2核酸的结构和功能
生物化学与分子生物学课件-第二章-核酸的结构与功能
第二章核酸的结构与功能教学要求（一）掌握内容1. 各种碱基、核苷酸、戊糖的结构特点及DNA、RNA化学组成的异同。
2. DNA、RNA一级结构的概念及其连接键。
3. DNA双螺旋结构模型的要点。
4. 掌握核小体的结构特点。
5. tRNA、mRNA、rRNA的结构特点与功能。
6. 溶解温度、增色效应、DNA变性与复性、核酸分子杂交的概念。
（二）熟悉内容1. DNA的超螺旋结构。
（三）了解内容1. DNA在真核生物细胞核内的组装。
2. 其它小分子RNA。
教学内容（一）核酸的化学组成及一级结构1. 核苷酸的结构（1）碱基；（2）戊糖；（3）核苷；（4）核苷酸。
2. 核酸的一级结构（1）概念；（2）DNA、RNA化学组成的异同。
（二）DNA的空间结构与功能1. DNA的二级结构—双螺旋结构模型（1）双螺旋结构的研究背景；（2）双螺旋结构模型特点；（3）双螺旋结构的多样性。
2. DNA的超螺旋结构及其在染色质中的组装（1）DNA超螺旋结构；（2）原核生物DNA的环状超螺旋结构；（3）真核生物DNA在核内的组装。
3. DNA的功能（三）RNA的结构与功能1. mRNA的结构与功能（1）结构特点；（2）mRNA的功能。
2. tRNA的结构与功能（1）tRNA的功能；（2）tRNA的结构特点。
3. rRNA的结构与功能（1）rRNA的主要功能；（2）rRNA的结构特点。
4. 其他小分子RNA及RNA组学（四）核酸的理化性质、变性和复性及其应用1. 核酸的一般理化性质2. DNA的变性（1）概念；（2）DNA的增色效应；（3）解链曲线与Tm值。
3. DNA的复性与分子杂交名词解释1. 单核苷酸（mononucleotide）：核苷与磷酸缩合生成的磷酸酯称为单核苷酸。
2. 磷酸二酯键（phosphodiester bonds）：单核苷酸中，核苷的戊糖与磷酸的羟基之间形成的磷酸酯键。
3. 不对称比率（dissymmetry ratio）：不同生物的碱基组成由很大的差异，这可用不对称比率（A+T）/（G+C）表示。
核酸的结构和功能
核酸的结构和功能核酸是生命体中非常重要的一类化合物，它们呈现出多种不同的结构和功能，具有广泛的生理活性和重要的医学应用价值。
因此，本文将从核酸的结构和功能两个方面对其进行详细的探讨和分析。
一、核酸的结构核酸是由核苷酸构成的，其中核苷酸是由糖、碱基和磷酸组成的。
糖和碱基是核苷酸的主要结构单元，而磷酸则是连接各个核苷酸单元的桥梁。
糖的选择在DNA和RNA中有所不同，DNA中的糖是脱氧核糖，而RNA中的糖是核糖。
这种区别使得DNA和RNA结构上存在一些差别，比如在酸碱度条件下，DNA更容易形成稳定的结构，背景下我们来详细讨论DNA和RNA的结构特点。
1. DNA的结构DNA是双链结构，由两个聚合物互相结合而成，这些聚合物通过碱基间的氢键相互连接。
DNA的结构是基于鲍尔理论建立的，它是由两个不合位置条，其中的一条旋转了一定的角度，使得这两个链在三维空间中形成一个双螺旋结构。
这种双螺旋结构基本上是由两个不同形式的基对构成，互补的碱基间相互配对，即腺嘌呤和胸腺嘧啶之间存在两个氢键，而鸟嘌呤和胞嘧啶之间则存在三个氢键。
这种氢键结构赋予了DNA一定程度上的稳定性，保证了基因信息的稳定性和传递性。
2. RNA的结构RNA是单链结构，由一个核苷酸链构成，在链上存在一系列氨基酸残基、一个五碳糖和一个碱基，其中的碱基和DNA是相同的。
在RNA中，碱基的选择和排列方式是独立于它的糖和磷酸残基的。
这种构造决定了RNA的结构和功能具有很大的多样性，比如，一些RNA可以形成自身结构，同时也能与其他分子发生特异性的相互作用，这些相互作用可以形成多种不同的RNA-RNA、RNA-蛋白质和RNA-糖等复合物。
二、核酸的功能核酸具有多种复杂的生理和生化功能，其中一些主要功能如下：1. 遗传信息的存储和传递DNA是生物体内最重要的分子之一，它通过氢键和反选配的规则对碱基进行配对来存储和传递生物体的遗传信息。
由于这种针对性的选择性，碱基对之间的氢键是典型的尺度互补，这种互补性导致了新链的合成，比如，DNA复制过程中就是通过这种互补性黏连在新的链上的。
生化第二章核酸的结构和功能
⽣化第⼆章核酸的结构和功能第⼆章核酸的结构与功能本章重点核酸前⾔：1.真核⽣物DNA 存在于细胞核和线粒体内，携带遗传信息，并通过复制的⽅式将遗传信息进⾏传代；真核⽣物RNA 存在于细胞质、细胞核和线粒体内。
2.在某些病毒中，RNA 也可以作为遗传信息的载体。
⼀、核酸的化学组成以及⼀级结构（⼀）、核苷酸是构成核酸的基本组成单位1．DNA 的基本组成单位是脱氧核苷酸，⽽RNA 的基本组成单位是核糖核苷酸。
2．核苷酸中的碱基成分:含氮的杂环化合物。
①DNA 中的碱基：A\T\C\G 。
②RNA 中的碱基：S\U\C\G 。
★这五种碱基的酮基或氨基受所处环境的pH 是影响可以形成酮-烯醇互变异构体或氨基-亚2．核糖①β-D-核糖：C-2’原⼦上有⼀个羟基。
②β-D-脱氧核糖：C-2’原⼦上没有羟基☆脱氧核糖的化学稳定性⽐核糖好，这使DNA成为了遗传信息的载体。
3．核苷①核苷②脱氧核苷③核糖的C-1’原⼦和嘌呤的N-9原⼦或者嘧啶的N-1原⼦通过缩合反应形成了β-N-糖苷键。
在天然条件下，由于空间位阻效应，核糖和碱基处在反式构象上。
3．核苷酸的结构与命名①核苷或脱氧核苷C-5’原⼦上的羟基可以与磷酸反应，脱⽔后形成磷酸键，⽣成核苷酸或脱氧核苷酸。
②根据连接的磷酸基团的数⽬不同，核苷酸可分为核苷⼀磷酸（NMP）、核苷⼆磷酸（NDP）、核苷三磷酸（NTP）。
③⽣物体内游离存在的多是5’核苷酸★细胞内⼀些参与物质代谢的酶分⼦的辅酶结构中都含有腺苷酸，如辅酶Ⅰ（NAD+），它们是⽣物氧化体系的重要成分，在传递质⼦或电⼦的过程中具有重要的作⽤。
（⼆）、DNA是脱氧核糖核苷酸通过3’，5’-磷酸⼆酯键连接形成的⼤分⼦1.脱氧核糖核苷三磷酸C-3’原⼦的羟基能够与另⼀个脱氧核糖核苷三磷酸的α-磷酸基团缩合，形成了⼀个含有3’，5’-磷酸⼆酯键的脱氧核苷酸分⼦。
2.脱氧核苷酸分⼦保留着C-5’原⼦的磷酸基团和C-3’原⼦的羟基。
02 核酸的结构与功能(标注重点的一定要记,其他的也要看)
DNA含G，C多则Tm值高，反之则低。
二、【DNA复性】(重点)
定义 DNA变性后，在去除变性因素后 如条件适宜，DNA恢复双螺旋结构。 DNA热变性后，在适宜条件下的复性过程 叫退火。
三、分子杂交原理
【分子杂交】：异源单链DNA或DNA与RNA 之间经退火形成的杂代双链。(重点)
分类：(重点) mRNA 蛋白质合成模板
tRNA
rRNA HnRNA
转运氨基酸
核蛋白体组成成分 成熟mRNA的前体
一、信使RNA的结构与功能 (重点)
mRNA ： 是不稳定的 RNA ，含量最小， 占细胞内 RNA的2.5%，是合成蛋白质的 模板。 mRNA的前体为HnRNA。
DNA变性
2、DNA热变性与增色效应
变性后的核酸因碱基暴露，对260nm波长的光 吸收增强，称为【增色效应】。(重点)
பைடு நூலகம்
当核苷酸摩尔数相同时 A260 ：单核苷酸＞单链 DNA＞双链 DNA，这种 关系叫【减色效应】。(重点)
加热（80—100OC几分钟）使DNA变性，称热 变性。
【 解 链 温 度 】 （ Tm ） ： 通 常 把 50 %DNA 变性时的温度称为解链温度（融 解温度）。(重点) DNA变性，紫外吸收增高；当紫外吸收 值达到最大值的50%时的温度叫Tm.
第三章 核酸的结构与功能
1.核酸的化学组成
2.核酸的一级结构
3.DNA的空间结构与功能(重点) 4.RNA的空间结构与功能 5.核酸的理化性质及其应用
分类
DNA
RNA
核酸的结构和功能
核酸的结构和功能核酸是生物体内的重要生物大分子之一，其结构和功能对于生物体的正常生理活动具有重要意义。
核酸主要包括核糖核酸（RNA）和脱氧核糖核酸（DNA），它们在细胞中扮演着信息传递、遗传、调控等方面的重要角色。
本文将详细介绍核酸的结构和功能。
一、核酸的结构核酸是由核苷酸单元组成的长链分子。
核苷酸由一个含氮碱基、糖分子和磷酸组成。
核苷酸通过磷酸二酯键连接成链状结构，相邻核苷酸之间的磷酸二酯键被称为链的磷酸骨架。
在DNA中，糖分子是脱氧核糖（deoxyribose），而在RNA中则是核糖（ribose）。
碱基分为嘌呤（鸟嘌呤和胸腺嘧啶）和嘧啶（腺嘌呤、鸟嘌呤和尿嘧啶）两类。
在DNA中，鸟嘌呤和胸腺嘧啶以氢键的方式通过碱基配对相互结合，形成双螺旋结构。
而在RNA中，核糖和碱基之间没有形成稳定的双螺旋结构。
二、核酸的功能1.存储遗传信息：DNA是生物体内存储遗传信息的主要分子。
通过DNA的序列编码了生物体内所有蛋白质的合成信息。
每一个DNA分子都包含了生物体所有的遗传信息，它能够准确地复制自身，并通过遗传信息的传递实现后代群体的生存和繁殖。
2.转录和翻译：DNA的遗传信息通过转录作用被转录成一种中间产物RNA，即RNA的合成过程。
在细胞质中，RNA通过读取DNA上的密码信息并翻译成蛋白质序列，从而实现遗传信息的传递。
这个过程被称为翻译。
3.转运和储存能量：核酸还能承担转运和储存能量的功能。
例如，三磷酸腺苷（ATP）是细胞内的一种重要能量转移分子，在胞吞、细胞呼吸等细胞代谢过程中转运和释放能量。
4. 催化作用：部分RNA分子具有催化作用，被称为酶RNA （ribozyme）。
酶RNA能够在特定条件下催化化学反应，例如：RNA酶能够剪切RNA链，还能参与核酸的合成和修复等生物化学过程。
5.调控基因表达：除了DNA编码蛋白质的功能外，核酸还能调控基因表达过程。
RNA在细胞内扮演着信使RNA、转运RNA和核糖体RNA等不同角色，参与调控基因表达的过程，例如：转录因子通过与一些基因的调控区域结合，将DNA转录为RNA，进而调控该基因的表达。
核酸的结构和功能解析
核酸的结构和功能解析核酸是生物体中最重要的化学物质之一，它们在细胞中承担着传递和存储遗传信息的重要作用。
同时，核酸还可参与许多生物反应过程，是生命活动不可或缺的组成部分。
一、核酸的基本结构核酸由核苷酸（Nucleotide）单元连接而成。
每个核苷酸单元由一个脱氧核糖糖分子、一个核苷酸碱基和一个磷酸残基组成。
脱氧核糖糖分子与磷酸残基的连接形成了核苷酸的“排串”结构，而核苷酸碱基则连结在排列在一起的核苷酸单元上。
总体而言，核酸的基本结构可以分为两种类型：DNA（脱氧核酸）和RNA（核糖核酸）。
其差异在于链中的脱氧核糖糖分子的羟基骨架上的一个氧原子。
在DNA中，此氧原子被去除，从而形成较稳定的两条链结构；而在RNA中，氧原子的存在可导致链中形成的折叠的单链结构。
二、DNA的结构DNA是由两条相互补充的聚核苷酸链组成的双螺旋结构。
这两条链是由碱基之间的氢键连接而成的。
其中，A（腺嘌呤）可与T （胸腺嘧啶）形成两条氢键连接，而G（鸟嘌呤）与C（胞嘧啶）可形成三条氢键连接。
这种“互补配对”结构对于DNA的稳定性起着重要的作用。
DNA双螺旋结构还涉及的其他因素，包括：- 核苷酸磷酸骨架：由相互连接的磷酸残基形成，这些磷酸残基在堆积成长链时负电荷的作用，引发了DNA与核苷酸之间的强相互作用。
- 堆积相互作用：以及各个碱基之间的排斥效应所产生的弱相互作用。
- DNA的“超结构”：由于双螺旋结构的不规则性，导致DNA链上的碱基呈现出交错性的排列结构，形成DNA“超结构”。
三、RNA的结构与DNA不同，RNA结构通常都是单链的，而且可发生许多类型的拓扑学形态。
RNA的结构与功能之间的相互作用通常涉及其折叠和杂交匹配的方式。
RNA的折叠通常涉及许多结构域，并且通常与其他蛋白质配对形成RNA蛋白复合体，以及与其他RNA单链相互作用形成复合物。
杂交型RNA亦常见，其由两个或多个RNA单链形成，这些通过碱基的互补结构连接而成的单链之间相互穿插，形成了具有一定稳定性的“叉状结构”（folds）。
核酸结构与功能的相互作用关系
核酸结构与功能的相互作用关系核酸是生命中不可或缺的分子，包括DNA和RNA，它们构成了遗传信息的基础，控制着细胞生长和分裂等基本生命过程。
核酸的结构和功能密不可分，它们之间的相互作用关系对整个生命体系的稳定和正常运转具有至关重要的作用。
一、核酸的结构DNA和RNA的结构非常相似，都是由核苷酸单元组成的线性聚合物。
核苷酸是由磷酸基团、五碳糖和氮碱基组成的。
DNA中的五碳糖是脱氧核糖，RNA中的五碳糖是核糖，它们分别与磷酸基团和氮碱基形成磷酸二酯键和N-糖苷键，将核苷酸单元连接成链状结构。
在DNA中，氮碱基由A、C、G和T四种组成，它们之间可以通过氢键相互配对，形成螺旋结构。
这样的配对方式使得DNA具有较高的稳定性和可复制性，因为新合成的链可以通过氢键与模板链上的氮碱基配对而复制成一份完整的DNA分子。
在RNA中，A、C、G和U四种氮碱基分别代表腺嘌呤、胞嘧啶、鸟嘌呤和尿嘧啶，它们之间也可以通过氢键配对，但RNA的结构相对DNA更加复杂，主要是由于RNA链的长度较短，容易形成自身配对和簇状结构。
RNA还可以通过结合蛋白质形成核糖核酸复合物，参与到基因表达的调控过程中。
二、核酸的功能核酸的主要功能是传递和存储遗传信息，由此控制细胞的生长和分裂等基本生命过程。
DNA是生命中最重要的分子之一，它负责遗传信息的长期储存和复制，同时参与到调控基因表达和细胞分化等过程中。
RNA则主要负责基因的转录和翻译，将DNA中的信息转化为蛋白质，参与到细胞代谢和信号转导等过程中。
除了传递和存储遗传信息，核酸还可以参与到其他生物学过程中。
例如，RNA可以发挥催化作用，促进特定反应的发生。
这种能力被称为核酸酶活性，是RNA分子特有的性质。
此外，核酸还能够通过序列特异性结合蛋白质，调控基因表达和其他互动过程。
三、核酸结构与功能的相互作用核酸的结构和功能是密不可分的，它们之间的相互作用关系十分复杂。
细胞内的核酸分子必须保持稳定的结构和动态的功能，以便参与到生命过程中。
核酸的结构与功能
C
A
G
核酸的书写方式
CA TG 5 P P P P OH3 5 PCPAPTPG 3 5 · · · CATG · · · 3
核苷酸的排列顺序是从5’端算起
核酸一级结构的特点
5′端 C
1.核酸的基本骨架： 5-核糖-P-核糖-P-核糖-3
A
2.核酸是没有分支的分子 3.核苷酸之间的连接化学键： 3’，5’磷酸二酯键
基因(Gene)： 是决定生物体某一性状的DNA片段，经过复制 可以遗传给后代，经过转录和翻译可以指导蛋白质 的生物合成。RNA和蛋白质是基因表达的产物。
第三节
RNA的结构与功能
RNA
Structure and Function of
RNA的碱基组成及其基本结构
1.化学组成：A、G、C、U 戊糖(核糖) 磷酸
胸腺嘧啶(T) 5-甲基-2,4-二氧嘧啶
尿嘧啶(U) 2,4-二氧嘧啶
2.嘌呤碱
嘌呤环
腺嘌呤（A） 6-氨基嘌呤
鸟嘌呤（G） 2-氨基-6-氧嘌呤
（二）戊糖 戊糖包括核糖和脱氧核糖。核糖是构成RNA的 成分，脱氧核糖是构成DNA的成分。
HO CH2 5´ O OH HO CH2 O OH
4´ 3´
由7-甲基鸟苷通过三磷酸与相邻的甲基化 核苷酸构成，简为m7Gppp m7Gppp可与帽结合蛋白（CBP） 结合形成复合体，其作用为： 维持mRNA的稳定性；协同mRNA 从细胞核向细胞质的转运；在 蛋白质生物合成中促进核蛋白 体与mRNA结合，促进核糖体与 翻译起始因子结合。
2.真核生物mRNA3-端有多聚核苷酸尾（polyA） 由80-250个腺苷酸连接而成。
N
N N
核酸的结构与功能
亚氨式
氨式
2．戊糖：
β-D-核糖
β-D-2-脱氧核糖
2核糖 Pentose
HO
5´CH
2
O
OH
4´
1´
3´ 2´
HO CH2 OH O
OH OH
Ribose
（in RNA）
OH
Deoxyribose
（in DNA）
2
3 核苷：
核苷是由戊糖与含氮碱基经脱水缩 合以糖苷键相连的化合物。
在大多数情况下，核苷是由核糖或 脱氧核糖的C1’ β-羟基与嘧啶碱N1 或嘌呤碱N9进行缩合。
5 pApCpTpGpCpT-OH 3
5 A C T G C T 3
DNA 分 子 主 要 由 dAMP 、 dGMP 、 dCMP 和 dTMP四种脱氧核糖核苷酸所组成。DNA 的一级结构就是指DNA分子中脱氧核糖 核苷酸的排列顺序及连接方式。
RNA分子主要由AMP，GMP，CMP，UMP四 种核糖核苷酸组成。RNA的一级结构就 是指RNA分子中核糖核苷酸的排列顺序 及连接方式。
核酸的化学组成
• 元素：C、H、O、N、P • 特点：1、一般不含元素S
2、核酸中P元素含量 较多并且恒定，约占9％。
Outline
• 核苷酸的结构 • 核酸的一级结构 • DNA的空间结构与功能 • RNA的空间结构与功能 • DNA的理化性质及其应用 • 核酸酶
第一节 核苷酸的结构
核酸的水解产物：
NH
O
Thymine
O
稀有碱基
N
NH
NH N
CH3 N
N,N-DimethylguanCinHe3
HN CH2
CH
蛋白质和核酸结构和功能的比较
蛋白质和核酸结构和功能的比较蛋白质和核酸是生命体内两类重要的生物大分子，它们在维持生命活动、传递遗传信息以及调节生物体内功能上扮演着关键角色。
虽然蛋白质和核酸在分子结构和功能上存在许多不同，但它们又存在一些共同之处。
下面将分别从结构和功能的角度比较蛋白质和核酸。
一、结构比较：1.蛋白质的结构：蛋白质是由氨基酸组成的长链多肽，通过肽键连接在一起。
蛋白质的结构包括四个不同层次：一级结构是氨基酸序列的线性顺序；二级结构包括α-螺旋、β-折叠等常见的二级结构元素；三级结构是蛋白质链的三维折叠结构；四级结构是由两个或多个蛋白质相互组合而成的复合体。
2.核酸的结构：核酸是由核苷酸组成的长链聚合物，通过磷酸二酯键连接在一起。
核酸的结构包括两个不同层次：一级结构是核苷酸序列的线性顺序；二级结构是DNA的双螺旋结构和RNA的单链结构。
二、功能比较：1.蛋白质的功能：蛋白质在细胞中的功能非常多样化，包括酶催化、结构支持、运输、免疫机制、代谢调节等。
例如，酶是一类高度特异性的蛋白质，可以参与化学反应的催化；结构蛋白质如胶原蛋白则提供细胞和组织的支持；运输蛋白质如载脂蛋白可在血液中运输脂类；免疫球蛋白可以识别入侵生物体内的病毒和细菌等。
2.核酸的功能：核酸主要参与遗传信息的传递和转录、翻译过程。
DNA持有生物体的遗传信息，可通过自身复制维持和传递；RNA则具有将DNA指导的信息转化为蛋白质的功能。
在转录过程中，DNA会被转录成RNA；在翻译过程中，RNA会被翻译成蛋白质。
三、相互作用：综上所述，蛋白质和核酸在分子结构和功能上存在着很大的差异。
蛋白质在细胞功能中的多样性比核酸更加广泛，而核酸则在传递遗传信息和转化为蛋白质的过程中起到重要的作用。
然而，蛋白质和核酸之间也相互作用、相互依赖，共同参与维持生物体的正常功能。