第五章核酸結(jié)構(gòu)功能

第五章核酸結(jié)構(gòu)功能第1頁，共82頁，2023年，2月20日，星期一核酸的化學(xué)第一節(jié)核酸的組成與結(jié)構(gòu)第二節(jié)核酸的分子結(jié)構(gòu)一、DNA的分子結(jié)構(gòu)二、RNA的種類和分子結(jié)構(gòu)第三節(jié)核酸的理化性質(zhì)第四節(jié)核酸研究常用技術(shù)第2頁，共82頁，2023年，2月20日，星期一第一節(jié)核酸的組成與結(jié)構(gòu)一、核酸的生物功能1、核酸是遺傳變異的物質(zhì)基礎(chǔ)2、核酸與生物遺傳信息的傳遞3、核酸與醫(yī)藥如：核酸類衍生物具有抗病毒及抗癌作用第3頁，共82頁，2023年，2月20日，星期一二、核酸的組成1核酸分子中核苷酸的化學(xué)組成與命名(1)堿基、核苷、核苷酸的概念和關(guān)系

(2)

核糖和脫氧核糖

（3）常見堿基的結(jié)構(gòu)與命名法

(4)

常見（脫氧）核苷酸的基本結(jié)構(gòu)與命名(5)稀有核苷酸2細(xì)胞內(nèi)游離核苷酸及其衍生物第4頁，共82頁，2023年，2月20日，星期一1）堿基、核苷、核苷酸的概念和關(guān)系

NitrogenousbasePentosesugarHOCH2HOHDoxyribose(inDNA)HOCH2HOOHRibose(inRNA)PhosphatePyrimidinesCytosineThymineUracilCUTPurihesAdenineGuanineAG第5頁，共82頁，2023年，2月20日，星期一2）核糖和脫氧核糖第6頁，共82頁，2023年，2月20日，星期一3）常見堿基結(jié)構(gòu)和命名嘌呤嘧啶Adenine

(A)Guanine

(G)Cytosine(C)Uracil(U)Thymine(T)第7頁，共82頁，2023年，2月20日，星期一5′-磷酸核苷酸的基本結(jié)構(gòu)OO（N=A、G、C、U、T）HH(O)H1′2′NOHCH2HH5′4′3′PO-OOO-第8頁，共82頁，2023年，2月20日，星期一核苷酸的結(jié)構(gòu)和命名腺嘌呤核苷酸（AMP）Adenosine

monophosphate脫氧腺嘌呤核苷酸（dAMP）Deoxyadenosine

monophosphateOH鳥嘌呤核苷酸（GMP）胞嘧啶核苷酸（CMP）尿嘧啶核苷酸（UMP）脫氧鳥嘌呤核苷酸（dGMP）脫氧胞嘧啶核苷酸（dCMP）脫氧胸腺嘧啶核苷酸（dTMP）H第9頁，共82頁，2023年，2月20日，星期一PPPPPPPP4）常見（脫氧）核苷酸的結(jié)構(gòu)和命名鳥嘌呤核苷酸（GMP）尿嘧啶核苷酸（UMP）胞嘧啶核苷酸（CMP）腺嘌呤核苷酸（AMP）脫氧腺嘌呤核苷酸（dAMP）脫氧鳥嘌呤核苷酸（dGMP）脫氧胞嘧啶核苷酸（dCMP）脫氧胸腺嘧啶核苷酸（dTMP）第10頁，共82頁，2023年，2月20日，星期一5）幾種稀有核苷酸假尿苷（）二氫尿嘧啶（DHU）AmCH3CH3H3Cm26AHH5第11頁，共82頁，2023年，2月20日，星期一2、細(xì)胞內(nèi)游離核苷酸及其衍生物1、多磷酸核苷酸

2、環(huán)核苷酸

3、輔酶類核苷酸。第12頁，共82頁，2023年，2月20日，星期一

5′-NMP5′-NDP5′-NTPN=A、G、C、U

5′-dNMP5′-dNDP5′-dNTPN=A、G、C、T腺苷酸及其多磷酸化合物

AMPAdenosine

monophosphate

ADPAdenosine

diphosphate

ATPAdenosine

triphosphate第13頁，共82頁，2023年，2月20日，星期一OPOOHOA(G)OOOHCH2HHHHcAMP(cGMP)的結(jié)構(gòu)

Cyclicadenylie(Guanine)acid第14頁，共82頁，2023年，2月20日，星期一

第二節(jié)核酸的分子結(jié)構(gòu)

一、DNA的分子結(jié)構(gòu)二、RNA的分子結(jié)構(gòu)第15頁，共82頁，2023年，2月20日，星期一（一）DNA的一級結(jié)構(gòu)

DNA分子中各脫氧核苷酸之間的連接方式（3′-5′磷酸二酯鍵）和排列順序叫做DNA的一級結(jié)構(gòu)，簡稱為堿基序列。一級結(jié)構(gòu)的走向的規(guī)定為5′→3′。不同的DNA分子具有不同的核苷酸排列順序，因此攜帶有不同的遺傳信息。

一級結(jié)構(gòu)的表示法結(jié)構(gòu)式，線條式，字母式

一級結(jié)構(gòu)測定5′3′第16頁，共82頁，2023年，2月20日，星期一DNA一級結(jié)構(gòu)的表示法5′3′結(jié)構(gòu)式5′3′

p

p

p

pOH3′ACTG1′線條式5′

ACTGCATAGCTCGA3′字母式第17頁，共82頁，2023年，2月20日，星期一2、DNA、RNA的一級結(jié)構(gòu)

DNA一級結(jié)構(gòu)5′3′OHOHOH5′3′RNA一級結(jié)構(gòu)第18頁，共82頁，2023年，2月20日，星期一（二）真核生物DNA與原核生物DNA的比較

真核生物基因組的特點(diǎn)1、有重復(fù)順序1）高度重復(fù)順序（衛(wèi)星DNA）：基礎(chǔ)順序短，含5-100bp，重復(fù)次數(shù)達(dá)幾百萬次，富含AT或GC2）中度重復(fù)順序：基礎(chǔ)順序長，含300bp或更長，重復(fù)次數(shù)從幾百到幾千。如組蛋白基因、rRNA基因、tRNA基因等。3）單一順序：重復(fù)幾次或不重復(fù)。如：除組蛋白外的其他蛋白質(zhì)基因。第19頁，共82頁，2023年，2月20日，星期一2、有間隔順序與插入順序（內(nèi)含子）3、有回紋結(jié)構(gòu)：DNA分子以一個假想軸旋轉(zhuǎn)180度后，兩部分結(jié)構(gòu)完全重合。第20頁，共82頁，2023年，2月20日，星期一DNA回文序列及幾種結(jié)構(gòu)形式回文序列發(fā)夾式結(jié)構(gòu)十字形結(jié)構(gòu)中心區(qū)域第21頁，共82頁，2023年，2月20日，星期一

原核生物基因組的特點(diǎn)

1、有基因重疊現(xiàn)象2、功能相關(guān)的基因常串聯(lián)在一起，并轉(zhuǎn)錄在同一mRNA分子中3、DNA分子中大部分是為結(jié)構(gòu)基因，無重復(fù)序列。結(jié)構(gòu)基因是連續(xù)的，一般不含插入或間隔序列第22頁，共82頁，2023年，2月20日，星期一（三）DNA的二級結(jié)構(gòu)

第23頁，共82頁，2023年，2月20日，星期一1、DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)的形成5′3′5′3′5′3′5′3′磷酸核糖堿基T-A堿基對C-G堿基對第24頁，共82頁，2023年，2月20日，星期一2、DNA的雙螺旋模型特點(diǎn)

兩條反向平行的多聚核苷酸鏈沿一個假設(shè)的中心軸右旋相互盤繞而形成。

磷酸和脫氧核糖單位作為不變的骨架組成位于外側(cè)，作為可變成分的堿基位于內(nèi)側(cè)，鏈間堿基按A—T，G—C配對（堿基配對原則，Chargaff定律）

螺旋直徑2nm，相鄰堿基平面垂直距離0.34nm,螺旋結(jié)構(gòu)每隔10個堿基對（basepair,bp）重復(fù)一次，間隔為3.4nmCG間形成三個氫鍵，AT

間形成二個氫鍵，且氫鍵與中心軸垂直螺旋表面有一條大溝一條小溝第25頁，共82頁，2023年，2月20日，星期一

氫鍵堿基堆集力（兀電子之間相互作用的結(jié)果）堿基處于疏水環(huán)境中磷酸基上負(fù)電荷被胞內(nèi)組蛋白或正離子中和3、DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)穩(wěn)定因素

第26頁，共82頁，2023年，2月20日，星期一4、DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)的意義

該模型揭示了DNA作為遺傳物質(zhì)的穩(wěn)定性特征，最有價(jià)值的是確認(rèn)了堿基配對原則，這是是DNA復(fù)制、轉(zhuǎn)錄和反轉(zhuǎn)錄的分子基礎(chǔ)，亦是遺傳信息傳遞和表達(dá)的分子基礎(chǔ)。該模型的提出是20世紀(jì)生命科學(xué)的重大突破之一，它奠定了生物化學(xué)和分子生物學(xué)乃至整個生命科學(xué)飛速發(fā)展的基石。第27頁，共82頁，2023年，2月20日，星期一5、DNA雙螺旋的多態(tài)性DNA雙螺旋的不同構(gòu)象

第28頁，共82頁，2023年，2月20日，星期一DNA雙螺旋構(gòu)象的類型第29頁，共82頁，2023年，2月20日，星期一DNA二級結(jié)構(gòu)的多樣性DNA分子中十字形結(jié)構(gòu)的形成富于AT富于ATHolliday結(jié)構(gòu)第30頁，共82頁，2023年，2月20日，星期一DNA三鏈間的堿基配對DNA分子內(nèi)的三鏈結(jié)構(gòu)多聚嘌呤多聚嘧啶DNA分子間的三鏈結(jié)構(gòu)第31頁，共82頁，2023年，2月20日，星期一（四）DNA的三級結(jié)構(gòu)

在細(xì)胞內(nèi)，由于DNA分子與其它分子（主要是蛋白質(zhì)）的相互作用，使DNA雙螺旋進(jìn)一步扭曲形成的高級結(jié)構(gòu).實(shí)例：超螺旋染色體（chromosome）病毒（virus）第32頁，共82頁，2023年，2月20日，星期一

第33頁，共82頁，2023年，2月20日，星期一DNA超螺旋結(jié)構(gòu)的形成

負(fù)超螺旋：螺旋方向與DNA螺旋方向相反（螺旋處于松緾狀態(tài)）

正超螺旋：螺旋方向與DNA螺旋方向相同（螺旋處于緊緾狀態(tài)）第34頁，共82頁，2023年，2月20日，星期一核小體盤繞及染色質(zhì)示意圖第35頁，共82頁，2023年，2月20日，星期一組蛋白與DNA的結(jié)合第36頁，共82頁，2023年，2月20日，星期一真核生物染色體DNA組裝不同層次的結(jié)構(gòu)

DNA

（2nm）核小體鏈（11nm，每個核小體200bp）纖絲（30nm，每圈6個核小體）突環(huán)（150nm，每個突環(huán)大約75000bp）玫瑰花結(jié)（300nm，6個突環(huán)）螺旋圈（700nm，每圈30個玫瑰花）染色體（1400nm，每個染色體含10個玫瑰花200bp）第37頁，共82頁，2023年，2月20日，星期一噬菌體T2結(jié)構(gòu)頭部頸圈尾部基板尾絲尖釘DNA第38頁，共82頁，2023年，2月20日，星期一

被膜（脂蛋白、碳水化合物）衣殼（蛋白質(zhì)）核酸突起（糖蛋白）病毒粒（DNA或RNA）第39頁，共82頁，2023年，2月20日，星期一（五）基因和基因組基因：指含有合成一個功能性生物分子（蛋白質(zhì)或RNA）所需信息的一個特定DNA片段。遺傳學(xué)上將DNA分子中最小的功能單位稱為基因。

基因組：基因組指單倍體細(xì)胞中包括編碼序列和非編碼序列在內(nèi)的全部DNA分子。

第40頁，共82頁，2023年，2月20日，星期一操縱子

原核基因組中，基因表達(dá)的協(xié)同單位。由操縱基因、啟動子和結(jié)構(gòu)基因三部分組成。

操縱基因

操縱基因控制結(jié)構(gòu)基因的轉(zhuǎn)錄速度，是RNA聚合酶能否通過的“開關(guān)”。位于結(jié)構(gòu)基因的附近，本身不能轉(zhuǎn)錄成mRNA。

第41頁，共82頁，2023年，2月20日，星期一酶的阻遏操縱子模型B.有活性阻遏蛋白加誘導(dǎo)劑A.有活性阻遏蛋白操縱基因啟動基因調(diào)節(jié)基因結(jié)構(gòu)基因阻遏蛋白(有活性)阻遏蛋白阻擋操縱基因結(jié)構(gòu)基因不表達(dá)誘導(dǎo)物誘導(dǎo)物與阻遏蛋白結(jié)合,使阻遏蛋白不能起到阻擋操縱基因的作用,結(jié)構(gòu)基因可以表達(dá)酶蛋白mRNA第42頁，共82頁，2023年，2月20日，星期一一個基因包括：編碼蛋白質(zhì)或RNA的序列轉(zhuǎn)錄所必需的調(diào)節(jié)序列編碼序列上游5’端非編碼序列編碼序列下游3’端非編碼序列內(nèi)含子第43頁，共82頁，2023年，2月20日，星期一基因組DNA序列基因序列與非基因序列編碼序列與非編碼序列單一序列與重復(fù)序列第44頁，共82頁，2023年，2月20日，星期一二、RNA的分子結(jié)構(gòu)

1、RNA一級結(jié)構(gòu)和類別2、tRNA的分子結(jié)構(gòu)3、rRNA的分子結(jié)構(gòu)4、mRNA的分子結(jié)構(gòu)第45頁，共82頁，2023年，2月20日，星期一RNA的一級結(jié)構(gòu)

RNA分子中各核苷之間的連接方式（3′-5′磷酸二酯鍵）和排列順序叫做RNA的一級結(jié)構(gòu)OHOHOH5′3′

RNA與DNA的差異

DNA

RNA糖脫氧核糖核糖堿基AGCTAGCU不含稀有堿基含稀有堿基第46頁，共82頁，2023年，2月20日，星期一1、RNA的種類和分子結(jié)構(gòu)第47頁，共82頁，2023年，2月20日，星期一

第48頁，共82頁，2023年，2月20日，星期一沉降系數(shù)（S）

生物大分子在單位離心力場作用下的沉降速度稱為沉降系數(shù)。即沉降系數(shù)是微顆粒在離心力場的作用下，從靜止?fàn)顟B(tài)到達(dá)極限速度所需要的時(shí)間。其單位用Svedberg，即s表示，s=1×10-13秒。

沉降系數(shù)（S）與分子量（M）的關(guān)系M=RTsD(1-)Svederg方程:第49頁，共82頁，2023年，2月20日，星期一4）小的干涉RNA和微RNA小的干涉RNA（siRNAs）：是含有21－22個單核苷酸長度的雙鏈RNA，能促使核酸酶水解與其互補(bǔ)的mRNA，從而抑制與其互補(bǔ)的mRNA的表達(dá)。將由dsRNA誘導(dǎo)的這種基因沉默效應(yīng)定義為RNAi即RNA干涉。第50頁，共82頁，2023年，2月20日，星期一第51頁，共82頁，2023年，2月20日，星期一第52頁，共82頁，2023年，2月20日，星期一微小RNA（miRNAs)：miRNAs是一類含19-25單核苷酸的單鏈RNA，在3’-端有1-2個堿基長度變化，廣泛存在于真核生物中，不編碼任何蛋白，本身不具有開放閱讀框架，具有保守性、時(shí)序性和組織特異性。成熟的miRNA可以和上游或下游序列不完全配對而形成基環(huán)結(jié)構(gòu)。其功能是抑制靶mRNA的翻譯

第53頁，共82頁，2023年，2月20日，星期一第54頁，共82頁，2023年，2月20日，星期一第55頁，共82頁，2023年，2月20日，星期一2、tRNA的結(jié)構(gòu)

tRNA一級結(jié)構(gòu)：由70－90個核苷酸組成,富含稀有堿基，3’末端為－C－C－AOH，沉降系數(shù)為4S。第56頁，共82頁，2023年，2月20日，星期一酵母tRNAAla

的二級結(jié)構(gòu)

DHU環(huán)AA活化酶結(jié)合部位IGC反密碼子反密碼環(huán)氨基酸臂可變環(huán)TψC環(huán)核糖體結(jié)合CCAAla3′5′單鏈三葉草葉形四臂四環(huán)第57頁，共82頁，2023年，2月20日，星期一tRNA的三級結(jié)構(gòu)在二級結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上進(jìn)一步折疊扭曲形成倒L型第58頁，共82頁，2023年，2月20日，星期一

3、rRNA的分子結(jié)構(gòu)特征：

單鏈，螺旋化程度較tRNA低分子大小不均一,真核有4種，原核有3種

二級結(jié)構(gòu)無規(guī)律

與蛋白質(zhì)組成核糖體后方能發(fā)揮其功能

第59頁，共82頁，2023年，2月20日，星期一第60頁，共82頁，2023年，2月20日，星期一第61頁，共82頁，2023年，2月20日，星期一

4、mRNA的分子結(jié)構(gòu)原核生物mRNA特征：

先導(dǎo)區(qū)+翻譯區(qū)（多順反子）+末端序列真核生物mRNA特征：

“帽子”（m7G-5′ppp5′-N-3′p）+單順反子+“尾巴”（PolyA）第62頁，共82頁，2023年，2月20日，星期一原核細(xì)胞mRNA的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)5′3′順反子順反子順反子插入順序插入順序先導(dǎo)區(qū)末端順序第63頁，共82頁，2023年，2月20日，星期一真核細(xì)胞mRNA的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)AAAAAAA-OH5′“帽子”PolyA

3′

順反子m7G-5′ppp-N-3′p帽子結(jié)構(gòu)功能*使mRNA免遭核酸酶的破壞*使mRNA能與核糖體小亞基結(jié)合并開始合成蛋白質(zhì)*被蛋白質(zhì)合成的起始因子所識別，從而促進(jìn)蛋白質(zhì)的合成。Poly(A)尾巴的功能*是mRNA由細(xì)胞核進(jìn)入細(xì)胞質(zhì)所必需的形式*它大大提高了mRNA在細(xì)胞質(zhì)中的穩(wěn)定性

第64頁，共82頁，2023年，2月20日，星期一第三節(jié)核酸的理化性質(zhì)

一、一般理化性質(zhì)性質(zhì)

二、核酸的紫外吸收特性（λmax=260nm）三、核酸的變性、復(fù)性和分子雜交四、核酸的熔解溫度（Tm）

第65頁，共82頁，2023年，2月20日，星期一一、一般理化性質(zhì)1、兩性電解質(zhì)2、DNA為白色纖維狀固體，RNA為白色粉未；微溶于水，不溶于一般的有機(jī)溶劑。3、DNA是極不對稱的線形分子，因此溶液的粘度比RNA高很多。4、兩者都能被酸、堿或酶水解成各種成分（RNA在室溫下被稀堿水解成核苷酸而DNA對堿較穩(wěn)定）第66頁，共82頁，2023年，2月20日，星期一二、DNA的紫外吸收光譜天然DNA變性DNA核苷酸總吸收值1232202402602800.10.20.30.4波長（nm）光吸收123增色效應(yīng)DNA變性后在260nm處光吸收增加的現(xiàn)象。

第67頁，共82頁，2023年，2月20日，星期一三、DNA的變性過程加熱部分雙螺旋解開無規(guī)則線團(tuán)鏈內(nèi)堿基配對第68頁，共82頁，2023年，2月20日，星期一核酸的變性、復(fù)性和雜交變性（加熱）探針雜交（緩慢冷卻）復(fù)性（緩慢冷卻）

變性：在物理、化學(xué)因素影響下，DNA堿基對間的氫鍵斷裂，雙螺旋解開，這是一個是躍變過程，伴有A260增加（增色效應(yīng)）,DNA的功能喪失。復(fù)性：在一定條件下，變性DNA單鏈間堿基重新配對恢復(fù)雙螺旋結(jié)構(gòu)，伴有A260減?。p色效應(yīng)）,DNA的功能恢復(fù)。第69頁，共82頁，2023年，2月20日，星期一分子雜交的原理示意圖

不同來源的DNA單鏈間或單鏈DNA與RNA之間只要有堿基配對的區(qū)域，在復(fù)性時(shí)可形成局部雙螺旋區(qū)，稱核酸分子雜交（hybridization）制備特定的探針（probe）通過雜交技術(shù)可進(jìn)行基因的檢測和定位研究。實(shí)例：southern印跡法第70頁，共82頁，2023年，2月20日，星期一Southern印跡法DNA分子限制片段限制性酶切割瓊脂糖電泳轉(zhuǎn)移至硝酸纖維素膜上與放射性標(biāo)記DNA探針雜交放射自顯影帶有DNA片段的凝膠凝膠濾膜用緩沖液轉(zhuǎn)移DNA吸附有DNA片段的膜第71頁，共82頁，2023年，2月20日，星期一四、Tm：熔解溫度（meltingtemperature）Polyd(A-T)DNAPolyd(G-C)

DNA的變性發(fā)生在一個很窄的溫度范圍內(nèi)，通常把熱變性過程中A260達(dá)到最大值一半時(shí)的溫度稱為該DNA的熔解溫度，用Tm表示。

Tm的大小與DNA分子中（G+C）的百分含量成正相關(guān)，測定Tm值可推算核酸堿基組成及判斷DNA純度。某些DNA的Tm值60801001.01.41.2100%A260t\0CTmTmTm123123第72頁，共82頁，2023年，2月20日，星期一影響Tm值的因素G－C對的含量溶液的離子強(qiáng)度。溶液的離子強(qiáng)度低，Tm值也低溶液的PH值，PH值大于11.3時(shí)，DNA完全變性，PH值小于5時(shí)DNA易脫嘌呤變性劑使Tm值下降第73頁，共82頁，2023年，2月20日，星期一第四節(jié)核酸的分離與含量測定一、核酸分離純化1、分離核酸的一般原則：防止降解2、DNA的分離用1mol/LNaCl抽提，稀釋至0.14mol/L鹽溶液中，RNP(RNA蛋白）溶解，DNP（DNA蛋白）溶解度最小。3、RNA的分離二、核酸含量測定

1、紫外吸收法

2、定糖法

3、定磷法第74頁，共82頁，2023年，2月20日，星期一第六節(jié)DNA研究進(jìn)展

一、人類基因組計(jì)劃簡介（HumanGenomeProject，HGP）二、DNA芯片技術(shù)簡介（DNAchip）第75頁，共82頁，2023年，2月20日，星期一人類基因組計(jì)劃簡介

（HumanGenomeProject，HGP）

該計(jì)劃是美國科學(xué)家在1985年率先提出，1990年正式啟動。美、英、德、法、日先后參加了此項(xiàng)工作，1999年我國成為HGP的第六個成員國。

HGP旨在闡明人類基因組DNA所具有的3×109核苷酸的序列，發(fā)現(xiàn)所有的人類基因并闡明其在染色體上的位置，破譯人類的全部遺傳信息，使得人類第一次在分子水平上全面地認(rèn)識自我。到目前為止，已完成了人類基因組的框架圖，測序的工作已基本完成。

HGP的實(shí)施，揭開了生命科學(xué)新的一頁，它可以造福于人類，但也面臨的倫理的挑戰(zhàn)。第76頁，共82頁，2023年，2月20日，星期一HGP取得的成就

完成了人類基因組工作草圖繪制,揭示了人類基因組若干細(xì)節(jié)基本上測定了人類基因組上的堿基序列一些模式生物(果蠅、擬南介等)和作物（如水稻）基因草圖繪制成功，測序基本完成促進(jìn)了生物信息學(xué)、蛋白質(zhì)組學(xué)、糖組學(xué)的迅猛發(fā)展人類基因組草圖繪就，中國科學(xué)家功不可沒第77頁，共82頁，2023年，2月20日，星期一HGP面臨的