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1、第 2 章 核酸的结构和功能 核酸是一类重要的生物大分子，担负着核酸是一类重要的生物大分子，担负着生命信息的储存与传递。生命信息的储存与传递。核酸是现代生物化学、分子生物学的重核酸是现代生物化学、分子生物学的重要研究领域，是基因工程操作的核心分要研究领域，是基因工程操作的核心分子。子。第一节第一节 核酸的概念核酸的概念核核 酸酸(nucleic acid)的概念 1、功能、功能-核酸是生物遗传的物质基础，决核酸是生物遗传的物质基础，决定生物的生长、繁殖以及生命的代谢模式。定生物的生长、繁殖以及生命的代谢模式。2、结构结构-是以核苷酸为基本组成单位的生物大分是以核苷酸为基本组成单位的生物大分子，
2、携带和传递遗传信息。子，携带和传递遗传信息。3、DNA储存信息；储存信息；RNA传递并表达信息传递并表达信息4、DNA-RNA-蛋白质蛋白质一、核酸的发现和研究工作进展一、核酸的发现和研究工作进展 1868年年 Fridrich Miescher从脓细胞中提取从脓细胞中提取含磷丰富的酸性物质含磷丰富的酸性物质-“核素核素”1944年年 Avery等人等人证实证实DNA是遗传物质是遗传物质20世纪世纪50年代初，年代初，Erwin Chargaff在测定多种生物的在测定多种生物的DNA组成后，发现组成后，发现A=T,G=C,这称为这称为“Chargaff定则定则”1953年年 Watson和和C
3、rick发现发现DNA的双螺旋结构的双螺旋结构1968年年 Nirenberg发现发现遗传密码遗传密码1975年年 Temin和和Baltimore发发现现逆转录酶逆转录酶1981年年 Gilbert和和Sanger建建立立DNA 测序方法测序方法1985年年 Mullis发明发明PCR 技术技术1990年年 美国启动美国启动人类基因组计划人类基因组计划(HGP)1994年年 中国人类基因组计划启动中国人类基因组计划启动1998年，国际水稻基因组计划，年，国际水稻基因组计划，2000年年5月，中国超级杂交水稻基因组计划月，中国超级杂交水稻基因组计划 2001年年 美、英等国美、英等国完成人类基
4、因组计划基本框架，完成人类基因组计划基本框架，2003年完成精细图谱年完成精细图谱二、核酸的分类及分布二、核酸的分类及分布 98%98%以上分布于以上分布于细胞核，细胞核，其余分布于其余分布于核外核外如线粒体，叶绿体，质粒等。如线粒体，叶绿体，质粒等。包括包括mRNAmRNA、tRNAtRNA和和rRNArRNA分布分布于于胞核、胞液。胞核、胞液。(deoxyribonucleic acid,DNA)(ribonucleic acid,RNA)脱氧核糖核酸脱氧核糖核酸 核糖核酸核糖核酸携带遗传信息，决定细胞和个携带遗传信息，决定细胞和个体的基因型体的基因型(genotype)。参与细胞内参与细
5、胞内DNA遗传信息的表遗传信息的表达。某些病毒达。某些病毒RNA也可作为遗也可作为遗传信息的载体。传信息的载体。第二节第二节 核酸的组成成分核酸的组成成分核酸的化学组成核酸的化学组成 1.元素组成元素组成C、H、O、N、P（910%）2.分子组成分子组成核酸核酸核苷酸核苷酸核苷核苷磷酸磷酸碱基碱基戊糖戊糖A GC U T嘌呤嘌呤嘧啶嘧啶核糖核糖脱氧核糖脱氧核糖一、戊一、戊 糖糖（构成（构成RNA）1 2 3 4 5 OHOCH2OHOHOH核糖核糖(ribose)（构成（构成DNA）OHOCH2OHOH脱氧核糖脱氧核糖(deoxyribose)嘌呤嘌呤(purine)NNNHN12345678
6、9NNNHNNH2腺嘌呤腺嘌呤(adenine,A)NNHNHNNH2O鸟嘌呤鸟嘌呤(guanine,G)二、碱二、碱 基基NNH132456嘧啶嘧啶(pyrimidine)胞嘧啶胞嘧啶(cytosine,C)NNHNH2O尿嘧啶尿嘧啶(uracil,U)NHNHOO胸腺嘧啶胸腺嘧啶(thymine,T)NHNHOOCH3 核酸中也存在一些不常见的稀有碱基。稀有碱核酸中也存在一些不常见的稀有碱基。稀有碱基的种类很多，大部分是上述碱基的甲基化产物。基的种类很多，大部分是上述碱基的甲基化产物。核苷：核苷：AR,GR,UR,CR脱氧核苷：脱氧核苷：dAR,dGR,dTR,dCR三、三、核苷核苷(ri
7、bonucleoside)的形成的形成碱基戊糖核苷碱基戊糖核苷连接部位：戊糖连接部位：戊糖-1，碱基碱基-9/1 连接方式：连接方式：C-N 糖苷键糖苷键OHOCH2OHOHNNNH2O1 1POOOHOHOCH2OHOHNNNH2O核苷酸：核苷酸：AMP,GMP,UMP,CMP脱氧核苷酸：脱氧核苷酸：dAMP,dGMP,dTMP,dCMP 四、四、核苷酸核苷酸(ribonucleotide)核苷核苷（脱氧核苷）和磷酸以脱氧核苷）和磷酸以磷酸酯键磷酸酯键连接形成核苷酸（脱氧核苷酸）。连接形成核苷酸（脱氧核苷酸）。l辅酶和辅基含核苷酸的生物活性物质：辅酶和辅基含核苷酸的生物活性物质：NAD+、N
8、ADP+、CoA-SH、FAD 等都含有等都含有 AMPl能量载体能量载体-ATP、GTPl食品工业上用作添加剂食品工业上用作添加剂l 单体多磷酸核苷酸：单体多磷酸核苷酸：NMP，NDP，NTPl 第二信使环化核苷酸第二信使环化核苷酸:cAMP，cGMPNOCH2OOHOHNNNNH2POOHOHNOCH2OOHONNNNH2POOH5 端端3 端端3.3.核苷酸的连接核苷酸的连接 上一个核苷酸上一个核苷酸戊糖戊糖，位的羟基与位的羟基与下下一个核苷酸戊糖一个核苷酸戊糖，位的磷酸位的磷酸以以磷酸二酯磷酸二酯键键连接形成多核苷连接形成多核苷酸链，即以酸链，即以，磷酸二酯键磷酸二酯键连接连接。CGA
9、一、核酸的一级结构一、核酸的一级结构55端端3端端CGA第三节第三节 核酸的分子结构核酸的分子结构l 5-5-磷酸端（常用磷酸端（常用5 5-P-P表示）；表示）；3-3-羟基端（常用羟基端（常用3 3-OH-OH表示）表示）l 多聚核苷酸链具有方向性，当表示一个多聚核苷酸链时，必须多聚核苷酸链具有方向性，当表示一个多聚核苷酸链时，必须注明它的方向是注明它的方向是5353或是或是3535，一般默认为从左到右，一般默认为从左到右为为5 5-3-3。多聚核苷酸的表示方式多聚核苷酸的表示方式DNA RNA5PdAPdCPdGPdTOH 3 5PAPCPGPUOH 或5ACGTGCGT 3 5ACGU
10、AUGU 3 ACGTGCGT ACGUAUGUT53OH U53OH OH OH OH OH DNA一级结构的意义 DNADNA虽然只是由于四个碱基的变化形成的四种虽然只是由于四个碱基的变化形成的四种核苷酸按照一定的顺序排列起来，但值得注意核苷酸按照一定的顺序排列起来，但值得注意的是，的是，DNADNA的碱基顺序本身就是遗传信息存储的碱基顺序本身就是遗传信息存储的分子形式。生物界物种的多样性即寓于的分子形式。生物界物种的多样性即寓于DNADNA分子中四种核苷酸千变万化的不同排列组合之分子中四种核苷酸千变万化的不同排列组合之中。中。DNA的二级结构的二级结构-双螺旋结构双螺旋结构 DNA双螺旋
11、结构的研究背景和历史意义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的超螺旋结构及其在染色质中的组装 DNA的超螺旋结构的超螺旋结构 原核生物原核生物DNA的高级结构的高级结构 DNA在真核生物细胞核内的组装在真核生物细胞核内的组装 DNA的功能的功能二、核酸的二级结构二、核酸的二级结构（一）（一）DNA的二级结构的二级结构双螺旋结构双螺旋结构（一）（一）DNA双螺旋结构的研究背景双螺旋结构的研究背景 碱基组成分析碱基组成分析Chargaff 规则：规则：A=TG C 碱基的理化数据分析碱基的理化数据分析A-T、G-C以以氢
12、键氢键配对较合理配对较合理 DNA纤维的纤维的X-线衍射图谱分析线衍射图谱分析 （二）（二）DNA双螺旋结构模型要点双螺旋结构模型要点（Watson,Crick,1953）u两条两条DNADNA单链分子单链分子反向反向平行平行环绕，环绕，右手螺旋走向，右手螺旋走向，表面表面大大沟与小沟相间。沟与小沟相间。u螺旋直径为螺旋直径为2nm，主链：戊糖主链：戊糖 磷酸骨架位于外侧磷酸骨架位于外侧 侧链：碱基对位于内侧侧链：碱基对位于内侧u碱基平面垂直于螺旋轴碱基平面垂直于螺旋轴 碱基距：碱基距：0.34nm；螺距螺距：3.4nm；周长：周长：10对碱基。对碱基。（二）（二）DNA双螺旋结构模型要点双螺
13、旋结构模型要点 （Watson,Crick,1953）u碱基形成碱基形成氢键配对氢键配对，配对形，配对形式为：式为：A=T;G C）。碱基互补配对碱基互补配对（二）（二）DNA双螺旋结构模型要点双螺旋结构模型要点 （Watson,Crick,1953）稳定因素：稳定因素：u氢键氢键维持维持横向稳定性横向稳定性u 碱基堆积力碱基堆积力维持维持纵向稳纵向稳定性定性u其他作用因素其他作用因素4.DNA双螺旋结构的多样性双螺旋结构的多样性三种类型三种类型DNADNA的结构参数的结构参数类型旋转方向螺旋直径（nm）螺距（nm）每转碱基对数目碱基对间垂直距离（nm）碱基对与水平面倾角ADNABDNAZDN
14、A右右左2.32.01.82.83.44.51110120.2550.340.2719075.与DNA碱基序列相关的特殊结构回文结构发卡结构镜像重复二、二、DNA的超螺旋结构及其在染色质的超螺旋结构及其在染色质中的组装中的组装（一）（一）DNA的超螺旋结构的超螺旋结构超螺旋结构超螺旋结构(superhelix 或或supercoil)DNA双螺旋链再盘绕即形成超螺旋结构。双螺旋链再盘绕即形成超螺旋结构。正超螺旋正超螺旋(positive supercoil)盘绕方向与盘绕方向与DNA双螺旋方同相同双螺旋方同相同 负超螺旋负超螺旋(negative supercoil)盘绕方向与盘绕方向与DNA
15、双螺旋方向相反双螺旋方向相反 意义意义DNA超螺旋结构整体或局部的拓扑学超螺旋结构整体或局部的拓扑学变化及其变化及其调控调控对于对于DNA复制和复制和RNA转录过转录过程程具有关键作用。具有关键作用。（二）原核生物（二）原核生物DNA的高级结构的高级结构（三）（三）DNA在真核生物细胞核内的组装在真核生物细胞核内的组装真核生物染色体由真核生物染色体由DNA和蛋白质构成，和蛋白质构成，其基本单位是其基本单位是 核小体核小体(nucleosome)。核小体的化学组成核小体的化学组成DNA：约约200bp 组蛋白：组蛋白：H1,H2A,H2B,H3,H4染色体的组装过程：染色体的组装过程：核小体核小
16、体 串珠状染色质细丝串珠状染色质细丝 中空线圈螺中空线圈螺线管线管 染色单体染色单体 压缩了1000-2000倍 多级螺旋模型多级螺旋模型压缩倍数压缩倍数 7 6 40 5 （8400）DNA 核小体核小体 螺线管螺线管 超螺线管超螺线管 染色单体染色单体 2nm 10nm 30(10)nm 400nm 210m 一级包装一级包装 二级包装二级包装 三级包装三级包装 四级包装四级包装 三、三、DNA的功能的功能以以基因基因的形式储存、传递、表达信息的形式储存、传递、表达信息 DNA-RNA-蛋白质蛋白质基因从结构上定义，基因从结构上定义，是指是指DNA分子中的分子中的特定区段，其中的核苷酸排列顺序决定特定区段，其中的核苷酸排列顺序决定了基因的功能。了基因的功能。第三节第三节 RNA的结构与功能的结构与功能Structure and Function of RNARNA的种类、分布、功能的种类、分布、功能核蛋白体核蛋白体RNA信使信使RNA转运转运RNA核内不均一核内不均一RNA核内小核内小RNA胞浆小胞浆小RNA 细胞核和胞液细胞核和胞液线粒体线粒体功功能能rRNAmRNA mt rR
