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本课件系统介绍核酸的结构与功能，涵盖核苷酸的化学组成、DNA双螺旋与超螺旋结构、RNA的三种主要类型及其结构功能，并讲解核酸的紫外吸收、变性与复性、Tm值与分子杂交等理化性质及其实验应用。
第四章核酸的结构和功能Structure and Function of Nucleic Acid
核酸(nucleic acid)是以核苷酸为基本组成单位的生物大分子，携带和传递遗传信息。
二、核酸的分类及分布90%以上分布于细胞核，其余分布于核外如线粒体，质粒等。
分布于胞核、胞液。
(deoxyribonucleic acid,DNA)(ribonucleic acid, RNA)脱氧核糖核酸核糖核酸携带遗传信息，决定细胞和个体的基因型(genotype)。
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。
第一节核酸的化学组成The Chemical Component of Nucleic Acid
核酸的化学组成1.元素组成C、H、O、N、P（9~10%）2.分子组成——碱基(base)：嘌呤碱，嘧啶碱——戊糖(pentose)：核糖，脱氧核糖——磷酸(phosphate)
嘌呤(purine)腺嘌呤(adenine, A)鸟嘌呤(guanine, G)碱基
嘧啶(pyrimidine)胞嘧啶(cytosine, C)尿嘧啶(uracil, U)胸腺嘧啶(thymine, T)
稀有碱基
戊糖
核苷酸的结构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）。
核苷酸：AMP, GMP, UMP, CMP脱氧核苷酸：dAMP, dGMP, dTMP, dCMP2.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）。
5´端3´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。
CGA3',5'-磷酸二酯键
第二节DNA的结构与功能Structure and Function of DNA
一、DNA的一级结构定义DNA中四种脱氧核苷酸的种类、数量、连接方式及排列顺序。
由于脱氧核苷酸间的差异主要是碱基不同，所以也称为碱基序列。
5′端3′端CGA
AGP5 PTPGPCPTPOH 3 书写方法5 pApCpTpGpCpT-OH3 5 A C T G C T3
二、DNA的二级结构-双螺旋结构
（一）DNA双螺旋结构的研究背景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-射线衍射图谱分析碱基组成分析-chargaff规则
20世纪40年代Chargaff规则-碱基组成分析①DNA碱基组成有种的特异性，但没有组织、器官特异性。
②A=T；G=C；A+G=T+C③年龄、营养状况、环境的改变不影响DNA的碱基组成。
22.927.228.621.3噬菌体λ27.122.822.727.3小麦(胚)26.422.322.326.3ФＸ174(复制型)27.221.922.528.6蚕32.718.524.124.6ФＸ174(单链)29.221.520.528.8母鸡14.635.434.915.1结核分支杆菌28.421.521.428.6大鼠(骨髓)29.219.021.030.8金黄色葡萄球菌27.222.022.228.7牛精子23.625.726.024.7大肠杆菌27.322.122.727.9牛脾32.917.118.731.3酵母27.822.521.528.2牛胸腺29.620.120.629.7扁豆29.419.819.930.9人胸腺嘧啶胞嘧啶鸟嘌呤腺嘌呤胸腺嘧啶胞嘧啶*鸟嘌呤腺嘌呤碱基的相对含量（ｘ）来源碱基的相对含量（ｘ）来源*包括5-甲基胞嘧啶*
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
（二）DNA双螺旋结构模型要点 两条反向平行的脱氧多核苷酸链以右手螺旋方式绕同一公共轴旋转。
螺旋直径为2nm，大沟(majorgroove)及小沟(minorgroove)相间。
碱基垂直螺旋轴居双螺旋内侧，与对侧碱基形成氢键配对(互补配对形式：A=T;G C)。
相邻碱基平面距离0.34nm，螺旋一圈螺距3.4nm，一圈10对碱基。
（三）DNA双螺旋结构的多样性A型DNAB型DNAZ型DNA
三螺旋DNA
HoogsteenHoogsteenWatson-Crick配对Watson-Crick配对
三、DNA的三级结构-超螺旋结构及其在染色质中的组装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
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：H1H2A，H2BH3H4各2分子
H1H1
四、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。
第三节RNA的结构与功能Structure and Function of RNA
RNA的种类、分布、功能
RNA的结构与功能RNA的一级结构是由数量极其庞大的四种核糖核酸（AMP、GMP、CMP、UMP）按一定顺序，通过3´,5´磷酸二酯键连成的线形分子，其表示方法与DNA相同。
RNA的二级结构是短的，不完全螺旋的多核苷酸链。
RNA的三级结构是在茎环结构基础上进一步扭曲折叠而成的复杂结构。
信使RNA的结构与功能hnRNA不均一核RNA内含子(intron)mRNA* mRNA成熟过程外显子(exon)
*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。
*mRNA的功能蛋白质合成的模板。
DNAmRNA蛋白转录翻译原核细胞细胞质细胞核DNA内含子外显子转录转录后剪接转运mRNAhnRNA翻译蛋白真核细胞
分子中含有10% ~20%的稀有碱基转运RNA的结构与功能二氢尿嘧啶假尿嘧啶7－甲基鸟嘌呤
假尿嘧啶环 一级结构中存在一些能局部互补配对的核苷酸序列，可以形成局部双链，使tRNA的二级结构呈三叶草形（cloverleaf） 三级结构呈“倒L”形
*tRNA的功能活化、搬运氨基酸到核糖体，参与蛋白质的翻译。
rRNA的结构与功能*rRNA的种类（根据沉降系数-单位离心力场里的沉降速度）原核及真核生物核糖体的组成蛋白质rRNA亚单位核糖体21种31种16S rRNA5S rRNA23S rRNA小亚基(30S)大亚基(50S)原核生物(70S)33种49种18S rRNA5.8S rRNA5S rRNA28S rRNA小亚基(40S)大亚基(60S)真核生物(80S)
*rRNA的结构*rRNA的功能参与组成核蛋白体，作为蛋白质生物合成的场所。
16S rRNA
核酸的理化性质The Physical and Chemical Charactersof Nucleic Acid第四节
一、一般性质分子大小：DNAMr106～1010或更大性状：DNA为白色纤维状固体，而RNA为白色粉末。
溶解度：DNA和RNA均不溶于一般的有机溶剂，微溶于水，但它们的钠盐在水中溶解度较大。
RNAMr104～106或更大
紫外吸收
二、DNA的变性(denaturation)定义：在某些理化因素作用下，DNA双链解开成两条单链的过程。
方法：过量酸、碱、加热、以及有机溶剂（尿素、丙酮）等。
DNA变性的本质是双链间氢键的断裂
变性引起紫外吸收值的改变DNA的紫外吸收光谱 增色效应：DNA变性时其溶液OD260增高的现象。
Tm：变性是在一个相当窄的温度范围内完成，在这一范围内，紫外光吸收值达到最大值的50%时的温度称为DNA的解链温度，又称熔解温度(meltingtemperature,Tm)。
其大小与G+C含量成正比。
影响Tm值的因素①DNA的均一性②DNA中G-C对的含量③盐离子强度
三、DNA的复性与分子杂交DNA复性(renaturation) :在适当条件下，变性DNA的两条互补链可恢复天然的双螺旋构象。
减色效应DNA复性时，其溶液OD260降低。
热变性的DNA经缓慢冷却后即可复性，这一过程称为退火(annealing)。
在DNA变性后的复性过程中，如果将不同种类的DNA单链分子或RNA分子放在同一溶液中，只要两种单链分子之间存在着一定程度的碱基配对关系，在适宜的条件（温度及离子强度）下，就可以在不同的分子间形成杂化双链(heteroduplex)。
这种杂化双链可以在不同的DNA与DNA之间形成，也可以在DNA和RNA分子间或者RNA与RNA分子间形成。
这种现象称为核酸分子杂交。
核酸分子杂交(hybridization)
核酸分子杂交的应用研究DNA分子中某一种基因的位置；测定两种核酸分子间的序列相似性；检测某些专一序列在待检样品中存在与否；是基因芯片技术的基础；
补充材料
OCH3
①细菌转化作用（transformation）肺炎球菌（pneumococcus）1928年细菌学家Griffith细菌毒性实验DNA是主要的遗传物质
1944年Avery细菌转化实验转化作用：转化作用的物质称转化因子。
从一种细菌中得到DNA通过一定途径进入另一种细菌，从而引起后者遗传特性的改变。
②噬菌体感染实验1952年美国Hershey噬菌体感染实验
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