核酸的結(jié)構(gòu)與功能

第二章核酸的結(jié)構(gòu)與功能,核酸是一類重要的生物大分子,包括DNA 和RNA兩大類，擔(dān)負(fù)著生命信息的儲存與傳遞的使命。1868年，F(xiàn). Miescher從細(xì)胞核中分離得到一種酸性物質(zhì)，即現(xiàn)在被稱為核酸的物質(zhì)。,核酸概述,1944年，Avery的轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn),or,and,可分離,1952年， Hexshey、Chase T2噬菌體（搗碎器實(shí)驗(yàn)）1953年，Watson、Crick DNA雙螺旋模型,98核中（染色體中） 真核 線粒體（mDNA） 核外 葉綠體（ctDNA）DNA 擬核 原核 核外：質(zhì)粒（plasmid） 病毒：DNA病毒,二、核酸的種類和分布,核酸分為兩大類： 脫氧核糖核酸 Deoxyribonucleic Acid （DNA） 核糖核酸 Ribonucleic Acid（RNA）,第一節(jié) 核苷酸的結(jié)構(gòu),核酸,核苷酸,核苷,磷酸,堿基,戊糖,元素組成： C H O N P,核酸完全水解產(chǎn)生嘌呤和嘧啶等堿性物質(zhì)、戊糖（核糖或脫氧核糖）和磷酸的混合物。核酸部分水解則產(chǎn)生核苷和核苷酸。每個核苷分子含一分子堿基和一分子戊糖，一分子核苷酸部分水解后除產(chǎn)生核苷外，還有一分子磷酸。核酸的各種水解產(chǎn)物可用層析或電泳等方法分離鑒定。,一、堿基,1. 嘌呤（Purine）,2. 嘧啶（Pyrimidine）,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(chǎn)物，如可可堿、茶堿等。,組成核酸的戊糖有兩種。DNA所含的糖為 -D-2-脫氧核糖；RNA所含的糖則為-D-核糖。,二、戊糖,三、核苷（nucleoside）,核苷 戊糖+堿基 糖與堿基之間的C-N鍵，稱為C-N糖苷鍵,假尿苷（）次黃苷（肌苷）I黃嘌呤核苷 X二氫尿嘧啶核苷 D取代核苷的表示方式7-甲基鳥苷 m5G,Adenosine Guanosine Cytidine Uridine,四、核苷酸（nucleotide） 核苷酸 核苷+磷酸 戊糖+堿基+磷酸,五、核苷酸衍生物,1. 繼續(xù)磷酸化,2.環(huán)化磷酸化,cAMP,cGMP,3. 肌苷酸及鳥苷酸(強(qiáng)力味精),4. 輔酶 NAD、NADP、FMN,IMP GMP,第二節(jié)、核酸的一級結(jié)構(gòu)（多聚核苷酸）,多聚核苷酸是通過一個核苷酸的C3-OH 與另一分子核苷酸的5-磷酸基形成3,5-磷酸二酯鍵相連而成的鏈狀聚合物。,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(dāng)表示一個多聚核苷酸鏈時，必須注明它的方向是53或是35。,多聚核苷酸的表示方式,DNA RNA,5PdAPdCPdGPdTOH 3 5PAPCPGPUOH 或5pA-C-G-T-G-C-G-T 3 5pACGUAUGU 3 ACGTGCGT ACGUAUGU,第三節(jié) DNA的空間結(jié)構(gòu)與功能,一、DNA的二級結(jié)構(gòu)一）DNA堿基組成特點(diǎn)腺嘌呤的摩爾含量=胸腺嘧啶的摩爾含量；鳥嘌呤含量=胞嘧啶含量，總嘌呤=總嘧啶；一種生物的DNA堿基組成不隨年齡、組織類型、營養(yǎng)狀態(tài)等變化而變化。,二）、DNA的二級結(jié)構(gòu)要點(diǎn) DNA的雙螺旋模型,1953年，J. Watson和F. Crick 在前人研究工作的基礎(chǔ)上，根據(jù)DNA結(jié)晶的X-衍射圖譜和分子模型，提出了著名的DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型，并對模型的生物學(xué)意義作出了科學(xué)的解釋和預(yù)測。在DNA分子中，嘌呤堿基的總數(shù)與嘧啶堿基的總數(shù)相等。,DNA雙螺旋模型要點(diǎn),B型結(jié)構(gòu) 兩條鏈反向平行，右手螺旋 堿基在內(nèi)（AT，GC）堿基平面垂直于螺旋軸 戊糖在外，雙螺旋每轉(zhuǎn)一周 為10堿基對（bp）A型結(jié)構(gòu) 堿基平面傾斜20，螺旋變粗變短，螺距23nm。Z型結(jié)構(gòu) 左手螺旋，只有小溝,三）DNA二級結(jié)構(gòu)的多樣性,雙螺旋DNA的結(jié)構(gòu)參數(shù),雙螺旋穩(wěn)定的力 氫鍵 堿基堆積力（疏水相互作用及范德華力） 離子鍵等 則DNA變性劑（熱、pH、脲/酰胺、有機(jī)溶劑）,二、DNA的三級結(jié)構(gòu),DNA雙螺旋的進(jìn)一步扭曲構(gòu)成三級結(jié)構(gòu)，負(fù)超螺旋 原核 雙鏈環(huán)狀DNA（dcDNA） 病毒 單鏈環(huán)狀DNA（scDNA） 單鏈線性DNA（ssDNA）,真核 雙鏈線性DNA（dsDNA）,DNA的存在形式,三、DNA的功能,DNA是遺傳信息的載體，基因（gene）是DNA分子中具有編碼功能的某一段區(qū)域。DNA的基本功能是作為遺傳信息復(fù)制和基因轉(zhuǎn)錄的模板。一個細(xì)胞或生物所含有的全套基因稱為基因組（genome）。,第四節(jié) RNA的結(jié)構(gòu)與功能,一、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)堿基組成 A、G、C、U （AU/GC） 稀有堿基較多，穩(wěn)定性較差，易水解多為單鏈結(jié)構(gòu)，少數(shù)局部形成螺旋分子較小分類mRNA（hnRNA 核不均一RNA）tRNA rRNA （snRNA/asRNA）少數(shù)RNA病毒,一、mRNA和hnRNA,占細(xì)胞總RNA的35,真核細(xì)胞mRNA的3-末端有一段長達(dá)200個核苷酸左右的聚腺苷酸(polyA)，稱為 “尾結(jié)構(gòu)” ，5 -末端有一個甲基化的鳥苷酸，稱為” 帽結(jié)構(gòu)“ 。,五、snRNA （small nucleic RNA 核小RNA） scRNA （small cytoplasmic RNA） asRNA （antisense RNA）,U1:RNP,二、tRNA,占RNA總量的15一種氨基酸對應(yīng)最少一種RNA,分子量25000左右，大約由7090個核苷酸組成，沉降系數(shù)為4S左右。分子中含有較多的修飾成分。3-末端都具有CpCpAOH的結(jié)構(gòu)。,tRNA的三級結(jié)構(gòu),三、rRNA,占RNA總量的80,四、其它的RNA,snRNA snoRNAscRNA,五、核酶（Ribozyme）,具有催化功能的RNA。,第五節(jié) 核酸的性質(zhì),二、核酸的紫外吸收特性,在核酸分子中，由于嘌呤堿和嘧啶堿具有共軛雙鍵體系，因而具有獨(dú)特的紫外線吸收光譜，一般在260nm左右有最大吸收峰，可以作為核酸及其組份定性和定量測定的依據(jù)。以A260/A280進(jìn)行定性、定量DNA和RNA溶液中加入溴化乙錠（EB），在紫外下發(fā)出熒光,三、核酸的變性、復(fù)性與分子雜交,1. 變性穩(wěn)定核酸雙螺旋次級鍵斷裂，空間結(jié)構(gòu)破壞，變成單鏈結(jié)構(gòu)的過程。核酸的的一級結(jié)構(gòu)(堿基順序)保持不變。變性表征 生物活性部分喪失、粘度下降、浮力密度升高、紫外吸收增加（增色效應(yīng)）變性因素 pH（11.3或5.0） 變性劑（脲、甲酰胺、甲醛） 低離子強(qiáng)度 加熱,DNA的變性過程是突變性的，它在很窄的溫度區(qū)間內(nèi)完成。因此，通常將紫外吸收的增加量達(dá)最大量一半時的溫度稱熔解溫度，用Tm表示。一般DNA的Tm值在70-85C之間。DNA的Tm值與分子中的G和C的含量有關(guān)。G和C的含量高，Tm值高。因而測定Tm值，可反映DNA分子中G, C含量，可通過經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算：（G+C)%=(Tm-69.3)X2.44,2. 熱變性和Tm,3. 核酸的復(fù)性,變性核酸的互補(bǔ)鏈在適當(dāng)?shù)臈l件下，重新締合成為雙螺旋結(jié)構(gòu)的過程稱為復(fù)性。DNA復(fù)性后，一系列性質(zhì)將得到恢復(fù)，但是生物活性一般只能得到部分的恢復(fù)，具有減色效應(yīng)。將熱變性的DNA驟然冷卻至低溫時，DNA不可能復(fù)性。變性的DNA緩慢冷卻時可復(fù)性，因此又稱為“退火”。 退火溫度Tm25復(fù)性影響因素 片段濃度/片段大小/片段復(fù)雜性（重復(fù)序列數(shù)目）/ 溶液離子強(qiáng)度,4.分子雜交,DNA單鏈與在某些區(qū)域有互補(bǔ)序列的異源DNA單鏈或RNA鏈形成雙螺旋結(jié)構(gòu)的過程。這樣形成的新分子稱為雜交DNA分子。核酸的雜交在分子生物學(xué)和遺傳學(xué)的研究中具有重要意義。Southern 雜交（Southern bolting）Northern 雜交（Northern bolting）Western 雜交 （Western bolting）,四、核酸的序列測定,雙脫氧鏈終止法（Sanger酶法）2. Gilbert化學(xué)降解法,2.雙脫氧鏈終止法（Sanger酶法）測序原理,H,H,電 泳 圖,5-*GATCACTACTG,5-*GATCACTACT,5-*GATCACTAC,5-*GATCACTA,5-*GATCACT,5-*GATCAC,5-*GATCA,5-*GATC,5-*GAT,5-*GA,5-*G,C+T,C,G,G+A,5,本 章 小 結(jié),核酸是遺傳物