表达基因表达过程过程;v负负责责清清除除多多余余的的、结结构构和和功功能能异异常常的的核核酸酸，同时也可以清除侵入细胞的同时也可以清除侵入细胞的外源性核酸外源性核酸;v在消化液中降解在消化液中降解食物中的核酸食物中的核酸以利吸收以利吸收;v体外重组体外重组DNA技术中的重要工具酶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生物体内的核酸酶负责细胞内外催化核酸的降解 二、二、核酸酶的功能核酸酶的功能 三、核三、核 酶酶催化性催化性DNA(DNAzyme)人工合成的寡聚脱氧核人工合成的寡聚脱氧核苷酸片段，也能序列特异性降解苷酸片段，也能序列特异性降解RNA。u催化性催化性RNA(ribozyme)作为序列特异性的核作为序列特异性的核酸内切酶降解酸内切酶降解mRNA。核酶作用：1.核苷酸转移作用。2.水解反应，即磷酸二酯酶作用。3.磷酸转移反应，类似磷酸转移酶作用。4.脱磷酸作用，即酸性磷酸酶作用。5.RNA内切反应，即RNA限制性内切酶作用。核酶的生物学意义：1.RNA为生物催化剂，具有重要生物学意义。2.打破了酶是蛋白质的传统观念。3.在生命起源问题上，为先有核酸提供了依据。4.为治疗破坏有害基因，肿瘤等疾病提供手段。
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