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第四章 核酸的结构与功能 Chapter 4 Structure and Function of Nucleic Acid

第四章 核酸的结构与功能 Chapter 4 Structure and Function of Nucleic Acid. 主要内容. 核酸的化学组成 核酸的一级结构 DNA 的空间结构与功能 RNA 的空间结构与功能 核酸的理化性质及其应用 核酸酶. 教学目的 : 1. 了解核酸的化学组成 2. 掌握核酸的结构与功能 3. 掌握核酸的理化性质及应用 教学重点难点 : DNA 的双螺旋结构 ;mRNA 的结构与功能 ;DNA 的复性与分子杂交 教学课时 :8. 核酸是存在于细胞中的一类大分子酸性物质，包括

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第四章 核酸的结构与功能 Chapter 4 Structure and Function of Nucleic Acid

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  1. 第四章 核酸的结构与功能Chapter 4 Structure and Function of Nucleic Acid

  2. 主要内容 核酸的化学组成 核酸的一级结构DNA的空间结构与功能RNA的空间结构与功能 核酸的理化性质及其应用 核酸酶

  3. 教学目的: 1.了解核酸的化学组成 2.掌握核酸的结构与功能 3.掌握核酸的理化性质及应用 • 教学重点难点: DNA的双螺旋结构;mRNA的结构与功能;DNA的复性与分子杂交 • 教学课时:8

  4. 核酸是存在于细胞中的一类大分子酸性物质，包括核酸是存在于细胞中的一类大分子酸性物质，包括 核糖核酸（ribonucliec acid ,RNA） 脱氧核糖核酸（deoxyribonucliec acid DNA） • RNA和DNA都是以单核苷酸为基本单位所组成的多核苷酸长链。 • RNA主要参与遗传信息的表达，而DNA则是遗传信息的载体。

  5. 核酸的发现及发展 1869年，瑞士外科医生Miescher从伤口绷带的脓细胞核中分离出酸性很强的物质，称为核素。 1944年，Avery通过肺炎双球菌转化实验证实了DNA是遗传的物质基础。 1953年Watson和Crick提出DNA的双螺旋结构模型，从此，核酸的研究成了生命科学中最活跃的领域之一。

  6. 1944年，Avery肺炎双球菌转化实验

  7. λ噬菌体转化实验

  8. 1953. Watson & Crick Right handed B-form DNA Double helix Model

  9. Sectiom 1 核酸的化学组成 核酸的水解产物：

  10. 1. 嘧啶碱(Pyrimidine bases)： 尿嘧啶 胞嘧啶 胸腺嘧啶

  11. 2. 嘌呤碱(Purine bases)： 腺嘌呤 鸟嘌呤

  12. 二、戊糖与核苷 1．戊糖(pentose)： β-D-核糖 β-D-2-脱氧核糖

  13. 2．核苷： • 核苷是由戊糖与含氮碱基经脱水缩合而生成的化合物。 • 在大多数情况下，核苷是由核糖或脱氧核糖的C1’ β-羟基与嘧啶碱N1或嘌呤碱N9进行缩合，故生成的化学键称为β，N糖苷键。

  14. N1 N9 β1’ β1’ 腺苷(AR) 脱氧胞苷(dCR) β1’,N9-糖苷键 β1’,N1-糖苷键

  15. “稀有核苷”是由“稀有碱基”所生成的核苷。“稀有核苷”是由“稀有碱基”所生成的核苷。 假尿苷（ψ） β1’,C5-糖苷键 C5 β1’

  16. 三、核苷酸的结构与命名 • 核苷酸是由核苷与磷酸经脱水缩合后生成的磷酸酯类化合物，包括核糖核苷酸和脱氧核糖核苷酸两大类。 • 由于与磷酸基缩合的位置不同而分别生成2’-核苷酸、3’-核苷酸和5’-核苷酸。最常见者为5’-核苷酸（5’常被省略）。

  17. 核苷酸的分子结构

  18. 5’-核苷酸又可按其在5’位缩合的磷酸基的多少，分为一磷酸核苷(NMP)（核苷酸）、二磷酸核苷(NDP)和三磷酸核苷(NTP)。5’-核苷酸又可按其在5’位缩合的磷酸基的多少，分为一磷酸核苷(NMP)（核苷酸）、二磷酸核苷(NDP)和三磷酸核苷(NTP)。

  19. 环核苷酸的分子结构 环一磷酸腺苷 环一磷酸鸟苷

  20. 核苷酸的命名及缩写符号

  21. Section 2 核酸的一级结构 • 一分子的核苷酸的3’-位羟基与另一分子核苷酸的5’-位磷酸基通过脱水可形成3’,5’-磷酸二酯键，从而将两分子核苷酸连接起来。

  22. 多核苷酸链： • 核酸就是由许多核苷酸单位通过3’,5’-磷酸二酯键连接起来形成的不含侧链的长链状化合物。 • 核酸是具有方向性的长链状化合物，多核苷酸链的两端，一端称为5’-端，另一端称为3’-端。

  23. DNA分子主要由dAMP、dGMP、dCMP和dTMP四种脱氧核糖核苷酸所组成。DNA的一级结构就是指DNA分子中脱氧核糖核苷酸的排列顺序及连接方式。DNA分子主要由dAMP、dGMP、dCMP和dTMP四种脱氧核糖核苷酸所组成。DNA的一级结构就是指DNA分子中脱氧核糖核苷酸的排列顺序及连接方式。 • RNA分子主要由AMP，GMP，CMP，UMP四种核糖核苷酸组成。RNA的一级结构就是指RNA分子中核糖核苷酸的排列顺序及连接方式。

  24. 核酸一级结构的表示方法 5’-AGTCCATG-3’ A G T C C P P P P P OH 5’-AGUCCAUG-3’

  25. Section 3 DNA的空间结构与功能 一、DNA的二级结构——双螺旋结构模型 • DNA双螺旋结构是DNA二级结构的一种重要形式，它是Watson和Crick两位科学家于1953年提出来的一种结构模型。 • 一、 DNA分子模型建立 1.Chargaff 碱基组成规律 2.DNA晶体的X-射线图谱研究 各原子之间的键长、键角

  26. （一）DNA双螺旋结构的研究背景： • 1950～1953，Chargaff研究小组对DNA的化学组成进行了研究，发现： ① DNA碱基组成有物种差异，且物种亲缘关系越远，差异越大； ② 相同物种，不同组织器官中DNA碱基组成相同，而且不因年龄、环境及营养而改变； ③ DNA分子中四种碱基的摩尔百分比具有一定的规律性，即A=T、G=C、A+G=T+C。这一规律被称为Chargaff原则。

  27. 1953年由Wilkins研究小组完成的研究工作，发现了DNA晶体的X线衍射图谱中存在两种周期性反射，并证明DNA是一种螺旋构象。1953年由Wilkins研究小组完成的研究工作，发现了DNA晶体的X线衍射图谱中存在两种周期性反射，并证明DNA是一种螺旋构象。

  28. （二）DNA双螺旋结构模型的要点： • 目前已知DNA双螺旋结构可分为A、B、C、D及Z型等数种，除Z型为左手双螺旋外，其余均为右手双螺旋。

  29. B型双螺旋DNA的结构特征

  30. 碱基配对及氢键形成

  31. B型双螺旋DNA的结构特点： 1.ＤＮＡ由两条反向平行的脱氧多核苷酸（两条链的走向为5’→3’和3’→5’），围绕一中心轴（假想轴）构成右手双螺旋结构。 2.磷酸基与脱氧核糖在外侧彼此间以磷酸二酯键相连，构成ＤＮＡ的骨架主链，碱基位于内侧；碱基平面与中心轴垂直，各相邻平面部分重叠;糖环平面与中心 轴平行。

  32. 3. 两条链间存在碱基互补：A与T或G与C配对形成氢键，称为碱基互补原则（A与T为两个氢键，G与C为三个氢键）； 4. 螺旋的稳定因素为氢键和碱基堆砌力； 5. 螺旋的直径为2nm,沿轴向，每个碱基平面 的距离为0.34nm,每圈螺旋含有10对 核苷酸,螺距为3.4nm，

  33. 二、DNA的超螺旋结构 （一）原核生物DNA的三级结构： • 绝大多数原核生物的DNA都是共价封闭的环状双螺旋。如果再进一步盘绕则形成麻花状的超螺旋三级结构。

  34. （二）真核生物中的核小体结构： • 在真核生物中，双螺旋的DNA分子围绕一蛋白质八聚体进行盘绕，从而形成特殊的串珠状结构，称为核小体。核小体结构属于DNA的三级结构。

  35. 三、DNA的功能 •  DNA的基本功能是作为遗传信息的载体，为生物遗传信息复制以及基因信息的转录提供模板。 • DNA分子中具有特定生物学功能的片段称为基因（gene）。一个生物体的全部DNA序列称为基因组（genome）。基因组的大小与生物的复杂性有关，如病毒SV40的基因组大小为5.1×103bp，大肠杆菌为5.7×106bp，人为3×109bp。 嘌呤

  36. Section 4 RNA的空间结构与功能 • RNA通常以单链形式存在，但也可形成局部的双螺旋结构。 • RNA分子的种类较多，分子大小变化较大，功能多样化。 • 主要的RNA种类有rRNA、mRNA、tRNA、HnRNA、SnRNA、SnoRNA、ScRNA等。

  37. 一、mRNA的结构与功能 • mRNA可形成局部双螺旋结构的二级结构。 • mRNA在真核生物中的初级产物称为HnRNA。 • 大多数真核成熟的mRNA分子具有典型的5’-端的7-甲基鸟苷三磷酸（m7GTP）帽子结构和3’-端的多聚腺苷酸(polyA)尾巴结构。

  38. 真核生物mRNA 5’-端帽子结构

  39. 真核生物mRNA 3’-端的polyA结构

  40. mRNA分子中带有遗传密码，其功能是为蛋白质的合成提供模板。mRNA分子中带有遗传密码，其功能是为蛋白质的合成提供模板。 • mRNA分子中每三个相邻的核苷酸组成一组，在蛋白质翻译合成时代表一个特定的氨基酸，这种核苷酸三联体称为遗传密码（coden）

  41. 二、tRNA的结构与功能 • tRNA是分子最小，但含有稀有碱基最多的RNA，其稀有碱基的含量可多达20%。 • tRNA是保守性最强的RNA。 • tRNA是单链核酸，但其分子中的某些局部也可形成双螺旋结构。

  42. （一）tRNA的二级结构： • tRNA的二级结构由于局部双螺旋的形成而呈现“三叶草”形，故称为“三叶草”结构。 • tRNA的“三叶草”形结构包括：氨基酸臂、DHU臂、反密码臂、可变臂和TψC臂五部分。

  43. 氨基酸臂 DHU臂 TψC臂 可变臂 反密码臂

  44. （二）tRNA的三级结构：

  45. 三、rRNA的结构与功能 • rRNA是细胞中含量最多的RNA，占总量的80%。rRNA与蛋白质一起构成核蛋白体，作为蛋白质生物合成的场所。

  46. 在原核生物中，rRNA有三种：5S，16S，23S。其中，16S的rRNA参与构成核蛋白体的小亚基，而5S和23S的rRNA参与构成核蛋白体大亚基。在原核生物中，rRNA有三种：5S，16S，23S。其中，16S的rRNA参与构成核蛋白体的小亚基，而5S和23S的rRNA参与构成核蛋白体大亚基。 • 在真核生物中，rRNA有四种：5S，5.8S，18S，28S。其中，18S的rRNA参与构成核蛋白体小亚基，其余的rRNA参与构成核蛋白体大亚基。

  47. 大肠杆菌16S rRNA的二级结构

  48. 四、核酶 • 具有自身催化作用的RNA称为核酶（ribozyme），核酶通常具有特殊的分子结构，如锤头结构。

  49. Section 5 DNA的理化性质及其应用 一、核酸的一般理化性质 • 1、性状：RNA及其组分核苷酸、核苷、嘌呤碱、嘧啶碱的纯品都呈白色的粉末或结晶；DNA则为疏松的石棉一样的纤维状固体。核酸具有酸性；粘度大；能吸收紫外光，最大吸收峰为260nm。

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