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第二章核酸的结构与功能主要内容：介绍核酸的分类和化学组成，重点讨论DNA和RNA的结构特征，初步认识核酸的结构特征与其功能的相关性；介绍核酸的主要理化性质和核酸研究的一般方法。第一节核酸的种类，分布与功能一、核酸的种类和分布核酸（nucleicacid)分为两种：脱氧核糖核酸(deoxyribonucleicacid)ＤＮＡ，核糖核酸(ribonucleicacid)ＲＮＡ脱氧核糖核酸（DNA）DNA分子含有生物物种的所有遗传信息，分子量一般都很大。DNA为双链分子，其中大多数是链状结构大分子，也有少部分呈环状结构。分布在细胞核，叶绿体和线粒体中。细胞核：占95％，叶绿体和线粒体：占5％核糖核酸（RNA）负责DNA遗传信息的翻译和表达，分子量要比DNA小，单链分子。细胞内分布：细胞质75%，线粒体和叶绿体15％，细胞核10％RNA的分类：转移ＲＮＡ（tRNA)15％，信使ＲＮＡ（mRNA)5％，核糖体ＲＮＡ（rRAN)80％二、核酸的生物学功能1.ＤＮＡ是主要的遗传物质。染色体ＤＮＡ分子中的脱氧核苷酸顺序是遗传信息的贮存形式，ＤＮＡ通过复制把全套遗传信息传递给子代ＤＮＡ，通过转录把某些遗传信息传递给ＲＮＡ。在某些病毒中，ＲＮＡ也是遗传物质。2.DNA通过复制将遗传信息传递给子代DNA，通过转录将某些遗传信息传递给RNA。RNA也是遗传物质（少数生物有机体中）第二节核酸的化学组成一、核酸的基本化学组成：碱基、戊糖和磷酸1.碱基：为含氮的杂环化合物，呈弱碱性，称为碱基。分为两类：嘌呤碱嘧啶碱碱基的结构特征：碱基都具有芳香环的结构特征。嘌呤环和嘧啶环均呈平面或接近于平面的结构。嘌呤碱和嘧啶碱分子中都含有共轭双键体系，在紫外区有吸收（260nm左右）。2.戊糖分为两种：核糖（Ribose）（RNA组成成份）脱氧核糖（Doxyribose）（DNA组成成份）3.核酸的第三个组成成分：磷酸核酸是含磷酸的生物大分子，所以核酸呈酸性。核酸中的磷酸参与3’，5’-磷酸二酯键的形成，使核苷酸连接成多核苷酸链。DNA平均含磷9.9％，RNA为9.4％----定磷法测核酸含量的基础。二、戊糖和碱基组成核苷核苷：是脱氧核糖或核糖与碱基通过β-构型的Ｃ-Ｎ糖苷键连接而成的糖苷。三、核酸的基本结构单位－－核苷酸1.核苷酸：核苷与磷酸生成的核苷磷酸酯称为核苷酸。2.组成核酸的核苷酸种类组成ＲＮＡ的四种核苷酸：AMP、GMP、CMP、UMP戊糖为：核糖四种碱基为：ＡＧＣＵ组成ＤＮＡ的四种核苷酸：dAMP、dGMP、dCMP、dTMP戊糖为：脱氧核糖四种碱基为：ＡＧＣＴ第三节核酸的分子结构一、DNA的分子结构（一）DNA的一级结构（二）DNA的二级结构（三）DNA的三级结构（一）DNA的一级结构定义：DNA分子中各脱氧核苷酸的排列顺序叫做DNA的一级结构，简称为碱基序列。不同的DNA分子具有不同的核苷酸排列顺序，因此携带有不同的遗传信息。1连接键－－3´-5´磷酸二酯键2方向性：5´→3´。（二）DNA的二级结构1.DNA的双螺旋结构(Watson-Crick模型)，DNA双螺旋结构特征及意义2.DNA双螺旋的多态性1.DNA的二级结构－－双螺旋结构(Watson-Crick模型)定义：DNA的二级结构是指DNA的双螺旋结构，即线状或环状双链DNA的两条链相互围着同一中心轴旋绕而成的一种空间结构（构象）。Watson和Crick于1953年提出了DNA双螺旋结构模型，说明了DNA的二级结构。2.DNA双螺旋结构模型的要点DNA双螺旋结构模型的要点Ⅰ：为反平行双链右手螺旋，其中一条链的方向为5′→3′，而另一条链的方向为3′→5′。双螺旋结构模型的要点：螺旋直径约为2nm，相邻两个碱基平面之间的距离为0.34nm，每10.5个核苷酸形成一个螺旋，其螺距（即螺旋旋转一圈）高度为3.6nm。碱基平面与纵轴垂直，糖环平面与纵轴平行双螺旋结构模型的要点Ⅱ：两链靠氢键结合。碱基的之间具有严格的配对规律，即A与T配对，G与C配对，这种配对关系，称为碱基配对互补原则。Ａ＝ＴＧ＝ＣA+G=C+T思考题：某DNA样品含腺嘌呤15.1%（按摩尔碱基计），计算其余碱基的百分含量？A=T15.1%G=C39.9%双螺旋结构模型的要点Ⅲ：双螺旋的两条链是互补关系。一条链是另一条链的互补链。双螺旋结构模型的要点Ⅳ：疏水的碱基位于双螺旋的内侧，亲水的磷酸和脱氧核糖基位于螺旋外侧。大沟和小沟交替出现。3.DNA的双螺旋结构稳定因素氢键碱基堆集力（最主要因素）磷酸基上负电荷被胞内组蛋白或正离子中和碱基处于疏水环境中4.DNA双螺旋的不同构象（三）DNA的三级结构在细胞内，由于DNA分子与其它分子（主要是蛋白质）的相互作用，使DNA双螺旋进一步扭曲形成的更高层次的空间结构。（四）实例：超螺旋染色体（chromosome）小结：DNA的分子结构（一）DNA的一级结构（核苷酸排列顺序），（二）DNA的二级结构（双螺旋结构）（三）DNA的三级结构（超螺旋）二、RNA的分子结构（一）RNA的一级结构RNA分子中各核苷酸（AMP,GMP,CMP,UMP)之间排列顺序叫做RNA的一级结构。1连接键－－3´-5´磷酸二酯键2方向性：5´→3´。RNA分类：转移RNA（tRNA），核糖体RNA（rRNA），信使RNA（mRNA），不均一核RNA（hnRNA）mRNA的前体，小核RNA（snRNA）参与RNA的转录后加工(二）tRNA约占总RNA的10-15%，分子最小。它在蛋白质生物合成中，将相应的氨基酸转运到核糖体，参与蛋白质体的合成。已知每一个氨基酸至少有一个相应的tRNA。1、tRNA的一级结构定义：指tRNA分子中核苷酸的排列顺序。具有tRNA一级结构的共性。tRNA一级结构的特征：a.核苷酸数在74~93之间，沉降系数为4S左右；b.5'端为pG-；c.3'端均为CCA—OH,可与氨基酸相连；d有恒定核苷酸：U8、G18、G19；e含稀有碱基较多，多数是A、U、C、G的甲基化衍生物。例：二氢尿苷（D），假尿苷（ψ），次黄嘌呤核苷（I）2.tRNA二级结构特征：通过A与U配对，G与C配对，tRNA单链通过自身折叠形成一种形状象三叶草的茎环结构。四茎（可配对部分）四环（无法配对部分）氨基酸茎包含有tRNA的3’-末端和5’-末端，由7对核苷酸组成，3’-末端的最后3个核苷酸残基都是-C-C-AOH，此结构是tRNA结合活化氨基酸的部位。反密码子环与氨基酸臂相对的一般含有7个核苷酸残基的区域，其中正中的3个核苷酸残基称为反密码子。反密码子与mRNA的密码子反平行配对结合。二氢尿嘧啶环（DHU环）该区含有二氢尿嘧啶（D），功能不明。氨基酸茎包含有tRNA的3’-末端和5’-末端，由7对核苷酸组成，3’-末端的最后3个核苷酸残基都是-C-C-AOH，此结构是tRNA结合活化氨基酸的部位。3.tRNA三级结构特征：指tRNA的三叶草型结构进一步扭曲折叠形成一种形状象倒写L字母的三维结构，称为倒L型结构。tRNA倒L型结构的基本特征：（1）结构特征：氨基酸接受茎和TψC茎组成一个螺旋；D茎和反密码子茎组成另一个螺旋；TψC环和D环构成“L”的拐角“L”的一端是氨基酸接受茎（－CCA）；另一端是反密码子环。（2）稳定tRNA三级结构的主要因素：氢键：二级氢键、三级氢键；碱基堆积力。tRNA三级结构与功能的关系：（3）氨基酸接受茎的“－CCA”与其它部位的相互作用不强，可以引起构象变化。（4）L型分子的中部的核苷酸数目和种类变化大，可能是氨酰－tRNA合成酶的识别和结合部位。tRNA形成三级结构后才具有特定的生物活性（功能）小结：tRNA的结构tRNA一级结构：核苷酸排列顺序tRNA二级结构：三叶草型tRNA三级结构：倒Ｌ型（三）rRNA约占全部RNA的80%。rRNA是核糖核蛋白体的主要组成部分，其功能与蛋白质生物合成相关。rRNA一级结构特征：具有RNA一级结构的共性，即主要由ＡＧＣＵ四种核苷酸通过3´-5´磷酸二酯键相连形成。rRNA二级结构特征：单链自身折叠形成的茎环结构，在可以配对的部位进行碱基配对并形成螺旋，在不能配对的部位形成突环。(四）mRNA的分子结构mRNA是蛋白质生物合成的模板，单链分子，分子大小不一相差很大。对mRNA的一级结构研究和了解较多，而对mRNA二级结构和三级结构研究和了解较少。重点：mRNA一级结构mRNA的一级结构：具有RNA一级结构的共性：主要由ＡＧＣＵ四种核苷酸通过3´-5´磷酸二酯键相连形成。原核生物mRNA一级结构特征：先导区+翻译区（多顺反子）+末端序列顺反子：通过顺反测验鉴定的遗传功能单位，相当于决定一个多肽链的核苷酸顺序加上翻译的起始和终止信号，等同于“基因”真核生物mRNA一级结构特征：“帽子”（m7G-5´ppp5´-N-3´p）+单顺反子+“尾巴”（PolyA）真核生物mRNA特征：①单顺反子②5’端“帽子”（m7G-5´ppp5´-N-3´p）功能：（1）封闭mRNA的5’端，防止降解（2）作为mRNA与核糖体结合的信号（无帽子结构的mRNA不能与核糖体紧密结合）（3）可能与蛋白质合成起始有关原核生物和真核生物的mRNA在结构上的区别：(1)原核生物是多顺反子；真核生物是单顺反子。(2)真核生物在5’端有一个帽子结构(3)真核生物在3’端有一个多聚腺苷酸尾巴。本节总结：DNA的一级，二级结构；tRNA的一级，二级和三级结构；原核生物和真核生物mRNA一级结构的区别；第五节核酸的某些理化性质及核酸研究常用技术一、一般物理性质1.晶形:DNA为白色纤维状固体；RNA为白色粉末状固体。2.粘度：DNA﹥﹥RNA3.溶解性：微溶于水，加碱促进溶解。不溶于有机溶剂，因此常用有机溶剂来沉淀。4.沉降特性:其沉降速度与核酸大小和密度有关。二、核酸的两性解离两性电解质：指既可以与酸反应生成水和盐，又可以与碱反应生成水和盐的电解质。核酸：（1）含有磷酸基团，可与碱反应（2）含有碱基，可与酸反应；等电点（pI）在某一定pH值时，某特定分子上所带正负电荷相等，成为两性离子，在电场中既不向阳极也不向阴极移动，此时溶液的pH值，即该分子的等电点(pI)。应用：采用沉淀法纯化核酸采用电泳法分离核酸三、DNA的紫外吸收光谱（λmax=260nm）核酸在260ｎｍ处有特征吸收峰。四、核酸的变性与复性1.核酸的变性（1）天然核酸在物理化学因素作用下，有规则的双螺旋结构被打开，转变成无规则的单链，使核酸的物理化学性质发生改变，生物活性丧失，这种现象称为变性。（2）变性的实质：有序的双螺旋变成无序的单链，但不破坏一级结构。（3）变性的表观：粘度下降；密度加大，沉降速度加快；全部或部分活性丧失；A260增加：增色效应（定义：p30）增色效应的实质：变性使碱基暴露出来1天然DNA2变性DNA3核苷酸总吸收值（4）DNA的热变性与熔解温度（Tm）用加热的方法使DNA变性称热变性。熔解温度（Tm）通常把热变性过程中A260达到最大值一半(即DNA变性达50％）时的温度称为该DNA的熔解温度，用Tm表示。Tm=70~85℃Tm∝（G+C）含量2.核酸的复性（1）定义：在一定条件下，变性的DNA单链间碱基重新配对恢复双螺旋结构Ａ260降低，DNA的功能恢复。（2）减色效应：当变性的呈单链状态的DNA,经复性又重新形成双螺旋时，其Ａ260减少，这种现象称减色效应。减色效应的实质：碱基重新被包埋在双螺旋结构中五、酸解和碱解降解：3’,5’-磷酸二酯键被打断（破坏一级结构）酸解：中强度的酸能部分降解DNA和RNA碱解：ＲＮＡ易被稀碱降解，ＤＮＡ不会发生碱解本节总结：重点：核酸的两性性质，核酸变性与复性，核酸的紫外吸收第六节DNA研究进展大规模基因组测序的两个支撑技术Sanger双脱氧末端终止法，PCR技术问答题DNA双螺旋结构是什么时候，由谁提出来的？试述其结构模型。DNA双螺旋结构有些什么基本特点？tRNA的结构有何特点？有何功能？DNA和RNA的结构有何异同？计算（1）分子量为的双股DNA分子的长