生物化學(xué)第1篇 第02章 生物大分子的結(jié)構(gòu)與功能-核酸課件

1、第 二 章核酸的結(jié)構(gòu)和功能Structure and Function of Nucleic Acid核 酸(nucleic acid) 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。一、核酸的發(fā)現(xiàn)和研究工作進(jìn)展 1868年 Fridrich Miescher從膿細(xì)胞中提取“核素” 1944年 Avery等人證實(shí)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(cè)序方法1985年 Mullis發(fā)明PCR 技術(shù)19

2、90年 美國(guó)啟動(dòng)人類基因組計(jì)劃(HGP) 1994年 中國(guó)人類基因組計(jì)劃啟動(dòng)2001年 美、英等國(guó)完成人類基因組計(jì)劃基本框架二、核酸的分類及分布 90%以上分布于細(xì)胞核，其余分布于核外如線粒體，葉綠體，質(zhì)粒等。分布于胞核、胞液。(deoxyribonucleic acid, DNA)(ribonucleic acid, RNA)脫氧核糖核酸 核糖核酸攜帶遺傳信息，決定細(xì)胞和個(gè)體的基因型(genotype)。參與細(xì)胞內(nèi)DNA遺傳信息的表達(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(jí)結(jié)構(gòu)The Chemical Component and Primary Structure

3、 of Nucleic Acid 核酸的分子組成核酸 nucleic acid核苷酸 nucleotide核苷 nucleoside磷酸 phosphate嘌呤堿 purine base 或 嘧啶堿 pyrimidine base（堿基 base）核糖 ribose 或 脫氧核糖 deoxyribose （戊糖 amyl sugar）嘌呤(purine) 腺嘌呤(adenine, A)鳥嘌呤(guanine, G)堿 基NNOOHHH酮式HNNOOHHH酮式HHH烯醇式 氨式亞氨式NNNH2OHHHNHHNONHHH戊 糖（構(gòu)成RNA）12345核糖(ribose)（構(gòu)成DNA）脫氧核糖(de

4、oxyribose)核糖和脫氧核糖OHOH2COHOHOH12-D-核糖-D-2-脫氧核糖核糖 + H +糠醛甲基間苯二酚FeCl3綠色產(chǎn)物脫氧核糖 + H+ -羥基-酮戊醛二苯胺藍(lán)色產(chǎn)物RNA和DNA定性、定量測(cè)定OOHOH2COHOH12HOHOH2COHOHOH12345核 糖腺 苷NNNNHHHH9腺嘌呤NOHOH2COHOHOH12345核 糖OHOH2COHOH12345核 糖NNOOHHH尿嘧啶H1尿苷NCOONHHH51OH假尿苷（）體內(nèi)重要的游離核苷酸及其衍生物含核苷酸的生物活性物質(zhì)： NAD+、NADP+、CoA-SH、FAD 等都含有 AMP 多磷酸核苷酸：NMP，NDP

5、，NTP 環(huán)化核苷酸: cAMP，cGMPAMPADPATPcAMPNADP+NAD+核苷酸OHOH2COHOH12345NNNNHNHH2HO-POO-AMPHO-POOADPHO-POO-ATP腺 苷各種核苷三磷酸和脫氧核苷三磷酸是體內(nèi)合成RNA和DNA合成的直接原料。在體內(nèi)能量代謝中的作用：ATP能量“貨幣”UTP參加糖的互相轉(zhuǎn)化與合成CTP參加磷脂的合成GTP參加蛋白質(zhì)和嘌呤的合成第二信使cAMP cGTP 5端3端3. 核苷酸的連接 核苷酸之間以磷酸二酯鍵連接形成多核苷酸鏈，即核酸。CGA二、核酸的一級(jí)結(jié)構(gòu)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

6、列。5端3端CGAA 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 目 錄DNA的二級(jí)結(jié)構(gòu)-雙螺旋結(jié)構(gòu)DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的研究背景和歷史意義DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型要點(diǎn)DNA的超螺旋結(jié)構(gòu)及其在染色質(zhì)中的組裝DNA的超螺旋結(jié)構(gòu)原核生物DNA的高級(jí)結(jié)構(gòu)DNA在真核生物細(xì)胞核內(nèi)的組裝DNA的功能一、 DNA的二級(jí)結(jié)構(gòu)雙螺旋結(jié)構(gòu)（二） DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型要點(diǎn) （Watson, Crick, 1953）DNA分子由兩條相互平行但走向相反的脫氧多核苷酸鏈組成，兩鏈以-脫氧核糖-磷酸-為骨架，以右手螺旋方式繞同一公共軸盤。螺旋直

7、徑為2nm，形成大溝(major groove)及小溝(minor groove)相間。目 錄（二） DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型要點(diǎn) （Watson, Crick, 1953）堿基垂直螺旋軸居雙螺旋內(nèi)側(cè)，與對(duì)側(cè)堿基形成氫鍵配對(duì)（互補(bǔ)配對(duì)形式：A=T; GC） 。相鄰堿基平面距離0.34nm，螺旋一圈螺距3.4nm，一圈10對(duì)堿基。目 錄堿基互補(bǔ)配對(duì) TAGC（二） DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型要點(diǎn) （Watson, Crick, 1953）氫鍵維持雙鏈橫向穩(wěn)定性，堿基堆積力維持雙鏈縱向穩(wěn)定性。目 錄 DNA雙螺旋的構(gòu)象類型B-DNA：92%相對(duì)濕度，接近細(xì)胞內(nèi)的DNA構(gòu)象，與Watson 和Crick提出的

8、模型相似。A-DNA：75%相對(duì)濕度，與溶液中DNA-RNA雜交分子的構(gòu)象相似，推測(cè)轉(zhuǎn)錄時(shí)發(fā)生BA。其堿基平面傾斜20，螺距與每一轉(zhuǎn)堿基對(duì)數(shù)目都有變化。Z-DNA：主鏈呈鋸齒型左向盤繞，直徑約1.8nm，螺距4.5nm，每一轉(zhuǎn)含12個(gè)bp，只有小溝。B-DNA與Z-DNA的相互轉(zhuǎn)換可能和基因的調(diào)控有關(guān)。C-DNA：4446%相對(duì)濕度，螺距3.09nm，每轉(zhuǎn)螺旋9.33個(gè)堿基對(duì)，堿基對(duì)傾斜6。可能是特定條件下B-DNA和A-DNA的轉(zhuǎn)化中間物。D-DNA：60%相對(duì)濕度，DNA中A、T序列交替的區(qū)域。每個(gè)螺旋含8個(gè)bp，螺距2.43nm，堿基平面傾斜16。（三）DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的多樣性目 錄DN

9、A的三級(jí)結(jié)構(gòu)線形分子、雙鏈環(huán)狀(dcDNA)超螺旋、染色體包裝二、DNA的超螺旋結(jié)構(gòu)及其在染色質(zhì)中的組裝（一）DNA的超螺旋結(jié)構(gòu)超螺旋結(jié)構(gòu)(superhelix 或supercoil)DNA雙螺旋鏈再盤繞即形成超螺旋結(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 意義DNA超螺旋結(jié)構(gòu)整體或局部的拓?fù)鋵W(xué)變化及其調(diào)控對(duì)于DNA復(fù)制和RNA轉(zhuǎn)錄過程具有關(guān)鍵作用。 （二）原核生物DNA的高級(jí)結(jié)構(gòu)（三）DNA在真核生物細(xì)胞核內(nèi)的組裝真核生物染色體由DNA和蛋白質(zhì)構(gòu)成，其基本單位是 核小

10、體(nucleosome)。核小體的組成DNA：約200bp 組蛋白：H1H2A，H2BH3H4染色體包裝的結(jié)構(gòu)模型多級(jí)螺旋模型壓縮倍數(shù) 7 6 40 5 （8400） DNA 核小體 螺線管 超螺線管 染色單體 2nm 10nm 30(10)nm 400nm 210m 一級(jí)包裝 二級(jí)包裝 三級(jí)包裝 四級(jí)包裝 三、DNA的功能DNA的基本功能是以基因的形式荷載遺傳信息，并作為基因復(fù)制和轉(zhuǎn)錄的模板。它是生命遺傳的物質(zhì)基礎(chǔ)，也是個(gè)體生命活動(dòng)的信息基礎(chǔ)。基因從結(jié)構(gòu)上定義，是指DNA分子中的特定區(qū)段，其中的核苷酸排列順序決定了基因的功能。 第三節(jié) RNA的結(jié)構(gòu)與功能Structure and Func

11、tion of RNARNA的種類、分布、功能一 、信使RNA的結(jié)構(gòu)與功能hnRNA 內(nèi)含子(intron)mRNA * mRNA成熟過程 外顯子(exon)目 錄* mRNA結(jié)構(gòu)特點(diǎn)1. 大多數(shù)真核mRNA的5末端均在轉(zhuǎn)錄后加上一個(gè)7-甲基鳥苷，同時(shí)第一個(gè)核苷酸的C2也是甲基化，形成帽子結(jié)構(gòu)：m7GpppNm-。2. 大多數(shù)真核mRNA的3末端有一個(gè)多聚腺苷酸(polyA)結(jié)構(gòu)，稱為多聚A尾。讀碼框架帽子結(jié)構(gòu)7-甲基557-甲基鳥嘌呤-三磷酸鳥苷mRNA核內(nèi)向胞質(zhì)的轉(zhuǎn)位mRNA的穩(wěn)定性維系翻譯起始的調(diào)控 帽子結(jié)構(gòu)和多聚A尾的功能* mRNA的功能 把DNA所攜帶的遺傳信息，按堿基互補(bǔ)配對(duì)原則

12、，抄錄并傳送至核糖體，用以決定其合成蛋白質(zhì)的氨基酸排列順序。DNAmRNA蛋白轉(zhuǎn)錄翻譯原核細(xì)胞 細(xì)胞質(zhì)細(xì)胞核DNA內(nèi)含子外顯子轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)錄后剪接轉(zhuǎn)運(yùn)mRNAhnRNA翻譯蛋白真核細(xì)胞 * tRNA的一級(jí)結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 含 1020% 稀有堿基，如 DHU 、 、T、I 3末端為 CCA-OH 5末端大多數(shù)為G 具有 TC 二、轉(zhuǎn)運(yùn)RNA的結(jié)構(gòu)與功能N,N二甲基鳥嘌呤N6-異戊烯腺嘌呤雙氫尿嘧啶4-巰尿嘧啶 稀有堿基 * tRNA的二級(jí)結(jié)構(gòu)三葉草形 氨基酸臂 DHU環(huán) TC環(huán) 額外環(huán) 反密碼環(huán)5端3端mRNACAU密碼子5端3端氨基酸臂額外環(huán)* tRNA的三級(jí)結(jié)構(gòu) 倒L形* tRNA的功能活化、搬運(yùn)氨基酸

13、到核糖體，參與蛋白質(zhì)的翻譯。通過脂鍵結(jié)合相應(yīng)氨基酸通過密碼與反密碼的互補(bǔ)結(jié)合將堿基序列轉(zhuǎn)化為氨基酸序列-C-CH-NH2OROH* rRNA的結(jié)構(gòu)三、核蛋白體RNA的結(jié)構(gòu)與功能* rRNA的功能參與組成核蛋白體，作為蛋白質(zhì)生物合成的場(chǎng)所。核蛋白體的結(jié)構(gòu)性聚合體* rRNA的種類（根據(jù)沉降系數(shù)）真核生物5S rRNA28S rRNA5.8S rRNA18S rRNA原核生物5S rRNA23S rRNA16S rRNA大亞基小亞基核蛋白體的組成原核生物（以大腸桿菌為例）真核生物（以小鼠肝為例）小亞基30S40SrRNA16S1542個(gè)核苷酸18S1874個(gè)核苷酸蛋白質(zhì)21種占總重量的40%33種

14、占總重量的50%大亞基50S60SrRNA23S5S2940個(gè)核苷酸120個(gè)核苷酸28S5.85S5S4718個(gè)核苷酸160個(gè)核苷酸120個(gè)核苷酸蛋白質(zhì)31種占總重量的30%49種占總重量的35%四 、其他小分子RNA及RNA組學(xué)除了上述三種RNA外，細(xì)胞的不同部位存在的許多其他種類的小分子RNA，統(tǒng)稱為非mRNA小RNA(small non-messenger RNAs, snmRNAs)。 snmRNAssnmRNAs的種類核內(nèi)小RNA核仁小RNA胞質(zhì)小RNA催化性小RNA小片段干擾 RNA snmRNAs的功能參與hnRNA和rRNA的加工和轉(zhuǎn)運(yùn)。snRNAsnoRNAscRNAsiRN

15、A核酶是生物宿主對(duì)于外原侵入的基因所表達(dá)的雙鏈RNA切割而成的,具有特定長(zhǎng)度和序列的小片段RNA。siRNA可與外原基因表達(dá)的mRNA結(jié)合,并誘發(fā)其降解。如上機(jī)制發(fā)展成RNA干涉技術(shù)正被廣泛應(yīng)用。RNA組學(xué)研究細(xì)胞中snmRNAs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snmRNAs的表達(dá)具有時(shí)間和空間特異性。 RNA組學(xué)核 酸 的 理 化 性 質(zhì)The Physical and Chemical Characters of Nucleic Acid第 四 節(jié)目 錄1. DNA或RNA的定量OD260=1.0相當(dāng)于50g/ml雙鏈DNA40g/ml單鏈DN

16、A（或RNA）20g/ml寡核苷酸2.判斷核酸樣品的純度DNA純品: OD260/OD280 = 1.8RNA純品: OD260/OD280 = 2.0OD260的應(yīng)用目 錄二、DNA的變性(denaturation)定義：在某些理化因素作用下，DNA雙鏈解開成兩條單鏈的過程。方法：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。變性后其它理化性質(zhì)變化：OD260增高粘度下降比旋度下降浮力密度升高酸堿滴定曲線改變生物活性喪失目 錄DNA變性的本質(zhì)是雙鏈間氫鍵的斷裂例：變性引起紫外吸收值的改變DNA的紫外吸收光譜增色效應(yīng)：DNA變性時(shí)其溶液OD260增高的現(xiàn)象。目 錄熱變

17、性解鏈曲線：如果在連續(xù)加熱DNA的過程中以溫度對(duì)A260（absorbance，A，A260代表溶液在260nm處的吸光率）值作圖，所得的曲線稱為解鏈曲線。目 錄 Tm：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%時(shí)的溫度稱為DNA的解鏈溫度，又稱融解溫度(melting temperature, Tm)。其大小與G+C含量成正比。目 錄三、DNA的復(fù)性與分子雜交 DNA復(fù)性(renaturation)的定義在適當(dāng)條件下，變性DNA的兩條互補(bǔ)鏈可恢復(fù)天然的雙螺旋構(gòu)象，這一現(xiàn)象稱為復(fù)性。減色效應(yīng)DNA復(fù)性時(shí)，其溶液OD260降低。熱變性的DNA經(jīng)緩慢冷卻后即可

18、復(fù)性，這一過程稱為退火(annealing) 。退火的最佳溫度: Tm-250目 錄在DNA變性后的復(fù)性過程中，如果將不同種類的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(duì)關(guān)系，在適宜的條件（溫度及離子強(qiáng)度）下，就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) DNA-DNA雜交雙鏈分子變性 復(fù)性 不同來(lái)源的DNA分子核酸分子雜交的應(yīng)用研究DNA分子中某一種基因的位置定兩種核酸分子間的序列相似性檢測(cè)某些專一序列在待檢樣品中存在與否是基因芯片技術(shù)的基礎(chǔ) 第 五 節(jié) 核 酸 酶 Nuclease核酸酶是指所有可以水解核酸的酶依據(jù)底物不同分類DNA酶(deoxyribonuclease, DNase)：專一降解DNA。RNA酶 (ribonuclease, RN