核酸的結構和功能專業知識講座核酸的結構和功能專業知識講座第1頁第二章

核酸結構和功效StructureandFunctionofNucleicAcid核酸的結構和功能專業知識講座第2頁核酸(nucleicacid)

是以核苷酸為基礎組成單位生物大分子，攜帶和傳遞遺傳信息。核酸的結構和功能專業知識講座第3頁1868年FridrichMiescher

從膿細胞中提取核素。1944年

Avery等人證實DNA是遺傳物質。1953年

Watson和Crick發覺DNA雙螺旋結構。1968年Nirenberg發覺遺傳密碼。1975年Temin和Baltimore發現逆轉錄酶。1981年Gilbert和Sanger建立DNA測序方法。1985年Mullis創造PCR技術。1990年美國啟感人類基因組計劃(HGP)。1994年中國人類基因組計劃開啟。年美英等國完成人類基因組計劃。核酸研究發展簡史核酸的結構和功能專業知識講座第4頁核酸分類及分布

存在于細胞核和線粒體

分布于細胞核、細胞質、線粒體(deoxyribonucleicacid,DNA)(ribonucleicacid,RNA)脫氧核糖核酸

核糖核酸攜帶遺傳信息，并經過復制傳遞給下一代。是DNA轉錄產物，參加遺傳信息復制與表示。一些病毒RNA也可作為遺傳信息載體核酸的結構和功能專業知識講座第5頁第一節核酸化學組成以及一級結構TheChemicalComponentandPrimaryStructureofNucleicAcid核酸的結構和功能專業知識講座第6頁核酸(DNA和RNA)核苷酸核苷和脫氧核苷磷酸戊糖堿基嘌呤嘧啶核糖脫氧核糖核酸組成DNA組成單位是脫氧核糖核苷酸（deoxyribonucleotide）RNA組成單位是核糖核苷酸（ribonucleotide）。核酸的結構和功能專業知識講座第7頁分子組成堿基(base)：嘌呤堿，嘧啶堿戊糖(ribose)：核糖，脫氧核糖磷酸(phosphate)一、核苷酸是組成核酸基礎組成單位核酸的結構和功能專業知識講座第8頁堿基(base)是含氮雜環化合物。堿基嘌呤嘧啶腺嘌呤鳥嘌呤尿嘧啶胸腺嘧啶胞嘧啶存在于DNA和RNA中僅存在于RNA中僅存在于DNA中堿基核酸的結構和功能專業知識講座第9頁嘌呤(purine，Pu)腺嘌呤(adenine,A)鳥嘌呤(guanine,G)核酸的結構和功能專業知識講座第10頁嘧啶(pyrimidine，Py)胞嘧啶(cytosine,C)尿嘧啶(uracil,U)胸腺嘧啶(thymine,T)核酸的結構和功能專業知識講座第11頁堿基互變異構體

核酸的結構和功能專業知識講座第12頁戊糖（組成RNA）1′2′3′4′5′β-D-核糖(ribose)（組成DNA）β-D-2′脫氧核糖(deoxyribose)核酸的結構和功能專業知識講座第13頁脫氧核苷嘌呤N-9

與脫氧核糖C-1

經過β-N-糖苷鍵相連形成脫氧核苷(deoxyribonucleoside)。核酸的結構和功能專業知識講座第14頁

嘧啶N-1與核糖C-1

經過β-N-糖苷鍵相連形成核苷(ribonucleoside)。核苷NNNN9NH2OOHOHHHHCH2OHH1'2'糖苷鍵核酸的結構和功能專業知識講座第15頁核苷或脫氧核苷與磷酸經過酯鍵結合組成核苷酸(ribonucleotide)或脫氧核苷酸(deoxyribonucleotide)。核苷酸(ribonucleotide)NNNN9NH2OOHOHHHHCH2H1'2'OPO-HOO糖苷鍵酯鍵核酸的結構和功能專業知識講座第16頁多磷酸核苷酸核酸的結構和功能專業知識講座第17頁環化核苷酸：cAMP、cGMP，是細胞信號轉導中第二信使。cAMP核苷酸衍生物核酸的結構和功能專業知識講座第18頁生物氧化體系主要成份，在傳遞質子或電子過程中含有主要作用。煙酰胺腺嘌呤二核苷酸，nicotinamideadeninedinucleotide,NAD+），核酸的結構和功能專業知識講座第19頁

組成RNA堿基、核苷以及核苷酸堿基

核苷

核苷酸A

腺苷adenosine

腺苷一磷酸adenosinemonophosphate,AMPG

鳥苷guanosine

鳥苷一磷酸guanosinemonophosphate,GMPC

胞苷cytidine

胞苷一磷酸cytidinemonophosphate,CMPU

尿苷uridine

尿苷一磷酸uridinemonophosphate,UMP核酸的結構和功能專業知識講座第20頁

組成DNA堿基、核苷、核苷酸堿基脫氧核苷脫氧核苷酸A脫氧腺苷deoxyadenosine脫氧腺苷一磷酸deoxyadenosinemonophosphate,dAMPG脫氧鳥苷deoxyguanosine脫氧鳥苷一磷酸deoxyguanosinemonophosphate,dGMPC脫氧胞苷deoxycytidine脫氧胞苷一磷酸deoxycytidinemonophosphate,dCMPT脫氧胸苷deoxythymidine或thymidine脫氧胸苷一磷酸deoxythymidinemonophosphate,dTMP核酸的結構和功能專業知識講座第21頁二、DNA是脫氧核苷酸經過3

,5

-磷酸二酯鍵連接形成大分子一個脫氧核苷酸3

羥基與另一個核苷酸5

α-磷酸基團縮合形成磷酸二酯鍵(phosphodiesterbond)。

多個脫氧核苷酸經過磷酸二酯鍵組成了含有方向性線性分子，稱為多聚脫氧核苷酸(polydeoxynucleotide)，即DNA鏈。核酸的結構和功能專業知識講座第22頁5′-末端3′-末端CGA磷酸二酯鍵磷酸二酯鍵核酸的結構和功能專業知識講座第23頁交替磷酸基團和戊糖組成了DNA骨架(backbone)。DNA鏈方向是5

→

3

核酸的結構和功能專業知識講座第24頁三、RNA也是含有3

,5

-磷酸二酯鍵線性大分子RNA也是多個核苷酸分子經過3

,5

-磷酸二酯鍵連接形成線性大分子，也含有5

→3

方向性;RNA戊糖是核糖；

RNA嘧啶是胞嘧啶和尿嘧啶。組成RNA四種基礎核苷酸是AMP、GMP、CMP和UMP。核酸的結構和功能專業知識講座第25頁定義核酸中核苷酸排列次序。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。5

端3

端CGA四、核酸一級結構是核苷酸排列次序核酸的結構和功能專業知識講座第26頁AGP5

PTPGPCPTPOH3

核酸一級結構5

pApCpTpGpCpT-OH

3

5

ACTGCT

3

ACTGCT核酸的結構和功能專業知識講座第27頁單鏈DNA和RNA分子大小常見核苷酸數目（nucleotide，nt）表示；雙鏈核酸分子大小常見堿基(base或kilobase)數目來表示。小核酸片段(<50bp)常被稱為寡核苷酸(oligonucleotide)。自然界中DNA和RNA長度能夠高達幾十萬個堿基。核酸的結構和功能專業知識講座第28頁第二節DNA空間結構與功效DimensionalStructureandFunctionofDNA核酸的結構和功能專業知識講座第29頁DNA空間結構又分為二級結構(secondarystructure)和高級結構。DNA空間結構(spatialstructure)組成DNA全部原子在三維空間相對位置關系。核酸的結構和功能專業知識講座第30頁一、DNA二級結構是雙螺旋結構核酸的結構和功能專業知識講座第31頁不一樣生物種屬DNA堿基組成不一樣同一個體不一樣器官或組織DNA堿基組成相同

對于一特定組織DNA，其堿基組分不隨年紀、營養狀態和環境而改變[A]=[T]，[G]=[C]Chargaff規則（一）DNA雙螺旋結構試驗基礎取得了高質量DNA分子X射線衍射照片。提出了DNA分子雙螺旋結構(doublehelix)模型。核酸的結構和功能專業知識講座第32頁兩條多聚核苷酸鏈在空間走向呈反向平行(anti-parallel)。兩條鏈中一條鏈5

→3

方向是自上而下，而另一條鏈5

→3

方向是自下而上。兩條鏈圍繞著同一個螺旋軸形成右手螺旋(right-handed)結構。雙螺旋結構直徑為2.37nm，螺距為3.54nm。（二）DNA雙螺旋結構模型關鍵點1.DNA由兩條多聚脫氧核苷酸鏈組成核酸的結構和功能專業知識講座第33頁脫氧核糖和磷酸基團組成親水性骨架位于雙螺旋結構外側，疏水堿基位于內側。雙螺旋結構表面形成了一個大溝(majorgroove)和一個小溝(minorgroove)。2.核糖與磷酸位于外側核酸的結構和功能專業知識講座第34頁DNA雙螺旋結構示意圖DNA雙螺旋結構俯視圖核酸的結構和功能專業知識講座第35頁3.DNA雙鏈之間形成了互補堿基對堿基配對關系稱為互補堿基對(complementarybasepair)。DNA兩條鏈則互為互補鏈(complementarystrand)。堿基對平面與螺旋軸垂直。核酸的結構和功能專業知識講座第36頁堿基互補配對:鳥嘌呤/胞嘧啶核酸的結構和功能專業知識講座第37頁堿基互補配對:腺嘌呤/胸腺嘧啶核酸的結構和功能專業知識講座第38頁大溝與小溝核酸的結構和功能專業知識講座第39頁相鄰兩個堿基對會有重合，產生了疏水性堿基堆積力(basestackinginteraction)。堿基堆積力和互補堿基正確氫鍵共同維系著DNA結構穩定。4.堿基正確疏水作用力和氫鍵共同維持著DNA雙螺旋結構穩定核酸的結構和功能專業知識講座第40頁堿基堆積作用力核酸的結構和功能專業知識講座第41頁（三）DNA雙螺旋結構多樣性核酸的結構和功能專業知識講座第42頁（四）DNA多鏈結構在酸性溶液中，胞嘧啶N-3原子被質子化，可與鳥嘌呤N-7原子形成氫鍵；同時，胞嘧啶N-4氫原子也可與鳥嘌呤O-6形成氫鍵，這種氫鍵被稱為Hoogsteen氫鍵。Hoogsteen氫鍵Hoogsteen氫鍵，不破壞Watson-Crick氫鍵，由此形成了C＋GC三鏈結構(triplex)。核酸的結構和功能專業知識講座第43頁三鏈結構核酸的結構和功能專業知識講座第44頁鳥嘌呤之間經過8個Hoogsteen氫鍵形成特殊四鏈結構(tetraplex)。四鏈結構核酸的結構和功能專業知識講座第45頁真核生物DNA3

-末端是富含GT屢次重復序列，因而本身形成了折疊四鏈結構。核酸的結構和功能專業知識講座第46頁二、DNA高級結構是超螺旋結構超螺旋結構(superhelix或supercoil)DNA雙螺旋鏈再盤繞即形成超螺旋結構。正超螺旋(positivesupercoil)盤繞方向與DNA雙螺旋方同相同。負超螺旋(negativesupercoil)盤繞方向與DNA雙螺旋方向相反。

核酸的結構和功能專業知識講座第47頁（一）原核生物DNA環狀超螺旋結構原核生物DNA多為環狀雙螺旋分子

，以負超螺旋形式存在，平均每200堿基就有一個超螺旋形成。核酸的結構和功能專業知識講座第48頁（二）真核生物DNA以核小體為單位形成高度有序致密結構真核生物DNA以非常有序形式存在于細胞核內。在細胞周期大個別時間里，DNA以渙散染色質(chromatin)形式存在，在細胞分裂期，則形成高度致密染色體(chromosome)。核酸的結構和功能專業知識講座第49頁DNA染色質展現出串珠樣結構。染色質基礎單位是核小體(nucleosome)。DNA染色質電鏡圖像核酸的結構和功能專業知識講座第50頁DNA：約200bp

組蛋白：H1H2A，H2BH3H4核小體組成核酸的結構和功能專業知識講座第51頁核小體串珠樣結構核酸的結構和功能專業知識講座第52頁雙鏈DNA折疊和組裝核酸的結構和功能專業知識講座第53頁DNA經過屢次折疊，被壓縮了8000～10000倍，組裝在直徑只有數微米細胞核內。核酸的結構和功能專業知識講座第54頁真核生物染色體兩個功效區：端粒(telomeres):染色體末端膨大粒狀結構，由染色體末端DNA（端粒DNA）與DNA結合蛋白組成。與染色體結構穩定性、完整性以及衰老和腫瘤發生發展相關。著絲粒（centromere）:兩個染色單體連接位點，富含A、T序列。細胞分裂時，著絲粒可分開使染色體均等有序地進入子代細胞。核酸的結構和功能專業知識講座第55頁DNA是生物遺傳信息載體，并為基因復制和轉錄提供了模板。它是生命遺傳物質基礎，也是個體生命活動信息基礎。基因是攜帶遺傳信息DNA片段，它們序列信息意義及其在DNA整個分子上排布特點將在第十三章詳述。DNA含有高度穩定性特點，用來保持生物體系遺傳相對穩定性。同時，DNA又表現出高度復雜性特點，它能夠發生各種重組和突變，適應環境變遷，為自然選擇提供機會。

三、DNA是遺傳信息物質基礎核酸的結構和功能專業知識講座第56頁第三節

RNA結構與功效StructureandFunctionofRNA核酸的結構和功能專業知識講座第57頁RNA與蛋白質共同負責基因表示和表示過程調控。RNA通常以單鏈形式存在，但有復雜局部二級結構或三級結構。RNA比DNA小多。RNA種類、大小和結構遠比DNA表現出多樣性。核酸的結構和功能專業知識講座第58頁動物細胞內主要RNA種類及功效RNA種類縮寫細胞內位置功效核糖體RNArRNA細胞質核糖體組成成份信使RNAmRNA細胞質蛋白質合成模板轉運RNAtRNA細胞質轉運氨基酸微RNAmicroRNA細胞質翻譯調控胞質小RNAscRNA/7SL-RNA細胞質信號肽識別體組成成份不均一核RNAhnRNA細胞核成熟mRNA前體核小RNAsnRNA細胞核參加hnRNA剪接、轉運核仁小RNAsnoRNA核仁rRNA加工和修飾線粒體核糖體RNAmtrRNA線粒體核糖體組成成份線粒體信使RNAmtmRNA線粒體蛋白質合成模板線粒體轉運RNAmttRNA線粒體轉運氨基酸核酸的結構和功能專業知識講座第59頁信使RNA(messengerRNA,mRNA)是細胞內合成蛋白質模板。生物體內mRNA豐度最小、種類最多、大小也各不相同、壽命最短。mRNA初級產物為不均一核RNA(hnRNA)，含有內含子(intron)和外顯子(exon)。hnRNA經過剪切后成為成熟mRNA。一、mRNA是蛋白質合成中模板核酸的結構和功能專業知識講座第60頁hnRNA內含子(intron)mRNAmRNA成熟過程

外顯子(exon)核酸的結構和功能專業知識講座第61頁成熟mRNA由氨基酸編碼區和非編碼區組成。5

-末端帽子(cap)結構和3

-末端多聚A尾(poly-Atail)結構。成熟真核生物mRNA核酸的結構和功能專業知識講座第62頁帽子結構:m7GpppNm1.真核生物mRNA5

-端有特殊帽結構

mRNA帽結構能夠與帽結合蛋白(capbindingprotein，CBP)結合。核酸的結構和功能專業知識講座第63頁真核生物mRNA3-末端轉錄后加上一段長短不一聚腺苷酸。2.真核生物mRNA3

末端有多聚腺苷酸尾mRNA多聚A尾在細胞內與poly(A)結合蛋白（poly(A)-bindingprotein，PABP）結合存在。核酸的結構和功能專業知識講座第64頁mRNA核內向胞質轉位mRNA穩定性維系翻譯起始調控帽子結構和多聚A尾功效核酸的結構和功能專業知識講座第65頁3.mRNA堿基序列決定蛋白質氨基酸序列從mRNA分子5

末端起第一個AUG開始，每3個核苷酸為一組稱為密碼子(codon)

。位于起始密碼子和終止密碼子之間核苷酸序列稱為開放閱讀框(openreadingframe,ORF)，決定了多肽鏈氨基酸序列。在mRNA開放讀框兩側，為非翻譯序列（untranslatedregion，UTR），即5

-UTR和3

-UTR。核酸的結構和功能專業知識講座第66頁轉運RNA(transferRNA,tRNA)在蛋白質合成過程中作為各種氨基酸載體,將氨基酸轉呈給mRNA。由74～95核苷酸組成；占細胞總RNA15%；含有很好穩定性。二、tRNA是蛋白質合成中氨基酸載體核酸的結構和功能專業知識講座第67頁1.tRNA中含有各種稀有堿基稀有堿基（rarebase）是指除A、G、C、U外一些堿基。核酸的結構和功能專業知識講座第68頁tRNA含有局部莖環(stem-loop)結構或發卡(hairpin)結構。2.tRNA含有莖環結構tRNA二級結構——三葉草形氨基酸臂，DHU環，反密碼環，TψC環，附加叉核酸的結構和功能專業知識講座第69頁tRNA倒L三級結構核酸的結構和功能專業知識講座第70頁tRNA3-末端為CCA結尾。3-末端A與氨基酸以酯鍵相連生成氨基酰-tRNA

。不一樣tRNA結合不一樣氨基酸。3.tRNA3-末端連接氨基酸核酸的結構和功能專業知識講座第71頁tRNA反密碼子環上有反密碼子(anticodon)。tRNA上反密碼子經過堿基互補識別mRNA上密碼子。4.tRNA反密碼子識別mRNA密碼子核酸的結構和功能專業知識講座第72頁核糖體RNA(ribosomalRNA，rRNA)是細胞內含量最多RNA(>80％)。rRNA與核糖體蛋白結合組成核糖體(ribosome)，為蛋白質合成提供場所。三、以rRNA為組分核糖體是蛋白質合成場所核酸的結構和功能專業知識講座第73頁核糖體組成原核生物（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%核酸的結構和功能專業知識講座第74頁大腸桿菌核蛋白體核酸的結構和功能專業知識講座第75頁18S

rRNA二級結構核酸的結構和功能專業知識講座第76頁四、其它非編碼RNA參加基因表示調控長鏈非編碼RNA（longnon-codingRNA,lncRNA）非編碼RNA（

Non-codingRNA,ncRNA）不編碼蛋白質但含有主要生物學功效RNA分子。短鏈（小）非編碼RNA（smallnon-codingRNA,sncRNA）核酸的結構和功能專業知識講座第77頁ncRNA功效參加轉錄調控、RNA剪切和修飾、mRNA穩定和翻譯調控、蛋白質穩定和轉運、染色體形成和結構穩定等細胞主要功效lncRNA功效lncRNA在結構上類似于mRNA，但序列中不存在開放讀框。許多已知lncRNAs由RNA聚合酶Ⅱ轉錄并經可變剪切形成，通常被多聚腺苷酸化。lncRNA含有復雜生物學功效，并與一些疾病發病機制親密相關。有lncRNA能使基因緘默，有則激活基因表示。核酸的結構和功能專業知識講座第78頁核內小RNA核仁小RNA胞質小RNA催化性小RNA小干涉RNA

微

RNA短鏈非編碼RNA亦稱為非編碼小RNA（smallnon-messengerRNA）

核酸的結構和功能專業知識講座第79頁核內小RNA（smallnuclearRNA,snRNA）位于細胞核內。snRNA有5種，分別稱為U1、U2、U4、U5、U6，它們與各種蛋白形成復合體，參加真核細胞hnRNA內含子加工剪接（第十六章）。核仁小RNA（smallnucleolarRNA,snoRNA）：定位于核仁，主要參加rRNA加工和修飾，如rRNA中核糖C-2

甲基化修飾。胞質小RNA（smallcytoplasmicRNA,scRNA）：存在于細胞質中，參加形成信號識別顆粒，引導含有信號肽蛋白質進入內質網定位合成（第十七章）。核酸的結構和功能專業知識講座第80頁催化性小RNA亦被稱為核酶（ribozyme）。是細胞內含有催化功效一類小分子RNA，含有催化特定RNA降解活性，在RNA剪接修飾中含有主要作用。小干擾RNA（smallinterferingRNA，siRNA）是生物宿主對于外源侵入基因表示雙鏈RNA進行切割所產生含有特定長度（21～23bp）和特定序列小片段RNA。這些siRNA能夠單鏈形式與外源基因表示mRNA相結合，并誘導對應mRNA降解。核酸的結構和功能專業知識講座第81頁微RNA（microRNAs,miRNAs

）是一類長度為22nt左右內源性sncRNA。miRNAs主要是經過結合mRNA而選擇性調控基因表示。核酸的結構和功能專業知識講座第82頁原核生物基因表示特異性五、核酸在真核細胞和原核細胞中表現出不一樣時空特征核酸的結構和功能專業知識講座第83頁真核生物基因表示特異性核酸的結構和功能專業知識講座第84頁核酸理化性質ThePhysicalandChemicalCharactersofNucleicAcid第四節核酸的結構和功能專業知識講座第85頁核酸在波長260nm

處有強烈吸收，是由堿基共軛雙鍵所決定。這一特征常見作核酸定性和定量分析。一、核酸分子含有強烈紫外吸收核酸的結構和功能專業知識講座第86頁堿基紫外吸收光譜核酸的結構和功能專業知識講座第87頁DNA或RNA定量A260=1.0相當于50μg/ml雙鏈DNA(dsDNA)40μg/ml單鏈DNA(ssDNAorRNA)20μg/ml寡核苷酸確定樣品中核酸純度

純

DNA:A260/A280=1.8

純

RNA:A260/A280=2.0紫外吸收應用核酸的結構和功能專業知識講座第88頁二、DNA變性是雙鏈解離為單鏈過程一些理化原因造成DNA雙鏈互補堿基對之間氫鍵發生斷裂，DNA雙鏈解離為單鏈過程。

定義DNA變性本質是雙鏈間氫鍵斷裂。核酸的結構和功能專業知識講座第89頁個別解鏈雙鏈DNADNA變性核酸的結構和功能專業知識講座第90頁DNA變性核酸的結構和功能專業知識講座第91頁個別變性DNA電鏡圖像核酸的結構和功能專業知識講座第92頁增色效應(h