第二章 核酸的结构和功能Structure and Function of Nucleic Acid 一、核酸的发现和研究工作进展1868 年Fridrich Miescher 从脓细胞中提取“核素”1944 年Avery 等人证实DNA是遗传物质1953年Watson 和Crick 发现DNA 的双螺旋结构1968 年Nirenberg 发现遗传密码1975 年Temin 和Baltimore 发现逆转录酶1981 年Gilbert 和Sanger 建立DNA 测序方法1985 年Mullis 发明PCR 技术1990 年美国启动人类基因组计划(HGP) 1994 年中国人类基因组计划启动2001 年美、英等国完成人类基因组计划基本框架体内重要的游离核苷酸及其衍生物含核苷酸的生物活性物质：NAD+ 、NADP+ 、CoA-SH 、FAD 等都含有AMP 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。DNA 的二级结构-双螺旋结构DNA 双螺旋结构的研究背景和历史意义DNA 双螺旋结构模型要点DNA 的超螺旋结构及其在染色质中的组装DNA 的超螺旋结构原核生物DNA 的高级结构DNA 在真核生物细胞核内的组装DNA 的功能三、DNA 的功能* tRNA 的一级结构特点含10~20% 稀有碱基，如DHU 3′末端为—CCA-OH 5′末端大多数为G  具有T  C  热变性解链曲线：如果在连续加热DNA 的过程中以温度对A260 （absorbance ，A，A260 代表溶液在260nm 处的吸光率）值作图，所得的曲线称为解链曲线。第五节  核酸酶 Nuclease （三）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 DNA 的基本功能是以基因的形式荷载遗传信息，并作为基因复制和转录的模板。它是生命遗传的物质基础，也是个体生命活动的信息基础。基因从结构上定义，是指DNA 分子中的特定区段，其中的核苷酸排列顺序决定了基因的功能。第三节RNA 的结构与功能Structure and Function of RNA RNA 的种类、分布、功能一、信使RNA 的结构与功能hnRNA 内含子(intron) mRNA * mRNA 成熟过程外显子(exon) 目录* mRNA 结构特点1. 大多数真核mRNA 的5′末端均在转录后加上一个7- 甲基鸟苷，同时第一个核苷酸的C′2 也是甲基化，形成帽子结构：m7GpppNm- 。2.  大多数真核mRNA 的3′末端有一个多聚腺苷酸(polyA) 结构，称为多聚A尾。帽子结构mRNA 核内向胞质的转位mRNA 的稳定性维系翻译起始的调控帽子结构和多聚A尾的功能* mRNA 的功能把DNA所携带的遗传信息，按碱基互补配对原则，抄录并传送至核糖体，用以决定其合成蛋白质的氨基酸排列顺序。DNA mRNA 蛋白转录翻译原核细胞细胞质细胞核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、转运RNA 的结构与功能N,N 二甲基鸟嘌呤N6- 异戊烯腺嘌呤双氢尿嘧啶4- 巯尿嘧啶稀有碱基* tRNA 的二级结构——三叶草形氨基酸臂DHU 环反密码环额外环TΨC 环氨基酸臂额外环* tRNA 的三级结构——倒L形* tRNA 的功能活化、搬运氨基酸到核糖体，参与蛋白质的翻译。* rRNA 的结构三、核蛋白体RNA 的结构与功能* rRNA 的功能参与组成核蛋白体，作为蛋白质生物合成的场所。* rRNA 的种类（根据沉降系数）真核生物5S rRNA 28S rRNA 5.8S rRNA 18S rRNA 原核生物5S rRNA 23S rRNA 16S rRNA 核蛋白体的组成占总重量的35% 49 种占总重量的30% 31 种蛋白质4718 个核苷酸160 个核苷酸120 个核苷酸28S 5.85S 5S 2940 个核苷酸120 个核苷酸23S 5S rRNA 60S 50S 大亚基占总重量的50% 33 种占总重量的40% 21 种蛋白质1874 个核苷酸18S 1542 个核苷酸16S rRNA 40S 30S 小亚基真核生物（以小鼠肝为例）原核生物（以大肠杆菌为例）四、其他小分子RNA 及RNA 组学除了上述三种RNA外，细胞的不同部位存在的许多其他种类的小分子RNA，统称为非mRNA 小RNA(small non-messenger RNAs, snmRNAs) 。snmRNAs snmRNAs 的种类核内小RNA 核仁小RNA 胞质小RNA 催化性小RNA 小片段干涉RNA snmRNAs 的功能参与hnRNA 和rRNA 的加工和转运。RNA 组学研究细胞中snmRNAs 的种类、结构和功能。同一生物体内不同种类的细胞、同一细胞在不同时间、不同状态下snmRNAs 的表达具有时间和空间特异性。RNA 组学核酸的理化性质The Physical and Chemical Characters of Nucleic Acid 第四节目录1. DNA 或RNA 的定量OD260=1.0 相当于50 μg/ml 双链DNA 40μg/ml 单链DNA （或RNA ）20μg/ml 寡核苷酸2. 判断核酸样品的纯度DNA 纯品: OD260/OD280 = 1.8 RNA 纯品: OD260/OD280 = 2.0 OD260 的应用目录二、DNA 的变性(denaturation) 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。方法：过量酸，碱，加热，变性试剂如尿素、酰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：OD260 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丧失目录DNA 变性的本质是双链间氢键的断裂例：变性引起紫外吸收值的改变DNA 的紫外吸收光谱增色效应：DNA 变性时其溶液OD260 增高的现象。目录目录* 目录* 目录* 目录* 目录* 目录核酸(nucleic acid) 是以核苷酸为基本组成单位的生物大分子，携带和传递遗传信息。二、核酸的分类及分布90% 以上分布于细胞核，其余分布于核外如线粒体，叶绿体，质粒等。分布于胞核、胞液。(deoxyribonucleic acid, DNA) (ribonucleic acid, RNA) 脱氧核糖核酸核糖核酸携带遗传信息，决定细胞和个体的基因型(genotype) 。参与细胞内DNA 遗传信息的表达。某些病毒RNA 也可作为遗传信息的载体。第一节核酸的化学组成及其一级结构The Chemical Component and Primary Structure of Nucleic Acid 核酸的化学组成1. 元素组成C 、H、O、N、P（9~10% ）2. 分子组成——碱基(base) ：嘌呤碱，嘧啶碱——戊糖(ribose) ：核糖，脱氧核糖——磷酸(phosphate) 嘌呤(purine) 腺嘌呤(adenine, A) 鸟嘌呤(guanine, G) 碱基嘧啶(pyrimidine) 胞嘧啶(cytosine, C) 尿嘧啶(uracil, U) 胸腺嘧啶(thymine, T) 戊糖（构成RNA ）1′2′3′4′5′核糖(ribose) （构成DNA ）脱氧核糖(deoxyribose) 核苷：AR, GR, UR, CR 脱氧核苷：dAR, dGR, dTR, dCR 一、核苷酸的结构1. 核苷(ribonucleoside) 的形成碱基和核糖（脱氧核糖）通过糖苷键连接形成核苷（脱氧核苷）。1′1 核苷酸：AMP, GMP, UMP, CMP 脱氧核苷酸：dAMP, dGMP, dTMP, dCMP 2. 核苷酸(ribonucleotide) 的结构与命名核苷（脱氧核苷）和磷酸以磷酸酯键连接形成核苷酸（脱氧核苷酸）。多磷酸核苷酸：NMP ，NDP ，NTP 环化核苷酸: cAMP ，cGMP AMP ADP ATP cAMP NADP+ NAD+ 5′端3′端3. 核苷酸的连接核苷酸之间以磷酸二酯键连接形成多核苷酸链，即核酸。C G A 5′端3′端C G A A G  P 5 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  目录第二节DNA 的空间结构与功能Dimensional Structure and Function of DNA 一、DNA 的二级结构——双螺旋结构（一）DNA 双螺旋结构的研究背景碱基组成分析Chargaff  规则：[A] = [T] [G] [C] 碱基的理化数据分析A-T 、G-C 以氢键配对较合理DNA 纤维的X- 线衍射图谱分析目录（二）DNA 双螺旋结构模型要点（Watson, Crick, 1953 ）DNA 分子由两条相互平行但走向相反的脱氧多核苷酸链组成，两链以-脱氧核糖-磷酸-为骨架，以右手螺旋方式绕同一公共轴盘。螺旋直径为2 nm ，形成大沟(major groove) 及小沟(minor groove) 相间。目录（二）DNA 双螺旋结构模型要点（Watson, Crick, 1953 ）碱基垂直螺旋轴居双螺旋内側，与对側碱基形成氢键配对（互补配对形式：A=T; G C）。相邻碱基平面距离0.34nm ，螺旋一圈螺距3.4nm，一圈10对碱基。目录碱基互补配对T A G C （二）DNA 双螺旋结构模型要点（Watson, Crick, 1953 ）氢键维持双链横向稳定性，碱基堆积力维持双链纵向稳定性。目录（三）DNA 双螺旋结构的多样性目录二、DNA的超螺旋结构及其在染色质中的组装（一）DNA的超螺旋结构超螺旋结构(superhelix 或supercoil) DNA 双螺旋链再盘绕即形成超螺旋结构。正超螺旋(positive supercoil) 盘绕方向与DNA 双螺旋方同相同负超螺旋(negative supercoil) 盘绕方向与DNA 双螺旋方向相反意义DNA 超螺旋结构整体或局部的拓扑学变化及其调控对于DNA 复制和RNA 转录过程具有关键作用。（二）原核生物DNA 的高级结构* *