生物化學核酸結構的功能專家講座

核酸是以核苷酸為基本組成單位生物大分子，攜帶和傳遞遺傳信息。什么是核酸(nucleicacid)

天然存在核酸可分為核糖核酸(RNA)和脫氧核糖核酸(DNA)兩大類。DNA:

是遺傳信息載體，與生物繁殖、遺傳及變異有親密關系。RNA:RNA功效主要是參加體內蛋白質生物合成過程。生物化學核酸結構的功能專家講座第1頁生命遺傳物質生物化學核酸結構的功能專家講座第2頁T2噬菌體侵染細菌試驗生物化學核酸結構的功能專家講座第3頁全部生物遺傳物質都是DNA嗎？細胞生物真核生物原核生物DNA病毒RNA病毒遺傳物質是DNA遺傳物質是RNA，如HIV、SARS病毒、禽流感病毒除RNA病毒外，其它生物遺傳物質都是DNA。除病毒外，其它生物細胞內都含有兩種核酸（同時含有DNA與RNA）。非細胞生物（含兩種核酸）（只含一個核酸）生物化學核酸結構的功能專家講座第4頁核酸分布

真核生物主要分布于細胞核，少數(shù)分布于線粒體，葉綠體；原核生物分布于擬核。主要分布于細胞質。(deoxyribonucleicacid,DNA)(ribonucleicacid,RNA)脫氧核糖核酸

核糖核酸攜帶遺傳信息，決定細胞和個體基因型(genotype)。

參與細胞內DNA遺傳信息表示。一些病毒RNA也可作為遺傳信息載體。大部分病毒體內只含有一個核酸，DNA或RNA生物化學核酸結構的功能專家講座第5頁核酸生物功效1.DNA是遺傳信息載體；2.RNA含有各種功效：

1）參加蛋白質合成；

2）作用于RNA轉錄后加工和修飾；

3）基因表示與細胞功效調整；

4）生物催化與其它細胞持家功效；

5）遺傳物質信息加工和進化。生物化學核酸結構的功能專家講座第6頁第一節(jié)核酸化學組成(TheChemicalComponentofNucleicAcid)一、化學組成

(一)元素組成

組成核酸主要元素：C、H、O、N、P（9%~10%）(二)基本組成單位——核苷酸

RNA和DNA都是以單核苷酸為基本單位所組成多核苷酸長鏈。生物化學核酸結構的功能專家講座第7頁

核苷酸結構生物化學核酸結構的功能專家講座第8頁2.戊糖(ribose)

核糖，脫氧核糖3.磷酸(phosphate)1.堿基(base)

嘌呤堿，嘧啶堿稀有堿基：如次黃嘌呤、二氫尿嘧啶等。(三)分子組成生物化學核酸結構的功能專家講座第9頁核酸水解產物磷酸核苷戊糖含氮堿核糖脫氧核糖嘌呤堿嘧啶堿核酸核苷酸生物化學核酸結構的功能專家講座第10頁脫氧核糖堿基磷酸A腺嘌呤G鳥嘌呤C胞嘧啶T胸腺嘧啶脫氧核苷酸核糖堿基磷酸A腺嘌呤G鳥嘌呤C胞嘧啶U尿嘧啶核糖核苷酸AGCTAGCU4種4種生物化學核酸結構的功能專家講座第11頁(1)嘌呤(purine)

腺嘌呤(adenine,A)鳥嘌呤(guanine,G)1.堿基NNNHN123456789NNNHNNH2NNHNHNNH2O生物化學核酸結構的功能專家講座第12頁(2)嘧啶(pyrimidine)胞嘧啶(cytosine,C)胸腺嘧啶(thymine,T)NHN132456尿嘧啶(uracil,U)NHNHOONNHNH2ONHNHOOCH3生物化學核酸結構的功能專家講座第13頁2.戊糖（組成RNA）1′2′3′4′5′核糖(ribose)（組成DNA）脫氧核糖(deoxyribose)OHOCH2OHOHOHOHOCH2OHOH生物化學核酸結構的功能專家講座第14頁3.磷酸生物化學核酸結構的功能專家講座第15頁二、基本單位——核苷酸(一)核苷(ribonucleoside)1.含氮堿基和戊糖通過糖苷鍵（C-N鍵）連接形成糖苷。2.核苷表示核苷：A,G,C,U脫氧核苷：dA,dG,dC,dT常見修飾核苷：次黃苷（I）、黃嘌呤核苷（X）等。

生物化學核酸結構的功能專家講座第16頁糖苷鍵生物化學核酸結構的功能專家講座第17頁(二)核苷酸(ribonucleotide)1.是由核苷與磷酸經脫水縮合后生成磷酸酯類化合物。核苷酸：AMP,GMP,UMP,CMP脫氧核苷酸：dAMP,

dGMP,

dTMP,

dCMP3.核苷酸種類

2.因為核苷與磷酸基縮合位置不一樣可分別生成：2-核苷酸、3-核苷酸和5-核苷酸。生物體內游離核苷酸多為5-核苷酸，簡稱核苷一磷酸或核苷酸（在核苷左側加p表示5-磷酸酯，如pA；右側則為3’-磷酸酯，如Cp；為2’-磷酸酯，需表明，如Gp2’

）。生物化學核酸結構的功能專家講座第18頁Pi糖苷鍵OOHOCH2HOHNNNH2O磷酸酯鍵OPOOOHOHOCH2HOHNNNH2O生物化學核酸結構的功能專家講座第19頁核糖核苷酸生物化學核酸結構的功能專家講座第20頁脫氧核糖核苷酸生物化學核酸結構的功能專家講座第21頁各種單核苷酸均能夠磷酸化，產生對應二磷酸或三磷酸化合物。得到各種核苷三磷酸如ATP、CTP、GTP、UTP是體內RNA合成直接原料，各種脫氧核苷三磷酸為DNA合成原料；在生物體能量代謝中發(fā)揮作用。生物化學核酸結構的功能專家講座第22頁(三)主要游離核苷酸及其衍生物1.多磷酸核苷酸

NDP，NTP2.環(huán)化核苷酸

cAMP，cGMPATPNOCH2OOHOHNNNNH2POOHOPOOHOPOOHOH生物化學核酸結構的功能專家講座第23頁功效：第二信使，激素、一些藥品、神經遞質經過其發(fā)揮生理作用。生物化學核酸結構的功能專家講座第24頁3.輔酶類核苷酸

NAD+

（煙酰胺腺嘌呤二核苷酸，CoⅠ）

NADP+（煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸，CoⅡ）

FMN（黃素單核苷酸）

FAD（黃素腺嘌呤二核苷酸）生物化學核酸結構的功能專家講座第25頁5′端3′端(四)核苷酸連接

1.核苷酸之間以3’,5’-磷酸二酯鍵連接形成多核苷酸鏈。CANH2NNOPOHHOOOH3COOHPHOOOH3COOHNH2NNNN磷酸二酯鍵生物化學核酸結構的功能專家講座第26頁A

G

P5PT

PG

PC

PTPOH32.書寫方法5pApGpTpGpCpT-OH

35

A

G

T

G

C

T

3線條式字母式生物化學核酸結構的功能專家講座第27頁第二節(jié)

DNA結構與功效

(StructureandFunctionofDNA)一、核酸一級結構(一)定義

各核苷酸殘基沿多核苷酸鏈排列次序。

因為核苷酸間差異主要是堿基不一樣，所以也稱為堿基序列。DNA:A、T、G、CRNA:A、U、G、C生物化學核酸結構的功能專家講座第28頁簡寫式表示核酸一級結構5

pApCpGpTpA-OH

35

A

CG

T

A

3生物化學核酸結構的功能專家講座第29頁二、DNA空間結構與功效(一)DNA二級結構—雙螺旋結構

1.定義即DNA雙鏈螺旋空間結構。Watson,Crick于1953提出。2.研究背景(1)堿基組成份析Chargaff規(guī)則：A

=

TG

=C(2)堿基理化數(shù)據(jù)分析A-T、G-C以氫鍵配對較合理[A]=

[T][G]

[C](3)X-線衍射圖譜分析

生物化學核酸結構的功能專家講座第30頁3.DNA雙螺旋結構模型關鍵點

(1)DNA分子是由兩條方向相反平行多核苷酸鏈組成，兩條鏈主鏈都是右手螺旋，螺旋表面有大溝和小溝；(2)堿基均在主鏈內側，螺旋直徑為2nm；[A]=

[T][G]

[C]這種A-T、C-G配正確規(guī)律，稱為堿基配對（堿基互補規(guī)則）。5/3/5/3/生物化學核酸結構的功能專家講座第31頁ATCG堿基互補配對

生物化學核酸結構的功能專家講座第32頁(4)雙螺旋每轉一周有10個堿基對（bp），每轉高度（螺距）為3.4nm；(3)成對堿基大致處于同一平面，與螺旋軸基本垂直；相鄰堿基平面間距離為0.34nm，形成堿基堆積力；糖環(huán)平面與螺旋軸基本平行，磷酸基連在糖環(huán)外側；生物化學核酸結構的功能專家講座第33頁(5)維持雙螺旋穩(wěn)定原因：橫向為氫鍵，縱向為堿基間堆積力。（6）大多數(shù)天然DNA屬雙鏈DNA；雙鏈DNA分子較硬，呈比較伸展結構。生物化學核酸結構的功能專家講座第34頁4.DNA雙螺旋結構多樣性Watson和Crick當年提出DNA雙螺旋模型，以后發(fā)覺其結構能夠發(fā)生一定改變而形成不一樣類型。

當DNA鈉鹽纖維相對濕度和鹽種類改變時，DNA構象發(fā)生改變。生物化學核酸結構的功能專家講座第35頁生物化學核酸結構的功能專家講座第36頁生物化學核酸結構的功能專家講座第37頁生物化學核酸結構的功能專家講座第38頁結構特點A-DNAB-DNAZ-DNA螺旋方向右手右手左手每一堿基對旋轉角度32.7°34.6°30°每一轉堿基對數(shù)～11～10.4～12堿基對相對螺旋軸傾斜角度19°1.2°9°每一堿基對沿螺旋軸上升距離0.23nm0.33nm0.38nm螺距2.46nm3.40nm4.56nm螺旋直徑2.55nm2.37nm1.84nmA-DNA、B-DNA和Z-DNA主要結構特點生物化學核酸結構的功能專家講座第39頁大部分生物體DNA多數(shù)為雙鏈線形分子，但有些為雙鏈環(huán)形DNA（dcDNA）超螺旋DNA（共價閉環(huán)DNA）松弛環(huán)形DNA（開環(huán)DNA）線形DNA負超螺旋DNA：在DNA旋轉酶即拓撲異構酶Ⅱ作用下，使環(huán)形DNA形成4周右手超螺旋，兩條鏈間扭曲會使雙螺旋圈數(shù)降低4周，這種能使雙螺旋圈數(shù)降低超螺旋稱負超螺旋DNA。解鏈環(huán)形DNA(二)DNA高級結構生物化學核酸結構的功能專家講座第40頁超螺旋結構生物化學核酸結構的功能專家講座第41頁負超螺旋結構生物化學核酸結構的功能專家講座第42頁生物體內絕大多數(shù)螺旋DNA以負超螺旋形式存在；真核細胞染色質和一些病毒DNA是雙螺旋線形分子，雙螺旋DNA盤繞組蛋白形成核小體。生物化學核酸結構的功能專家講座第43頁1.原核生物DNA超螺旋結構(1)定義即在DNA二級結構基礎上深入折疊成環(huán)狀或麻花狀超螺旋結構(superhelix或supercoil)。環(huán)狀麻花狀

生物化學核酸結構的功能專家講座第44頁(3)意義DNA超螺旋結構整體或局部拓撲學改變及其調控對于DNA復制和RNA轉錄過程具相關鍵作用。①正超螺旋(positivesupercoil)盤繞方向與DNA雙螺旋方同相同。②負超螺旋(negativesupercoil)盤繞方向與DNA雙螺旋方向相反。(2)種類生物化學核酸結構的功能專家講座第45頁2.真核生物DNA超螺旋結構①真核生物染色體由DNA和蛋白質組成，其基本單位是核小體。(1)DNA在真核生物細胞核內組裝

②核小體組成DNA：約200bpH1H2A，H2BH3H4組蛋白生物化學核酸結構的功能專家講座第46頁生物化學核酸結構的功能專家講座第47頁生物化學核酸結構的功能專家講座第48頁(三)DNA功效1.DNA基本功效是以基因形式荷載遺傳信息，并作為基因復制和轉錄模板。它是生命遺傳物質基礎，也是個體生命活動信息基礎。2.基因從結構上定義，是指DNA分子中特定區(qū)段，其中核苷酸排列次序決定了基因功效。3.進化程度越高生物其DNA分子越大，人類基因組有3×109個堿基對。生物化學核酸結構的功能專家講座第49頁基因：是含特定遺傳信息核苷酸序列（DNA或RNA）是遺傳物質最小功效單位?；?-有遺傳效應DNA片段，是控制生物性狀基本遺傳單位。遺傳學深入學習范圍生物化學核酸結構的功能專家講座第50頁RNA種類較多，主要包含tRNA、rRNA和mRNA三類。

RNA一級結構也是以3’,5’-磷酸二酯鍵連接成多核苷酸長鏈。

大多數(shù)天然RNA分子是一條單鏈，但鏈中許多區(qū)域可本身發(fā)生回折，也能夠形成局部堿基配對，組成局部雙螺旋區(qū)；不能配正確堿基則形成環(huán)狀突起，形成RNA二級結構。第三節(jié)

RNA結構與功效

(StructureandFunctionofRNA)生物化學核酸結構的功能專家講座第51頁RNA種類，分布和功效生物化學核酸結構的功能專家講座第52頁約占總RNA3%-5%，含量最少，種類最多，壽命較短。成熟mRNA不含內含子，hnRNA含有（細胞核內合成）。mRNA從DNA轉錄遺傳信息，并作為蛋白質合成模板，決定蛋白質氨基酸次序。一、mRNA結構與功效生物化學核酸結構的功能專家講座第53頁(二)mRNA功效

1.組成遺傳密碼，傳遞DNA所攜帶遺傳信息。

2.用連續(xù)三個核苷酸作為密碼子以決定其合成蛋白質氨基酸排列次序。DNAmRNA蛋白轉錄翻譯原核細胞

細胞質細胞核DNA內含子外顯子轉錄轉錄后剪接轉運mRNAhnRNA翻譯蛋白真核細胞

生物化學核酸結構的功能專家講座第54頁原核細胞mRNA結構原核細胞mRNA結構與真核細胞顯著不一樣：無內含子5‘端無帽狀結構3‘端不含polyA結構普通為多順反子結構，即一個mRNA中常含有幾個蛋白質信息，能指導幾個蛋白質生物合成，mRNA代謝很快，代謝半衰期普通以秒計，極少到達10min以上。生物化學核酸結構的功能專家講座第55頁*真核hnRNA→mRNA成熟過程內含子(intron)mRNA

外顯子(exon)hnRNA生物化學核酸結構的功能專家講座第56頁*真核mRNA結構特點：單順反子1.大多數(shù)真核mRNA5′末端均在轉錄后加上一個7-甲基鳥苷三磷酸，形成帽子結構：m7GpppN。2.大多數(shù)真核mRNA3′末端有一個多聚腺苷酸(polyA)結構，稱為多聚A尾。AUGGUG······GCGAGGTGTATTGA······UAAAAAA······Anm7Gppp5/帽子結構5/非編碼區(qū)編碼區(qū)3/非編碼區(qū)3/多聚A尾生物化學核酸結構的功能專家講座第57頁帽子結構G被甲基化，可能與蛋白質合成起始相關。多聚A尾與mRNA從核入質相關，與mRNA半壽期相關。帽子結構和多聚A尾功效生物化學核酸結構的功能專家講座第58頁轉運RNA是含有攜帶并轉運氨基酸功效一類小分子核糖核酸，簡tRNAtRNA約占總RNA10-15%。結構一級結構二級結構：三葉草型三級結構：倒L型二、tRNA結構與功效生物化學核酸結構的功能專家講座第59頁tRNA一級結構特點相對分子量較小，分子量25000左右，沉降系數(shù)為4S左右，大約由70－90個核苷酸組成。3′末端為—CCA-OH，5′末端大多數(shù)為G

含有較多修飾成份：稀有堿基如DHU、TC和稀有核苷

生物化學核酸結構的功能專家講座第60頁*tRNA二級結構——三葉草形1.tRNA普通由四環(huán)四臂組成；2.氨基酸臂，3‘端有-CCA-OH結構，其羥基可與攜帶氨基酸形成共價鍵3.二氫尿嘧啶（D）環(huán)和對應D臂4.反密碼子環(huán)和反密碼子臂，含有三個相鄰堿基與mRNA作用反密碼子5.可變環(huán)；6.假尿嘧啶（TψC）環(huán)和TψC臂；氨基酸臂額外環(huán)OHACCAGAGGGCCCCCCGCAAGCCGCUCUCGUAUCTΨCCGGGGGGGCAAGmDDGGDDDAACAGUUAAAAψGUUCCDmAACATΨ環(huán)D環(huán)反密碼環(huán)反密碼子生物化學核酸結構的功能專家講座第61頁*tRNA三級結構——倒L形

X線衍射結構證實，tRNA共同三級結構為倒L形。生物化學核酸結構的功能專家講座第62頁tRNA功效主要作用是將aa搬運到核糖體-mRNA復合物對應位置，參加蛋白質翻譯；破譯遺傳密碼。生物化學核酸結構的功能專家講座第63頁(二)rRNA由單鏈卷曲組成多莖環(huán)結構。三、rRNA結構與功效(三)rRNA參加組成核糖體大、小亞基，

rRNA功效與蛋白質生物合成相關，可分別與mRNA、tRNA作用，催化肽鍵形成。(一)rRNA占總RNA80％以上。生物化學核酸結構的功能專家講座第64頁生物化學核酸結構的功能專家講座第65頁原核生物（以大腸桿菌為例）真核生物（以小鼠肝為例）小亞基30S40SrRNA16S1542個核苷酸18S1874個核苷酸蛋白質21種占總重量40%33種占總重量50%大亞基50S60SrRNA23S5S2940個核苷酸120個核苷酸28S5.85S5S4718個核苷酸160個核苷酸120個核苷酸蛋白質31種占總重量30%49種占總重量35%核糖體組成生物化學核酸結構的功能專家講座第66頁四、小分子核內RNA與RNA組學(一)snmRNAs

除了上述三種RNA外，細胞不一樣部位存在許多其它種類小分子RNA，統(tǒng)稱為非mRNA小RNA(smallnon-messengerRNAs,snmRNAs)。包含核內小RNA、核仁小RNA、胞質小RNA、催化性小RNA、小片段干涉RNA。參加hnRNA和rRNA加工和轉運。RNA組學是研究細胞中snmRNAs種類、結構和功效。生物不一樣細胞、不一樣時間、不一樣狀態(tài)下snmRNAs表示含有時間和空間特異性。(二)RNA組學生物化學核酸結構的功能專家講座第67頁五、核酶

(一)含有催化功效RNA稱為核酶。底物部分(二)核酶錘頭狀結構

通常為60個核苷酸組成，包含有催化部分和底物部分組成錘頭結構。(三)核酶研究意義

核酶發(fā)覺，對中心法則作了主要補充；是對傳統(tǒng)酶學挑戰(zhàn)；利用核酶結構設計合成人工核酶。

生物化學核酸結構的功能專家講座第68頁1、RNA在傳遞遺傳信息上作用2、催化作用3、在DNA復制、轉錄、翻譯中起主要調控作用；如miRNA，siRNA等。4、可作為遺傳物質（如逆轉錄病毒）;RNA即可為遺傳物質，又可行使蛋白質功效，故RNA在生命起源于生物進化研究中有主要意義RNA功效生物化學核酸結構的功能專家講座第69頁

第四節(jié)核酸理化性質(ThePhysicalandChemicalCharactersofNucleicAcid)一、

普通理化性質二、

紫外吸收性質三、核酸結構穩(wěn)定性四、核酸變性與復性五、核酸分子雜交生物化學核酸結構的功能專家講座第70頁兩性電解質核酸含酸性磷酸基團，又含弱堿性堿基，為兩性電解質，可發(fā)生兩性解離；溶解性DNA白色纖維狀固體，RNA白色粉末狀固體，都微溶于水，不溶于普通有機試劑（乙醇沉淀核酸），鈉鹽易溶于水。粘度高普通DNA比RNA粘度高。水解性可被酸、堿或酶水解，DNA比RNA對稀堿穩(wěn)定。一、核酸普通性質RNA等電點比DNA低原因，RNA分子中核糖基2′-OH經過氫鍵促進了磷酸基上質子解離，DNA沒有這種作用生物化學核酸結構的功能專家講座第71頁糖苷鍵和磷酸酯鍵1.酸水解：糖苷鍵比磷酸酯鍵易被酸水解；嘌呤堿糖苷鍵比嘧啶堿糖苷鍵穩(wěn)定性差；2.堿水解：RNA磷酸酯鍵易水解，DNA較穩(wěn)定；3.酶水解：核酸水解生物化學核酸結構的功能專家講座第72頁（1）依據(jù)對底物專一性分為（2）依據(jù)切割位點分為核糖核酸酶(RNase)脫氧核糖核酸酶(DNase)非特異性核酸酶核酸內切酶核酸外切酶1、核酸酶生物化學核酸結構的功能專家講座第73頁

原核生物中存在著一類能識別外源DNA雙螺旋中4-8個堿基對所組成特異含有二重旋轉對稱性回文序列，并在此序列某位點水解DNA雙螺旋鏈，產生粘性末端或平末端，這類酶稱為限制性內切酶。2.限制性內切酶生物化學核酸結構的功能專家講座第74頁二、紫外吸收(一)因為嘌呤和嘧啶中含有共軛雙鍵，所以核苷酸在紫外光區(qū)含有強烈吸收，其最大吸收260nm處。堿基紫外光譜240250260270280波長(nm)40006000800010000114000分子消光系數(shù)AMPGMPUMPCMPdTMP生物化學核酸結構的功能專家講座第75頁1.DNA或RNA定量OD260=1.0相當于：50μg/ml雙鏈DNA40μg/ml單鏈DNA（或RNA）20μg/ml寡核苷酸2.判斷核酸樣品純度DNA純品:

OD260/OD280=1.8RNA純品:

OD260/OD280=2.0(二)OD260應用生物化學核酸結構的功能專家講座第76頁三、核酸結構穩(wěn)定性1.堿基對間氫鍵氫鍵較弱，但氫鍵集合能量很大如不能使氫鍵全部打開，則打開氫鍵有恢復原有狀態(tài)趨勢RNA中單鏈突環(huán)相互靠近形成環(huán)間堿基對是三級結構穩(wěn)定主要原因2.堿基堆積：對維持核酸空間結構有主要作用3.環(huán)境中正離子生物化學核酸結構的功能專家講座第77頁四、核酸變性與復性(一)變性

(denaturation)1.定義在一些理化原因作用下，DNA雙鏈解開成兩條單鏈過程。本質是雙鏈間氫鍵斷裂。3.變性后其它理化性質改變①OD260增高②浮力密度升高 ③粘度下降④酸堿滴定曲線改變⑤比旋度下降⑥生物活性喪失 (1)理化性質改變2.原因強酸，強堿，高溫，高壓，變性試劑如尿素以及一些有機溶劑如乙醇等?！俸怂峤到馍锘瘜W核酸結構的功能專家講座第78頁生物化學核酸結構的功能專家講座第79頁(2)增色效應：

核酸DNA變性時其溶液OD260增高現(xiàn)象。DNA紫外吸收光譜200

2502603001.51.00.5波長(nm)吸光度值變性狀態(tài)天然狀態(tài)生物化學核酸結構的功能專家講座第80頁(3)Tm：紫外光吸收值到達最大值50%時溫度稱為DNA解鏈溫度，又稱融解溫度(meltingtemperature,Tm)。其大小與G+C含量成正比。

解鏈曲線：在連續(xù)加熱DNA過程中以溫度為橫坐標，以吸光度D260為縱坐標作圖，所得曲線稱為解鏈曲線。7680848892