第 二 章核酸的结构和功能
Structure and Function of Nucleic Acid
核 酸(nucleic acid)
是以核苷酸为基本组成单位的生物大分子，携带和传递遗传信息。
一、核酸的发现和研究工作进展
1868年 Fridrich Miescher从脓细胞中提取“核素”
1944年 Avery等人证实DNA是遗传物质
1953年 Watson和Crick发现DNA的双螺旋结构
1968年 Nirenberg发现遗传密码
1975年 Temin和Baltimore发现逆转录酶
1981年 Gilbert和Sanger建立DNA 测序方法
1985年 Mullis发明PCR 技术
1990年 美国启动人类基因组计划(HGP)
1994年 中国人类基因组计划启动
2001年 美、英等国完成人类基因组计划基本框架
二、核酸的分类及分布
第一节

核酸的化学组成及其一级结构The Chemical Component and Primary Structure of Nucleic Acid
核酸的化学组成
1. 元素组成
C、H、O、N、P（9~10%）
嘌呤(purine)
碱 基
嘧啶(pyrimidine)
戊 糖
核苷：AR, GR, UR, CR
脱氧核苷：dAR, dGR, dTR, dCR
一、核苷酸的结构
核苷酸：
AMP, GMP, UMP, CMP
脱氧核苷酸：
dAMP, dGMP, dTMP, dCMP
体内重要的游离核苷酸及其衍生物
含核苷酸的生物活性物质：
NAD+、NADP+、CoA-SH、FAD 等都含有 AMP
多磷酸核苷酸：NMP，NDP，NTP
环化核苷酸: cAMP，cGMP
C
G
A
二、核酸的一级结构
定义
核酸中核苷酸的排列顺序。
由于核苷酸间的差异主要是碱基不同，所以也称为碱基序列。
书写方法
5 pApCpTpGpCpT-OH 3
5 A C T G C T 3
目 录
第二节

DNA的空间结构与功能Dimensional Structure and Function of DNA
DNA的二级结构-双螺旋结构
DNA双螺旋结构的研究背景和历史意义
DNA双螺旋结构模型要点

DNA的超螺旋结构及其在染色质中的组装
DNA的超螺旋结构
原核生物DNA的高级结构
DNA在真核生物细胞核内的组装

DNA的功能
一、 DNA的二级结构
——双螺旋结构
（一）DNA双螺旋结构的研究背景
目 录
（二） DNA双螺旋结构模型要点
（Watson, Crick, 1953）
DNA分子由两条相互平行但走向相反的脱氧多核苷酸链组成，两链以-脱氧核糖-磷酸-为骨架，以右手螺旋方式绕同一公共轴盘。螺旋直径为2nm，形成大沟(major groove)及小沟(minor groove)相间。
目 录
（二） DNA双螺旋结构模型要点
（Watson, Crick, 1953）
碱基垂直螺旋轴居双螺旋内側，与对側碱基形成氢键配对（互补配对形式：A=T; GC） 。
相邻碱基平面距离0.34nm，螺旋一圈螺距3.4nm，一圈10对碱基。
目 录
碱基互补配对
T
A
G
C
（二） DNA双螺旋结构模型要点
（Watson, Crick, 1953）
氢键维持双链横向稳定性，碱基堆积力维持双链纵向稳定性。
目 录
（三）DNA双螺旋结构的多样性
目 录
二、DNA的超螺旋结构及其在染色质中的组装
（一）DNA的超螺旋结构
超螺旋结构(superhelix 或supercoil)
DNA双螺旋链再盘绕即形成超螺旋结构。
正超螺旋(positive supercoil)
盘绕方向与DNA双螺旋方同相同
负超螺旋(negative supercoil)
盘绕方向与DNA双螺旋方向相反
意义
DNA超螺旋结构整体或局部的拓扑学变化及其调控对于DNA复制和RNA转录过程具有关键作用。
（二）原核生物DNA的高级结构
（三）DNA在真核生物细胞核内的组装
真核生物染色体由DNA和蛋白质构成，其基本单位是 核小体(nucleosome)。
核小体的组成
DNA：约200bp
组蛋白：H1
H2A，H2B
H3
H4
三、DNA的功能
DNA的基本功能是以基因的形式荷载遗传信息，并作为基因复制和转录的模板。它是生命遗传的物质基础，也是个体生命活动的信息基础。
基因从结构上定义，是指DNA分子中的特定区段，其中的核苷酸排列顺序决定了基因的功能。
第三节 RNA的结构与功能
Structure and Function of RNA
RNA的种类、分布、功能
一 、信使RNA的结构与功能
内含子
(intron)
* mRNA成熟过程
外显子
(exon)
目 录
* mRNA结构特点
1. 大多数真核mRNA的5´末端均在转录后加上一个7-甲基鸟苷，同时第一个核苷酸的C´2也是甲基化，形成帽子结构：m7GpppNm-。
2. 大多数真核mRNA的3´末端有一个多聚腺苷酸(polyA)结构，称为多聚A尾。
帽子结构
mRNA核内向胞质的转位
mRNA的稳定性维系
翻译起始的调控
帽子结构和多聚A尾的功能
* mRNA的功能
把DNA所携带的遗传信息，按碱基互补配对原则，抄录并传送至核糖体，用以决定其合成蛋白质的氨基酸排列顺序。
* tRNA的一级结构特点
含 10~20% 稀有碱基，如 DHU
3´末端为 — CCA-OH
5´末端大多数为G
具有 TC
二、转运RNA的结构与功能
N,N二甲基鸟嘌呤
N6-异戊烯腺嘌呤
双氢尿嘧啶
4-巯尿嘧啶
稀有碱基
* tRNA的二级结构
——三叶草形
氨基酸臂
DHU环
反密码环
额外环
TΨC环
氨基酸臂
额外环
* tRNA的三级结构
—— 倒L形
* tRNA的功能
活化、搬运氨基酸到核糖体，参与蛋白质的翻译。
* rRNA的结构
三、核蛋白体RNA的结构与功能
* rRNA的功能
参与组成核蛋白体，作为蛋白质生物合成的场所。
* rRNA的种类（根据沉降系数）
真核生物
5S rRNA
28S rRNA
5.8S rRNA
18S rRNA
原核生物
5S rRNA
23S rRNA
16S rRNA
核蛋白体的组成
四 、其他小分子RNA及RNA组学
除了上述三种RNA外，细胞的不同部位存在的许多其他种类的小分子RNA，统称为非mRNA小RNA(small non-messenger RNAs, snmRNAs)。
snmRNAs
snmRNAs的种类
核内小RNA
核仁小RNA
胞质小RNA
催化性小RNA
小片段干涉 RNA
snmRNAs的功能
参与hnRNA和rRNA的加工和转运。
RNA组学研究细胞中snmRNAs的种类、结构和功能。同一生物体内不同种类的细胞、同一细胞在不同时间、不同状态下snmRNAs的表达具有时间和空间特异性。
RNA组学
核 酸 的 理 化 性 质
The Physical and Chemical Characters of Nucleic Acid
第 四 节
目 录
1. DNA或RNA的定量
OD260=1.0相当于
50μg/ml双链DNA
40μg/ml单链DNA（或RNA）
20μg/ml寡核苷酸
2.判断核酸样品的纯度
DNA纯品: OD260/OD280 = 1.8
RNA纯品: OD260/OD280 = 2.0
OD260的应用
目 录
二、DNA的变性(denaturation)
定义：在某些理化因素作用下，DNA双链解开成两条单链的过程。
方法：过量酸，碱，加热，变性试剂如尿素、 酰胺以及某些有机溶剂如乙醇、丙酮等。
变性后其它理化性质变化：
OD260增高 粘度下降
比旋度下降 浮力密度升高
酸碱滴定曲线改变 生物活性丧失
目 录
DNA变性的本质是双链间氢键的断裂
例：变性引起紫外吸收值的改变
DNA的紫外吸收光谱
增色效应：DNA变性时其溶液OD260增高的现象。
目 录
热变性
解链曲线：如果在连续加热DNA的过程中以温度对A260（absorbance，A，A260代表溶液在260nm处的吸光率）值作图，所得的曲线称为解链曲线。
目 录
Tm：变性是在一个相当窄的温度范围内完成，在这一范围内，紫外光吸收值达到最大值的50%时的温度称为DNA的解链温度，又称融解温度(melting temperature, Tm)。其大小与G+C含量成正比。
目 录
三、DNA的复性与分子杂交
DNA复性(renaturation)的定义
在适当条件下，变性DNA的两条互补链可恢复天然的双螺旋构象，这一现象称为复性。
减色效应
DNA复性时，其溶液OD260降低。
热变性的DNA经缓慢冷却后即可复性，这一过程称为退火(annealing) 。
目 录
在DNA变性后的复性过程中，如果将不同种类的DNA单链分子或RNA分子放在同一溶液中，只要两种单链分子之间存在着一定程度的碱基配对关系，在适宜的条件（温度及离子强度）下，就可以在不同的分子间形成杂化双链(heteroduplex)。
这种杂化双链可以在不同的DNA与DNA之间形成，也可以在DNA和RNA分子间或者RNA与RNA分子间形成。这种现象称为核酸分子杂交。
核酸分子杂交(hybridization)
DNA-DNA
杂交双链分子
不同来源的DNA分子
核酸分子杂交的应用
研究DNA分子中某一种基因的位置
定两种核酸分子间的序列相似性
检测某些专一序列在待检样品中存在与否
是基因芯片技术的基础
第 五 节 核 酸 酶 Nuclease
核酸酶是指所有可以水解核酸的酶
依据底物不同分类
DNA酶(deoxyribonuclease, DNase)：
专一降解DNA。
RNA酶 (ribonuclease, RNase)：
专一降解RNA。
依据切割部位不同
核酸内切酶：分为限制性核酸内切酶和非特异性限制性核酸内切酶。
核酸外切酶：5´→3´或3´→5´核酸外切酶。
参与DNA的合成与修复及RNA合成后的剪接等重要基因复制和基因表达过程
负责清除多余的、结构和功能异常的核酸，同时也可以清除侵入细胞的外源性核酸
在消化液中降解食物中的核酸以利吸收
体外重组DNA技术中的重要工具酶
生物体内的核酸酶负责细胞内外催化核酸的降解
核酸酶的功能
核 酶
催化性DNA (DNAzyme) 人工合成的寡聚脱氧核苷酸片段，也能序列特异性降解RNA。
催化性RNA (ribozyme) 作为序列特异性的核酸内切酶降解mRNA。