核酸結(jié)構(gòu)與功能專家講座

第二章

核酸結(jié)構(gòu)和功效StructureandFunctionofNucleicAcid核酸結(jié)構(gòu)與功能專家講座第1頁(yè)核酸(nucleicacid)

是以核苷酸為基本組成單位生物大分子，攜帶和傳遞遺傳信息。核酸結(jié)構(gòu)與功能專家講座第2頁(yè)一、核酸發(fā)覺(jué)和研究工作進(jìn)展1868年FridrichMiescher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)覺(jué)DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)1965年Nirenberg發(fā)覺(jué)遺傳密碼1970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創(chuàng)造PCR技術(shù)1990年美國(guó)開(kāi)啟人類基因組計(jì)劃(HGP)

1994年中國(guó)人類基因組計(jì)劃開(kāi)啟年美、英等國(guó)完成人類基因組計(jì)劃基本框架核酸結(jié)構(gòu)與功能專家講座第3頁(yè)二、核酸分類及分布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。(deoxyribonucleicacid,DNA)(ribonucleicacid,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)體基因型(genotype)。參加細(xì)胞內(nèi)DNA遺傳信息表示。一些病毒RNA也可作為遺傳信息載體。核酸結(jié)構(gòu)與功能專家講座第4頁(yè)第一節(jié)核酸化學(xué)組成及其一級(jí)結(jié)構(gòu)TheChemicalComponentandPrimaryStructureofNucleicAcid核酸結(jié)構(gòu)與功能專家講座第5頁(yè)核酸化學(xué)組成1.元素組成C、H、O、N、P（9~10%）2.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)核酸結(jié)構(gòu)與功能專家講座第6頁(yè)嘌呤(purine)腺嘌呤(adenine,A)鳥嘌呤(guanine,G)堿基核酸結(jié)構(gòu)與功能專家講座第7頁(yè)嘧啶(pyrimidine)胞嘧啶(cytosine,C)尿嘧啶(uracil,U)胸腺嘧啶(thymine,T)核酸結(jié)構(gòu)與功能專家講座第8頁(yè)

堿基互變異構(gòu)酮式－烯醇

C=OC-OHNN氨基－亞氨基

C-NH2C=NH2+

+HNHN

受介質(zhì)pH影響核酸結(jié)構(gòu)與功能專家講座第9頁(yè)戊糖（組成RNA）1′2′3′4′5′核糖(ribose)（組成DNA）脫氧核糖(deoxyribose)H核酸結(jié)構(gòu)與功能專家講座第10頁(yè)核苷：AR,GR,UR,CR脫氧核苷：dAR,dGR,dTR,dCR一、核苷酸結(jié)構(gòu)1.核苷(ribonucleoside)形成堿基和核糖（脫氧核糖）經(jīng)過(guò)糖苷鍵連接形成核苷（脫氧核苷）。1′1核酸結(jié)構(gòu)與功能專家講座第11頁(yè)核苷酸：AMP,GMP,UMP,CMP脫氧核苷酸：dAMP,dGMP,dTMP,dCMP

2.核苷酸(ribonucleotide)結(jié)構(gòu)與命名核苷（脫氧核苷）和磷酸以磷酸酯鍵連接形成核苷酸（脫氧核苷酸）。

核酸結(jié)構(gòu)與功能專家講座第12頁(yè)

電腦模型圖簡(jiǎn)化式酯鍵糖苷鍵核酸結(jié)構(gòu)與功能專家講座第13頁(yè)體內(nèi)主要游離核苷酸及其衍生物含核苷酸生物活性物質(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，cGMPAMPADPATPcAMPNADP+NAD+核酸結(jié)構(gòu)與功能專家講座第14頁(yè)5′端3′端3.核苷酸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核酸結(jié)構(gòu)與功能專家講座第15頁(yè)二、核酸一級(jí)結(jié)構(gòu)定義核酸中核苷酸排列次序。因?yàn)楹塑账衢g差異主要是堿基不一樣，所以也稱為堿基序列。5′端3′端CGA核酸結(jié)構(gòu)與功能專家講座第16頁(yè)AGP5PTPGPCPTPOH3書寫方法5pApCpTpGpCpT-OH

35

ACTGCT

3目錄核酸結(jié)構(gòu)與功能專家講座第17頁(yè)第二節(jié)DNA空間結(jié)構(gòu)與功效DimensionalStructureandFunctionofDNA核酸結(jié)構(gòu)與功能專家講座第18頁(yè)DNA二級(jí)結(jié)構(gòu)-雙螺旋結(jié)構(gòu)DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)研究背景和歷史意義DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型關(guān)鍵點(diǎn)DNA超螺旋結(jié)構(gòu)及其在染色質(zhì)中組裝DNA超螺旋結(jié)構(gòu)原核生物DNA高級(jí)結(jié)構(gòu)DNA在真核生物細(xì)胞核內(nèi)組裝DNA功效核酸結(jié)構(gòu)與功能專家講座第19頁(yè)一、DNA二級(jí)結(jié)構(gòu)——雙螺旋結(jié)構(gòu)核酸結(jié)構(gòu)與功能專家講座第20頁(yè)（一）DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)研究背景和歷史意義

堿基組成份析Chargaff規(guī)則：[A]=

[T][G]

[C]

堿基理化數(shù)據(jù)分析A-T、G-C以氫鍵配對(duì)較合理DNA纖維X-線衍射圖譜分析目錄核酸結(jié)構(gòu)與功能專家講座第21頁(yè)Chargaff規(guī)則任何一個(gè)生物中各堿基相對(duì)百分比相同

即：A=T，G=C；不一樣生物DNA,其堿基組成不一樣；同一個(gè)體不一樣器官、組織DNA,其堿基組成相同。DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)發(fā)覺(jué)歷史意義：揭示了生物體遺傳信息儲(chǔ)存及表示分子機(jī)制開(kāi)創(chuàng)了當(dāng)代分子生物學(xué)是生物學(xué)發(fā)展史上里程碑核酸結(jié)構(gòu)與功能專家講座第22頁(yè)（二）DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型關(guān)鍵點(diǎn)（Watson,Crick,1953）DNA分子由兩條相互平行但走向相反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。目錄核酸結(jié)構(gòu)與功能專家講座第23頁(yè)（二）DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型關(guān)鍵點(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。目錄核酸結(jié)構(gòu)與功能專家講座第24頁(yè)堿基互補(bǔ)配對(duì)

TAGC核酸結(jié)構(gòu)與功能專家講座第25頁(yè)核酸結(jié)構(gòu)與功能專家講座第26頁(yè)核酸結(jié)構(gòu)與功能專家講座第27頁(yè)（二）DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型關(guān)鍵點(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。目錄核酸結(jié)構(gòu)與功能專家講座第28頁(yè)（三）DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)多樣性目錄核酸結(jié)構(gòu)與功能專家講座第29頁(yè)B-核酸結(jié)構(gòu)與功能專家講座第30頁(yè)核酸結(jié)構(gòu)與功能專家講座第31頁(yè)核酸結(jié)構(gòu)與功能專家講座第32頁(yè)核酸結(jié)構(gòu)與功能專家講座第33頁(yè)二、DNA超螺旋結(jié)構(gòu)及其在染色質(zhì)中組裝（一）DNA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(fù)超螺旋(negativesupercoil)盤繞方向與DNA雙螺旋方向相反核酸結(jié)構(gòu)與功能專家講座第34頁(yè)意義DNA超螺旋結(jié)構(gòu)整體或局部拓?fù)鋵W(xué)改變及其調(diào)控對(duì)于DNA復(fù)制和RNA轉(zhuǎn)錄過(guò)程具相關(guān)鍵作用。核酸結(jié)構(gòu)與功能專家講座第35頁(yè)（二）原核生物DNA高級(jí)結(jié)構(gòu)核酸結(jié)構(gòu)與功能專家講座第36頁(yè)（三）DNA在真核生物細(xì)胞核內(nèi)組裝真核生物染色體由DNA和蛋白質(zhì)組成，其基本單位是核小體(nucleosome)。核小體組成DNA：約200bp組蛋白：H1H2A，H2BH3H4核酸結(jié)構(gòu)與功能專家講座第37頁(yè)核酸結(jié)構(gòu)與功能專家講座第38頁(yè)核酸結(jié)構(gòu)與功能專家講座第39頁(yè)三、DNA功效DNA基本功效是以基因形式荷載遺傳信息，并作為基因復(fù)制和轉(zhuǎn)錄模板。它是生命遺傳物質(zhì)基礎(chǔ)，也是個(gè)體生命活動(dòng)信息基礎(chǔ)?；驈慕Y(jié)構(gòu)上定義，是指DNA分子中特定區(qū)段，其中核苷酸排列次序決定了基因功效。核酸結(jié)構(gòu)與功能專家講座第40頁(yè)第三節(jié)

RNA結(jié)構(gòu)與功效StructureandFunctionofRNA核酸結(jié)構(gòu)與功能專家講座第41頁(yè)RNA種類、分布、功效核酸結(jié)構(gòu)與功能專家講座第42頁(yè)一、信使RNA結(jié)構(gòu)與功效hnRNA內(nèi)含子(intron)mRNA*mRNA成熟過(guò)程

外顯子(exon)目錄核酸結(jié)構(gòu)與功能專家講座第43頁(yè)*mRNA結(jié)構(gòu)特點(diǎn)1.大多數(shù)真核mRNA5′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C′2也是甲基化，形成帽子結(jié)構(gòu)：m7GpppNm-。2.大多數(shù)真核mRNA3′末端有一個(gè)多聚腺苷酸(polyA)結(jié)構(gòu)，稱為多聚A尾。核酸結(jié)構(gòu)與功能專家講座第44頁(yè)帽子結(jié)構(gòu)核酸結(jié)構(gòu)與功能專家講座第45頁(yè)mRNA核內(nèi)向胞質(zhì)轉(zhuǎn)位mRNA穩(wěn)定性維系翻譯起始調(diào)控帽子結(jié)構(gòu)和多聚A尾功效eIF4A帽結(jié)合蛋白（CBPs)polyA結(jié)合蛋白(PAB)核酸結(jié)構(gòu)與功能專家講座第46頁(yè)*mRNA功效把DNA所攜帶遺傳信息，按堿基互補(bǔ)配對(duì)標(biāo)準(zhǔn)，抄錄并傳送至核糖體，用以決定其合成蛋白質(zhì)氨基酸排列次序。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)胞核酸結(jié)構(gòu)與功能專家講座第47頁(yè)*

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

含有TC二、轉(zhuǎn)運(yùn)RNA結(jié)構(gòu)與功效核酸結(jié)構(gòu)與功能專家講座第48頁(yè)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

稀有堿基核酸結(jié)構(gòu)與功能專家講座第49頁(yè)*tRNA二級(jí)結(jié)構(gòu)——三葉草形

氨基酸臂

DHU環(huán)反密碼環(huán)額外環(huán)

TΨC環(huán)氨基酸臂額外環(huán)核酸結(jié)構(gòu)與功能專家講座第50頁(yè)*tRNA三級(jí)結(jié)構(gòu)——倒L形*tRNA功效活化、搬運(yùn)氨基酸到核糖體，參加蛋白質(zhì)翻譯。核酸結(jié)構(gòu)與功能專家講座第51頁(yè)*rRNA結(jié)構(gòu)三、核蛋白體RNA結(jié)構(gòu)與功效*rRNA功效參加組成核蛋白體，作為蛋白質(zhì)生物合成場(chǎng)所。核酸結(jié)構(gòu)與功能專家講座第52頁(yè)*rRNA種類（依據(jù)沉降系數(shù)）真核生物5SrRNA28SrRNA5.8SrRNA18SrRNA原核生物5SrRNA23SrRNA16SrRNA核酸結(jié)構(gòu)與功能專家講座第53頁(yè)核蛋白體組成原核生物（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40%33種占總重量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30%49種占總重量35%核酸結(jié)構(gòu)與功能專家講座第54頁(yè)四、其它小分子RNA及RNA組學(xué)除了上述三種RNA外，細(xì)胞不一樣部位存在許多其它種類小分子RNA，統(tǒng)稱為非mRNA小RNA(smallnon-messengerRNAs,snmRNAs)。

snmRNAs核酸結(jié)構(gòu)與功能專家講座第55頁(yè)snmRNAs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功效參加hnRNA和rRNA加工和轉(zhuǎn)運(yùn)。核酸結(jié)構(gòu)與功能專家講座第56頁(yè)RNA組學(xué)研究細(xì)胞中snmRNAs種類、結(jié)構(gòu)和功效。同一生物體內(nèi)不一樣種類細(xì)胞、同一細(xì)胞在不一樣時(shí)間、不一樣狀態(tài)下snmRNAs表示含有時(shí)間和空間特異性。RNA組學(xué)核酸結(jié)構(gòu)與功能專家講座第57頁(yè)核酸和蛋白質(zhì)比較核酸結(jié)構(gòu)與功能專家講座第58頁(yè)核酸理化性質(zhì)ThePhysicalandChemicalCharactersofNucleicAcid第四節(jié)目錄核酸結(jié)構(gòu)與功能專家講座第59頁(yè)核酸結(jié)構(gòu)與功能專家講座第60頁(yè)1.DNA或RNA定量OD260=1.0相當(dāng)于50μg/ml雙鏈DNA40μg/ml單鏈DNA（或RNA）20μg/ml寡核苷酸2.判斷核酸樣品純度DNA純品:OD260/OD280=1.8RNA純品:OD260/OD280=2.0OD260應(yīng)用目錄核酸結(jié)構(gòu)與功能專家講座第61頁(yè)二、DNA變性(denaturation)定義：在一些理化原因作用下，DNA雙鏈解開(kāi)成兩條單鏈過(guò)程。方法：過(guò)量酸，堿，加熱，變性試劑如尿素、酰胺以及一些有機(jī)溶劑如乙醇、丙酮等。變性后其它理化性質(zhì)改變：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 生物活性喪失目錄核酸結(jié)構(gòu)與功能專家講座第62頁(yè)DNA變性本質(zhì)是雙鏈間氫鍵斷裂核酸結(jié)構(gòu)與功能專家講座第63頁(yè)例：變性引發(fā)紫外吸收值改變DNA紫外吸收光譜增色效應(yīng)：DNA變性時(shí)其溶液OD260增高現(xiàn)象。目錄核酸結(jié)構(gòu)與功能專家講座第64頁(yè)熱變性解鏈曲線：假如在連續(xù)加熱DNA過(guò)程中以溫度對(duì)A260（absorbance，A，A260代表溶液在260nm處吸光率）值作圖，所得曲線稱為解鏈曲線。目錄核酸結(jié)構(gòu)與功能專家講座第65頁(yè)Tm：變性是在一個(gè)相當(dāng)窄溫度范圍內(nèi)完成，在這一范圍內(nèi)，紫外光吸收值到達(dá)最大值50%時(shí)溫度稱為DNA解鏈溫度，又稱融解溫度(meltingtemperature,Tm)。其大小與G+C含量成正比。目錄核酸結(jié)構(gòu)與功能專家講座第66頁(yè)三、DNA復(fù)性與分子雜交

DNA復(fù)性(renaturation)定義在適當(dāng)條件下，變性DNA兩條互補(bǔ)鏈可恢復(fù)天然雙螺旋構(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DNA經(jīng)遲緩冷卻后即可復(fù)性，這一過(guò)程稱為退火(annealing)。目錄核酸結(jié)構(gòu)與功能專家講座第67頁(yè)在DNA變性后復(fù)性過(guò)程中，假如將不一樣種類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堿基配對(duì)關(guān)系，在適宜條件（溫度及離子強(qiáng)度）下，就能夠在不一樣分子間形成雜化雙鏈(heteroduplex)。這種雜化雙鏈能夠在不一樣DNA與DNA之間形成，也能夠在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)核酸結(jié)構(gòu)與功能專家講座第68頁(yè)核酸結(jié)構(gòu)與功能專家講座第69頁(yè)DNA-DNA雜交雙鏈分子變性復(fù)性不一樣起源DNA分子核酸結(jié)構(gòu)與功能專家講座第70頁(yè)核酸結(jié)構(gòu)與功能專家講座第71頁(yè)核酸分子雜交應(yīng)用研究DNA分子中某一個(gè)基因位置定兩種核酸分子間序列相同性檢測(cè)一些專一序列在待檢樣品中存在是否是基因芯片技術(shù)基礎(chǔ)核酸結(jié)構(gòu)與功能專家講座第72頁(yè)探針在核酸雜交基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)一個(gè)用于研究核酸和基因診療新技術(shù)稱為探針技術(shù)。探針：?jiǎn)捂満塑账峋?/p>