生物化學(xué)與分子生物學(xué)：第二章 核酸的結(jié)構(gòu)與功能

1、核 酸(nucleic acid) 以核苷酸為基本組成單位的生物信息大分子，攜帶和傳遞遺傳信息。第二章 核酸的結(jié)構(gòu)與功能Structure and Function of Nucleic Acid1868年 Fridrich Miescher 從膿細(xì)胞中提取核素。 1944年 Avery等人證實DNA是遺傳物質(zhì)。1953年 Watson和Crick發(fā)現(xiàn)DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)。1968年 Nirenberg發(fā)現(xiàn)遺傳密碼。1975年 Temin和Baltimore發(fā)現(xiàn)逆轉(zhuǎn)錄酶。1981年 Gilbert和Sanger建立DNA測序方法。1985年 Mullis發(fā)明PCR技術(shù)。1990年 美國啟動人類基

2、因組計劃(HGP)。1994年 中國人類基因組計劃啟動。2001年 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于細(xì)胞核和線粒體 分布于細(xì)胞核、細(xì)胞質(zhì)、線粒體(deoxyribonucleic acid, DNA)(ribonucleic acid, RNA)脫氧核糖核酸 核糖核酸攜帶遺傳信息，并通過復(fù)制傳遞給下一代。是DNA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RNA也可作為遺傳信息的載體第一節(jié)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(DNA和RNA)核

3、苷酸核苷和脫氧核苷磷酸戊糖堿基嘌呤嘧啶核糖脫氧核糖核酸組成 分子組成堿基(base)：嘌呤堿，嘧啶堿戊糖(ribose)：核糖，脫氧核糖磷酸(phosphate)一、核苷酸是構(gòu)成核酸的基本組成單位堿基(base)是含氮的雜環(huán)化合物。堿基嘌呤嘧啶腺嘌呤鳥嘌呤尿嘧啶胸腺嘧啶胞嘧啶存在于DNA和RNA中僅存在于RNA中僅存在于DNA中堿 基嘌呤(purine，Pu) 腺嘌呤(adenine, A)鳥嘌呤(guanine, G)嘧啶(pyrimidine，Py)胞嘧啶(cytosine, C)尿嘧啶(uracil, U)胸腺嘧啶(thymine, T)堿基的互變異構(gòu)體 戊 糖（構(gòu)成RNA）12345核

4、糖(ribose)（構(gòu)成DNA）脫氧核糖(deoxyribose)脫氧核苷嘌呤N-9 或嘧啶N-1與脫氧核糖C-1通過-N-糖苷鍵相連形成脫氧核苷(deoxyribonucleoside)。 嘌呤N-9或嘧啶N-1與核糖C-1通過-N-糖苷鍵相連形成核苷(ribonucleoside)。核 苷NNNN9NH2OOHOHHHHCH2OHH12糖苷鍵核苷或脫氧核苷與磷酸通過酯鍵結(jié)合構(gòu)成核苷酸(ribonucleotide)或脫氧核苷酸(deoxyribonucleotide)。核苷酸(ribonucleotide)NNNN9NH2OOHOHHHHCH2H12OPO-HOO糖苷鍵酯鍵多磷酸核苷酸環(huán)化

5、核苷酸：cAMP、cGMP，是細(xì)胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo)中的第二信使。cAMP核苷酸衍生物二、DNA是脫氧核苷酸通過3,5-磷酸二酯鍵連接形成的大分子一個脫氧核苷酸3的羥基與另一個核苷酸5的-磷酸基團(tuán)縮合形成磷酸二酯鍵(phosphodiester bond)。 多個脫氧核苷酸通過磷酸二酯鍵構(gòu)成了具有方向性的線性分子，稱為多聚脫氧核苷酸(polydeoxynucleotide)，即DNA鏈。5-末端3-末端CGA磷酸二酯鍵磷酸二酯鍵交替的磷酸基團(tuán)和戊糖構(gòu)成了DNA的骨架 (backbone)。DNA鏈的方向是5 3三、RNA也是具有3,5-磷酸二酯鍵的線性大分子RNA也是多個核苷酸分子通過酯化反應(yīng)形成的線性

6、大分子，并且具有方向性；RNA的戊糖是核糖；RNA的嘧啶是胞嘧啶和尿嘧啶。定義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不同，所以也稱為堿基序列。5端3端CGA四、核酸的一級結(jié)構(gòu)是核苷酸的排列順序A G P5 P T PG PC PT P OH 3 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(base或kilobase)數(shù)目來表示。小的核酸片段(80)。rRNA與核蛋白體蛋白結(jié)合組成核蛋白體(ribosome)，為蛋白質(zhì)的合成提供場所。三、以rRNA為組分的核糖體是蛋白質(zhì)合成的場所核蛋白體的組成原核生物（以大腸桿菌為例）真核

7、生物（以小鼠肝為例）小亞基30S40SrRNA16S1542個核苷酸18S1874個核苷酸蛋白質(zhì)21種占總重量的40%33種占總重量的50%大亞基50S60SrRNA23S5S2940個核苷酸120個核苷酸28S5.85S5S4718個核苷酸160個核苷酸120個核苷酸蛋白質(zhì)31種占總重量的30%49種占總重量的35%大腸桿菌的核蛋白體18S rRNA的二級結(jié)構(gòu)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)snmRNA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)胞在不同時空狀態(tài)下snmRNAs表達(dá)譜的變化，以及與功能之間的關(guān)系。 四、其他非編碼RNA參與了基因表達(dá)的調(diào)控細(xì)胞的不同部位

8、存在的許多其他種類的小分子RNA，統(tǒng)稱為非mRNA小RNA(small non-messenger RNAs, snmRNAs)。 snmRNAs核內(nèi)小RNA核仁小RNA胞質(zhì)小RNA催化性小RNA小片段干涉 RNA 參與hnRNA的加工剪接snmRNAs的種類snmRNAs的功能核酶某些小RNA分子具有催化特定RNA降解的活性，這種具有催化作用的小RNA亦被稱為核酶(ribozyme)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RNA。siRNA可以與外源基因表達(dá)的mRNA相結(jié)合，并誘發(fā)這些m

9、RNA的降解。 基于此機(jī)理，人們發(fā)明了RNA干擾(RNA interference，RNAi)技術(shù)。小片段干擾RNA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)胞中表現(xiàn)了不同的時空特性真核生物基因表達(dá)的特異性核酸的酸堿及溶解度性質(zhì)核酸為多元酸，具有較強(qiáng)的酸性。核酸的高分子性質(zhì)粘度：DNARNA dsDNA ssDNA沉降行為: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論基礎(chǔ)。第四節(jié) 核酸的理化性質(zhì)The Physical and Chemical Characters of Nucleic Acid核酸在波長 260nm 處有強(qiáng)烈的吸收，是由堿基的共軛雙鍵

10、所決定的。這一特性常用作核酸的定性和定量分析。一、核酸分子具有強(qiáng)烈的紫外吸收堿基的紫外吸收光譜DNA或RNA的定量A260 = 1.0 相當(dāng)于 50g/ml 雙鏈DNA(dsDNA)40g/ml 單鏈DNA (ssDNA or RNA)20g/ml 寡核苷酸確定樣品中核酸的純度 純 DNA: A260/A280 = 1.8純 RNA: A260/A280 = 2.0紫外吸收的應(yīng)用二、DNA變性是雙鏈解離為單鏈的過程在某些理化因素作用下，DNA雙鏈解開成兩條單鏈的過程。定義DNA變性的本質(zhì)是雙鏈間氫鍵的斷裂。協(xié)同性的DNA解鏈高溫或極端的pHDNA的變性部分變性DNA的電鏡圖像增色效應(yīng)(hype

11、rchromic effect)：DNA變性時其溶液OD260增高的現(xiàn)象。DNA解鏈時的紫外吸收變化DNA的解鏈曲線連續(xù)加熱DNA的過程中以溫度相對于A260值作圖，所得的曲線稱為解鏈曲線。 解鏈過程中，紫外吸光度的變化達(dá)到最大變化值的一半時所對應(yīng)的溫度。解鏈溫度(melting temperature，Tm)G+C 含量越高，解鏈溫度就越高。解鏈曲線的變化三、變性的核酸可以復(fù)性或形成雜交雙鏈當(dāng)變性條件緩慢地除去后，兩條解離的互補(bǔ)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DNA復(fù)性(renaturation) 。減色效應(yīng)：DNA復(fù)性時，其溶液OD260降低。熱變性的DNA經(jīng)緩慢冷卻后即可

12、復(fù)性，這一過程稱為退火(annealing) 。不同種類的DNA單鏈分子或RNA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)系，在適宜的條件可以在不同的分子間形成雜化雙鏈(heteroduplex)。這種雜化雙鏈可以在不同的DNA與DNA之間形成，也可以在DNA和RNA分子間或者RNA與RNA分子間形成。這種現(xiàn)象稱為核酸分子雜交。核酸分子雜交(hybridization) 核酸分子雜交研究DNA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。檢測某些專一序列在待檢樣品中存在與否。核酸分子雜交的應(yīng)用依據(jù)底物不同分類DNA酶(deoxyribonuclease, DNase)：專一降解DNA。RNA酶 (ribonuclease, RNase)：專一降解RNA。