生物化学核酸的结构与功能.pdf

2014/2/24 第一章 核酸的结构与功能 1 第第一一章章 核酸的结构与功能核酸的结构与功能 2014/2/24 2 第一节第一节 核酸通论核酸通论 第二节第二节 核酸的化学组成核酸的化学组成 第三节第三节 DNA的分子结构的分子结构 第四节第四节 RNA的分子结构的分子结构 第五节第五节 核酸的理化性质核酸的理化性质 第一章 核酸的结构与功能 内内 容容 教学目的要求：教学目的要求：通过本章的学习掌握核酸的化学通过本章的学习掌握核酸的化学组成、分子结构及基本性质组成、分子结构及基本性质,了解其超了解其超级结构。级结构。教学重点与难点：教学重点与难点：分子结构及基本性质分子结构及基本性质。2014/2/24 4 第一节第一节 核酸的研究历史、种类和分布核酸的研究历史、种类和分布 早期发现早期发现-1868年，年，瑞士科学家瑞士科学家 F.Miescher从从外外科绷带科绷带脓细胞的核中分离出一种富含磷的有机物脓细胞的核中分离出一种富含磷的有机物质“核素”（质“核素”（nuclein），后称为核酸（），后称为核酸（nucleic acid）。）。1944年，年，Avery等通过肺炎球菌转化试验，揭示等通过肺炎球菌转化试验，揭示了核酸的生物学功能（以后大量实验都证明了核酸的生物学功能（以后大量实验都证明DNA是遗传物质）是遗传物质）。第一章 核酸的结构与功能 2014/2/24 第三章 核苷酸 I 5 2013-2-19第三章 核苷酸 I1肺炎双球菌转化实验图解肺炎双球菌转化实验图解致病菌致病菌2014/2/24 6 1946年，年，E.Chargaff 测定了测定了 DNA 碱基，提出碱基，提出Chargaff 法则。法则。DNA的碱基组成特点的碱基组成特点Chargaff定律定律 (1)(1)碱基当量定律碱基当量定律:嘌呤碱总量嘌呤碱总量=嘧啶碱总量嘧啶碱总量,即即A+G=T+C(2)(2)不对称比率不对称比率A+T/G+C因物种因物种(亲缘关系亲缘关系远近远近)而异而异 第一章 核酸的结构与功能 2014/2/24 7 1953年，年，Watson和和Crick 提出提出DNA结构的双螺结构的双螺旋模型旋模型。(获得获得1962年的诺贝尔生理学奖年的诺贝尔生理学奖)1958年，年，Crick 提出遗传信息传递的中心法则。提出遗传信息传递的中心法则。70年代年代 建立建立 DNA 重组技术重组技术。80年代以后年代以后,分子生物学、分子遗传学等学科突分子生物学、分子遗传学等学科突飞猛进发展。飞猛进发展。第一章 核酸的结构与功能 二、核酸的种类及分布二、核酸的种类及分布 2014/2/24 8 按其所含糖不同分为两类：按其所含糖不同分为两类：核糖核酸核糖核酸-(ribonucleic acid，RNA)mRNA-信使信使RNA（5%）rRNA-核糖体核糖体RNA（80%）tRNA-转移转移RNA（10-15%）脱氧核糖核酸脱氧核糖核酸-(deoxyribonucleic acid，DNA)第一章 核酸的结构与功能 2014/2/24 9 核酸的分布核酸的分布 DNA：存在于真核生物的细胞核内（占总量的存在于真核生物的细胞核内（占总量的98%以上）以上）及叶绿体和线粒体中；原核生物的拟核与质粒中。及叶绿体和线粒体中；原核生物的拟核与质粒中。RNA：主要存在于细胞质、细胞核及叶绿体和线粒体中。主要存在于细胞质、细胞核及叶绿体和线粒体中。第一章 核酸的结构与功能 2014/2/24 10 第二节第二节 核酸的化学组成核酸的化学组成 组成元素组成元素-有有C、H、O、N、P等，其中等，其中N含量约含量约为为15%16%，磷含量为，磷含量为9%10%。核酸的基本组成单位核酸的基本组成单位-核苷酸核苷酸；核苷酸的组成成分核苷酸的组成成分-碱基、戊糖和磷酸基碱基、戊糖和磷酸基；解析：核酸是由很多单核苷酸聚合形成的多核苷解析：核酸是由很多单核苷酸聚合形成的多核苷酸，核苷酸可被水解产生核苷和磷酸，核苷进一酸，核苷酸可被水解产生核苷和磷酸，核苷进一步水解产生戊糖和含氮碱（简称碱基）步水解产生戊糖和含氮碱（简称碱基）。第一章 核酸的结构与功能 核酸核酸 (DNA和和RNA)核苷酸核苷酸 核苷和脱氧核苷核苷和脱氧核苷 磷酸磷酸 戊糖戊糖 碱基碱基 嘌呤嘌呤 嘧啶嘧啶 核糖核糖 脱氧核糖脱氧核糖 核酸组成核酸组成 分子组成分子组成 碱基碱基(base)：嘌呤碱，嘧啶碱：嘌呤碱，嘧啶碱 戊糖戊糖(ribose)：核糖，脱氧核糖：核糖，脱氧核糖 磷酸磷酸(phosphate)一、核苷酸是构成核酸的基本组成单位一、核苷酸是构成核酸的基本组成单位 2014/2/24 13 戊戊 糖糖 第一章 核酸的结构与功能（构成（构成DNA）脱氧核糖脱氧核糖(deoxyribose)（构成（构成RNA）核糖核糖(ribose)14 碱碱 基基 碱基碱基-嘌呤碱（嘌呤碱（purine）与嘧啶碱（）与嘧啶碱（pyrimidine）的衍）的衍生物。杂环化合物生物。杂环化合物，嘧啶由，嘧啶由2个氮原子取代苯分子间位个氮原子取代苯分子间位上的上的2个碳形成，嘌呤为双环结构个碳形成，嘌呤为双环结构。基本碱基有。基本碱基有5种。种。嘌呤嘌呤-腺嘌呤腺嘌呤、鸟嘌呤鸟嘌呤 嘧啶嘧啶-胞嘧啶胞嘧啶、胸腺嘧啶胸腺嘧啶、尿嘧啶尿嘧啶 嘌呤嘌呤 嘧啶嘧啶 NNNHN123456789NNH13245615 基本碱基结构（基本碱基结构（P9）嘌呤嘌呤(purine)NNNHN123456789NNNHNNH2腺嘌呤腺嘌呤(adenine,A)NNHNHNNH2O鸟嘌呤鸟嘌呤(guanine,G)16 嘧啶嘧啶(pyrimidine)尿嘧啶尿嘧啶(uracil,U)NHNHOO胞嘧啶胞嘧啶(cytosine,C)NNHNH2O胸腺嘧啶胸腺嘧啶(thymine,T)NHNHOOCH3NNH1324562014/2/24 17 RNA和和DNA含有的共同碱基成分含有的共同碱基成分-腺嘌呤腺嘌呤(adenine,A)、鸟嘌呤鸟嘌呤(guanine,G)和和胞嘧啶胞嘧啶(cytosine,C)。二者的区别二者的区别-RNA含有含有尿嘧啶尿嘧啶(uracil,U)，而，而DNA含有含有胸腺嘧啶胸腺嘧啶(thymine,T)。即，即，DNA(ATGC)；RNA(AUGC)第一章 核酸的结构与功能 2014/2/24 18 稀有碱基（稀有碱基（P11P11）有些核酸中含有稀有碱基，这些碱基大多是在上述有些核酸中含有稀有碱基，这些碱基大多是在上述嘌呤或嘧啶碱的不同部位甲基化（嘌呤或嘧啶碱的不同部位甲基化（methylation）或）或 进行其它的化学修饰而形成的衍生物。进行其它的化学修饰而形成的衍生物。例如，有些例如，有些DNA分子中含有分子中含有5-甲基胞嘧啶（甲基胞嘧啶（m5C），），5-羟甲基胞嘧啶（羟甲基胞嘧啶（hm5C）。某些）。某些RNA分子中含有分子中含有1-甲基腺嘌呤（甲基腺嘌呤（m1A）、）、2，2-二甲基鸟嘌呤（二甲基鸟嘌呤（m22G）和和5，6-二氢尿嘧啶（二氢尿嘧啶（DHU）等。）等。第一章 核酸的结构与功能 2014/2/24 19 几种稀有核苷几种稀有核苷 假尿苷（假尿苷（）二氢尿嘧啶核苷二氢尿嘧啶核苷（DHU）Am CH3 CH3 H3C m26A H2 H2 5 命名命名：见教材：见教材11页上面文字叙述（页上面文字叙述（m在在A前表示碱基前表示碱基上甲基化，在后表示糖环上甲基化）。上甲基化，在后表示糖环上甲基化）。第一章 核酸的结构与功能 核苷核苷 脱氧核苷脱氧核苷 二、核苷形成二、核苷形成 碱基碱基 种类及名称：种类及名称：核苷核苷 嘌呤嘌呤9 9位位N/N/嘧啶嘧啶1 1位位N N与糖与糖1 1CC形成形成糖苷键糖苷键 1 1 O O N N N N N N H H 2 2 1 1 O O H H O O CHCH 2 2 O O H H O O H H 核糖核糖 N N N N 9 N H 2 O O H O H H H H C H 2 O H H 1 2 糖苷键糖苷键 核苷核苷(ribonucleoside)2014/2/24 第三章 核苷酸 I 22 O O N N N N N N H H 2 2 O O CHCH 2 2 O O H H O O H H P P O O O O O O H H O O H H 结构举例结构举例 核苷核苷/脱氧核苷脱氧核苷 磷酸酯键磷酸酯键 核苷酸的结构：核苷酸的结构：磷酸磷酸 三、核苷酸形成三、核苷酸形成 核苷或脱氧核苷与磷酸通过核苷或脱氧核苷与磷酸通过酯键酯键结合构成结合构成核苷酸核苷酸(ribonucleotide)或或脱氧核苷酸脱氧核苷酸(deoxyribonucleotide)。核苷酸核苷酸(ribonucleotide)N N N N 9 N H 2 O O H O H H H H C H 2 H 1 2 O P O-H O O 糖苷键糖苷键 酯键酯键 2014/2/24 25 26 O O（N=A、G、C、U、T）H H(O)H 1 2 N OH CH2 H H 5 4 3 P O-O O O-5-磷酸核苷酸的组成：磷酸核苷酸的组成：碱基碱基、戊糖、磷酸基、戊糖、磷酸基。核苷酸基本结构核苷酸基本结构 2014/2/24 第三章 核苷酸 I 27 四、常见（脱氧）核苷酸的结构与命名四、常见（脱氧）核苷酸的结构与命名 2014/2/24 第三章 核苷酸 I 28 多磷酸核苷酸多磷酸核苷酸 5-NMP 5-NDP 5-NTP N=A、G、C、U 5-dNMP 5-dNDP 5-dNTP N=A、G、C、T AMP Adenosine monophosphate ADP Adenosine diphosphate ATP Adenosine triphosphate 环化核苷酸：环化核苷酸：cAMP、cGMP，是细胞信是细胞信号转导中的第二信使。号转导中的第二信使。NOCH2OOHONNNNH2POOHcAMP 核苷酸衍生物核苷酸衍生物 5-末末端端 3-末末端端 C G A 磷酸二酯键磷酸二酯键 磷酸二酯键磷酸二酯键 五、核酸的形成五、核酸的形成 31 5 3 OH OH OH 5 3 RNA DNA 核苷酸以核苷酸以3,5-磷酸二酯键顺序相连而成。磷酸二酯键顺序相连而成。32 RNARNA DNADNA 嘌呤碱嘌呤碱 腺嘌呤、鸟嘌呤腺嘌呤、鸟嘌呤 腺嘌呤、鸟嘌呤腺嘌呤、鸟嘌呤 嘧啶碱嘧啶碱 胞嘧啶、尿嘧啶胞嘧啶、尿嘧啶 胞嘧啶、胸腺嘧啶胞嘧啶、胸腺嘧啶 戊戊 糖糖 核糖核糖 脱氧核糖脱氧核糖 磷磷 酸酸 磷酸磷酸 磷酸磷酸 DNADNA和和RNARNA的化学组成比较分析的化学组成比较分析 2014/2/24 33 第三节第三节 DNA的分子结构的分子结构 一、一、DNA的一级结构的一级结构 二、二、DNA的二级结构的二级结构 三、三、DNA的三级结构的三级结构 第一章 核酸的结构与功能 2014/2/24 34 一、一、DNA 的一级结构的一级结构 DNA分子中脱氧核苷酸的排列顺序叫做分子中脱氧核苷酸的排列顺序叫做DNA的的一级结构一级结构。一级结构的走向规定为一级结构的走向规定为5 3。不同的不同的DNA分子具有不同的核苷酸排列顺序分子具有不同的核苷酸排列顺序，因此携带有因此携带有不同的遗传信息不同的遗传信息。连接方式连接方式（3,5-磷酸二酯键磷酸二酯键）第一章 核酸的结构与功能 2014/2/24 35 DNA一级结构的表示方法一级结构的表示方法 一级结构的表示方法有一级结构的表示方法有 结构式，线条式，文字式。结构式，线条式，文字式。第一章 核酸的结构与功能 36 5 3 结构式结构式:2014/2/24 37 p p p p OH A C T G 线条式线条式:垂直线表示戊糖的碳链；垂直线表示戊糖的碳链；A、C、T、G 表示不同的碱基；表示不同的碱基；P 代表磷酸基；代表磷酸基；斜线代表两个核苷酸之间的斜线代表两个核苷酸之间的 3,5-磷酸二酯键。磷酸二酯键。2014/2/24 38 文字式文字式:pApCpTpGOH P在碱基左侧，表示在碱基左侧，表示P在在C5 位置上；位置上；P在碱基右侧，表示在碱基右侧，表示P与与C3 相连。相连。有时，磷酸二酯键上的有时，磷酸二酯键上的P也可省略：也可省略：pACTGOH。第一章 核酸的结构与功能 A G P 5 P T P G P C P T P OH 3 书写方法：书写方法：5 pApCpTpGpCpT-OH 3 5 A C T G C T 3 DNADNA的空间结构又分为二级结构的空间结构又分为二级结构(secondary structure)和高级结构和高级结构。DNA的空间结构的空间结构(spatial structure)构成构成DNA的所有原子在三维空的所有原子在三维空间具有确定的相对位置关系。间具有确定的相对位置关系。2014/2/24 41 二、二、DNA的二级结构的二级结构 1953年，年，Watson和和Crick等人根据等人根据-光衍射光衍射图谱和图谱和Chargaff的化学分析结果，提出的化学分析结果，提出DNA的双螺旋结构的双螺旋结构模型模型(Watson-Crick模型模型)。由两条相互平行而方向相反的（一条由由两条相互平行而方向相反的（一条由35，另，另一条由一条由53）脱氧核糖核酸链，围绕同一中心轴）脱氧核糖核酸链，围绕同一中心轴旋转构成的双螺旋结构，即是旋转构成的双螺旋结构，即是DNA的二级结构的二级结构。第一章 核酸的结构与功能 Chargaff 规则的碱基组成分析规则的碱基组成分析 DNA晶体的晶体的X-线衍射图谱分析线衍射图谱分析 DNADNA双螺旋结构的研究背景双螺旋结构的研究背景 A=T；G=C 43 DNA双螺旋结构特点双螺旋结构特点 5 5 5 53 3 3 35 5 5 53 3 3 344 1.主链由两条主链由两条反向反向平行的多核苷平行的多核苷酸链组成，形成酸链组成，形成右手双右手双螺旋；螺旋；DNADNA双螺旋结构特点双螺旋结构特点 北北京京中中关关村村广广场场金金色色的的双双螺螺旋旋 5 5 3 3 45 2、主链在螺旋外侧，碱基在内侧、主链在螺旋外侧，碱基在内侧(糖环平面糖环平面与中轴与中轴平行平行，碱基平面与中轴，碱基平面与中轴垂直垂直)；DNA双螺旋结构特点双螺旋结构特点 47 3、DNA双螺旋结构的螺距为双螺旋结构的螺距为3.4nm,相邻碱基对之相邻碱基对之间的轴向距离为间的轴向距离为0.34nm,双螺旋的平均直径为双螺旋的平均直径为2nm（包含（包含10个核苷酸，夹角个核苷酸，夹角36）；）；DNA双螺旋结构特点双螺旋结构特点 直径 2.0nm 小沟小沟 大沟大沟 螺距螺距 3.4nm 3 5 注：注：链的走向链的走向 主侧链主侧链 大小沟大小沟 螺距螺距 直径直径 DNA double helix 示意图示意图 T S S P A S T A S P P S P S G C G C S P P S 48 DNA双螺旋结构特点双螺旋结构特点 4、碱基配对，、碱基配对，A与与T,G与与C（一条（一条链与另一条链碱基链与另一条链碱基互补互补）；）；49 DNA双螺旋结构特点双螺旋结构特点 5、双螺旋结构的表面形成了一个大沟、双螺旋结构的表面形成了一个大沟(major groove)和一个小沟和一个小沟(minor groove)；大沟大沟 小沟小沟 2014/2/24 50 2014/2/24 51 6、氢键（氢键（A=T,G C）和和碱基堆积力碱基堆积力（疏水力（疏水力，范德华力范德华力）维系）维系DNA双螺旋的稳定，横向双螺旋的稳定，横向稳定靠碱基间的氢键维系，纵向靠碱基平面稳定靠碱基间的氢键维系，纵向靠碱基平面间的疏水性堆积力维持。间的疏水性堆积力维持。DNA双螺旋结构特点双螺旋结构特点 2014/2/24 T-A碱基对碱基对 G-C碱基对碱基对 氢键氢键:2014/2/24 53 DNA双螺旋构象的多态性双螺旋构象的多态性(P20)右手双螺旋结构：一般为右手双螺旋结构：一般为B型构象（型构象（B型双螺型双螺旋）旋），它是在低离子强度的溶液中和染色体它是在低离子强度的溶液中和染色体中存在的主要构象中存在的主要构象；另外，有另外，有A型、型、C型；型；左手双螺旋结构：左手双螺旋结构：Z型型。第一章 核酸的结构与功能 A-DNA B-DNA Z-DNA 2014/2/24 55 DNA双螺旋结构的意义双螺旋结构的意义 该模型揭示了该模型揭示了DNA作为遗传物质的稳定性特征；作为遗传物质的稳定性特征；最有价值的是确认了最有价值的是确认了碱基配对碱基配对原则，这是原则，这是DNA复制、复制、转录和反转录的分子基础，亦是遗传信息传递和表达转录和反转录的分子基础，亦是遗传信息传递和表达的分子基础。的分子基础。第一章 核酸的结构与功能 2014/2/24 56 三链三链DNA（三股螺旋）（三股螺旋）特点：特点：两条全嘧啶链和一条全嘌呤链组成三螺旋结构；两条全嘧啶链和一条全嘌呤链组成三螺旋结构；第三条链以正向平行结合于正常双螺旋的大沟中；第三条链以正向平行结合于正常双螺旋的大沟中；碱基间通过碱基间通过 Hoogsten 氢键碱基对方式配对。氢键碱基对方式配对。存在条件：一条全嘌呤存在条件：一条全嘌呤,另一条全嘧啶。另一条全嘧啶。第一章 核酸的结构与功能 2014/2/24 57 DNA三链间的碱三链间的碱基配对基配对 DNA分子内分子内的三链结构的三链结构 多聚嘌呤多聚嘌呤 多聚嘧啶多聚嘧啶 DNA分子间分子间的三链结构的三链结构 2014/2/24 58 DNA二二级级结结构构的的多多样样性性 DNA分子中十字形结构的形成分子中十字形结构的形成 富含富含AT 富含富含AT 2014/2/24 第三章 核苷酸 I 59 DNA回回文文序序列列及及几几种种结结构构形形式式 回文序列回文序列 发夹式结构发夹式结构 十字形结构十字形结构 中心区域中心区域 双链双链DNA中的一段倒置重复序列中的一段倒置重复序列,当该序列的双链被打开当该序列的双链被打开后后,可形成局部“十”字形结构可形成局部“十”字形结构,这段序列被称为回文序这段序列被称为回文序列。列。2014/2/24 60 DNA的三级结构的三级结构 细胞内，细胞内，DNA与其他分子（主要是蛋白质）相互作与其他分子（主要是蛋白质）相互作用，使用，使DNA双螺旋进一步扭曲形成三级结构。双螺旋进一步扭曲形成三级结构。环形环形DNA:原核生物原核生物DNA、质粒及一些细胞器、质粒及一些细胞器DNA形成麻花形成麻花状超螺旋结构。状超螺旋结构。线状线状DNA:双螺旋双螺旋DNA分子先盘绕组蛋白形成核小体；许多分子先盘绕组蛋白形成核小体；许多核小体有核小体有DNA链连在一起形成念珠状结构。链连在一起形成念珠状结构。第一章 核酸的结构与功能 2014/2/24 61 DNA超螺旋结构的形成超螺旋结构的形成(P24)(P24)第一章 核酸的结构与功能 DNA超螺旋结构的电镜图象超螺旋结构的电镜图象 真核生物真核生物DNA在核内的组装在核内的组装 真核生物真核生物DNA以非常有序的形式存在于细胞以非常有序的形式存在于细胞核内核内。在细胞周期的大部分时间里在细胞周期的大部分时间里，DNA以松散的以松散的染色质染色质(chromatin)形式存在形式存在，在细胞分裂期在细胞分裂期，则形成高度致密的染色体则形成高度致密的染色体(chromosome)。DNA染色质呈现出的串珠样结构染色质呈现出的串珠样结构。染色质的基本单位是核小体染色质的基本单位是核小体(nucleosome)。DNA染色质的电镜图像染色质的电镜图像 核小体核小体(nucleosome)由由DNA和和蛋白质蛋白质构成构成 是真核生物是真核生物染色体的基本单位染色体的基本单位 核小体核小体的构成的构成 核心颗粒核心颗粒 连接区连接区 核心组蛋白：核心组蛋白：组蛋白八聚体组蛋白八聚体H H2 2A A、H H2 2B B、H H3 3、H H4 4各各2 2分子分子 DNADNA双螺旋分子双螺旋分子(146bp)(146bp)在在核心组蛋白缠绕核心组蛋白缠绕 1.81.8圈圈 DNADNA（60bp60bp）组蛋白组蛋白H H1 1 连接核心颗粒连接核心颗粒 核小体结构图核小体结构图 H3H2BH3H2AH4H4H2BH2AH3H2BH3H2AH4H4H2BH2A核小体的结构模式核小体的结构模式核心颗粒核心颗粒连接区DNA连接区DNAH1、H2A、H2B、H3、H4组蛋白组蛋白H1H167 组蛋白与DNA的结合 核小体的形成核小体的形成核心含核心含H2A、H2B、H3和和H4四类组蛋白各两分子；四类组蛋白各两分子；连接连接DNA片段上含有片段上含有1分子的分子的H1组蛋白。组蛋白。68 核小体连接成念珠状结构：核小体连接成念珠状结构：69 核小体的螺线管结构：核小体的螺线管结构：由许多核小体形成的念珠状线性结构，进一步盘由许多核小体形成的念珠状线性结构，进一步盘绕形成直径为绕形成直径为30nm中空的染色质纤维，亦称螺线中空的染色质纤维，亦称螺线管。螺线管再经过几次卷曲，才能形成染色单体。管。螺线管再经过几次卷曲，才能形成染色单体。2014/2/24 70 第四节第四节 RNARNA的分子结构的分子结构 一、一、RNA类别和一级结构类别和一级结构 二、二、tRNA 的分子结构的分子结构 三、三、rRNA的分子结构的分子结构 四四、mRNA的分子结构的分子结构 第一章 核酸的结构与功能 2014/2/24 71 RNA的类别的类别与功能与功能 信使信使RNA(messenger RNA,mRNA)：在蛋白质合成中：在蛋白质合成中起模板作用；起模板作用；核糖体核糖体RNA(ribosomal RNA,rRNA)：与蛋白质结合构：与蛋白质结合构成核糖体成核糖体(ribosome),核糖体是蛋白质合成的场所；核糖体是蛋白质合成的场所；转移转移RNA(transfer RNA,tRNA)：在蛋白质合成时起着：在蛋白质合成时起着携带活化氨基酸的作用。携带活化氨基酸的作用。第一章 核酸的结构与功能 2014/2/24 72 RNA的一级结构的一级结构 RNA分子中各核苷酸之分子中各核苷酸之间的排列顺序叫做间的排列顺序叫做RNA的的一级结构一级结构。OH OH OH 5 3 第一章 核酸的结构与功能 2014/2/24 73 tRNA 的结构的结构 二级结构特征：二级结构特征：三叶草叶形三叶草叶形 四臂四环四臂四环 三级结构三级结构 特征：特征：在二级结构基础上进一在二级结构基础上进一步折叠扭曲形成步折叠扭曲形成倒倒L型型 第一章 核酸的结构与功能 74 tRNA的二级结构的二级结构(P23)：DHU环环 I G C 反密码子反密码子 反密码环反密码环 氨基酸臂氨基酸臂 可变环可变环 TC环环 C C A Ala 3 5 特征特征：三叶草形三叶草形 四臂四环四臂四环 2014/2/24 第三章 核苷酸 I 75 tRNA的三级结构的三级结构 在二在二级结级结构基构基础上础上进一进一步折步折叠扭叠扭曲形曲形成倒成倒 L L型。型。*tRNA的三级结构的三级结构 倒倒L形形*tRNA的功能的功能 活化活化、搬运氨基酸到搬运氨基酸到核糖体核糖体，参与蛋白质的翻参与蛋白质的翻译译。76 rRNA的分子结构的分子结构 特征特征：单链单链，螺旋化程度较螺旋化程度较tRNA低低 与蛋白质组成核糖体后方能发挥其功能与蛋白质组成核糖体后方能发挥其功能 大肠杆菌大肠杆菌5s rRNA 的二级结构的二级结构 核酶（核酶（P27）某些小某些小RNA分子具有催化特定分子具有催化特定RNA降解降解的活性的活性，这种具有催化作用的小这种具有催化作用的小RNA亦被称亦被称为为核酶核酶(ribozyme)或催化性或催化性RNA(catalytic RNA)。2014/2/24 78 mRNA的分子结构的分子结构 原核生物原核生物mRNA特征特征：先导区先导区+翻译区翻译区（多顺反子多顺反子）+末端序列末端序列 真核生物真核生物mRNA特征特征：“帽子帽子”（m7G-5 ppp5-NmP）+单顺反子单顺反子+“尾巴尾巴”（Poly A）顺反子顺反子(cistron):即结构基因即结构基因,为决定一条多肽链合成的功能单位。为决定一条多肽链合成的功能单位。第一章 核酸的结构与功能 2014/2/24 79 原核细胞原核细胞mRNA的结构特点的结构特点 5 3 顺反子顺反子 顺反子顺反子 顺反子顺反子 插入序列插入序列 插入序列插入序列 先导区先导区 末端顺序末端顺序 第一章 核酸的结构与功能 2014/2/24 80 真核细胞真核细胞mRNA的结构特点的结构特点 AAAAAAA-OH 5 “帽子帽子”PolyA 3 顺反子顺反子 m7G-5 ppp-Nm-3 p 第一章 核酸的结构与功能 帽子结构帽子结构 为为7-甲基鸟嘌呤核苷三磷酸鸟（腺）甲基鸟嘌呤核苷三磷酸鸟（腺）苷“苷“5 m7G-5 PPP5-N(G或或A)mP”结构被称为帽子结构结构被称为帽子结构(cap sequence)。2014/2/24 82 5 5-帽子结构中的甲基化鸟苷酸经焦磷酸与相邻的帽子结构中的甲基化鸟苷酸经焦磷酸与相邻的mRNAmRNA的的5 5末端核苷酸以末端核苷酸以5 5-5 5磷酸二酯键磷酸二酯键相连，后相连，后者的者的2 2位又被甲基化。位又被甲基化。帽子结构和帽子结构和33-polyApolyA都有都有抗核酸外切酶降解抗核酸外切酶降解的的作用。作用。在蛋白质合成过程中，帽子结构有助于核糖体对在蛋白质合成过程中，帽子结构有助于核糖体对mRNAmRNA的识别和结合，使翻译得以正确起始的识别和结合，使翻译得以正确起始;polyApolyA也与也与mRNAmRNA从细胞核到细胞质的转移有关。从细胞核到细胞质的转移有关。第一章 核酸的结构与功能 2014/2/24 83 第五节第五节 核酸的理化性质及其应用核酸的理化性质及其应用 一一、核酸的一般性质核酸的一般性质 二二、核酸的紫外吸收性质核酸的紫外吸收性质（max=260nm）三三、核酸的变性核酸的变性、复性和分子杂交复性和分子杂交 第一章 核酸的结构与功能 84 一、核酸的一般性质一、核酸的一般性质 核酸既有碱性基团，又有磷酸基团，为核酸既有碱性基团，又有磷酸基团，为两性电解两性电解 质质，通常表现为酸性；，通常表现为酸性；DNADNA为为白色白色纤维状固体，纤维状固体，RNARNA为为白色白色粉末，两者都粉末，两者都微微溶于水溶于水，不溶于一般有机溶剂；在，不溶于一般有机溶剂；在70%70%乙醇中形成沉乙醇中形成沉淀；淀；核酸的核酸的沉降速度沉降速度与相对分子质量和分子构象有关；与相对分子质量和分子构象有关；在一定在一定pHpH的缓冲液中的缓冲液中带带负负电荷电荷，可以利用电泳方法，可以利用电泳方法进行分离。进行分离。2014/2/24 85 二、核酸的紫外吸收性质二、核酸的紫外吸收性质（P29）核酸的最大吸收值在核酸的最大吸收值在260 nm附近。附近。蛋白质在蛋白质在280nm有一吸收峰，因此利用有一吸收峰，因此利用A260/A280比值可判断核酸样品的纯度。比值可判断核酸样品的纯度。第一章 核酸的结构与功能 2014/2/24 86 DNA变性变性：是指在某些理化因素的作用下是指在某些理化因素的作用下，双螺双螺旋旋DNA分子中互补碱基对之间氢键断裂分子中互补碱基对之间氢键断裂，双螺旋结双螺旋结构松散构松散，变成单链的过程变成单链的过程。不伴有共价键的断裂不伴有共价键的断裂。（双螺旋解开双螺旋解开，伴有伴有A260增加增加）DNA复性：变性复性：变性DNA在适当条件下在适当条件下，单链间碱基单链间碱基重新配对恢复双螺旋结构的过程重新配对恢复双螺旋结构的过程。（伴有伴有A260减小减小）三、核酸的变性、复性和分子杂交三、核酸的变性、复性和分子杂交 第一章 核酸的结构与功能 2014/2/24 87 当当DNA分子加热变性后分子加热变性后，其其260nm的紫外吸收的紫外吸收会急剧增加的现象叫做会急剧增加的现象叫做DNA的的增色效应增色效应;变性变性DNA复性后复性后，在在260nm的吸收值减少的现的吸收值减少的现象称为象称为DNA的的减色效应减色效应。热变性的热变性的DNA经缓慢冷却后即可复性，这一过经缓慢冷却后即可复性，这一过程称为退火程称为退火(annealing)。第一章 核酸的结构与功能 2014/2/24 88 DNA的变性过程的变性过程 加热加热 部分双螺旋解开部分双螺旋解开 无规则线团无规则线团 链内碱基配对链内碱基配对 第一章 核酸的结构与功能 89 DNA的紫外吸收光谱的紫外吸收光谱 吸光度吸光度 波长波长 260nm 变性变性DNADNA 正常正常DNADNA 变性后的特点：变性后的特点：1.紫外吸收增加紫外吸收增加;2.粘度下降粘度下降 增色效应增色效应:DNA变性过程中，其紫外吸收增加的现象。变性过程中，其紫外吸收增加的现象。2014/2/24 第三章 核苷酸 I 90 Tm：熔解温度（熔解温度（melting temperature）DNA的变性发生在一个很窄的温度范围内的变性发生在一个很窄的温度范围内，通通常把热变性过程中常把热变性过程中A260达到最大吸收一半时的温度达到最大吸收一半时的温度称为该称为该DNA的熔点或的熔点或熔解温度熔解温度，用用Tm表示表示。温度温度 A260 50%tm 单链单链(%)100 91 温度温度 单链单链(%)100 50 tm tm tm Poly A-T 1.G+C含量含量 DNA poly G-C 2.2.介质离子强度：离子强度越高，介质离子强度：离子强度越高，DNADNA结构越稳定，熔解温度越高。结构越稳定，熔解温度越高。影响影响Tm的因素的因素：G-C含量，含量，与其含量成正相关；与其含量成正相关；介质离子强度，成正相关。介质离子强度，成正相关。92 变性变性（加热）（加热）探针探针 杂交杂交（缓慢冷却）（缓慢冷却）复性复性（缓慢冷却）（缓慢冷却）分子分子杂交杂交 不同来源的不同来源的DNA单链间或单链单链间或单链DNA与与RNA之间因存在之间因存在互补序列而形成互互补序列而形成互补双链结构补双链结构，这一这一过程称为核酸分子过程称为核酸分子杂交杂交。制备特定的制备特定的探针探针（probe）。通过杂交技术可进通过杂交技术可进行基因的检测和定行基因的检测和定位 研 究位 研 究。实 例：实 例：southern印迹法印迹法 第一章 核酸的结构与功能 93 名词名词 DNA变性和复性变性和复性 DNA的增色效应的增色效应 Tm 问答问答 1、核苷酸的基本结构核苷酸的基本结构。2、DNA双螺旋结构有哪些基本特点双螺旋结构有哪些基本特点？3、某某DNA样品含腺嘌呤样品含腺嘌呤15.0%（按摩尔碱基计按摩尔碱基计），计算其余碱基的百分含量计算其余碱基的百分含量。4、DNA和和RNA的化学组成有何异同的化学组成有何异同？5、计算计算（1）分子量为分子量为3 105的双股的双股DNA分子的长度分子的长度；（2）这种这种DNA一分子占有的螺旋圈数一分子占有的螺旋圈数。（一个互一个互补的脱氧核苷酸残基对的平均分子量为补的脱氧核苷酸残基对的平均分子量为620）2014/2/24 第三章 核苷酸 I 94