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1、第二章核酸的结构与功能第二章核酸的结构与功能南京中医药大学周坤福南京中医药大学周坤福电话：电话：/85811768 邮箱：邮箱：核酸核酸（nucleic acid）是一类重要的生）是一类重要的生物大分子，是生物遗传的物质基础。物大分子，是生物遗传的物质基础。脱氧核糖核酸脱氧核糖核酸（deoxyribonucleic acid,DNA），），主要存在于主要存在于细胞核细胞核内，是遗传信息的储存和携带者，内，是遗传信息的储存和携带者，是遗传的物质基础。是遗传的物质基础。核糖核酸核糖核酸（ribonucleic acid,RNA），主要分），主要分布在布在细胞质细胞质中，参与遗传信息表达的各过程。中
2、，参与遗传信息表达的各过程。核酸核酸核苷核苷单核苷酸单核苷酸磷酸磷酸碱基碱基戊糖戊糖第一节第一节 核酸的化学组成核酸的化学组成戊戊 糖糖（ribose）-D-核糖核糖-D-2-脱氧核糖脱氧核糖碱基碱基（base）嘧啶嘧啶嘧啶嘧啶pyrimidinepyrimidine嘌呤嘌呤嘌呤嘌呤purinepurine胞嘧啶（胞嘧啶（C）（2-氧氧-4-氨基嘧）氨基嘧）胸腺嘧啶（胸腺嘧啶（T）（5-甲基尿嘧啶）甲基尿嘧啶）尿嘧啶（尿嘧啶（U）(2,4-二氧嘧啶二氧嘧啶)鸟嘌呤（鸟嘌呤（G）（2-氨基氨基-6-氧嘌呤）氧嘌呤）腺嘌呤（腺嘌呤（A）（6-氨基嘌呤）氨基嘌呤）稀有碱基假尿嘧啶核苷假尿嘧啶核苷次黄
3、嘌呤核苷次黄嘌呤核苷二氢尿嘧啶核苷二氢尿嘧啶核苷甲基鸟嘌呤核苷甲基鸟嘌呤核苷核苷核苷碱基碱基戊糖戊糖糖苷键糖苷键purine：N9-1 pyrimidine：N1-C1 8种核苷种核苷核苷酸l核苷与磷酸缩合生成的核苷与磷酸缩合生成的磷酸酯。磷酸酯。l自然界所发现的核苷酸自然界所发现的核苷酸主要为核苷主要为核苷C5上羟基与上羟基与磷酸形成的酯键，称为磷酸形成的酯键，称为5核苷酸或核苷酸或一磷酸核苷一磷酸核苷。l核苷酸核苷酸是核酸的基本组是核酸的基本组成单位。成单位。二磷酸核苷和三磷酸核苷多为核苷酸有关代谢中间产物或二磷酸核苷和三磷酸核苷多为核苷酸有关代谢中间产物或酶活性及代谢的调节物质。酶活性及
4、代谢的调节物质。三磷酸核苷三磷酸核苷是参与核酸合成的直接是参与核酸合成的直接形式，并同时为生理储能和供能的重要形式。形式，并同时为生理储能和供能的重要形式。AMP、ADP、ATPGMP、GDP、GTPCMP、CDP、CTPUMP、UDP、UTPdAMP、dADP、dATPdGMP、dGDP、dGTPdCMP、dCDP、dCTPdTMP、dTDP、dTTPRNADNA第二节第二节 DNA 的的 分子结分子结 构构 DNADNA的碱基组成的碱基组成A、G、C、TA=TA+G =C+T单核苷酸通过单核苷酸通过3,5-磷酸二酯键磷酸二酯键连接成大分子连接成大分子多核苷酸。多核苷酸。5-末端：末端：P3
5、-末端：末端：OH *DNADNA分子中分子中分子中分子中脱脱脱脱氧核苷酸氧核苷酸氧核苷酸氧核苷酸的排列顺的排列顺的排列顺的排列顺序，即序，即序，即序，即碱基碱基碱基碱基的排列的排列的排列的排列顺序。顺序。顺序。顺序。DNA的一级结构的一级结构（primary structure)书写方式书写方式1.线条简化式线条简化式2.文字简化式文字简化式pApGpCpTpA-G C-TpAGCT 方向：方向：5 3 两条反向平行的脱氧核苷酸链两条反向平行的脱氧核苷酸链绕同一中心轴，右手螺旋。绕同一中心轴，右手螺旋。磷酸磷酸-戊糖骨架位于外侧，两戊糖骨架位于外侧，两条链上的碱基以条链上的碱基以A=T、G=
6、C相连，相连，构成碱基平面，位于螺旋内侧。构成碱基平面，位于螺旋内侧。10个碱基对旋转一周，螺距为个碱基对旋转一周，螺距为3.4nm，螺旋直径为螺旋直径为2.0nm。大沟（大沟（major groove），），小沟小沟（minor groove）氢键：维持双螺旋横向稳定氢键：维持双螺旋横向稳定 碱基堆砌力：维持纵向稳定碱基堆砌力：维持纵向稳定 DNA的二级结构的二级结构 （secondary structure)Watson-Crick double helix model特征：特征：DNA的三级结构的三级结构 （tertiary tructure）原核生物原核生物DNADNA超螺旋超螺旋 共
7、价封闭环状双螺旋再进一步螺旋。共价封闭环状双螺旋再进一步螺旋。真核生物的三级结构是该真核生物的三级结构是该DNADNA双链盘绕在组蛋白上双链盘绕在组蛋白上的负超旋。这种以组蛋白为核心绕以的负超旋。这种以组蛋白为核心绕以DNADNA片段的颗粒片段的颗粒称为称为核小体核小体（nucleosomenucleosome）。）。完整的核小体完整的核小体由两部分组成，由两部分组成，即即核小体核心核小体核心（nucleosomenucleosome corecore），），以及连以及连接各核心颗粒之接各核心颗粒之间的区域称间的区域称连接连接区区（linkerlinker）。）。真核生物真核生物 DNADNA
8、双螺旋双螺旋核小体核小体串珠状多核小体细丝串珠状多核小体细丝螺线管螺线管超螺线管超螺线管染色单体染色单体基因基因（gene)gene)是一个功能性遗传单位，是合成一个有功是一个功能性遗传单位，是合成一个有功能蛋白或能蛋白或RNARNA所必需的全部所必需的全部DNADNA序列。序列。基因组基因组（genomegenome）指细胞或生物体的一套完整单个指细胞或生物体的一套完整单个的遗传物质。一个基因组包括一整套基因。的遗传物质。一个基因组包括一整套基因。结构基因（结构基因（structural genestructural gene）编码蛋白质或编码蛋白质或RNARNA。DNA的功能的功能 生物遗
9、传信息的携带者、生物遗传信息复制的模生物遗传信息的携带者、生物遗传信息复制的模板和基因转录的模板。板和基因转录的模板。RNA的一般特征的一般特征 主要存在于主要存在于主要存在于主要存在于细胞质细胞质细胞质细胞质中中中中一般是一般是一般是一般是单链分子单链分子单链分子单链分子 与与与与DNADNADNADNA在碱基组成上的区别是在碱基组成上的区别是在碱基组成上的区别是在碱基组成上的区别是RNARNARNARNA分子中含有分子中含有分子中含有分子中含有的是的是的是的是U U U U，U U U U与与与与T T T T具有相同的结构信息量具有相同的结构信息量具有相同的结构信息量具有相同的结构信息量
10、 RNARNARNARNA核糖分子上核糖分子上核糖分子上核糖分子上C2-OHC2-OHC2-OHC2-OH是游离的，是一个易是游离的，是一个易是游离的，是一个易是游离的，是一个易发生不良反应的位置，因此发生不良反应的位置，因此发生不良反应的位置，因此发生不良反应的位置，因此RNARNARNARNA不如不如不如不如DNADNADNADNA稳定稳定稳定稳定第三节第三节 RNA的结构和功能的结构和功能RNA 的的 种种 类类tRNA (transfer RNA)细胞内细胞内分子量最小分子量最小的一类核酸，约占总的一类核酸，约占总RNARNA的的15%15%含有含有10-20%10-20%的的稀有碱基
11、稀有碱基 细胞内细胞内tRNAtRNA的种类很多，每一种氨基酸都有其相应的一种或的种类很多，每一种氨基酸都有其相应的一种或几种几种tRNAtRNA 二级结构为二级结构为“三叶草三叶草”的结构的结构 三级结构呈倒三级结构呈倒L L形形 重要的功能是参与重要的功能是参与转运氨基酸转运氨基酸，解译，解译mRNAmRNA的密码的密码“三叶草三叶草”形形的二级结构的二级结构功能部位：功能部位：反密码环反密码环:反密码子反密码子 氨基酸臂：氨基酸臂：3-CCA-OH倒倒L L形的形的三级结构三级结构mRNA (messenger RNA)细胞内含量较少的一类细胞内含量较少的一类细胞内含量较少的一类细胞内含
12、量较少的一类RNARNARNARNA，占总占总占总占总RNARNARNARNA的的的的5%5%5%5%左右，左右，左右，左右，但种类很多。但种类很多。但种类很多。但种类很多。功能：功能：功能：功能：将核内将核内将核内将核内DNADNADNADNA的碱基顺序（遗传信息）按的碱基顺序（遗传信息）按的碱基顺序（遗传信息）按的碱基顺序（遗传信息）按碱基碱基碱基碱基互补原则互补原则互补原则互补原则抄录并转送到胞质的核糖体上，用以决定蛋抄录并转送到胞质的核糖体上，用以决定蛋抄录并转送到胞质的核糖体上，用以决定蛋抄录并转送到胞质的核糖体上，用以决定蛋白质合成的氨基酸顺序。白质合成的氨基酸顺序。白质合成的氨基
13、酸顺序。白质合成的氨基酸顺序。三联密码：三联密码：三联密码：三联密码：mRNAmRNAmRNAmRNA分子上每三个核苷酸为一组，决分子上每三个核苷酸为一组，决分子上每三个核苷酸为一组，决分子上每三个核苷酸为一组，决定肽链上的一个氨基酸定肽链上的一个氨基酸定肽链上的一个氨基酸定肽链上的一个氨基酸。5-5-末端的帽结构：末端的帽结构：m m7 7G-ppp5-Np G-ppp5-Np 促进核糖体与促进核糖体与mRNAmRNA的结的结合合 加速翻译的起始速度、增强加速翻译的起始速度、增强mRNAmRNA的稳定性的稳定性 3-3-末端的末端的polyApolyA结构结构:参与参与mRNAmRNA从核内
14、向胞质的转移、增强从核内向胞质的转移、增强mRNAmRNA的稳定性的稳定性 真核生物真核生物mRNAmRNA含有内含子，在核内需经过一系列的加工、修含有内含子，在核内需经过一系列的加工、修饰及剪接等去除内含子，转变为成熟的饰及剪接等去除内含子，转变为成熟的mRNAmRNA，进入胞浆。进入胞浆。真核生物真核生物mRNAmRNA的特殊结构：的特殊结构：rRNA (ribosomal RNA)细胞内细胞内细胞内细胞内含量最多含量最多含量最多含量最多的的的的RNARNARNARNA，约占约占约占约占RNARNARNARNA总量的总量的总量的总量的80%80%80%80%左右。左右。左右。左右。rRNA
15、rRNArRNArRNA不能单独行使功能，必须与蛋白质结合后形成不能单独行使功能，必须与蛋白质结合后形成不能单独行使功能，必须与蛋白质结合后形成不能单独行使功能，必须与蛋白质结合后形成核糖体核糖体核糖体核糖体(ribosome)(ribosome)(ribosome)(ribosome)，作为作为作为作为蛋白质合成的场所。某些低等真核生物的细胞核蛋白质合成的场所。某些低等真核生物的细胞核蛋白质合成的场所。某些低等真核生物的细胞核蛋白质合成的场所。某些低等真核生物的细胞核rRNArRNArRNArRNA的前体在成熟过程中可以的前体在成熟过程中可以的前体在成熟过程中可以的前体在成熟过程中可以自我剪
16、接，称为自我剪接，称为自我剪接，称为自我剪接，称为核酶核酶核酶核酶(ribozymeribozymeribozymeribozyme)。原核细胞原核细胞原核细胞原核细胞rRNArRNArRNArRNA包括：包括：包括：包括：5S 5S 5S 5S rRNArRNArRNArRNA 23S 23S 23S 23S rRNArRNArRNArRNA 16S 16S 16S 16S rRNArRNArRNArRNA +蛋白质蛋白质蛋白质蛋白质 +蛋白质蛋白质蛋白质蛋白质 大亚基大亚基大亚基大亚基 小亚基小亚基小亚基小亚基 真核细胞真核细胞真核细胞真核细胞rRNArRNArRNArRNA包括：包括：包
17、括：包括：5S 5S 5S 5S rRNArRNArRNArRNA 5.8S 5.8S 5.8S 5.8S rRNArRNArRNArRNA 28S 28S 28S 28S rRNArRNArRNArRNA 18S 18S 18S 18S rRNArRNArRNArRNA +蛋白质蛋白质蛋白质蛋白质 +蛋白质蛋白质蛋白质蛋白质 大亚基大亚基大亚基大亚基 小亚基小亚基小亚基小亚基 rRNA rRNA rRNA rRNA二级结构：有较多二级结构：有较多二级结构：有较多二级结构：有较多茎环结构茎环结构茎环结构茎环结构，是与蛋白质结合的结，是与蛋白质结合的结，是与蛋白质结合的结，是与蛋白质结合的结构基
18、础，也是酶性构基础，也是酶性构基础，也是酶性构基础，也是酶性RNARNARNARNA的结构基础。的结构基础。的结构基础。的结构基础。分子大小分子大小：1 m DNA=3 000 1 m DNA=3 000 bpbp=2x10=2x106 6 Dalton Dalton 紫外吸收：紫外吸收：260nm第四节第四节 核酸的理化性质核酸的理化性质 核酸的变性、复性与分子杂交核酸的变性、复性与分子杂交1.DNA变性变性(denaturation)*在某些因素的作用下，在某些因素的作用下，DNA双链间氢键断裂，双螺双链间氢键断裂，双螺旋结构解开，形成单链无规则线团状分子的过程。旋结构解开，形成单链无规则
19、线团状分子的过程。v 高色效应高色效应(hyperchromic effect)：解链过程中，解链过程中，DNA A260增加，增加，并与解链程度相关。并与解链程度相关。v Tm(melting temperature)：50%DNA解链的解链的温度，又称融解温度，又称融解温度。温度。2.复性复性(renaturation)*变性变性DNA在适当条件下，可使两条彼此分开的链重新在适当条件下，可使两条彼此分开的链重新缔合成为双螺旋结构的过程。缔合成为双螺旋结构的过程。3.分子杂交分子杂交(molecular hybridization)*两条来源不同具有完全或不完全互补碱基顺序的多核两条来源不同具有完全或不完全互补碱基顺序的多核苷酸片段在溶液中经退火处理可以形成双螺旋结构。如苷酸片段在溶液中经退火处理可以形成双螺旋结构。如DNA/DNA、DNA/RNA、RNA/RNA杂交分子。杂交分子。