核酸的結(jié)構(gòu)與功能

1、核核 酸酸(nucleic acid) 以以核苷酸核苷酸為基本組成單位的生為基本組成單位的生物物大分子大分子，攜帶和傳遞，攜帶和傳遞遺傳信息遺傳信息.l1868年年 Fridrich Miescher 從膿細(xì)胞中提取核素。從膿細(xì)胞中提取核素。 l1944年年 Avery等人證實等人證實DNADNA是遺傳物質(zhì)。是遺傳物質(zhì)。l19531953年年 Watson和和Crick發(fā)現(xiàn)發(fā)現(xiàn)DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)。的雙螺旋結(jié)構(gòu)。l1968年年 Nirenberg發(fā)現(xiàn)遺傳密碼。發(fā)現(xiàn)遺傳密碼。l1975年年 Temin和和Baltimore發(fā)發(fā)現(xiàn)逆轉(zhuǎn)錄酶?，F(xiàn)逆轉(zhuǎn)錄酶。l1981年年 Gilbert和和Sanger建

2、建立立DNA測序方法。測序方法。l1985年年 Mullis發(fā)明發(fā)明PCR技術(shù)。技術(shù)。l1990年年 美國啟動人類基因組計劃美國啟動人類基因組計劃(HGP)。l1994年年 中國人類基因組計劃啟動。中國人類基因組計劃啟動。l2001年年 美英等國完成人類基因組計劃。美英等國完成人類基因組計劃。核酸研究的發(fā)展簡史核酸的分類及分布 存在存在于細(xì)胞核和于細(xì)胞核和線粒體線粒體 分布于細(xì)胞核、細(xì)胞質(zhì)、分布于細(xì)胞核、細(xì)胞質(zhì)、線粒體線粒體(deoxyribonucleic acid, DNA)(ribonucleic acid, RNA)脫氧核糖核酸脫氧核糖核酸 核糖核酸核糖核酸攜帶遺傳信息，并通過復(fù)制傳遞

3、給下攜帶遺傳信息，并通過復(fù)制傳遞給下一代。一代。是是DNADNA轉(zhuǎn)錄的產(chǎn)物，參與遺傳信息的轉(zhuǎn)錄的產(chǎn)物，參與遺傳信息的復(fù)制與表達(dá)。某些病毒復(fù)制與表達(dá)。某些病毒RNARNA也可作為也可作為遺傳信息的載體遺傳信息的載體核酸的化學(xué)組成核酸的分子結(jié)構(gòu)核酸的理化性質(zhì)DNARNA 主要內(nèi)容：主要內(nèi)容：核酸核酸 ( (DNA和和RNA) )核苷酸核苷酸核苷和脫氧核苷核苷和脫氧核苷磷酸磷酸戊糖戊糖堿基堿基嘌呤嘌呤嘧啶嘧啶核糖核糖脫氧核糖脫氧核糖核酸組成 DNA的組成單位是的組成單位是脫氧核糖核苷酸脫氧核糖核苷酸（deoxyribonucleotide）RNA的組成單位是的組成單位是核糖核苷酸核糖核苷酸（ribo

4、nucleotide）。）。分子組成堿基堿基(base)：嘌呤堿，嘧啶堿：嘌呤堿，嘧啶堿戊糖戊糖(ribose)：核糖，脫氧核糖：核糖，脫氧核糖磷酸磷酸(phosphate)一、核苷酸是構(gòu)成核酸的基本組成單位一、核苷酸是構(gòu)成核酸的基本組成單位堿基堿基(base)是含氮的雜環(huán)化合物。是含氮的雜環(huán)化合物。堿基堿基嘌呤嘌呤嘧啶嘧啶腺嘌呤腺嘌呤鳥嘌呤鳥嘌呤尿嘧啶尿嘧啶胸腺嘧啶胸腺嘧啶胞嘧啶胞嘧啶存在于存在于DNA和和RNA中中僅存在于僅存在于RNA中中僅存在于僅存在于DNA中中堿基嘌呤(purine，Pu) NNNHN123456789NNNHNNH2腺嘌呤腺嘌呤(adenine, A)NNHNHNN

5、H2O鳥嘌呤鳥嘌呤(guanine, G)NNH132456嘧啶(pyrimidine，Py)胞嘧啶胞嘧啶(cytosine, C)NNHNH2O尿嘧啶尿嘧啶(uracil, U)NHNHOO胸腺嘧啶胸腺嘧啶(thymine, T)NHNHOOCH3分子組成堿基堿基(base)：嘌呤堿，嘧啶堿：嘌呤堿，嘧啶堿戊糖戊糖(ribose)：核糖，脫氧核糖：核糖，脫氧核糖磷酸磷酸(phosphate)一、核苷酸是構(gòu)成核酸的基本組成單位一、核苷酸是構(gòu)成核酸的基本組成單位戊糖（構(gòu)成（構(gòu)成RNA）1 2 3 4 5 OHOCH2OHOHOH-D-核糖核糖(ribose)（構(gòu)成（構(gòu)成DNA）OHOCH2OHO

6、H-D-2脫氧核糖脫氧核糖(deoxyribose)分子組成堿基堿基(base)：嘌呤堿，嘧啶堿：嘌呤堿，嘧啶堿戊糖戊糖(ribose)：核糖，脫氧核糖：核糖，脫氧核糖磷酸磷酸(phosphate)一、核苷酸是構(gòu)成核酸的基本組成單位一、核苷酸是構(gòu)成核酸的基本組成單位核苷核苷脫氧核苷嘌呤嘌呤N-9 與脫氧核糖與脫氧核糖C-1 通過通過-N-糖苷鍵糖苷鍵相連形成相連形成脫氧核苷脫氧核苷(deoxyribonucleoside)。嘧啶嘧啶N-9 -9與核糖與核糖C-1C-1 通過通過 - -N- -糖苷鍵糖苷鍵相相連形成連形成核苷核苷(ribonucleoside)。核苷NNNN9NH2OOHOHH

7、HHCH2OHH12糖苷鍵糖苷鍵分子組成堿基堿基(base)：嘌呤堿，嘧啶堿：嘌呤堿，嘧啶堿戊糖戊糖(ribose)：核糖，脫氧核糖：核糖，脫氧核糖磷酸磷酸(phosphate)一、核苷酸是構(gòu)成核酸的基本組成單位一、核苷酸是構(gòu)成核酸的基本組成單位核苷核苷核苷或脫氧核苷與磷酸通過核苷或脫氧核苷與磷酸通過酯鍵酯鍵結(jié)合構(gòu)成結(jié)合構(gòu)成核苷酸核苷酸(ribonucleotide)(ribonucleotide)或脫氧核苷酸或脫氧核苷酸(deoxyribonucleotide)(deoxyribonucleotide)。核苷酸(ribonucleotide)NNNN9NH2OO HO HHHHCH2H1 2

8、OPO- -HOO糖苷鍵糖苷鍵酯鍵酯鍵多磷酸核苷酸環(huán)化核苷酸：環(huán)化核苷酸：cAMP、cGMP，是細(xì)胞信，是細(xì)胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo)中的第二信使。號轉(zhuǎn)導(dǎo)中的第二信使。NOCH2OOHONNNNH2POOHcAMP核苷酸衍生物煙酰胺腺嘌呤二核苷酸，煙酰胺腺嘌呤二核苷酸，nicotinamide adenine nicotinamide adenine dinucleotide, NAD+dinucleotide, NAD+）生物氧化體系的重要成分，在傳遞質(zhì)子或生物氧化體系的重要成分，在傳遞質(zhì)子或電子的過程中具有重要的作用。電子的過程中具有重要的作用。二、二、DNADNA通過通過3 3 ,5 ,5 - -磷酸二

9、酯鍵連接磷酸二酯鍵連接一個脫氧核苷酸一個脫氧核苷酸3 3 的的羥基與另一個核苷酸羥基與另一個核苷酸5 5 的的 - - 磷 酸 基 團 縮 合 形 成磷 酸 基 團 縮 合 形 成 磷 酸 二 酯 鍵磷 酸 二 酯 鍵(phosphodiester bond)。 多個脫氧核苷酸通過磷酸二酯鍵構(gòu)成了具多個脫氧核苷酸通過磷酸二酯鍵構(gòu)成了具有有方向性方向性的線性分子，稱為的線性分子，稱為多聚脫氧核苷酸多聚脫氧核苷酸(polydeoxynucleotide)，即，即DNA鏈。鏈。5-末端末端3-末端末端CGA磷酸二酯鍵磷酸二酯鍵磷酸二酯鍵磷酸二酯鍵交替的磷酸基團和戊交替的磷酸基團和戊糖構(gòu)成了糖構(gòu)成了D

10、NA的骨架的骨架 (backbone)。DNA鏈的方向是鏈的方向是5 5 3 3 三、三、RNARNA具具3 3 , 5, 5 - -磷酸二酯鍵的線性大分子磷酸二酯鍵的線性大分子RNARNA也是多個核苷酸分子通過也是多個核苷酸分子通過3 3 ,5 ,5 - -磷酸二酯鍵磷酸二酯鍵連接形成的線性大分子，也具有連接形成的線性大分子，也具有5 5 33 方向性方向性; ; RNARNA的戊糖是核糖；的戊糖是核糖； RNARNA的嘧啶是胞嘧啶和尿嘧啶。的嘧啶是胞嘧啶和尿嘧啶。構(gòu)成構(gòu)成RNARNA的四種基本核苷酸是的四種基本核苷酸是AMPAMP、GMPGMP、CMPCMP和和UMPUMP。核酸中核苷酸的

11、核酸中核苷酸的排列順序。排列順序。由于核苷酸間的由于核苷酸間的差異主要是差異主要是堿基不同堿基不同，所以也稱為所以也稱為堿基序列堿基序列。5 5 端端3 3 端端CGA四、核酸的一級結(jié)構(gòu)是四、核酸的一級結(jié)構(gòu)是核苷酸的排列順序核苷酸的排列順序A G P5 P T PG PC PT P OH 3 核酸的一級結(jié)構(gòu)5 pApCpTpGpCpT-OH 3 5 A C T G C T 3 A C T G C T單鏈單鏈DNA和和RNA分子的大小常用分子的大小常用核苷酸數(shù)目核苷酸數(shù)目（nucleotide，nt）表示；雙鏈核酸分子的大表示；雙鏈核酸分子的大小常用小常用堿基堿基(base或或kilobase)

12、數(shù)目數(shù)目來表示。來表示。小的核酸片段小的核酸片段(80)。 rRNA與核糖體蛋白結(jié)合組成核糖體與核糖體蛋白結(jié)合組成核糖體(ribosome)，為蛋白質(zhì)的合成提供場所。，為蛋白質(zhì)的合成提供場所。三、三、rRNA為組分的核糖體是蛋白質(zhì)為組分的核糖體是蛋白質(zhì)合成的場所合成的場所n核糖體的組成核糖體的組成原核生物（大腸桿菌）原核生物（大腸桿菌）真核生物（小鼠肝）真核生物（小鼠肝）小亞基小亞基30S40SrRNA16S1542個核苷酸個核苷酸18S1874個核苷酸個核苷酸蛋白質(zhì)蛋白質(zhì)21種種占總重量的占總重量的40%33種種占總重量的占總重量的50%大亞基大亞基50S60SrRNA23S5S2940個核

13、苷酸個核苷酸120個核苷酸個核苷酸28S5.85S5S4718個核苷酸個核苷酸160個核苷酸個核苷酸120個核苷酸個核苷酸蛋白質(zhì)蛋白質(zhì)31種種占總重量的占總重量的30%49種種占總重量的占總重量的35%核酸的化學(xué)組成核酸的分子結(jié)構(gòu)核酸的理化性質(zhì)DNARNA 主要內(nèi)容：主要內(nèi)容：核酸在波長核酸在波長 260nm 處有強烈的吸收，處有強烈的吸收，是由是由堿基的共軛雙鍵堿基的共軛雙鍵所決定的。這一所決定的。這一特性常用作核酸的定性和定量分析。特性常用作核酸的定性和定量分析。一、核酸分子具有強烈的紫外吸收一、核酸分子具有強烈的紫外吸收DNA或或RNA的定量的定量A260 = 1.0 相當(dāng)于相當(dāng)于 50

14、g/ml 雙鏈雙鏈DNA(dsDNA)40g/ml 單鏈單鏈DNA (ssDNA or RNA)20g/ml 寡核苷酸寡核苷酸確定樣品中核酸的純度確定樣品中核酸的純度 純純 DNA: A260/A280 = 1.8純純 RNA: A260/A280 = 2.0n紫外吸收的應(yīng)用紫外吸收的應(yīng)用二、二、DNA變性是雙鏈解離為單鏈的過程變性是雙鏈解離為單鏈的過程某些理化因素導(dǎo)致某些理化因素導(dǎo)致DNADNA雙鏈互補堿雙鏈互補堿基對之間的氫鍵發(fā)生斷裂，基對之間的氫鍵發(fā)生斷裂，DNADNA雙鏈解雙鏈解離為單鏈離為單鏈的過程。的過程。 n定義定義DNA變性的本質(zhì)是雙鏈間變性的本質(zhì)是雙鏈間氫鍵氫鍵的斷裂。的斷裂

15、。部分解鏈部分解鏈雙鏈雙鏈DNAnDNA的變性的變性增色效應(yīng)增色效應(yīng)(hyperchromic effect)：DNA變性時其溶液變性時其溶液OD260增高增高的現(xiàn)象。的現(xiàn)象。nDNA解鏈時的紫外吸收變化解鏈時的紫外吸收變化nDNA的解鏈曲線的解鏈曲線連續(xù)加熱連續(xù)加熱DNA的的過程中以溫度相對于過程中以溫度相對于A260值作圖，所得的值作圖，所得的曲線稱為曲線稱為解鏈曲線解鏈曲線。 解鏈過程中，紫外解鏈過程中，紫外吸光度的變化達(dá)到最大吸光度的變化達(dá)到最大變化值的一半時所對應(yīng)變化值的一半時所對應(yīng)的溫度。的溫度。解鏈溫度解鏈溫度(melting temperature，Tm)G+C 含量越高，解鏈

16、溫度就越高。含量越高，解鏈溫度就越高。n解鏈曲線的變化解鏈曲線的變化三、變性的核酸可以復(fù)性或形成雜交雙鏈三、變性的核酸可以復(fù)性或形成雜交雙鏈 當(dāng)變性條件緩慢地除去后，兩條解離的互補當(dāng)變性條件緩慢地除去后，兩條解離的互補鏈可重新配對，恢復(fù)原來的雙螺旋結(jié)構(gòu)，這鏈可重新配對，恢復(fù)原來的雙螺旋結(jié)構(gòu)，這一現(xiàn)象稱為一現(xiàn)象稱為DNA復(fù)性復(fù)性(renaturation) 。 減色效應(yīng)：減色效應(yīng)：DNA復(fù)性時，其溶液復(fù)性時，其溶液OD260降低。降低。 熱變性的熱變性的DNA經(jīng)緩慢冷卻后即可復(fù)性，這一經(jīng)緩慢冷卻后即可復(fù)性，這一過程稱為過程稱為退火退火(annealing) 。不同種類的不同種類的DNA單鏈分子或單鏈分子或RNA分子放在同一溶液分子放在同一溶液中，只要兩種單鏈分子之間存在著一定程度的堿基中，只要兩種單鏈分子之間存在著一定程度的堿基配對關(guān)系，在適宜的條件可以在不同的分子間形成配對關(guān)系，在適宜的條件可以在不同的分子間形成雜化雙鏈雜化雙鏈(heteroduplex)。這種雜化雙鏈可以在不同的這種雜化雙鏈可以在不同的DNA與與DNA之間形成，之間形成，也可以在也可以在DNA和和RNA分子間或者分子間或者RNA與與RNA分子間分