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第 二 章

核酸的结构和功能Structure and Function of Nucleic AcidStructure and Function of Nucleic Acid

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核 酸 (nucleic acid)

是以单核苷酸为基本组成单位的生物大分子，功能是携带和传递遗传信息。

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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

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二、核酸的分类及分布

90% 以上分布于细胞核，其余分布于核外如线粒体，叶绿体，质粒等。

分布于胞核、胞液。

(deoxyribonucleic acid, DNA)

(ribonucleic acid, RNA)

脱氧核糖核酸

核糖核酸

携带遗传信息，决定细胞和个体的基因型 (genotype) 。

参与细胞内 DNA 遗传信息的表达。某些病毒 RNA 也可作为遗传信息的载体。

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第一节

核酸的化学组成及其一级结构The Chemical Component and Primary Str

ucture of Nucleic Acid

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核酸的化学组成

1. 元素组成C 、 H 、 O 、 N 、 P

特点 : P/ 核酸 =9%

2. 分子组成 碱基 (base) ：嘌呤碱，嘧啶碱

戊糖 (ribose) ：核糖，脱氧核糖

磷酸 (phosphate)

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嘌呤 (purine)

N

N

NH

N1

23

4

567

89

N

N

NH

N

NH2

腺嘌呤 (adenine, A)

N

NH

NH

N

NH2

O

鸟嘌呤 (guanine, G)

碱 基

目 录

N

NH1

32

45

6

嘧啶 (pyrimidine)

胞嘧啶 (cytosine, C)

N

NH

NH2

O

尿嘧啶 (uracil, U)

NH

NH

O

O

胸腺嘧啶 (thymine, T)

NH

NH

O

O

CH3

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戊 糖

（构成 RNA ）

1´

2´3´4´

5´OH

O

CH2OH

OH OH

核糖 (ribose)（构成 DNA ）

OHO

CH2OH

OH

脱氧核糖 (deoxyribose)

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核苷： AR, GR, UR, CR

脱氧核苷： dAR, dGR, dTR, dCR

一、核苷酸的结构

1. 核苷 (ribonucleoside) 的形成碱基和核糖（脱氧核糖）通过糖

苷键连接形成核苷（脱氧核苷）。

OHO

CH2

OHOH

N

N

NH2

O

1´

1

目 录

P

O

O

OH

OHO

CH2

OHOH

N

N

NH2

OOHO

CH2

OHOH

N

N

NH2

O

核苷酸：AMP, GMP, UMP, CMP

脱氧核苷酸：dAMP, dGMP, dTMP, dCMP

2. 核苷酸 (ribonucleotide) 的结构与命名核苷（脱氧核苷）和磷酸以磷酸酯键

连接形成核苷酸（脱氧核苷酸）。

体内重要的游离核苷酸及其衍生物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

NO

CH2O

OHOH

N

NN

NH2

P

O

OH

OH

AMPAMP

NO

CH2O

OHOH

N

NN

NH2

P

O

OH

OP

O

OH

OH

ADPADP

NO

CH2O

OHOH

N

NN

NH2

P

O

OH

OP

O

OH

OP

O

OH

OH

ATPATP

NO

CH2O

OHO

N

NN

NH2

PO

OH

cAMPcAMP

NADP+NAD+

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5´ 端

3´ 端

3. 核苷酸的连接

核苷酸之间以磷酸二酯键连接形成多核苷酸链，即核酸。

C

G

A

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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。

5′ 端

3′ 端

C

G

A

A G

P5 P

T

P

G

P

C

P

T

P OH 3

书写方法

5 pApCpTpGpCpT-OH 3

5 A C T G C T 3 目 录

目 录

第二节

DNA 的空间结构与功能 Di

mensional Structure and Function

of DNA

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• 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

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一、 DNA 的二级结构—— 双螺旋结构

（一） DNA 双螺旋结构的研究背景 碱基组成分析

Chargaff 规则：[A] = [T],[G] = [C].A+G=T+C.

种不同 DNA 组成不同 .

同一个体的不同细胞 DNA 相同 .

碱基的理化数据分析

A-T、 G-C 以氢键配对较合

理DNA 纤维的 X- 线衍射图谱分析

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（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。

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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;

GC ） 。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

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碱基互补配对

TTAA GGCC

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。

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（三） DNA 双螺旋结构的多样性

目 录

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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

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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。

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（二）原核生物 DNA 的高级结构

环状ＤＮＡ

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（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： H1H2A ， H2BH3H4

目 录

目 录

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三、 DNA 的功能DNA 的基本功能：复制和转录的模板．

是以基因的形式荷载遗传信息，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： DNA 的功能区段。基因组：全部基因序列．

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第三节 RNA 的结构与功能

Structure and Function of RNA

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RNA 的种类、分布、功能

核蛋白体RNA

信使RNA

转运RNA

核内不均一RNA

核内小RNA

胞浆小RNA

细胞核和胞液 线粒体 功 能

rRNA

mRNA

mt rRNA

tRNA

mt mRNA

mt tRNA

HnRNA

SnRNA

SnoRNA

scRNA/7SL-RNA

核蛋白体组分蛋白质合成模板

转运氨基酸

成熟mRNA的前体

参与hnRNA的剪接、转运

rRNA的加工、修饰

蛋白质内质网定位合成的信号识别体的组分

核仁小RNA

核蛋白体RNA

信使RNA

转运RNA

核内不均一RNA

核内小RNA

胞浆小RNA

细胞核和胞液 线粒体 功 能

rRNA

mRNA

mt rRNA

tRNA

mt mRNA

mt tRNA

HnRNA

SnRNA

SnoRNA

scRNA/7SL-RNA

核蛋白体组分蛋白质合成模板

转运氨基酸

成熟mRNA的前体

参与hnRNA的剪接、转运

rRNA的加工、修饰

蛋白质内质网定位合成的信号识别体的组分

核仁小RNA

一 、信使 RNA 的结构与功能

hnRNA

内含子(intron)

mRNA

* mRNA 成熟过程

外显子(exon)

目 录

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* mRNA 结构特点1.帽：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. 尾：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。

3. 编码区：核苷酸残基

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帽子结构

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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

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* 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。

DNA

mRNA

蛋白

转录

翻译

原核细胞

细胞质

细胞核

DNA

内含子外显子

转录

转录后剪接转运

mRNA

hnRNA

翻译蛋白

真核细胞

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• tRNA 的一级结构特点

• 分子量小，稀有碱基多． 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 TC

二、转运 RNA 的结构与功能

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N

NH

NH

N

N

O

CH3

CH3

N

N

NH

N

NHCH2 CH C

CH3

CH3

NH

NH

O

O

H

H

H

H

NH

NH

S

O

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

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•tRNA 的二级结构•——三叶草形•四臂三环 :

氨基酸臂 DHU(臂 ) 环 反密码 (臂 ) 环 额外环 ( 可变臂 )

TΨC(臂 ) 环

氨基酸臂

额外环

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* 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。

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* rRNA 的含量多　　　 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。

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* 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

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核蛋白体的组成

原核生物（以大肠杆菌为例） 真核生物（以小鼠肝为例）

小亚基 30S 40S

rRNA 16S 1542 个核苷酸 18S 1874 个核苷酸蛋白质 21 种 占总重量的 40% 33 种 占总重量的 50%

大亚基 50S 60S

rRNA 23S5S

2940 个核苷酸120 个核苷酸

28S5.85S

5S

4718 个核苷酸160 个核苷酸120 个核苷酸

蛋白质 31 种 占总重量的 30% 49 种 占总重量的 35%

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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

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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。

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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 o

f Nucleic Acid

第 四 节

目 录

目 录

　　　　　　　两性电离　　　　　　　紫外吸收　　　　　　　变性　　　　　　　复性　　　　　　　分子杂交

目 录

+ +

+

+

++

+ +

带正电荷的核酸

－－－

－

－－

－－带负电荷的核酸兼性离子

酸碱

一．两性电离

目 录

二．紫外吸收

1. DNA或 RNA 的定量OD260=1.0 相当于

50μg/ml 双链 DNA

40μg/ml单链 DNA （或 RN

A ）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

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三、 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

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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。

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四、 DNA 的复性

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

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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 DN

A 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。

五．核酸分子杂交 (hybridization)

目 录

目 录

DNA-DNA杂交双链分子

变性 复性

不同来源的DNA 分子

目 录

目 录

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

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第 五 节

核 酸 酶 Nuclease

目 录

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。

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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

目 录

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 。

目 录

总结总结 ::• 思路 :• 核酸 ---- 功能、组成、结构、性质、代谢、 调节、应用。• 功能：遗传信息的携带和传递。• DNA ：复制与转录的模板。• RNA ： mRNA:翻译的模板，• tRNA ：转运 AA ，• rRNA ：蛋白合成场所，• 组成：• 元素组成： C、 H、 O、 N 、 P，• 元素组成特点： P/核酸 =9%

目 录

• 基本单位组成：单核苷酸• 种类 : 核苷酸、脱氧核苷酸• 通式 : 碱基 - 戊糖 - 磷酸• 性质 : 两性电解 .紫外吸收 .显色反应• 连接方式 :3’5’- 磷酸二酯键 • 连接结果 : 核酸链• DNA 与 RNA区别：•　　　　　　　　碱基　　　　戊糖•　　　ＤＮＡ　　ＡＧＣＴ　　脱氧核糖•　　　ＲＮＡ　　ＡＧＣＵ　　核糖

目 录

• 结构 :• 一级结构 :• 定义：单核苷酸排列顺序。• 书写方向：５， 　３，

　　　真核mRNA 一级结构特点：　　　　　含量少 ,　帽（m7GpppNm） ,尾　 (polyA) 　　　　　　　　　　　　　

tRNA 的一级结构特点 :• 分子量小，稀有碱基多． 3´ — CCA-OH• rRNA 的一级结构特点 :• 含量多　• 空间结构：• 　　　　　二级结构 三（超）级结构• DNA 双螺旋 　　 超螺旋• tRNA 三叶草 倒 L形

目 录

• DNA 双螺旋结构特点 ：• 两条反向平行脱氧多核苷酸链，右手螺旋盘绕。

螺距 3.4nm，一圈 10 对碱基。• 外側为脱氧核糖 - 磷酸骨架，内側为碱基、碱基

间形成氢键（ A=T; GC） 。• 大沟、小沟相间。•稳定性： 氢键（横向）• 碱基堆积力（纵向）。

目 录

• 真核超螺旋：染色体（核小体为基本单位）　　核小体　　 DNA ：约200bp 　组蛋白： H1

• H2A ， H2B• H3• H4

目 录

• tRNA三叶草结构特点：• 氨基酸臂 携带 AA

DHU（臂）环 反密码（臂）环 识别密码 额外（可变）环 TΨC（臂）环

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• 性质：•　 两性电离：电泳•　　　　 紫外吸收：定性、定量• 显色反应 :•　　　　 变性（空间结构破坏，一结构完整）•　　　　 复性（去除变性因素，空间结构和• 功能恢复）•　　　　 分子杂交：诊、治疾病•　　

目 录

•变性：在某些理化因素作用下， DNA 双链解开成两条单链的过程。

•增色效应： DNA变性时其溶液 OD260增高的现象。

• Tm（解链温度）： DNA变性时，紫外光吸收值达到最大值的 50%时的温度。 　　　　

•复性：去除变性因素，在适当条件下，变性　　　 DNA恢复天然构象。

• 核酸分子杂交： DNA复性过程中，不同来源的核酸单链分子，碱基配对形成杂化双链。