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第 二 章 核酸的结构和功能

第 二 章 核酸的结构和功能. Structure and Function of Nucleic Acid. 核酸的结构和功能. §2.1 核酸的化学组成及一级结构. 核苷酸的结构及核酸的一级结构. §2.2 DNA 的空间结构与功能. DNA 的二级结构、超螺旋结构及功能. §2.3 RNA 的结构与功能. mRNA 、 tRNA 、核蛋白体 RNA 、其它小分子 RNA 及 RNA 组学. §2.4 　核酸的理化性质、变性和复性及其应用. §2.5 核酸酶. 核酸的发现和研究工作进展.

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第 二 章 核酸的结构和功能

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  1. 第 二 章核酸的结构和功能 Structure and Function of Nucleic Acid

  2. 核酸的结构和功能 §2.1 核酸的化学组成及一级结构 核苷酸的结构及核酸的一级结构 §2.2DNA的空间结构与功能 DNA的二级结构、超螺旋结构及功能 §2.3RNA的结构与功能 mRNA、tRNA、核蛋白体RNA、其它小分子RNA及RNA组学 §2.4　核酸的理化性质、变性和复性及其应用 §2.5 核酸酶

  3. 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 • 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) • 2001年 美、英等国完成人类基因组计划基本框架

  4. 脱氧核糖核酸 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。 (deoxyribonucleic acid, DNA) 携带遗传信息，决定细胞和个体的基因型(genotype)。 核糖核酸 分布于胞核、胞液。 (ribonucleic acid, RNA) 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。 核酸的分类及分布

  5. 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

  6. 核酸的基本组成单位-核苷酸 核酸 核苷酸 磷酸 核苷 核糖 嘌呤 碱基 戊糖 脱氧核糖 嘧啶

  7. 1. 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) 核酸的化学组成

  8. 腺嘌呤(adenine, A) 鸟嘌呤(guanine, G) 碱 基 嘌呤(purine)

  9. 尿嘧啶(uracil, U) 胸腺嘧啶(thymine, T) 胞嘧啶(cytosine, C) 嘧啶(pyrimidine)

  10. 5´ 1´ 4´ 3´ 2´ 核糖(ribose) 脱氧核糖(deoxyribose) （构成DNA） （构成RNA） 戊 糖 H • 2. 元素组成 • C、H、O、N、P（9~10%）

  11. 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）。 1 1´ 一、核苷酸的结构 核苷：AR, GR, UR, CR 脱氧核苷：dAR, dGR, dTR, dCR

  12. 核苷结构式 碱基上的编号是1,2,···；核糖上的编号是1’,2’···

  13. 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）。 • 核苷酸： • AMP, GMP, UMP, CMP • 脱氧核苷酸： • dAMP, dGMP, dTMP, dCMP

  14. 核酸的结构组成 dAMP、dGMP、dCMP、dTMP AMP、GMP、CMP、UMP 腺苷、鸟苷 胞苷、尿苷 脱氧（腺苷、鸟苷 胞苷），胸苷 A、G、C、T A、G、C、U 根据磷酸基团的不同，核苷一磷酸NMP 核苷二磷酸NDP 核苷三磷酸NTP

  15. P P P P P P P P 尿嘧啶核苷酸（UMP） 胞嘧啶核苷酸（CMP） 腺嘌呤核苷酸（AMP） 鸟嘌呤核苷酸（GMP） 腺嘌呤核苷酸（ AMP） 脱氧腺嘌呤核苷酸（dAMP） 脱氧鸟嘌呤核苷酸（dGMP） 脱氧胸腺嘧啶核苷酸（dTMP） 脱氧胞嘧啶核苷酸（dCMP）

  16. cAMP ADP AMP ATP NADP+ NAD+ 体内重要的游离核苷酸及其衍生物 • 多磷酸核苷酸：NMP，NDP，NTP • 环化核苷酸: cAMP，cGMP • 含核苷酸的生物活性物质： NAD+、NADP+、CoA-SH、FAD等都含有AMP

  17. 5´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。 3´端 C A G

  18. 5′端 C A G 3′端 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。 方向： 游离磷酸基：5/末端 游离羟基：3/末端

  19. A G T G T C 5 P OH 3 P P P P P 书写方法 竖线代表？ 5 pApCpTpGpCpT-OH3 5A C T G C T3 核酸分子大小表示方法 单链DNA或RNA：碱基数目（base，kilobase） 双链DNA或RNA：碱基对数目（bp，kbp） 目 录

  20. 第二节 DNA的空间结构与功能Dimensional Structure and Function of DNA

  21. 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

  22. 一、 DNA的二级结构 • ——双螺旋结构

  23. （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] 不同生物DNA的碱基组成 目 录

  24. 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 • DNA是双链分子

  25. DNA的双螺旋结构 （二）DNA双螺旋结构模型的基本特征 (1) 反向平行 的双链沿中心轴盘绕成右手螺旋。

  26. l碱基顶部基团裸露在DNA大沟内 l蛋白质因子与DNA 的特异结合依赖于 氨基酸与DNA 间的氢键的形成 l蛋白质因子沿大沟与DNA形成专一性 结合的机率与多样性高于沿小沟的结合 l大沟的空间更有利于与蛋白质的结合 (2) 双螺旋表面形成两种凹槽：较浅的叫小沟，另一条叫大沟。

  27. 外侧 (3) 由糖-磷酸相互间隔连接构成的主链处于螺旋 ；碱基则伸向螺旋 ，与中轴垂直。 内部

  28. (4)碱基互补配对: A与T配对，形成2个氢键； G与C配对，形成3个氢键。

  29. G C A=T

  30. (5)双螺旋直径为2.37nm，螺距3.54nm。每对脱氧核苷酸残基沿纵轴旋转36°，上升0.34nm。(5)双螺旋直径为2.37nm，螺距3.54nm。每对脱氧核苷酸残基沿纵轴旋转36°，上升0.34nm。

  31. 互补碱基之间的氢键 (Hydrogen bond) 碱基堆积力(Base stacking forces)：碱基堆集成非极性的区域，相互间产生疏水作用和范德华力 影响双螺旋结构稳定性的因素 3.4A°

  32. 直径2.37nm 1、两条反向平行的多核苷酸链，右手双螺旋。 2、大沟（深沟）小沟（浅沟） 3、碱基、糖、磷酸的位置 4、碱基互补配对原则 5、双螺旋的直径，螺距。 3.54nm 。 大沟 大沟 0.34nm 小沟

  33. （三）DNA双螺旋结构的多样性 目 录

  34. 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

  35. 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。

  36. （二）原核生物DNA的高级结构 环状DNA 超螺旋DNA

  37. （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

  38. 真核生物染色体的核小体结构 染色质的基本结构单位是核小体（nucleosome），核小体的核心是一个蛋白质八聚体，由组蛋白H2A、H2B、H3和H4各2个组成，DNA以左手螺旋在组蛋白核心上盘绕1.8圈，共146bp。核小体之间连接DNA的长度随不同核小体而略有不同，平均每个核小体占DNA200bp。

  39. DNA （2nm） 真核生物染色体DNA组装不同层次的结构 核小体链（ 11nm，每个核小体200bp） 纤丝（ 30nm，每圈6个核小体） 突环（ 150nm，每个突环大约75000bp） 玫瑰花结（ 300nm ，6个突环） 螺旋圈（ 700nm，每圈30个玫瑰花） 染色体（ 1400nm， 每个染色体含10个玫瑰花200bp）

  40. 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。

  41. 本节课小结 碱基 核苷 核苷酸 戊糖 化学组成及一级结构 一级结构 双螺旋模型要点 DNA的空间结构 超螺旋结构 DNA的功能 磷酸

  42. 第三节 RNA的结构与功能 Structure and Function of RNA

  43. RNA的结构特点 种类多,结构多样化 比DNA分子小 多以单链.局部发卡结构(颈环结构) 基本结构单位:AMP、GMP、CMP、UMP（磷酸二酯键） 含较多稀有碱基

  44. RNA的种类、分布、功能

  45. hnRNA mRNA 一 、信使RNA的结构与功能 * mRNA成熟过程 内含子 (intron) 外显子 (exon) 目 录

  46. * 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。

  47. 帽子结构

  48. 帽子结构和多聚A尾的功能 mRNA核内向胞质的转位 mRNA的稳定性维系 翻译起始的调控 mRNA半衰期很短，合成pro后被降解

  49. 原核细胞 真核细胞 细胞质 细胞核 DNA DNA 转录 外显子 内含子 转录 mRNA hnRNA 转录后剪接 转运 翻译 蛋白 mRNA 翻译 蛋白 • * 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。

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