第1章核酸的結構和功能核酸是一類重要的生物大分子，擔負著生命信息的儲存與傳遞。核酸是現代生物化學、分子生物學的重要研究領域，是基因工程操作的核心分子。第一節核酸的概念核酸(nucleicacid)

的概念1、功能---核酸是生物遺傳的物質基礎，決定生物的生長、繁殖以及生命的代謝模式。2、結構----是以核苷酸為基本組成單位的生物大分子，攜帶和傳遞遺傳信息。3、DNA儲存信息；RNA傳遞并表達信息4、DNA-----RNA-----蛋白質一、核酸的發現和研究工作進展1868年FridrichMiescher從膿細胞中提取含磷豐富的酸性物質---“核素”

1944年Avery等人證實DNA是遺傳物質20世紀50年代初，ErwinChargaff在測定多種生物的DNA組成后，發現A=T,G=C,這稱為“Chargaff定則”1953年Watson和Crick發現DNA的雙螺旋結構1968年Nirenberg發現遺傳密碼1975年Temin和Baltimore發現逆轉錄酶1981年Gilbert和Sanger建立DNA測序方法1985年Mullis發明PCR技術1990年美國啟動人類基因組計劃(HGP)

1994年中國人類基因組計劃啟動1998年，國際水稻基因組計劃，2000年5月，中國超級雜交水稻基因組計劃

2001年美、英等國完成人類基因組計劃基本框架，2003年完成精細圖譜二、核酸的分類及分布98%以上分布于細胞核，其余分布于核外如線粒體，葉綠體，質粒等。包括mRNA、tRNA和rRNA分布于胞核、胞液。(deoxyribonucleicacid,DNA)(ribonucleicacid,RNA)脫氧核糖核酸

核糖核酸攜帶遺傳信息，決定細胞和個體的基因型(genotype)。參與細胞內DNA遺傳信息的表達。某些病毒RNA也可作為遺傳信息的載體。第二節核酸的組成成分嘌呤(purine)腺嘌呤(adenine,A)鳥嘌呤(guanine,G)二、堿基嘧啶(pyrimidine)胞嘧啶(cytosine,C)尿嘧啶(uracil,U)胸腺嘧啶(thymine,T)

核酸中也存在一些不常見的稀有堿基。稀有堿基的種類很多，大部分是上述堿基的甲基化產物。核苷：AR,GR,UR,CR脫氧核苷：dAR,dGR,dTR,dCR三、核苷(ribonucleoside)的形成堿基＋戊糖＝核苷連接部位：戊糖---1，堿基---9/1

連接方式：C---N糖苷鍵1′1核苷酸：AMP,GMP,UMP,CMP脫氧核苷酸：dAMP,dGMP,dTMP,dCMP

四、核苷酸(ribonucleotide)核苷（脫氧核苷）和磷酸以磷酸酯鍵連接形成核苷酸（脫氧核苷酸）。

體內重要的游離核苷酸及其衍生物輔酶和輔基－含核苷酸的生物活性物質：NAD+、NADP+、CoA-SH、FAD等都含有AMP能量載體----ATP、GTP食品工業上用作添加劑

單體－多磷酸核苷酸：NMP，NDP，NTP

第二信使－環化核苷酸:cAMP，cGMPAMPcAMP5′端3′端3.核苷酸的連接上一個核苷酸戊糖３，位的羥基與下一個核苷酸戊糖５，位的磷酸以磷酸二酯鍵連接形成多核苷酸鏈，即以３，－５，磷酸二酯鍵連接。CGA一、核酸的一級結構5′端3′端CGA第三節核酸的分子結構5′-磷酸端（常用5’-P表示）；3′-羥基端（常用3’-OH表示）多聚核苷酸鏈具有方向性，當表示一個多聚核苷酸鏈時，必須注明它的方向是5′→3′或是3′→5′，一般默認為從左到右為5’-3’。多聚核苷酸的表示方式DNARNA5′PdAPdCPdGPdTOH3′5′PAPCPGPUOH′

或5′ACGTGCGT3′5′ACGUAUGU3′

ACGTGCGTACGUAUGUT5’3’OHU5’3’OHOHOHOHOHDNA一級結構的意義DNA雖然只是由于四個堿基的變化形成的四種核苷酸按照一定的順序排列起來，但值得注意的是，DNA的堿基順序本身就是遺傳信息存儲的分子形式。生物界物種的多樣性即寓于DNA分子中四種核苷酸千變萬化的不同排列組合之中。DNA的二級結構-雙螺旋結構DNA雙螺旋結構的研究背景和歷史意義DNA雙螺旋結構模型要點DNA的超螺旋結構及其在染色質中的組裝DNA的超螺旋結構原核生物DNA的高級結構DNA在真核生物細胞核內的組裝DNA的功能二、核酸的二級結構（一）DNA的二級結構——雙螺旋結構（一）DNA雙螺旋結構的研究背景

堿基組成分析Chargaff

規則：[A]=

[T][G]

[C]

堿基的理化數據分析A-T、G-C以氫鍵配對較合理DNA纖維的X-線衍射圖譜分析（二）DNA雙螺旋結構模型要點（Watson,Crick,1953）兩條DNA單鏈分子反向平行環繞，右手螺旋走向，表面大溝與小溝相間。螺旋直徑為2nm，

主鏈：戊糖－磷酸骨架位于外側側鏈：堿基對位于內側堿基平面垂直于螺旋軸堿基距：0.34nm；

螺距：3.4nm；周長：10對堿基。（二）DNA雙螺旋結構模型要點

（Watson,Crick,1953）堿基形成氫鍵配對，配對形式為：A=T;G

C）。堿基互補配對TACG（二）DNA雙螺旋結構模型要點

（Watson,Crick,1953）穩定因素：氫鍵維持橫向穩定性堿基堆積力維持縱向穩定性其他作用因素4.DNA雙螺旋結構的多樣性三種類型DNA的結構參數5.與DNA堿基序列相關的特殊結構回文結構發卡結構鏡像重復二、DNA的超螺旋結構及其在染色質中的組裝（一）DNA的超螺旋結構超螺旋結構(superhelix或supercoil)DNA雙螺旋鏈再盤繞即形成超螺旋結構。正超螺旋(positivesupercoil)盤繞方向與DNA雙螺旋方同相同負超螺旋(negativesupercoil)盤繞方向與DNA雙螺旋方向相反意義DNA超螺旋結構整體或局部的拓撲學變化及其調控對于DNA復制和RNA轉錄過程具有關鍵作用。（二）原核生物DNA的高級結構（三）DNA在真核生物細胞核內的組裝真核生物染色體由DNA和蛋白質構成，其基本單位是核小體(nucleosome)。核小體的化學組成DNA：約200bp組蛋白：H1,H2A,H2B,H3,H4染色體的組裝過程：核小體串珠狀染色質細絲中空線圈螺線管染色單體壓縮了1000-2000倍多級螺旋模型壓縮倍數76405（8400）

DNA→核小體→螺線管→超螺線管→染色單體

2nm10nm30(10)nm400nm2~10μm

一級包裝二級包裝三級包裝四級包裝

三、DNA的功能以基因的形式儲存、傳遞、表達信息

DNA-----RNA-----蛋白質基因從結構上定義，是指DNA分子中的特定區段，其中的核苷酸排列順序決定了基因的功能。第三節

RNA的結構與功能StructureandFunctionofRNARNA的種類、分布、功能一、信使RNA的結構與功能hnRNAmRNA*真核生物mRNA成熟過程內含子（intron）外顯子（exon）*真核生物mRNA結構特點5′末端有甲基化鳥苷帽子結構：m7GpppNm-

2.3′末端有多聚腺苷酸尾巴：PolyA。帽子結構促進mRNA由胞核向胞質的轉位維持mRNA的穩定性翻譯起始的調控帽子結構和多聚A尾的功能*mRNA的功能把DNA的堿基序列翻譯成蛋白質的氨基酸順序。DNAmRNA蛋白轉錄翻譯原核細胞細胞質細胞核DNA內含子外顯子轉錄轉錄后剪接轉運mRNAhnRNA翻譯蛋白真核細胞*

tRNA的一級結構特點含10~20%稀有堿基3′末端為—CCA-OH5′末端大多數為G具有T

C環二、轉運RNA的結構與功能N,N二甲基鳥嘌呤N6-異戊烯腺嘌呤雙氫尿嘧啶4-巰尿嘧啶

稀有堿基*tRNA的二級結構——三葉草形

氨基酸臂

DHU環

反密碼子環額外環

TΨC環氨基酸臂額外環*tRNA的三級結構——倒L形*tRNA的功能活化、搬運氨基酸到核糖體，參與蛋白質的翻譯。*rRNA的結構三、核蛋白體RNA的結構與功能*rRNA的功能參與組成核蛋白體，作為蛋白質生物合成的場所。rRNA的種類（根據沉降系數）沉降系數：單位時間內的沉降速度真核生物5SrRNA28SrRNA5.8SrRNA18SrRNA原核生物5SrRNA23SrRNA16SrRNA核蛋白體的組成核酸的理化性質ThePhysicalandChemicalCharactersofNucleicAcid第四節核酸的酸堿及溶解度性質核酸為多元酸，具有較強的酸性，其中的堿基又具有堿性，所以為兩性電解質。可與金屬離子成鹽，不溶于乙醇或異丙醇。核酸的高分子性質粘度：DNA>RNAdsDNA>ssDNA沉降行為核酸的紫外吸收(OD260)單核苷酸>ssDNA(或RNA)>dsDNA核酸的分離方法：電泳-------依據分子量大小離子交換法-----依據電荷一、核酸的一般理化性質1.DNA或RNA的定量OD260=1.0相當于50μg/ml雙鏈DNA40μg/ml單鏈DNA（或RNA）20μg/ml寡核苷酸2.判斷核酸樣品的純度DNA純品:OD260/OD280=1.8RNA純品:OD260/OD280=2.0OD260的應用二、DNA的變性(denaturation)定義：在某些理化因素作用下，DNA雙鏈解開成兩條單鏈的過程。方法：過量酸，堿，加熱，變性試劑如尿素、酰胺以及某些有機溶劑如乙醇、丙酮等。變性后其它理化性質變化：OD260增高 粘度下降比旋度下降 浮力密度升高酸堿滴定曲線改變 生物活性喪失DNA變性的本質是雙鏈間氫鍵的斷裂例：變性引起紫外吸收值的改變DNA的紫外吸收光譜增色效應：DNA變性時其溶液OD260增高的現象。熱變性解鏈曲線：如果在連續加熱DNA的過程中以溫度對A260（absorbance，A，A260代表溶液在260nm處的吸光率）值作圖，所得的曲線稱為解鏈曲線。Tm：DNA變性時紫外光吸收值達到最大值的50%時的溫度稱為DNA的解鏈溫度，又稱融解溫度(meltingtemperature,Tm)。影響Tm的因素：大小、G+C含量三、DNA的復性與分子雜交

DNA復性(renaturation)的定義在適當條件下，變性DNA的兩條互補鏈可恢復天然的雙螺旋構象，這一現象稱為復性。減色效應

DNA復性時，其溶液OD260降低的現象。熱變性的DNA經緩慢冷卻后即可復性，這一過程稱為退火(annealing)。不同來源的核酸鏈分子復性時形成雜化雙鏈過程叫分子雜交。這種雜化雙鏈可以在不同的DNA與DNA之間形成，也可以在DNA和RNA分子間或者RNA與RNA分子間形成。這種現象稱為核酸分子雜交。核酸分子雜交(hybridization)核酸分子雜交的應用研究DNA分子中某一種基因的位置確定兩種核酸分子間的序列相似性檢測某些專一序列在待檢樣品中存在與否是基因芯片技術的基礎

核酸酶

核酸酶是指所有可以水解核酸的酶

核酸酶的分類依據底物不同分類DNA酶(deoxyribonuclease,DNase)：專一降解DNA。RNA酶(ribonuclease,RNase)：專一降解RNA。依據切割部位不同核酸內切酶：分為限制性核酸內切酶和非特異性限制性核酸內切酶。核酸外切酶：5′→3′或3′→5′核酸外切酶。參與DNA的合成與修復、RNA合成后的剪接等重要基因復制和基因表達過程負責清除多余的、結構和功能異常的核酸，同時也可以清除侵入細胞的外源性核酸在消化液中降解食物中的核酸以利吸收體外重組DNA技術中的重要工具酶生物體內的核酸酶負責細胞內外催化核酸的降解

核酸酶的功能

核酶---有催化活性的RNA1982年，美國ThomasCech

在研究四膜蟲rRNA自我剪接時發現，同時加拿大的SidneyAltman發現RNaseP分子中的RNA組分有催化活性；1989年分享了Noble化學獎。不僅拓寬了生物催化劑的領域，而且對RNA的生物學功能開創了一種歷史性的新認識：RNA不僅具有儲存和傳遞遺傳信息的功能，而且還具有生物催化劑的功能，在一定程度上可以說，RNA一身兼有DNA和蛋白質兩大類生物大分子的功能。催化性DNA(DNAzyme)人工合成的寡聚脫氧核苷酸片段，也能序列特異性降解RNA。催化性RNA(ribozyme)

作為序列特異性的核酸內切酶降解mRNA。核酶的二級結構對于催化活性很重要。Symons提出“錘頭”（hammerhead）狀二級結構。三個螺旋區；13（或11）個保守核苷酸序列。核酸的酚抽提原理：交替使用酚、氯仿兩種蛋白質變性劑，更有效去除蛋白質。氯仿還可加速有機相與水相的分層。異