生物化學(xué)與分子生物學(xué)課件第2章核酸的結(jié)構(gòu)與功能

1、BiochemistryWei Yin PhDDepartment of BiochemistryZhongshan Medical School Sun Yat Sen university2014-9-29第第2 2章章核酸的結(jié)構(gòu)與功能核酸的結(jié)構(gòu)與功能Structure and Function of Nucleic Acidn核核 酸酸(nucleic acid) 是以核苷酸為基本組成單位的生物大是以核苷酸為基本組成單位的生物大分子，攜帶和傳遞遺傳信息。分子，攜帶和傳遞遺傳信息。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

2、Avery等人證實等人證實DNA是遺傳物質(zhì)。是遺傳物質(zhì)。l1953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

3、完成人類基因組計劃。n核酸研究的發(fā)展簡史核酸研究的發(fā)展簡史n核酸的分類及分布核酸的分類及分布 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)制傳遞攜帶遺傳信息，并通過復(fù)制傳遞給下一代。給下一代。是是DNA轉(zhuǎn)錄的產(chǎn)物，參與遺傳信轉(zhuǎn)錄的產(chǎn)物，參與遺傳信息的復(fù)制與表達(dá)。某些病毒息的復(fù)制與表達(dá)。某些病毒RNA也可作為遺傳信息的載體也可作為遺傳信息的載體 90 % 以上分布于細(xì)胞核，其余分以上分布于細(xì)胞核，其余分布于核外布于核外如

4、線粒體，葉綠體，質(zhì)粒如線粒體，葉綠體，質(zhì)粒等。等。核酸核酸的功能的功能 DNA-遺傳遺傳 RNA功能的功能的多樣性多樣性1.參與蛋白質(zhì)的合成 2.RNA的轉(zhuǎn)錄后加工與修飾3.參與基因表達(dá)的調(diào)控4.生物催化作用第一節(jié)第一節(jié)核酸的化學(xué)組成及其一級結(jié)構(gòu)核酸的化學(xué)組成及其一級結(jié)構(gòu)The Chemical Component and Primary Structure of Nucleic Acid核酸核酸的分子組成的分子組成1、 元素組成元素組成 C H O N P（恒定，9-10%）2、 基本結(jié)構(gòu)單位基本結(jié)構(gòu)單位-核苷酸核苷酸 核核 酸（酸（nucleic acid）核苷酸核苷酸(nucleotid

5、e) 磷酸磷酸 (phosphoric acid)核苷核苷(nucleoside) 戊糖戊糖(pentose)堿基堿基(base)n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)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n堿基堿基嘌呤

6、嘌呤(purine，Pu) NNNHN123456789NNNHNNH2腺嘌呤腺嘌呤(adenine, A)NNHNHNNH2O鳥嘌呤鳥嘌呤(guanine, G)NNH132456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)NHNHOOCH3n堿基的互變異構(gòu)體堿基的互變異構(gòu)體 HNHNCNH2+O+HNNH2NNH2亞氨式氨式+ H+NCOHNCO- -+ H+酮式烯醇式n戊糖戊糖（構(gòu)成（構(gòu)成RNA）1 2 3 4 5 OHOCH2OHOHOH核糖核糖(ribo

7、se)（構(gòu)成（構(gòu)成DNA）OHOCH2OHOH脫氧核糖脫氧核糖(deoxyribose)n脫氧核苷脫氧核苷嘌呤嘌呤N-9 或或嘧啶嘧啶N-1與脫氧核糖與脫氧核糖C-1 通過通過-N-糖糖苷鍵苷鍵相連形成相連形成脫氧核苷脫氧核苷(deoxyribonucleoside)。 堿堿基和核糖或脫氧核基和核糖或脫氧核糖通過糖通過糖苷鍵糖苷鍵連接形成連接形成核苷核苷或或脫氧核苷脫氧核苷 嘌呤嘌呤N-9或或嘧啶嘧啶N-1與核糖與核糖C-1 通過通過-N-糖苷糖苷鍵鍵相連形成相連形成核苷核苷(ribonucleoside)。n核苷核苷NNNN9NH2OOHOHHHHCH2OHH12糖苷鍵糖苷鍵核苷或脫氧核苷與

8、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)或或脫氧核苷酸脫氧核苷酸(deoxyribonucleotide)。n核苷酸核苷酸(ribonucleotide)NNNN9NH2OO HO HHHHCH2H1 2OPO- -HOO糖苷鍵糖苷鍵酯鍵酯鍵n多磷酸核苷酸多磷酸核苷酸環(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。NOCH2OOHONNNNH2POOHcAMPn核苷酸衍生物核苷酸衍生物體內(nèi)重要的游離核苷酸及其衍生物體內(nèi)重要的游離核苷酸及其衍生物l含核苷酸的生物活性物質(zhì)： 等都含有 l

9、 多磷酸核苷酸：l 環(huán)化核苷酸: NOCH2OOHOHNNNNH2POOHOHNOCH2OOHOHNNNNH2POOHOPOOHOHNOCH2OOHOHNNNNH2POOHOPOOHOPOOHOHNOCH2OOHONNNNH2POOH1、 構(gòu)成構(gòu)成DNA、RNA的核苷酸的核苷酸 DNA：dAMP、dGMP、dCMP、dTMP RNA： AMP、 GMP、 CMP、 UMP2、 細(xì)胞內(nèi)的游離核苷酸及其衍生物細(xì)胞內(nèi)的游離核苷酸及其衍生物l核苷5-多磷酸化合物ATP、GTP、CTP、ppppA、ppppG 在能量代謝和物質(zhì)代謝及調(diào)控中起重要作用。l環(huán)核苷酸 3,5-cAMP， 3,5-cGMP是信號

10、分子，參與調(diào)節(jié)細(xì)胞的糖代謝、脂代謝。l核苷5多磷酸3多磷酸化合物 ppGpp pppGpp ppApp、核苷酸衍生物：HSCoA、 NAD+、NADP+、FAD等輔助因子，GDP-半乳糖、GDP-葡萄糖等是糖蛋白生物合成的活性糖基供體。l抗代謝藥物 6MP，5-FU 二、二、DNA是脫氧核苷酸通過是脫氧核苷酸通過3,5-磷酸二酯磷酸二酯鍵連接形成的大分子鍵連接形成的大分子一個脫氧核苷酸一個脫氧核苷酸3 3 的的羥基羥基與另一個核苷酸與另一個核苷酸5 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

11、bond)。 多個脫氧核苷酸通過多個脫氧核苷酸通過磷酸二酯鍵磷酸二酯鍵構(gòu)成了構(gòu)成了具有具有方向性方向性的線性分子，稱為的線性分子，稱為多聚脫氧核苷多聚脫氧核苷酸酸(polydeoxynucleotide)，即即DNA鏈鏈。5-末末端端3-末末端端CGA磷酸二酯鍵磷酸二酯鍵磷酸二酯鍵磷酸二酯鍵交替的交替的磷酸磷酸基團(tuán)基團(tuán)和戊和戊糖糖構(gòu)成了構(gòu)成了DNA的骨架的骨架 (backbone)。DNA鏈的方向是鏈的方向是5 5 3 3 三、三、RNA也是具有也是具有3,5-磷酸二酯鍵磷酸二酯鍵的線性大分子的線性大分子 RNA也是多個核苷酸分子通過酯化反應(yīng)形也是多個核苷酸分子通過酯化反應(yīng)形成的線性大分子，并

12、且具有方向性；成的線性大分子，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。n定義定義核酸中核苷酸的排核酸中核苷酸的排列順序。列順序。由于核苷酸間的差由于核苷酸間的差異主要是堿基不同，所異主要是堿基不同，所以也稱為以也稱為堿基序列堿基序列。55端端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 n書寫方法：書寫方法：5 pApCpTpGpCpT-OH 3 5 A C 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

13、kilobase)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)，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、以三、以rRNA為組分的核蛋白體是為組分的核蛋白體是蛋白質(zhì)合成的場所蛋白質(zhì)合成的場所n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

14、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 large 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n1818S rRNA的二級結(jié)構(gòu)的二級結(jié)構(gòu)n蛋白質(zhì)合成時形成的復(fù)合體蛋白質(zhì)合成時形成的復(fù)合體RNA組學(xué)是研究細(xì)胞內(nèi)組

15、學(xué)是研究細(xì)胞內(nèi)snmRNA的種類、結(jié)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、構(gòu)和功能。同一生物體內(nèi)不同種類的細(xì)胞、同一細(xì)胞在不同時空狀態(tài)下同一細(xì)胞在不同時空狀態(tài)下snmRNAs表達(dá)譜表達(dá)譜的變化，以及與功能之間的關(guān)系。的變化，以及與功能之間的關(guān)系。 四、四、snmRNA參與了基因表達(dá)的調(diào)控參與了基因表達(dá)的調(diào)控細(xì)胞的不同部位存在的許多其他種類的小分細(xì)胞的不同部位存在的許多其他種類的小分子子RNA，統(tǒng)稱為，統(tǒng)稱為非非mRNA小小RNA(small non-messenger RNAs, snmRNAs)。 nsnmRNAsl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

16、小催化性小RNAl小片段干涉小片段干涉 RNA 參與參與hnRNA的加工剪接的加工剪接nsnmRNAs的的種類種類nsnmRNAs的的功能功能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降解降解的活性，這種具有催化作用的小的活性，這種具有催化作用的小RNARNA亦被稱亦被稱為為核酶核酶(ribozyme)或催化性或催化性RNA(catalytic RNA)。 siRNA是生物宿主對外源侵入的基因表達(dá)的雙是生物宿主對外源侵入的基因表達(dá)的雙鏈鏈RNA進(jìn)行切割所產(chǎn)生的特定長度和特定核進(jìn)行切割所產(chǎn)生的特定長度和特定核酸序列的小片段酸序列的小片段RNA。siRNA可以與外源基因表達(dá)

17、的可以與外源基因表達(dá)的mRNA相結(jié)合，相結(jié)合，并誘發(fā)這些并誘發(fā)這些mRNA的降解。的降解。 基于此機理，人們發(fā)明了基于此機理，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RNAn原核生物基因表達(dá)的特異性原核生物基因表達(dá)的特異性五、核酸在真核細(xì)胞和原核細(xì)胞中五、核酸在真核細(xì)胞和原核細(xì)胞中表現(xiàn)了不同的時空特性表現(xiàn)了不同的時空特性n真核生物基因表達(dá)的特異性真核生物基因表達(dá)的特異性核酸的理化性質(zhì)核酸的理化性質(zhì)The Physical and Chemical Characters of Nucleic Acid第四節(jié)第四節(jié)核酸的酸堿及溶解度性

18、質(zhì)核酸的酸堿及溶解度性質(zhì)l核酸為多元酸，具有較強的酸性。核酸為多元酸，具有較強的酸性。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速率有很大差異，這是超速離心法提取和純化核酸的理論基礎(chǔ)。純化核酸的理論基礎(chǔ)。核酸在波長核酸在波長 260nm 處有強烈的吸收，是處有強烈的吸收，是由由堿基的共軛雙鍵堿基的共軛雙鍵所決定的。這一特性常用作所決定的。這一特性常用作核酸的定性和定量分析。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

19、外吸收n堿基的紫外吸收光譜堿基的紫外吸收光譜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、DNADNA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在某些理化因素作用下，在某些理化因素作用下，DNA雙鏈解雙鏈解開成兩條單鏈開成兩條單鏈的過程。的過程。n定義定義DNA變性的本

20、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。協(xié)同性的協(xié)同性的DNA解鏈解鏈高溫或極端的高溫或極端的pHnDNA的變性的變性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變性變性時其溶液時其溶液OD260增高增高的現(xiàn)象。的現(xiàn)象。nDNA解鏈時的解鏈時的紫紫外吸收變化外吸收變化nDNA的解的解鏈鏈曲線曲線連續(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)

21、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，解鏈溫度就越高。含量越高，解鏈溫度就越高。n解鏈解鏈曲線曲線的變化的變化三、變性的核酸可以復(fù)性或形成三、變性的核酸可以復(fù)性或形成雜交雙鏈雜交雙鏈當(dāng)變性條件緩慢地除去后，兩條解離的互補鏈當(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)，這一現(xiàn)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

22、，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)系，在適宜的條件可以在不同度的堿基配對關(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之間形之間形成，也可以在成，也可以在DNA和和RNA分子間或者分子間或者RNA與與RNA分子間形成。這種現(xiàn)象稱為核酸分子雜交。分子間形成。這種現(xiàn)象稱為核酸分子雜交。n核酸分子雜交核酸分子雜交(hybridization) n核酸分子雜交核酸分子雜交 研究研究DNA分子中某一種基因的位置。分子中某一種基因的位置。 監(jiān)定兩種核酸分子間的序列相似性。監(jiān)定兩種核酸分子間的序列相似性。 檢測某些專一序列在待檢樣品中存在與否。檢測某些專一序列在待檢樣品中存在與否。n核酸分子雜交的應(yīng)用核酸分子雜交的應(yīng)用第五節(jié)第五節(jié) 核酸酶核酸酶 Nuclease依據(jù)底物不同分類依據(jù)底物不同分類DNA酶酶(deoxyribonucleas