生物化學(xué)：第2章 核酸的結(jié)構(gòu)與功能

1、第第2章章 核酸的結(jié)構(gòu)與功能核酸的結(jié)構(gòu)與功能Chapter 2 Struction & function of Nucleic Acid本章教學(xué)重點(diǎn)本章教學(xué)重點(diǎn)核酸的概念、基本組成單位，核酸的概念、基本組成單位，DNA、RNA組成的異同；核組成的異同；核酸（酸（DNA、RNA）的一級結(jié)構(gòu)，連接鍵；）的一級結(jié)構(gòu)，連接鍵； DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)雙螺旋結(jié)構(gòu)模式的要點(diǎn)，模式的要點(diǎn)，DNA的超螺旋結(jié)構(gòu)和功能；的超螺旋結(jié)構(gòu)和功能；tRNA、mRNA的的組成、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)；組成、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)； 核酸的變性、復(fù)性，融解溫度（核酸的變性、復(fù)性，融解溫度（Tm）、）、增色效應(yīng)的概念。增色效應(yīng)的概念。 核蛋白體核蛋白體

2、RNA（rRNA）的結(jié)構(gòu)與功能；）的結(jié)構(gòu)與功能；核酸分子雜交的概念和原理；核酶的定義，功能。核酸分子雜交的概念和原理；核酶的定義，功能。 概概 述述 1868年年 Fridrich Miescher從膿細(xì)胞中提取從膿細(xì)胞中提取“核素核素” 1944年年 Avery等人等人證實證實DNA是遺傳物質(zhì)是遺傳物質(zhì) 1953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) 1968年年 Nirenberg發(fā)現(xiàn)發(fā)現(xiàn)遺傳密碼遺傳密碼 1975年年 Temin和和Baltimore發(fā)發(fā)現(xiàn)現(xiàn)逆轉(zhuǎn)錄酶逆轉(zhuǎn)錄酶 1981年年 Gilbert和和Sanger建建立立DNA 測序方法測序方法 19

3、85年年 Mullis發(fā)明發(fā)明PCR 技術(shù)技術(shù) 1990年年 美國啟動美國啟動人類基因組計劃人類基因組計劃(HGP) 1994年年 中國人類基因組計劃啟動中國人類基因組計劃啟動 2001年年 美、英等國美、英等國完成人類基因組計劃基本框架完成人類基因組計劃基本框架核核 酸酸(nucleic acid)是以核苷酸為基本組成單位、攜帶和傳遞是以核苷酸為基本組成單位、攜帶和傳遞遺傳信息的生物大分子遺傳信息的生物大分子 。 90%以上分布于細(xì)胞核，其余分布以上分布于細(xì)胞核，其余分布于核外于核外如線粒體，葉綠體，質(zhì)粒等。如線粒體，葉綠體，質(zhì)粒等。分布于胞核、胞液。分布于胞核、胞液。(deoxyribon

4、ucleic 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，決定細(xì)胞和個攜帶遺傳信息，決定細(xì)胞和個體的基因型體的基因型(genotype)。參與細(xì)胞內(nèi)參與細(xì)胞內(nèi)DNA遺傳信息的表遺傳信息的表達(dá)。某些病毒達(dá)。某些病毒RNA也可作為遺也可作為遺傳信息的載體。傳信息的載體。第第1 1節(jié)節(jié) 核酸的化學(xué)組成及一級結(jié)構(gòu)核酸的化學(xué)組成及一級結(jié)構(gòu)Section 1 the Chemical Component and Primary Structure of Nucleic Acid核酸的組成核酸的組成 核酸核酸 (DNA和和RNA)

5、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1. .核酸的化學(xué)組成及核苷酸核酸的化學(xué)組成及核苷酸 1-1-1. 元素組成元素組成C、H、O、N、P（910%） 1-1-2. 分子組成分子組成 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)1-1. .核酸的化學(xué)組成核酸的化學(xué)組成1-1-2-1. 堿基堿基(base) 含氮的雜環(huán)化合物。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

6、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1-1-2-1. 嘌呤嘌呤(purine，Pu) NNNHN123456789NNNHNNH2腺嘌呤腺嘌呤(adenine, A)NNHNHNNH2O鳥嘌呤鳥嘌呤(guanine, G)NNH1324561-1-2-1. 嘧啶嘧啶(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)NHNHOOCH3HNHNCNH2+O+HNNH2NNH2亞氨式氨式+ H+NCOHNCO- -+ H+酮式烯醇式堿基的

7、互變異構(gòu)體堿基的互變異構(gòu)體1-1-2-2. 戊戊 糖糖(pentose)（構(gòu)成（構(gòu)成RNA）1 2 3 4 5 OHOCH2OHOHOH核糖核糖(ribose)（構(gòu)成（構(gòu)成DNA）OHOCH2OHOH脫氧核糖脫氧核糖(deoxyribose)1-1-2-3. 核苷核苷(ribonucleoside)NNNN9NH2OOHOHHHHCH2OHH12糖苷鍵糖苷鍵嘌呤嘌呤N-9或嘧啶或嘧啶N-1與與核糖核糖C-1 通過通過-N-糖苷鍵相連。糖苷鍵相連。脫氧核苷脫氧核苷(deoxyribonucleoside)嘌呤嘌呤N-9 或嘧啶或嘧啶N-1與與脫氧核糖脫氧核糖C-1 通過通過-N-糖苷鍵相連。糖苷

8、鍵相連。核苷：核苷：AR, GR, UR, CR脫氧核苷：脫氧核苷：dAR, dGR, dTR, dCROHOCH2OHOHNNNH2O1 1CR1-2. .核酸的構(gòu)件分子核酸的構(gòu)件分子核苷酸核苷酸POOOHOHOCH2OHOHNNNH2OOHOCH2OHOHNNNH2O核苷酸核苷酸：AMP, GMP, UMP, CMP脫氧脫氧核苷酸：核苷酸：dAMP, dGMP, dTMP, dCMP 1-2-1. 核苷酸核苷酸(ribonucleotide)的結(jié)構(gòu)與命名的結(jié)構(gòu)與命名核苷（脫氧核苷）和磷酸以核苷（脫氧核苷）和磷酸以磷酸酯鍵磷酸酯鍵連接形成連接形成核苷酸（脫氧核苷酸）。核苷酸（脫氧核苷酸）。多

9、磷酸核苷酸多磷酸核苷酸1-2-2. 核苷酸衍生物核苷酸衍生物NOCH2OOHONNNNH2POOHcAMP環(huán)核苷酸：環(huán)核苷酸：cAMP、cGMP，是細(xì)胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo)中的第二信使。，是細(xì)胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo)中的第二信使。 含核苷酸的生物活性物質(zhì)：含核苷酸的生物活性物質(zhì)： NAD+、NADP+、CoA-SH、FAD 等都含等都含有有 AMPNADP+NAD+CoA10FMN5 端端3 端端核苷酸之間以核苷酸之間以磷磷酸二酯鍵酸二酯鍵連接形成多核連接形成多核苷酸鏈，即核酸。苷酸鏈，即核酸。CGA1-3. . 核苷酸的連接核苷酸的連接2.多聚脫氧核苷酸多聚脫氧核苷酸(DNA)一個脫氧核苷酸一個脫氧核苷酸3 的的羥基

10、羥基與另一個核苷酸與另一個核苷酸5 的的-磷酸磷酸基團(tuán)縮合形成基團(tuán)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)成了具有多個脫氧核苷酸通過磷酸二酯鍵構(gòu)成了具有方方向 性向 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DNA鏈的方向是鏈的方向是5 3 交替的磷酸基團(tuán)和戊糖構(gòu)成交替的磷酸基團(tuán)和戊糖構(gòu)成了了DNA的骨架的骨架 (backbo

11、ne)3.多聚核苷酸多聚核苷酸(RNA) RNA也是多個核苷酸分子通過酯化反應(yīng)形成也是多個核苷酸分子通過酯化反應(yīng)形成3,5-磷酸二酯鍵的線性大分子，并且具有方向性；磷酸二酯鍵的線性大分子，并且具有方向性； RNA的戊糖是核糖；的戊糖是核糖； RNA的嘧啶是胞嘧啶和尿嘧啶。的嘧啶是胞嘧啶和尿嘧啶。4.核酸的一級結(jié)構(gòu)核酸的一級結(jié)構(gòu)55端端3端端CGAn定義定義核酸中核苷酸的排列順序。由核酸中核苷酸的排列順序。由于核苷酸間的差異主要是堿基于核苷酸間的差異主要是堿基不同，所以也稱為不同，所以也稱為堿基序列堿基序列。A G P5 P T PG PC PT P OH 3 n書寫方法：書寫方法：5 pApG

12、pTpGpCpT-OH 3 5 A G T G C T 3 核酸分子的大小常用堿基核酸分子的大小常用堿基(base或或kilobase)數(shù)目或堿基數(shù)目或堿基對對(base pair, bp)來表示。來表示。 小 的 核 酸 片 段小 的 核 酸 片 段 ( 80)。rRNA與核蛋白體蛋白結(jié)合組成與核蛋白體蛋白結(jié)合組成核蛋白體核蛋白體(ribosome)，后者為蛋白質(zhì)的合成提供場所后者為蛋白質(zhì)的合成提供場所。* rRNA的種類（根據(jù)沉降系數(shù)）的種類（根據(jù)沉降系數(shù)）真核生物真核生物5S rRNA28S rRNA5.8S rRNA18S rRNA原核生物原核生物5S rRNA23S rRNA16S

13、rRNAn核蛋白體的組成核蛋白體的組成原核生物（以大腸桿菌為例）原核生物（以大腸桿菌為例）真核生物（以小鼠肝為例）真核生物（以小鼠肝為例）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%70S ribosome50S l

14、arge subunit23S rRNA5S rRNA31 proteins16S rRNA21 proteins30S small subunitn大腸桿菌的核蛋白體大腸桿菌的核蛋白體真核生物真核生物18S rRNA的二級結(jié)構(gòu)的二級結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)合成時核糖體、蛋白質(zhì)合成時核糖體、mRNA、tRNA形成復(fù)合體形成復(fù)合體4. 其他小分子其他小分子RNA及及RNA組學(xué)組學(xué)RNA組學(xué)是研究細(xì)胞內(nèi)組學(xué)是研究細(xì)胞內(nèi)snmRNA的種類、結(jié)構(gòu)和功的種類、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)胞在不同時空狀態(tài)下同時空狀態(tài)下snmRNAs表達(dá)譜的變化，以及與功能表

15、達(dá)譜的變化，以及與功能之間的關(guān)系。之間的關(guān)系。 細(xì)胞的不同部位存在的許多其他種類的小分子細(xì)胞的不同部位存在的許多其他種類的小分子RNA，統(tǒng)稱為統(tǒng)稱為非非mRNA小小RNA(small non-messenger RNAs, snmRNAs)。 l核內(nèi)小核內(nèi)小RNAl核仁小核仁小RNAl胞質(zhì)小胞質(zhì)小RNAl催化性小催化性小RNAl小片段干擾小片段干擾 RNA 參與參與hnRNA的加工剪接的加工剪接nsnmRNAs的種類的種類nsnmRNAs的功能的功能n核酶核酶某些小某些小RNA分子具有催化特定分子具有催化特定RNA降解的活性，降解的活性，這 種 具 有 催 化 作 用 的 小這 種 具 有 催

16、 化 作 用 的 小 R N A 亦 被 稱 為亦 被 稱 為 核 酶核 酶(ribozyme)或或催化性催化性RNA(catalytic RNA)。 催化性催化性DNA (DNAzyme) 人工合成的寡聚脫氧核人工合成的寡聚脫氧核苷酸片段，能序列特異性降解苷酸片段，能序列特異性降解RNA。也稱脫氧核酶。也稱脫氧核酶(deoxyribozyme) siRNA是生物宿主對外源侵入的基因表達(dá)的雙鏈?zhǔn)巧锼拗鲗ν庠辞秩氲幕虮磉_(dá)的雙鏈RNA進(jìn)行切割所產(chǎn)生的特定長度和特定核酸序列的小片段進(jìn)行切割所產(chǎn)生的特定長度和特定核酸序列的小片段RNA。siRNA可以與外源基因表達(dá)的可以與外源基因表達(dá)的mRNA相結(jié)

17、合，并誘發(fā)相結(jié)合，并誘發(fā)這些這些mRNA的降解。的降解。 基于此機(jī)理，人們發(fā)明了基于此機(jī)理，人們發(fā)明了RNA干擾干擾(RNA interference，RNAi)技術(shù)。技術(shù)。n小片段干擾小片段干擾RNA第第4節(jié)節(jié) 核酸的理化性質(zhì)核酸的理化性質(zhì)Section 4 the Physical and Chemical Characters of Nucleic Acid核酸的酸堿及溶解度性質(zhì)核酸的酸堿及溶解度性質(zhì)l核酸為多元酸，具有較強(qiáng)的酸性。核酸為多元酸，具有較強(qiáng)的酸性。核酸的高分子性質(zhì)核酸的高分子性質(zhì)l粘度：粘度：DNARNA dsDNA ssDNAl沉降行為沉降行為:不同構(gòu)象的核酸分子的沉降的

18、速率有不同構(gòu)象的核酸分子的沉降的速率有很大差異，這是超速離心法提取和純化核酸的理很大差異，這是超速離心法提取和純化核酸的理論基礎(chǔ)。論基礎(chǔ)。1. 核酸分子的紫外吸收核酸分子的紫外吸收核酸在波長核酸在波長 260nm260nm 處有強(qiáng)烈的吸收，是由處有強(qiáng)烈的吸收，是由堿基的共軛雙鍵堿基的共軛雙鍵所所決定的。這一特性常用作核酸的定性和定量分析。決定的。這一特性常用作核酸的定性和定量分析。DNA或或RNA的定量的定量A260 = 1.0 相當(dāng)于相當(dāng)于 50g/ml 雙鏈雙鏈DNA(dsDNA)40g/ml 單鏈單鏈DNA (ssDNA or RNA)20g/ml 寡核苷酸寡核苷酸紫外吸收寡核苷酸紫外吸

19、收寡核苷酸ssDNA/RNAdsDNA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紫外吸收特性的應(yīng)用紫外吸收特性的應(yīng)用2. DNA的變性的變性定義定義：在某些理化因素作用下，在某些理化因素作用下，DNA雙鏈解開成兩條單雙鏈解開成兩條單鏈的過程。鏈的過程。方法：方法：過量酸，堿，加熱，變性試劑如尿素、酰胺以及過量酸，堿，加熱，變性試劑如尿素、酰胺以及某些有機(jī)溶劑如乙醇、丙酮等。某些有機(jī)溶劑如乙醇、丙酮等。變性后其它理化性質(zhì)變化：變性后其它理化性質(zhì)變化：OD260增高增高粘度下降粘度下降比旋度下降比旋度下降

20、浮力密度升高浮力密度升高酸堿滴定曲線改變酸堿滴定曲線改變生物活性喪失生物活性喪失DNA變性的本質(zhì)是雙鏈間氫鍵的斷裂變性的本質(zhì)是雙鏈間氫鍵的斷裂n部分變性部分變性DNA的電鏡圖像的電鏡圖像增色效應(yīng)增色效應(yīng)(hyperchromic effect)：DNA變性時其溶液變性時其溶液OD260增高的現(xiàn)象。增高的現(xiàn)象。DNA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解鏈溫度或融解溫度解鏈溫度或融解溫度(melting temperature，Tm)連續(xù)加熱連續(xù)加熱DNA的過程中以的過程中以溫度相對于溫度相對于A260值作圖，值作圖，所得的曲線稱為所得的曲線稱為解鏈曲線。解鏈曲線

21、。 解鏈過程中，紫外吸光度的解鏈過程中，紫外吸光度的變化達(dá)到最大變化值的一半變化達(dá)到最大變化值的一半時所對應(yīng)的溫度。時所對應(yīng)的溫度。G+C 含量越高，解鏈溫度就越高。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3. DNA的復(fù)性與分子雜交的復(fù)性與分子雜交DNA復(fù)性復(fù)性(renaturation)的定義的定義在適當(dāng)條件下，變性在適當(dāng)條件下，變性DNA的兩條互補(bǔ)鏈可恢復(fù)天的兩條互補(bǔ)鏈可恢復(fù)天然的雙螺旋構(gòu)象，這一現(xiàn)象稱為然的雙螺旋構(gòu)象，這一現(xiàn)象稱為復(fù)性復(fù)性。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，這一過經(jīng)緩慢冷卻后即可復(fù)性，這一過程稱為程稱為退火退火(annealing) 。 不同種類的不同種類的DNA單鏈分子或單鏈分子或RNA分子放在同一溶液中，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配對關(guān)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，也之間形成，也可以在可以在DNA和和