核酸結(jié)構(gòu)與功能

關(guān)于核酸結(jié)構(gòu)與功能第1頁，共89頁，2023年，2月20日，星期四核酸(nucleicacid)

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。第2頁，共89頁，2023年，2月20日，星期四核酸的發(fā)現(xiàn)和研究工作進展1868年FridrichMiescher從膿細胞中提取“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)(1962)1968年Nirenberg發(fā)現(xiàn)遺傳密碼(1968)1975年Temin和Baltimore發(fā)現(xiàn)逆轉(zhuǎn)錄酶(1975)1981年Gilbert和Sanger建立DNA測序方法(1980)1985年Mullis發(fā)明PCR技術(shù)(1993)1990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第3頁，共89頁，2023年，2月20日，星期四核酸的分類及分布存在于細胞核和線粒體

分布于細胞核、細胞質(zhì)、線粒體(deoxyribonucleicacid,DNA)(ribonucleicacid,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，參與遺傳信息的表達。某些病毒RNA也可作為遺傳信息的載體第4頁，共89頁，2023年，2月20日，星期四第一節(jié)核酸的化學(xué)組成及其一級結(jié)構(gòu)TheChemicalComponentandPrimaryStructureofNucleicAcid第5頁，共89頁，2023年，2月20日，星期四核酸(DNA和RNA)核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第6頁，共89頁，2023年，2月20日，星期四分子組成堿基(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第7頁，共89頁，2023年，2月20日，星期四堿基(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中堿基第8頁，共89頁，2023年，2月20日，星期四嘌呤(purine，Pu)腺嘌呤(adenine,A)鳥嘌呤(guanine,G)第9頁，共89頁，2023年，2月20日，星期四嘧啶(pyrimidine，Py)胞嘧啶(cytosine,C)尿嘧啶(uracil,U)胸腺嘧啶(thymine,T)第10頁，共89頁，2023年，2月20日，星期四堿基的互變異構(gòu)體第11頁，共89頁，2023年，2月20日，星期四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

稀有堿基第12頁，共89頁，2023年，2月20日，星期四戊糖（構(gòu)成RNA）1′2′3′4′5′核糖(ribose)（構(gòu)成DNA）脫氧核糖(deoxyribose)第13頁，共89頁，2023年，2月20日，星期四脫氧核苷嘌呤N-9

或嘧啶N-1與脫氧核糖C-1通過β-N-糖苷鍵相連形成脫氧核苷(deoxyribonucleoside)。第14頁，共89頁，2023年，2月20日，星期四

嘌呤N-9或嘧啶N-1與核糖C-1通過β-N-糖苷鍵相連形成核苷(ribonucleoside)。核苷NNNN9NH2OOHOHHHHCH2OHH1'2'糖苷鍵第15頁，共89頁，2023年，2月20日，星期四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)NNNN9NH2OOHOHHHHCH2H1'2'OPO-HOO糖苷鍵酯鍵第16頁，共89頁，2023年，2月20日，星期四多磷酸核苷酸第17頁，共89頁，2023年，2月20日，星期四環(huán)化核苷酸：cAMP、cGMP，是細胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo)中的第二信使。cAMP核苷酸衍生物第18頁，共89頁，2023年，2月20日，星期四含核苷酸的生物活性物質(zhì)：NAD+、NADP+、CoA-SH、FAD

等都含有

AMPNADP+NAD+第19頁，共89頁，2023年，2月20日，星期四二、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α-磷酸基團縮合形成磷酸二酯鍵(phosphodiesterbond)。

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。第20頁，共89頁，2023年，2月20日，星期四5′-末端3′-末端CGA磷酸二酯鍵磷酸二酯鍵第21頁，共89頁，2023年，2月20日，星期四交替的磷酸基團和戊糖構(gòu)成了DNA的骨架(backbone)。DNA鏈的方向是5

→

3第22頁，共89頁，2023年，2月20日，星期四三、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。第23頁，共89頁，2023年，2月20日，星期四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第24頁，共89頁，2023年，2月20日，星期四AGP5PTPGPCPTPOH3書寫方法：5pApCpTpGpCpT-OH

35

ACTGCT

3第25頁，共89頁，2023年，2月20日，星期四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(<50bp)常被稱為寡核苷酸(oligonucleotide)。自然界中的DNA和RNA的長度可以高達幾十萬個堿基。第26頁，共89頁，2023年，2月20日，星期四DNA和RNA的區(qū)別核糖G、C、A、URNA脫氧核糖G、C、A、TDNA堿基核糖核酸第27頁，共89頁，2023年，2月20日，星期四第二節(jié)DNA的空間結(jié)構(gòu)與功能DimensionalStructureandFunctionofDNA第28頁，共89頁，2023年，2月20日，星期四DNA的空間結(jié)構(gòu)又分為二級結(jié)構(gòu)(secondarystructure)和高級結(jié)構(gòu)。DNA的空間結(jié)構(gòu)(spatialstructure)構(gòu)成DNA的所有原子在三維空間具有確定的相對位置關(guān)系。第29頁，共89頁，2023年，2月20日，星期四一、DNA的二級結(jié)構(gòu)——雙螺旋結(jié)構(gòu)第30頁，共89頁，2023年，2月20日，星期四（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-線衍射圖譜分析目錄第31頁，共89頁，2023年，2月20日，星期四（二）DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型要點（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。螺旋直徑為2nm，形成大溝(majorgroove)及小溝(minorgroove)相間。目錄

模型要點-15

3第32頁，共89頁，2023年，2月20日，星期四堿基垂直螺旋軸居雙螺旋內(nèi)側(cè)，與對側(cè)堿基形成氫鍵配對（互補配對形式：A=T;GC）。相鄰堿基平面距離0.34nm，螺旋一圈螺距3.4nm，一圈10對堿基。目錄

模型要點-2第33頁，共89頁，2023年，2月20日，星期四堿基互補配對TAGC第34頁，共89頁，2023年，2月20日，星期四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

模型要點-3第35頁，共89頁，2023年，2月20日，星期四Watson-Crick雙螺旋結(jié)構(gòu)模型(B-DNA)要點：（1）反平行雙鏈：脫氧核糖-磷酸骨架位于外側(cè)，堿基對位于內(nèi)側(cè)（2）堿基互補配對：AT配對（兩個氫鍵），GC配對（三個氫鍵）；堿基對平面垂直縱軸（3）右手雙螺旋：螺距為3.4nm，直徑為2.0nm，10bp/圈第36頁，共89頁，2023年，2月20日，星期四（4）表面功能區(qū)：小溝較淺；大溝較深，是蛋白質(zhì)識別DNA堿基序列的基礎(chǔ)

（5）維持結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的力量：氫鍵維持雙鏈橫向穩(wěn)定，堿基堆積力維持螺旋縱向穩(wěn)定（6）意義:闡明了DNA的二級結(jié)構(gòu);為復(fù)制機制作了解釋第37頁，共89頁，2023年，2月20日，星期四（三）DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的多樣性第38頁，共89頁，2023年，2月20日，星期四第39頁，共89頁，2023年，2月20日，星期四DNAdoublehelix類型

helixtypebp/turnrotation/bpverticalrise/bphelicaldA11+34.72.56A23A

B10+34.03.38A19AC9.33+38.63.32A19AZ12-30.05.71A18A第40頁，共89頁，2023年，2月20日，星期四（四）DNA的多鏈螺旋結(jié)構(gòu)在酸性的溶液中，胞嘧啶的N-3原子被質(zhì)子化，可與鳥嘌呤的N-7原子形成氫鍵；同時，胞嘧啶的N-4的氫原子也可與鳥嘌呤的O-6形成氫鍵，這種氫鍵被稱為Hoogsteen氫鍵。Hoogsteen氫鍵Hoogsteen氫鍵，不破壞Watson-Crick氫鍵，由此形成了C＋GC的三鏈結(jié)構(gòu)(triplex)。第41頁，共89頁，2023年，2月20日，星期四三鏈結(jié)構(gòu)第42頁，共89頁，2023年，2月20日，星期四鳥嘌呤之間通過Hoogsteen氫鍵形成特殊的四鏈結(jié)構(gòu)(tetraplex)。四鏈結(jié)構(gòu)第43頁，共89頁，2023年，2月20日，星期四真核生物DNA3-末端是富含GT的多次重復(fù)序列，因而自身形成了折疊的四鏈結(jié)構(gòu)。第44頁，共89頁，2023年，2月20日，星期四二、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(positivesupercoil)盤繞方向與DNA雙螺旋方同相同負超螺旋(negativesupercoil)盤繞方向與DNA雙螺旋方向相反第45頁，共89頁，2023年，2月20日，星期四第46頁，共89頁，2023年，2月20日，星期四意義DNA超螺旋結(jié)構(gòu)整體或局部的拓撲學(xué)變化及其調(diào)控對于DNA復(fù)制和RNA轉(zhuǎn)錄過程具有關(guān)鍵作用。第47頁，共89頁，2023年，2月20日，星期四（二）原核生物DNA的高級結(jié)構(gòu)第48頁，共89頁，2023年，2月20日，星期四（三）DNA在真核生物細胞核內(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第49頁，共89頁，2023年，2月20日，星期四第50頁，共89頁，2023年，2月20日，星期四第51頁，共89頁，2023年，2月20日，星期四三、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)。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52頁，共89頁，2023年，2月20日，星期四第三節(jié)

RNA的結(jié)構(gòu)與功能StructureandFunctionofRNA第53頁，共89頁，2023年，2月20日，星期四RNA的結(jié)構(gòu)特點RNA是單鏈分子，因此在RNA分子中，嘌呤的總數(shù)不一定等于嘧啶的總數(shù)。RNA分子中，部分區(qū)域也能形成雙螺旋結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)稱為“發(fā)夾型”結(jié)構(gòu)。在RNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)中，堿基的配對情況不象DNA中嚴格。G除了可以和C配對外，也可以和U配對。G-U配對形成的氫鍵較弱。不同類型的RNA,其二級結(jié)構(gòu)有明顯的差異。tRNA中除了常見的堿基外，還存在一些稀有堿基，這類堿基大部分位于突環(huán)部分.第54頁，共89頁，2023年，2月20日，星期四RNA的種類、分布、功能第55頁，共89頁，2023年，2月20日，星期四一、信使RNA的結(jié)構(gòu)與功能hnRNA非編碼區(qū)mRNA*mRNA成熟過程

編碼區(qū)目錄第56頁，共89頁，2023年，2月20日，星期四*mRNA結(jié)構(gòu)特點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,形成帽子結(jié)構(gòu)：m7GpppN。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。第57頁，共89頁，2023年，2月20日，星期四帽子結(jié)構(gòu)第58頁，共89頁，2023年，2月20日，星期四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尾的功能第59頁，共89頁，2023年，2月20日，星期四*mRNA的功能把DNA所攜帶的遺傳信息，按堿基互補配對原則，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)錄翻譯原核細胞細胞質(zhì)細胞核DNA內(nèi)含子外顯子轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)錄后剪接轉(zhuǎn)運mRNAhnRNA翻譯蛋白真核細胞第60頁，共89頁，2023年，2月20日，星期四*

tRNA的一級結(jié)構(gòu)特點含10~20%稀有堿基，如DHU3′末端為—CCA-OH5′末端大多數(shù)為G

具有TC二、轉(zhuǎn)運RNA的結(jié)構(gòu)與功能第61頁，共89頁，2023年，2月20日，星期四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

稀有堿基第62頁，共89頁，2023年，2月20日，星期四*tRNA的二級結(jié)構(gòu)——三葉草形

氨基酸臂

DHU環(huán)：識別氨酰-tRNA合成酶

反密碼環(huán)額外環(huán)

TΨC環(huán)：識別核蛋白體氨基酸臂額外環(huán)第63頁，共89頁，2023年，2月20日，星期四*tRNA的三級結(jié)構(gòu)——倒L形*tRNA的功能識別密碼子、搬運特定氨基酸到核糖體，參與蛋白質(zhì)的翻譯。第64頁，共89頁，2023年，2月20日，星期四*rRNA的種類（根據(jù)沉降系數(shù)）真核生物5SrRNA28SrRNA5.8SrRNA18SrRNA原核生物5SrRNA23SrRNA16SrRNA三、核蛋白體RNA的結(jié)構(gòu)與功能第65頁，共89頁，2023年，2月20日，星期四核蛋白體的大小亞基第66頁，共89頁，2023年，2月20日，星期四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%第67頁，共89頁，2023年，2月20日，星期四*rRNA的結(jié)構(gòu)*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。真核生物18SrRNA第68頁，共89頁，2023年，2月20日，星期四四、其他小分子RNA及RNA組學(xué)除了上述三種RNA外，細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(smallnon-messengerRNAs,snmRNAs)。

snmRNAs第69頁，共89頁，2023年，2月20日，星期四snmRNAs的種類核內(nèi)小RNA核仁小RNA胞質(zhì)小RNA催化性小RNA小片段干涉RNA

snmRNAs的功能參與hnRNA和rRNA的加工和轉(zhuǎn)運以及基因表達調(diào)控等。第70頁，共89頁，2023年，2月20日，星期四

克雷格·梅洛（右）和安德魯·法爾

(siRNA介導(dǎo)的RNA干涉，2006諾貝爾生理學(xué)與醫(yī)學(xué)獎）第71頁，共89頁，2023年，2月20日，星期四RNAi作用機制第72頁，共89頁，2023年，2月20日，星期四RNA組學(xué)研究細胞中snmRNAs的種類、結(jié)構(gòu)和功能。同一生物體內(nèi)不同種類的細胞、同一細胞在不同時間、不同狀態(tài)下snmRNAs的表達具有時間和空間特異性。RNA組學(xué)第73頁，共89頁，2023年，2月20日，星期四核酸的理化性質(zhì)ThePhysicalandChemicalCharactersofNucleicAcid第四節(jié)目錄第74頁，共89頁，2023年，2月20日，星期四一、核酸的一般理化性質(zhì)與紫外吸收酸性化合物、線性高分子不同構(gòu)象的核酸分子在離心時和電泳時的行為不一樣第75頁，共89頁，2023年，2月20日，星期四紫外吸收第76頁，共89頁，2023年，2月20日，星期四1.DNA或RNA的定量OD260=1.0相當于50μg/ml雙鏈DNA40μg/ml單鏈DNA（或RNA）20μg/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)用目錄第77頁，共89頁，2023年，2月20日，星期四二、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 生物活性喪失目錄第78頁，共89頁，2023年，2月20日，星期四例：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變性時其溶液OD260增高的現(xiàn)象。目錄第79頁，共89頁，2023年，2月20日，星期四熱變性解鏈曲線：如果在連續(xù)加熱DNA的過程中以溫度對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。目錄第80頁，共89頁，2023年，2月20日，星期四Tm：變性是在一個相當窄的溫度范圍內(nèi)完成，在這一范圍內(nèi)，紫外光吸收值達到最大值的50%時的溫度稱為DNA