生化課件生秀梅章核酸

第二章

核酸的結(jié)構(gòu)和功能StructureandFunctionofNucleicAcid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。一、核酸的發(fā)現(xiàn)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)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)1990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。(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)TheChemicalComponentandPrimaryStructureofNucleicAcid核酸的化學(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)堿基這5種堿基上的酮基或氨基，均位于N的臨位，可形成酮式-烯醇式的相互異構(gòu)，或氨基-亞氨基的互變異構(gòu)。這兩種異構(gòu)體的平衡關(guān)系受到介質(zhì)酸堿環(huán)境的影響。嘌呤和嘧啶環(huán)中都含有共軛雙鍵，因此在260nm左右波長(zhǎng)的紫外光有較強(qiáng)的吸收，可用來(lái)對(duì)堿基、核苷、核苷酸、核酸進(jìn)行定性定量分析。除了基本堿基外，RNA中還含有一些稀有堿基，稀有堿基種類很多，大多是甲基化堿基。核酸中的堿基甲基化主要發(fā)生在核酸大分子的生物合成后，對(duì)核酸的生物學(xué)功能有很重要的意義。如：2-甲基腺嘌呤，7-甲基鳥嘌呤，5-甲基胞嘧啶，5，6-二氫尿嘧啶等。戊糖(五碳糖）（構(gòu)成RNA）1′2′3′4′5′核糖(ribose)（構(gòu)成DNA）脫氧核糖(deoxyribose)核苷：AR,GR,UR,CR脫氧核苷：dAR,dGR,dTR,dCR一、核苷酸的結(jié)構(gòu)1.核苷(ribonucleoside)的形成堿基和核糖（脫氧核糖）通過(guò)糖苷鍵連接形成核苷（脫氧核苷）。1′1N-9C-1’N-1C-1’核苷酸：AMP,GMP,UMP,CMP脫氧核苷酸：dAMP,dGMP,dTMP,dCMP

2.核苷酸(ribonucleotide)的結(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）。

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，cGMPAMPADPATPcAMPNADP+NAD+堿基核苷核苷酸RNA核糖核酸5’-核苷酸（NMP）腺嘌呤（A）腺苷（AR）腺苷酸（AMP）鳥嘌呤（G）鳥苷（GR）鳥苷酸（GMP）胞嘧啶（C）胞苷（CR）胞苷酸（CMP）尿嘧啶（U）尿苷（UR）尿苷酸（UMP）DNA脫氧核糖核酸5’-脫氧核苷酸（dNMP）腺嘌呤（A）脫氧腺苷（dAR）脫氧腺苷酸（dAMP）鳥嘌呤（G）脫氧鳥苷（dGR）脫氧鳥苷酸（dGMP）胞嘧啶（C）脫氧胞苷（dCR）脫氧胞苷酸（dCMP）胸腺嘧啶（T）脫氧苷（dTR）脫氧苷酸（dTMP）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，所以也稱為堿基序列。5′端3′端CGAAGP5

PTPGPCPTPOH3

書寫方法5

pApCpTpGpCpT-OH

3

5

ACTGCT

3

目錄第二節(jié)DNA的空間結(jié)構(gòu)與功能DimensionalStructureandFunctionofDNADNA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)（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(duì)較合理DNA纖維的X-線衍射圖譜分析目錄Chargaff規(guī)則20世紀(jì)50年代，chargaff發(fā)現(xiàn)DNA堿基組成有一些共同規(guī)律，如下：1）.幾乎所有的DNA中，總的嘧啶摩爾含量=總的嘌呤摩爾含量，即A+G=T+C，且A=T，C=G。2）不同生物來(lái)源的DNA堿基組成不同，表現(xiàn)在A+T/G+C比值的不同。3）同一生物的不同組織的DNA堿基相同，即對(duì)于某種特定的生物，它所有的體細(xì)胞的DNA的堿基組成都是相同的，可以作為該物種的特征。4）一種生物DNA堿基組成不隨年齡、營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)或者環(huán)境變化而變化。5）親緣相近的生物堿基組成相似，不同生物的堿基組成則有很大區(qū)別（含量）（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。螺旋直徑為2nm，形成大溝(majorgroove)及小溝(minorgroove)相間，為蛋白質(zhì)識(shí)別DNA，并與之發(fā)生相互作用的部位。目錄（二）DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型要點(diǎn)

（Watson,Crick,1953）戊糖和磷酸構(gòu)成雙螺旋的外側(cè)，平行于中心軸。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;G

C）。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(fù)超螺旋(negativesupercoil)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(guò)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，其基本單位是核小體(nucleosome)。核小體的組成DNA：約200bp組蛋白：

H1H2A，H2BH3H4堿性蛋白質(zhì)，富含Arg和Lys60bp1?圈，146bp

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)?；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因的功能。第三節(jié)

RNA的結(jié)構(gòu)與功能StructureandFunctionofRNARNA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(guò)程

外顯子(exon)目錄mRNA種類繁多，但只占RNA總量的3％，發(fā)現(xiàn)的比rRNA，tRNA都晚。原核生物mRNA特征：多順?lè)醋蛹匆粭lmRNA鏈可以編碼多種蛋白質(zhì)。真和生物mRNA特征：?jiǎn)雾樂(lè)醋蛹匆粭lmRNA只編碼一條多肽鏈*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C′2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。3.不含內(nèi)含子帽子結(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的功能把DNA所攜帶的遺傳信息，按堿基互補(bǔ)配對(duì)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占總量的15％，分子量小，由70－120個(gè)核苷酸組成

*

tRNA的一級(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

具有T

C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，富含G，未端為CCA－OH,接受活化的氨基酸

DHU環(huán)反密碼環(huán)，識(shí)別密碼子（以堿基互補(bǔ)配對(duì)原則于mRNA的密碼子形成氫鍵）額外環(huán)

TΨC環(huán)，可能參與核蛋白體的結(jié)合。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)氨基酸到核糖體，參與蛋白質(zhì)的翻譯。*rRNA含量大，80％，與蛋白質(zhì)形成核糖體，結(jié)構(gòu)如右圖三、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。16SrRNA的二級(jí)結(jié)構(gòu)*rRNA的種類（根據(jù)沉降系數(shù)）真核生物5SrRNA28SrRNA5.8SrRNA18SrRNA原核生物5SrRNA23SrRNA16SrRNA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(smallnon-messengerRNAs,snmRNAs)。

snmRNAssnmRNAs的種類核內(nèi)小RNA核仁小RNA胞質(zhì)小RNA催化性小RNA小片段干涉RNA

snmRNAs的功能參與hnRNA和rRNA的加工和轉(zhuǎn)運(yùn)。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)核酶

1981年，Cech在四膜蟲的核rRNA前體種發(fā)現(xiàn)，有些RNA分子本身具有自我催化能力，能夠完成RNA的自我剪接，我們把這種具有催化能力的RNA稱為核酶。核酸的理化性質(zhì)ThePhysicalandChemicalCharactersofNucleicAcid第四節(jié)目錄DNA的酸堿性及溶解度性質(zhì)：DNA具有磷酸和堿基，所以和蛋白質(zhì)一樣是一種兩性大分子，但是磷酸解離度大于堿基，所以偏酸性?？膳c金屬離子成鹽，但是不溶于乙醇或異丙醇。DNA的高分子性質(zhì)：粘度DNA>RNA，dsDNA>ssDNA，具有沉降行為。DNA的紫外吸收：260nm有吸收峰，可用來(lái)定性定量檢測(cè)核酸，或分析核酸的純度。其中單核苷酸>單鏈DNA>雙鏈DNA1.DNA或RNA的定量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(guò)程。方法：過(guò)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。目錄熱變性解鏈曲線：如果在連續(xù)加熱DNA的過(guò)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(meltingtemperature,Tm)。其大小與G+C含量成正比。目錄（G+C)%=(Tm-69.3)*2.44三、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)緩慢冷卻后即可復(fù)性，這一過(guò)程稱為退火(annealing)。目錄在DNA變性后的復(fù)性過(guò)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