生物化學(xué)2 核酸的結(jié)構(gòu)和功能課件

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 測序方法1985年 Mullis發(fā)明PCR 技術(shù)19

2、90年 美國啟動人類基因組計劃(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基本框架人類基因組計劃Human Genome Project年月：被譽(yù)為生命科學(xué)“阿波羅登月計劃”的HGP啟動。年月：美國科學(xué)家克里格文特創(chuàng)建的塞萊拉遺傳公司，目標(biāo)是投入億美元，到年繪制出完整的人體基因組圖譜，與國際HGP展開競爭。年月日：國際HGP聯(lián)合研究小組宣布，他們完整地破譯出人體第對染色體的遺傳密碼。年月日：當(dāng)時的美國總統(tǒng)克林頓和英國首相布萊爾發(fā)表聯(lián)合聲明，呼吁將人類基因組研究成果公開，以便世界各國科學(xué)家都能自由地使用這些成果。年月：國際HGP完成時間預(yù)計從原定的年月提

3、前至年月。年月日：科學(xué)家公布人類基因組“工作框架圖”。年2月：國際HGP(美、英、日、德、法和中國)的科學(xué)家和美國塞萊拉公司分別宣布完成繪制人類基因組測序草圖。分別在15日出版的Nature和16日的Science公布。青山襯托之下，是一片金燦燦的中國水稻梯田。4月5日以中國梯田為封面的 Science雜志以14頁篇幅率先發(fā)表了一個重大成果中國人獨(dú)立完成的論文水稻（秈稻）基因組的工作框架序列，顯示對中國科學(xué)家成就充分肯定。COVER Photograph of the Honghe Hani rice terraces in Yunnan Province, China. In this is

4、sue, two separate research groups report draft sequences of two strains of rice-japonica and indica. In addition, the Editorial, News Focus, Letters, and Perspectives highlight the significance of the rice genome to the worlds population. Image: Liwen Ma and Baoxing Qiu, Beijing Genomics Institute第一

5、節(jié)核酸的化學(xué)組成及一級結(jié)構(gòu)The Chemical Component and Primary Structure of Nucleic Acid核酸的基本組成單位是核苷酸 (nucleotide)。堿基戊糖磷酸核苷酸核苷核酸DNA的基本組成單位是脫氧核糖核苷酸 。RNA的基本組成單位是核糖核苷酸 。嘌呤(purine) 腺嘌呤(adenine, A)鳥嘌呤(guanine, G)堿 基嘧啶(pyrimidine)胞嘧啶(cytosine, C)尿嘧啶(uracil, U)胸腺嘧啶(thymine, T) 五種堿基都能形成酮式-烯醇式或氨基-亞氨基的互變異構(gòu)。這兩種異構(gòu)體的平衡關(guān)系受介質(zhì)酸堿環(huán)

6、境的影響。 堿基和核糖（或脫氧核糖）通過糖苷鍵連接形成核苷(nucleoside) （或脫氧核苷）。核苷酸：AMP, GMP, UMP, CMP脫氧核苷酸：dAMP, dGMP, dTMP, dCMP 核苷（脫氧核苷）和磷酸以酯鍵連接形成核苷酸（脫氧核苷酸）。 環(huán)化核苷酸: cAMP，cGMP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，NTP 環(huán)化核苷酸: cAMP，cGMPNADP+NAD+二、核酸的一級結(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，所以也稱為堿基序列。

7、5端3端核苷酸之間以3 , 5 -磷酸二酯鍵連接形成多核苷酸鏈，即核酸。CGA書寫方法 DNA 與RNA的區(qū)別核酸堿基戊糖DNAA、G、C、T脫氧核糖RNAA、G、C、U核糖一、 DNA的二級結(jié)構(gòu)雙螺旋結(jié)構(gòu)（一）DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的研究背景 堿基組成分析Chargaff 規(guī)則：A = T G = C 堿基的理化數(shù)據(jù)分析A-T、G-C以氫鍵配對較合理 DNA纖維的X-線衍射圖譜分析 （二） DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型要點(diǎn) 1. 兩條鏈反向平行，圍繞同一中心軸構(gòu)成右手雙螺旋 (double helix)。螺旋直徑2nm，表面有大溝和小溝。2. 磷酸-脫氧核糖骨架位于螺旋外側(cè)，堿基垂直于螺旋軸而伸入雙螺旋內(nèi)

8、側(cè),與對側(cè)堿基形成氫鍵配對（互補(bǔ)配對形式：A=T; GC)。每圈螺旋含10個堿基對 (bp)，相鄰堿基平面距離0.34nm，螺旋一圈螺距為3.4nm。堿基平面與縱軸垂直，糖環(huán)平面與縱軸平行3. 兩條鏈通過堿基間的氫鍵相連，A對T有兩個氫鍵，C對G有三個氫鍵，這種A-T、C-G配對的規(guī)律，稱為堿基互補(bǔ)規(guī)則。4. 維持雙螺旋穩(wěn)定的因素：橫向?yàn)闅滏I，縱向?yàn)閴A基間的堆積力。堿基互補(bǔ)配對 TAGC（三）DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的多樣性Z型DNAB型DNAA型DNA 三鏈DNA（triple helix DNA） 又稱H-DNA補(bǔ)充：概念： 三鏈DNA是由三條脫氧核苷酸鏈按一定的規(guī)律繞成的螺旋狀結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)：是在W

9、atson-Crick雙螺旋基礎(chǔ)上形成的，其中大溝中容納第三條鏈形成三股螺旋。在三螺旋DNA中三各個堿基配對（Hoogsteen base pairing）形成三堿基體:T-A-T ，C-G-C。作用：還不清楚二、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)控對于DNA復(fù)制和R

10、NA轉(zhuǎn)錄過程具有關(guān)鍵作用。 （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 核小體(nucleosome)。核小體的組成DNA：約200bp 組蛋白：H1H2A，H2BH3H4串珠狀核小體結(jié)構(gòu)串珠狀核小體DNA雙螺旋片段染色質(zhì)纖維伸展形染色質(zhì)片段密集形染色質(zhì)片段整個染色體核小體螺線管真核生物染色體DNA組裝Chromosome chromatid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)，也是個體生命活動的信息基礎(chǔ)?；驈慕Y(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

11、因的功能。 肺炎雙球菌的轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)Oswald Avery (1944) 實(shí)驗(yàn)二，噬菌體的標(biāo)記實(shí)驗(yàn) 第三節(jié) RNA的結(jié)構(gòu)與功能Structure and Function of RNA動物細(xì)胞內(nèi)主要RNA的種類及功能RNA secondary and tertiary structures. (a) Stem-loops, hairpins, and other secondary structures can form by base pairing between distant complementary segments of an RNA molecule. In stem-loops

12、, the single-stranded loop (dark red) between the base-paired helical stem (light red) may be hundreds or even thousands of nucleotides long, whereas in hairpins, the short turn may contain as few as 6 8 nucleotides. (b) Interactions between the flexible loops may result in further folding to form t

13、ertiary structures such as the pseudoknot. This tertiary structure resembles a figure-eight knot, but the free ends do not pass through the loops, so no knot is actually formed. 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)* 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7-甲基鳥苷，同時第一個核苷酸的C2也是甲基化，形成帽子結(jié)構(gòu)：

14、m7GpppNm-。2. 大多數(shù)真核mRNA的3末端有一個多聚腺苷酸 (polyA)結(jié)構(gòu)，稱為多聚A尾。帽子結(jié)構(gòu)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：作為蛋白質(zhì)合成的模板。* mRNA的功能 把DNA所攜帶的遺傳信息，按堿基互補(bǔ)配對原則，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的一級結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 含稀有堿基較多 3末端為 CCA-OH 5末端大多數(shù)為G 由7090個核苷酸組成二、轉(zhuǎn)運(yùn)RNA

15、的結(jié)構(gòu)與功能 稀有堿基 * tRNA的二級結(jié)構(gòu)三葉草形氨基酸臂額外環(huán)* tRNA的三級結(jié)構(gòu) 倒L形* tRNA的功能活化、搬運(yùn)氨基酸到核糖體，參與蛋白質(zhì)的翻譯。* 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)生物合成的場所。核糖體的組成原核生物真核生物小亞基30S40SrRNA16S18S蛋白質(zhì)21種33種大亞基50S60SrRNA23S5S28S5.8S5S蛋白質(zhì)33種49種核糖體70S80S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-me

16、ssenger RNAs，snmRNAs)。 snmRNAssnmRNAs的種類核內(nèi)小RNA (snRNA)核仁小RNA (snoRNA)胞質(zhì)小RNA (scRNA)催化性小RNA小片段干擾 RNA (siRNA) snmRNAs的功能參與hnRNA和rRNA的轉(zhuǎn)錄后加工和轉(zhuǎn)運(yùn)以及基因表達(dá)過程的調(diào)控等。是研究細(xì)胞中snmRNAs的種類、結(jié)構(gòu)和功能的科學(xué)。同一生物體內(nèi)不同種類的細(xì)胞、同一細(xì)胞在不同時間、不同狀態(tài)下snmRNAs的表達(dá)具有時間和空間特異性。 RNA組學(xué) (RNomics)核酸的理化性質(zhì)The Physical and Chemical Characters of Nucleic A

17、cid第 四 節(jié)一、核酸的一般理化性質(zhì)核酸為多元酸，具有較強(qiáng)的酸性；DNA是線性高分子，粘度極大； 在260nm波長有最大吸收峰，是由堿基的共軛雙鍵決定的。這一特性常用作核酸的定性、定量分析。1. DNA或RNA的定量OD260=1.0相當(dāng)于50 g/ml雙鏈DNA40 g/ml單鏈DNA（或RNA）20 g/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。變性因素：過量酸，堿，加熱等。變性后理

18、化性質(zhì)的主要改變：OD260增高粘度下降DNA變性的本質(zhì)是雙鏈間氫鍵的斷裂DNA的紫外吸收光譜增色效應(yīng)：DNA變性時其溶液OD260增高的現(xiàn)象。解鏈曲線：在連續(xù)加熱DNA的過程中以溫度對A260值作圖，所得的曲線稱為解鏈曲線。 Tm：紫外光吸收值達(dá)到最大值的50%時的溫度稱為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。Tm值一般DNA的Tm值是7085oC影響Tm值大小因素： 1、與核酸分子中的G+C比例相關(guān) Tm=69.3+0.41(G+C)% 小于20bp的寡核苷酸： Tm=4(G+C)+2(A+T) 2、與核酸分子的長度相關(guān)

19、 3、核酸純度、溶液離子強(qiáng)度、酸堿度等806040201080100oCTmDNA解鏈溫度與GC含量的關(guān)系709030507060M.phleiSerratiaE.coliSalmon spermYeastBacteriophage T4Calf thymusS. PneumoniaeAT-DNAPercent guanine plus cytosine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，其溶液OD260降低。熱變性的DNA經(jīng)緩慢冷卻后即可復(fù)性，這一過程稱為退火(annealing) 。復(fù)性條件：溫度：緩慢下降至比Tm值低25oC； 瞬間降至零度稱淬火（quenching）DNA濃度：濃度較高，復(fù)性較快DNA片段大小和復(fù)雜程度（最長的不重復(fù)序列的長度）陽離子濃度 熱變性的DNA在復(fù)性過程中，具有堿基序列部分互補(bǔ)的不同的DNA之間或DNA與RNA之間形成雜化雙鏈的現(xiàn)象。分子探針（probe）:帶有某種標(biāo)記物的分子，如核苷酸鏈片段分子雜交和探針技術(shù)是許多分子生物學(xué)技術(shù)的基礎(chǔ)，有廣泛的應(yīng)用價值。核酸分子雜交 (hybridizatio