dd核苷酸與核酸

1、1discovering nucleic acid 18691869年，瑞士科學(xué)家年，瑞士科學(xué)家MiescherMiescher在外科繃帶上得到在外科繃帶上得到一種含磷酸很高的酸性化合物，命名為一種含磷酸很高的酸性化合物，命名為“核質(zhì)核質(zhì)”。 18891889年，年，AltmannAltmann制備了不含蛋白質(zhì)的核酸制品，制備了不含蛋白質(zhì)的核酸制品，首先使用了核酸這個(gè)名稱。首先使用了核酸這個(gè)名稱。 1928192819321932年，確立了核酸在生命現(xiàn)象中的地位。年，確立了核酸在生命現(xiàn)象中的地位。 19531953年，年，WastonWaston和和CrickCrick建立了雙螺旋模型，這建立

2、了雙螺旋模型，這是核酸發(fā)展史上的重要里程碑。是核酸發(fā)展史上的重要里程碑。2Discovery of nucleic acidl1869年年 Fridrich Miescher從膿細(xì)胞中提取從膿細(xì)胞中提取到一種富含磷元素的酸性物質(zhì)，因存在于細(xì)胞核中故稱為到一種富含磷元素的酸性物質(zhì)，因存在于細(xì)胞核中故稱為“核素核素”nuclein, 20年后正式命名為核酸年后正式命名為核酸nucleic acids。l早期的研究?jī)H將核酸看成是細(xì)胞中的一般化學(xué)成分，逐步早期的研究?jī)H將核酸看成是細(xì)胞中的一般化學(xué)成分，逐步證明核酸是一種線狀聚合物。證明核酸是一種線狀聚合物。l1944年年 Avery等人等人證實(shí)證實(shí)DN

3、A是遺傳物質(zhì)是遺傳物質(zhì)3Chemical composition element:C、H、O、N、P（9%10%） Molecule: base：purin ，pyridine pentose：ribose，deoxylribose phosphate4Overview of nucleic acid遺傳信息的存儲(chǔ)和攜帶者脫氧核糖核酸遺傳信息表達(dá)核糖核酸核酸56-氨基嘌呤 2-氨基-6-酮基嘌呤62，4-二酮基嘧啶75-甲基尿嘧啶82-酮基-4-氨基嘧啶9Ribose and Deoxyribose10Features in ribose 共同點(diǎn)： 大多是呋喃糖 與堿基連接都是-構(gòu)型，C-1位

4、的構(gòu)型為-羥基； 不同點(diǎn)： RNA是D-核糖，DNA是D-2-脫氧核糖 種類 4種， 部分RNA還有D-2-O-甲基核糖 還發(fā)現(xiàn)有幾個(gè)己糖 如RNA中有甘露糖、半乳糖 ，DNA中有葡萄糖。11bases嘌呤嘧碇12Nucleoside13Nucleotide腺嘌呤脫氧核苷一磷酸 dAMP14Levels of phosphate15Important derivativesl NAD+、NADP+、CoA-SH、FAD lNMP，NDP，NTP16Cyclic nucleotidelcAMPlcGMP1718Primary structureThe sequence of nucleotide

5、The sequence of the base。19Two kinds of nucleic acids 核糖核酸 脫氧核糖核酸 RNA DNA 單鏈多聚核糖核苷酸 單鏈或雙鏈多聚脫氧核糖核酸 組成成分核糖 組成成分脫氧核糖 功能 功能20Waston和CrickDNA double helix model Chargaff rules：A = TG CDNA纖維的X-線衍射圖譜分析 212223Hydrogen bonds in base pair forming2425 不同類型的DNA雙螺旋結(jié)構(gòu) 2627超螺旋結(jié)構(gòu)(superhelix 或supercoil)DNA雙螺旋鏈再盤繞即形成

6、超螺旋結(jié)構(gòu)。 正超螺旋(positive supercoil)盤繞方向與DNA雙螺旋方同相同 負(fù)超螺旋(negative supercoil)盤繞方向與DNA雙螺旋方向相反 28DNA DNA superhelix 原核生物的原核生物的DNADNA可以形成超螺旋?？梢孕纬沙菪?。 真核生物中真核生物中DNADNA的三級(jí)結(jié)構(gòu)與蛋白質(zhì)有關(guān)。的三級(jí)結(jié)構(gòu)與蛋白質(zhì)有關(guān)。 和和DNADNA結(jié)合的蛋白質(zhì)有組蛋白和非組蛋白。結(jié)合的蛋白質(zhì)有組蛋白和非組蛋白。 組蛋白組蛋白H2AH2A、H2BH2B、H3H3和和H4H4各兩個(gè)分子形成八聚體，被兩圈各兩個(gè)分子形成八聚體，被兩圈140140-145-145堿基對(duì)的堿

7、基對(duì)的DNADNA所圍繞。形成核小體。所圍繞。形成核小體。 H1H1位于核小體之間的連接區(qū)，組成串珠狀結(jié)構(gòu)。位于核小體之間的連接區(qū)，組成串珠狀結(jié)構(gòu)。29Circular DNA30nucleosomenucleosome Consists ofDNA： 200bp Histones：H1H2A，H2BH3H431三、三、 DNA DNA functionsfunctions GeneGene：A unit or a fragment in DNA molecules, which is able to be A unit or a fragment in DNA molecules, whic

8、h is able to be replicated and transcripted. replicated and transcripted. G Gene acts as a genetic basic unit.ene acts as a genetic basic unit.是生物遺傳繁殖的物質(zhì)基礎(chǔ)。是生物遺傳繁殖的物質(zhì)基礎(chǔ)。32DNADNA functionsfunctionsDNA and gene carry genetic information as its basic function. The DNA and gene carry genetic information

9、 as its basic function. The sequence in its molecule can be used as template for replication sequence in its molecule can be used as template for replication and transcription.and transcription. DNA is genetic material and therefore varies individually. DNA is genetic material and therefore varies i

10、ndividually. 33RNA34General features in structure 組成組成RNARNA分子的分子的4 4種核苷酸種核苷酸A A、G G、C C、U;U; 核糖核糖2 2位都有羥基位都有羥基; ; 一般分子較小，核苷酸數(shù)目變異多，一般分子較小，核苷酸數(shù)目變異多，70-70-幾千個(gè)，人的幾千個(gè)，人的DNA 280DNA 280萬(wàn)萬(wàn)kb;kb; 大多數(shù)大多數(shù)RNARNA分子都成線狀單鏈，局部單鏈折疊形成雙螺旋，類似于分子都成線狀單鏈，局部單鏈折疊形成雙螺旋，類似于A-DNAA-DNA雙螺雙螺旋，形成發(fā)夾結(jié)構(gòu)，三葉草結(jié)構(gòu)；旋，形成發(fā)夾結(jié)構(gòu)，三葉草結(jié)構(gòu)； 總量多于總量多

11、于DNADNA，哺乳細(xì)胞，哺乳細(xì)胞RNA10pg,RNA10pg,而而DNADNA至多至多6.38pg6.38pg。35General features 相同點(diǎn)相同點(diǎn) 4 4種核苷酸也通過種核苷酸也通過3 3，5 5- -磷酸二酯鍵相連接磷酸二酯鍵相連接36General features in function 遺傳信息的傳遞體遺傳信息的傳遞體 也是遺傳信息的儲(chǔ)存體也是遺傳信息的儲(chǔ)存體 遠(yuǎn)古時(shí)生命可能起源于遠(yuǎn)古時(shí)生命可能起源于RNA,RNA,因?yàn)橐驗(yàn)镽NARNA可以自身復(fù)制；可以自身復(fù)制； RNARNA還具有某些蛋白質(zhì)的功能還具有某些蛋白質(zhì)的功能 參與基因的調(diào)控。參與基因的調(diào)控。37Capp

12、ing Type 0：m7G5ppp5Np Type 1：m7G5ppp5NmpNp Type 2：m7G5ppp5NmpNmpNp38帽子結(jié)構(gòu)功能帽子結(jié)構(gòu)功能 保護(hù)保護(hù)mRNAmRNA不被核酸外切酶水解不被核酸外切酶水解 與核糖體識(shí)別結(jié)合，與翻譯起始相關(guān)與核糖體識(shí)別結(jié)合，與翻譯起始相關(guān)39帽子結(jié)構(gòu)功能帽子結(jié)構(gòu)功能mRNA的帽結(jié)構(gòu)可以與一類稱為帽結(jié)合蛋白（cap binding proteins, CBPs）的分子結(jié)合。這種mRNA和CBPs復(fù)合物對(duì)于mRNA從細(xì)胞核向細(xì)胞質(zhì)的轉(zhuǎn)運(yùn)、與核蛋白體的結(jié)合、與翻譯起始因子的結(jié)合以及mRNA穩(wěn)定性的維持等均有重要作用。402、Poly A tail 大

13、多數(shù)真核mRNA的3末端有一個(gè)20-200腺苷酸聚合區(qū)，稱為多聚A (polyA)尾部結(jié)構(gòu)。41多聚A尾功能 與與mRNAmRNA壽命有關(guān)，使其保持相對(duì)穩(wěn)定性壽命有關(guān)，使其保持相對(duì)穩(wěn)定性 Poly(A)在細(xì)胞內(nèi)與Poly(A)結(jié)合蛋白（PABP)相結(jié)合而存在，每1020個(gè)堿基結(jié)合一個(gè)PABP單體。 所以，真核細(xì)胞的mRNA的3 -端實(shí)際上是一個(gè)Poly(A)和蛋白質(zhì)多聚體形成的復(fù)合物。423、Other features There are modified bases in the molecules.There are modified bases in the molecules.主主要

14、是甲基化要是甲基化 mm6 6A A The molecule contains both coding and none The molecule contains both coding and none coding regions.coding regions.可有編碼區(qū)和非編碼區(qū)可有編碼區(qū)和非編碼區(qū)43hnRNA是成熟是成熟mRNA的前體的前體 (不均一核不均一核RNA)hnRNA成熟成熟mRNA的前體的前體, 有內(nèi)含子序列有內(nèi)含子序列 intron Exon44mRNAmRNA functionsfunctions triplet code 三聯(lián)體密碼或密碼子(codon)。 op

15、en reading frame，ORF:由AUG及其后的連續(xù)三聯(lián)體密碼(無(wú)終止信號(hào))組成的核苷酸序列稱為開放閱讀框，是多肽鏈的編碼序列。 CDS45tRNAtRNA structural featuresstructural featuresSmall single chain molecule consisting of 70-90 nt；containing 1020% rare bases，如，如 DHU，mG, mA甲基化使分子疏水甲基化使分子疏水 T C ；3末端為末端為 CCA-OH，為氨基酸臂；，為氨基酸臂； 5末端總是磷酸化，大多數(shù)為末端總是磷酸化，大多數(shù)為pG； 分子中大約

16、半數(shù)堿基相互配對(duì)，成雙螺旋，構(gòu)成三葉分子中大約半數(shù)堿基相互配對(duì)，成雙螺旋，構(gòu)成三葉草結(jié)構(gòu)草結(jié)構(gòu)46tRNAtRNA secondary stucturesecondary stucture D D環(huán)：含有環(huán)：含有2 2個(gè)二氫尿嘧啶修飾堿基個(gè)二氫尿嘧啶修飾堿基 不同長(zhǎng)度的堿基形成的不同長(zhǎng)度的堿基形成的D D環(huán)可適合不環(huán)可適合不 同的氨基酰同的氨基酰tRNAtRNA T Tc c環(huán)：處在環(huán)：處在54-5654-56位，位， 與與rRNArRNA結(jié)合，結(jié)合， 維持維持tRNAtRNA的高級(jí)結(jié)構(gòu)起作用；的高級(jí)結(jié)構(gòu)起作用； 反密碼子環(huán)：一般由反密碼子環(huán)：一般由7 7個(gè)堿基組成，個(gè)堿基組成， 中間中間3

17、3各構(gòu)成反密碼子各構(gòu)成反密碼子47tRNAtRNA三級(jí)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)三級(jí)結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 一端是一端是CCA, CCA, 另一端是反密碼子環(huán)；另一端是反密碼子環(huán)； D D環(huán)和環(huán)和T T c c環(huán)處在環(huán)處在L L的轉(zhuǎn)角上，空間位置上比較接近。的轉(zhuǎn)角上，空間位置上比較接近。48t tRNARNA functionsfunctions 活化、搬運(yùn)氨基酸到核糖體，參與蛋白質(zhì)的翻譯。 起始tRNA 延長(zhǎng)tRNA 校正tRNA，結(jié)構(gòu)基因發(fā)生變異時(shí)，可使第二次變異消除。49rRNA structure All rRNAs consist of both large and small All rRNAs consist

18、of both large and small subunits as they work. subunits as they work. ProProeukaryote : :原核細(xì)胞原核細(xì)胞 70S70S 大大 50S: 23S +5S + 3150S: 23S +5S + 31種蛋白質(zhì)種蛋白質(zhì) 小小 30S: 16S + 2130S: 16S + 21種蛋白質(zhì)種蛋白質(zhì) Eukaryote: 80S80S 大大 60S: 28S +5.8S +5S +4960S: 28S +5.8S +5S +49種蛋白質(zhì)種蛋白質(zhì) 小小 40S: 18S +3340S: 18S +33種蛋白質(zhì)種蛋白質(zhì) 5

19、051rRNA function52rRNArRNA functionfunction 原核細(xì)胞原核細(xì)胞 16S rRNA 316S rRNA 3端有一保守序列端有一保守序列 ACCUCCACCUCC與與mRNAmRNA的翻譯起始區(qū)相互補(bǔ)，是的翻譯起始區(qū)相互補(bǔ)，是mRNAmRNA的識(shí)別結(jié)合點(diǎn)。的識(shí)別結(jié)合點(diǎn)。 5SrRNA 5SrRNA 第第40-5040-50位之間有位之間有 5 5CGAAC3CGAAC3與與tRNA T tRNA T c c環(huán)中的環(huán)中的5 5GT GT CG3CG3識(shí)識(shí)別別53Other RNA molecules 核內(nèi)小核內(nèi)小RNAsnRNA參與參與hnRNA的剪接、轉(zhuǎn)運(yùn)

20、的剪接、轉(zhuǎn)運(yùn) U含量高，約含量高，約100-200堿基堿基 5種種 U1, U2, U4, U5, U6 核仁小核仁小RNAsnoRNArRNA的加工和修飾的加工和修飾 胞質(zhì)小胞質(zhì)小RNAscRNA 蛋白質(zhì)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)定位合成信等蛋白質(zhì)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)定位合成信等 與蛋白質(zhì)組成信號(hào)肽識(shí)別顆粒與蛋白質(zhì)組成信號(hào)肽識(shí)別顆粒催化性小催化性小RNAsi RNAmiRNA54（一）snRNAsnRNAsnRNA長(zhǎng)度（長(zhǎng)度（ntnt） 剪接剪接hnRNAhnRNA的靶位點(diǎn)的靶位點(diǎn)U U1 1U U2 2U U4 4U U5 5 U U6 6U U7 716516518918914514511511510610663635

21、5 - -端端 內(nèi)含子腺苷酸分支點(diǎn)內(nèi)含子腺苷酸分支點(diǎn) 5 5 端，補(bǔ)充分支點(diǎn)端，補(bǔ)充分支點(diǎn)轉(zhuǎn)酯化反應(yīng)，轉(zhuǎn)酯化反應(yīng)，3 3 剪接點(diǎn)，剪接點(diǎn)，使外顯子連接使外顯子連接轉(zhuǎn)酯化反應(yīng)轉(zhuǎn)酯化反應(yīng)組蛋白組蛋白H H3 3前體的前體的mRNA3mRNA3 末端裂解末端裂解55（二）catalytic RNA involved in RNA splicing 核酶(ribozyme)或催化性RNA (catalytic RNA) 。56其他小分子RNA（三）核仁小RNA參與rRNA中核苷酸殘基的修飾（四）interference RNA regulation post transcription（五）micro

22、RNA regulation of protein expression57RNA組學(xué)研究細(xì)胞中RNAs的種類、結(jié)構(gòu)和功能。同一生物體內(nèi)不同種類的細(xì)胞、同一細(xì)胞在不同時(shí)間、不同狀態(tài)下RNAs的表達(dá)具有時(shí)間和空間特異性。 RNA組學(xué)58第四節(jié)第四節(jié) DNADNA的理化性質(zhì)及其應(yīng)用的理化性質(zhì)及其應(yīng)用 變性變性 復(fù)性復(fù)性 增色效應(yīng)增色效應(yīng) 減色效應(yīng)減色效應(yīng) 解鏈溫度解鏈溫度 雜交雜交 探針探針59核酸是兩性化合物核酸是兩性化合物 互變異構(gòu) 堿基在體液環(huán)境中以堿性解離為主 核酸分子是酸性化合物酮式烯醇氨基亞氨基60共軛雙鍵共軛雙鍵 260260nmnm波長(zhǎng)的紫外吸收強(qiáng)。波長(zhǎng)的紫外吸收強(qiáng)。核酸的紫外吸收

23、（核酸的紫外吸收（A260） 單核苷酸單核苷酸 ssDNA（或（或RNA） dsDNA611. quantificationA260=1.0相當(dāng)于50g/ml雙鏈DNA40g/ml單鏈DNA（或RNA）20g/ml寡核苷酸2. Judgement of the purityDNA: A260/A280 = 1.8RNA: A260/A280 = 2.0A260 Application62Denaturation 雙鏈分開和重新形成雙鏈這樣的過程稱為變性和復(fù)性。雙鏈分開和重新形成雙鏈這樣的過程稱為變性和復(fù)性。 破壞氫鍵形成的因素都可能使破壞氫鍵形成的因素都可能使DNADNA變性，如過量的酸、堿或

24、加熱。變性，如過量的酸、堿或加熱。63The process of denaturation64Hyper- and hypo-chromic effects 單核苷酸單核苷酸單鏈單鏈DNADNA雙鏈雙鏈DNADNA DNADNA變性，使溶液變性，使溶液A260A260增高，稱為增色效應(yīng)。增高，稱為增色效應(yīng)。 在解鏈曲線中的中點(diǎn)稱為中點(diǎn)解鏈溫度，或解鏈溫度在解鏈曲線中的中點(diǎn)稱為中點(diǎn)解鏈溫度，或解鏈溫度( (Tm)Tm)。 變性和復(fù)性是可逆的。變性和復(fù)性是可逆的。65melting temperature, Tmmelting temperature, Tm TmTm：變性是在一個(gè)相當(dāng)窄的溫度范

25、圍內(nèi)完成，在這一范圍內(nèi)，紫外光吸收值達(dá)到最大值的變性是在一個(gè)相當(dāng)窄的溫度范圍內(nèi)完成，在這一范圍內(nèi)，紫外光吸收值達(dá)到最大值的50%50%時(shí)的溫度稱時(shí)的溫度稱為為DNADNA的解鏈溫度，又稱融解溫度的解鏈溫度，又稱融解溫度( (影響因素影響因素： 1 1DNADNA均一性決定熔解溫度范圍大??；均一性決定熔解溫度范圍大?。?2 2G-CG-C堿基對(duì)含量決定熔解溫度高低；堿基對(duì)含量決定熔解溫度高低； 3 3介質(zhì)中的離子強(qiáng)度影響變性。介質(zhì)中的離子強(qiáng)度影響變性。6667DNA renaturation DNA Recovery of the double helix structure.復(fù)性。 The p

26、rocess of DNA renaturation after heated denaturation. 退火(annealing) 。 減色效應(yīng) Hypochromic affect DNA復(fù)性時(shí)，其溶液A260降低。68hybridizationhybridization 雜交：不同的雜交：不同的DNADNA鏈放在同一溶液中作變性處理，或把單鏈鏈放在同一溶液中作變性處理，或把單鏈DNADNA和和RNARNA放在一起，放在一起，局部的堿基配對(duì)，就可以形成局部雙鏈，局部的堿基配對(duì)，就可以形成局部雙鏈，在不同的分子間形成雜在不同的分子間形成雜化雙鏈（化雙鏈（heteroduplex）。）。 這

27、種雜化雙鏈可以在不同的這種雜化雙鏈可以在不同的DNADNA與與DNADNA之間之間形成，也可以在形成，也可以在DNADNA和和RNARNA分子之間或者分子之間或者RNARNA和和RNARNA分子之間形成。分子之間形成。這一過程稱為這一過程稱為核酸分子核酸分子雜交雜交。69Probe 探針：探針：a kind of technology used for detection and probing certain nucleotide sequence. Labeled single oligonucleotide chain70Nuclease digests nucleic acids.DNA酶(deoxyribonuclease, DNase)：專一降解DNA。RNA酶 (ribonuclease, RNase)：專一降解RNA。71 Nuclease核酸內(nèi)切酶：核酸內(nèi)切酶：分為限制性核酸內(nèi)切酶和非分為限制性核酸內(nèi)切酶和非特異性限制性核酸內(nèi)切酶。特異性限制性核酸內(nèi)切酶。核酸外切酶：核酸外切酶：5 3 或或3 5 核酸外切酶。核酸外切