人卫8版核酸的结构与功能.ppt

生物化学与分子生物学,第二章核酸的结构和功能,StructureandFunctionofNucleicAcid,核酸(nucleicacid),是以核苷酸为基本组成单位的生物大分子，携带和传递遗传信息。,1868年FridrichMiescher从脓细胞中提取核素。1944年Avery等人证实DNA是遗传物质。1953年Watson和Crick发现DNA的双螺旋结构。1968年Nirenberg发现遗传密码。1975年Temin和Baltimore发现逆转录酶。1981年Gilbert和Sanger建立DNA测序方法。1985年Mullis发明PCR技术。1990年美国启动人类基因组计划(HGP)。1994年中国人类基因组计划启动。2001年美英等国完成人类基因组计划。,核酸研究的发展简史,核酸的分类及分布,存在于细胞核和线粒体,分布于细胞核、细胞质、线粒体,(deoxyribonucleicacid,DNA),(ribonucleicacid,RNA),脱氧核糖核酸,核糖核酸,第一节核酸的化学组成以及一级结构TheChemicalComponentandPrimaryStructureofNucleicAcid,核酸组成,DNA的组成单位是脱氧核糖核苷酸（deoxyribonucleotide）RNA的组成单位是核糖核苷酸（ribonucleotide）。,一、核苷酸是构成核酸的基本组成单位,碱基(base)是含氮的杂环化合物。,碱基,嘌呤,嘧啶,腺嘌呤,鸟嘌呤,尿嘧啶,胸腺嘧啶,胞嘧啶,存在于DNA和RNA中,仅存在于RNA中,仅存在于DNA中,碱基,嘌呤(purine，Pu),腺嘌呤(adenine,A),鸟嘌呤(guanine,G),嘧啶(pyrimidine，Py),胞嘧啶(cytosine,C),尿嘧啶(uracil,U),胸腺嘧啶(thymine,T),碱基的互变异构体,戊糖,脱氧核苷,嘌呤N-9与脱氧核糖C-1通过-N-糖苷键相连形成脱氧核苷(deoxyribonucleoside)。,嘧啶N-1与核糖C-1通过-N-糖苷键相连形成核苷(ribonucleoside)。,核苷,N,N,N,N,9,N,H,2,O,O,H,O,H,H,H,H,C,H,2,O,H,H,1,2,糖苷键,核苷或脱氧核苷与磷酸通过酯键结合构成核苷酸(ribonucleotide)或脱氧核苷酸(deoxyribonucleotide)。,核苷酸(ribonucleotide),多磷酸核苷酸,环化核苷酸：cAMP、cGMP，是细胞信号转导中的第二信使。,cAMP,核苷酸衍生物,生物氧化体系的重要成分，在传递质子或电子的过程中具有重要的作用。,烟酰胺腺嘌呤二核苷酸，nicotinamideadeninedinucleotide,NAD+），,构成RNA的碱基、核苷以及核苷酸,构成DNA的碱基、核苷、核苷酸,二、DNA是脱氧核苷酸通过3,5-磷酸二酯键连接形成的大分子,一个脱氧核苷酸3的羟基与另一个核苷酸5的-磷酸基团缩合形成磷酸二酯键(phosphodiesterbond)。多个脱氧核苷酸通过磷酸二酯键构成了具有方向性的线性分子，称为多聚脱氧核苷酸(polydeoxynucleotide)，即DNA链。,C,G,A,交替的磷酸基团和戊糖构成了DNA的骨架(backbone)。,DNA链的方向是53,三、RNA也是具有3,5-磷酸二酯键的线性大分子,RNA也是多个核苷酸分子通过3,5-磷酸二酯键连接形成的线性大分子，也具有53方向性;RNA的戊糖是核糖；RNA的嘧啶是胞嘧啶和尿嘧啶。构成RNA的四种基本核苷酸是AMP、GMP、CMP和UMP。,定义核酸中核苷酸的排列顺序。由于核苷酸间的差异主要是碱基不同，所以也称为碱基序列。,四、核酸的一级结构是核苷酸的排列顺序,核酸的一级结构,5pApCpTpGpCpT-OH3,5ACTGCT3,ACTGCT,单链DNA和RNA分子的大小常用核苷酸数目（nucleotide，nt）表示；双链核酸分子的大小常用碱基(base或kilobase)数目来表示。小的核酸片段(80)。rRNA与核糖体蛋白结合组成核糖体(ribosome)，为蛋白质的合成提供场所。,三、以rRNA为组分的核糖体是蛋白质合成的场所,核糖体的组成,大肠杆菌的核蛋白体,18SrRNA的二级结构,四、其他非编码RNA参与基因表达的调控,长链非编码RNA（longnon-codingRNA,lncRNA）,非编码RNA（Non-codingRNA,ncRNA）,不编码蛋白质但具有重要生物学功能的RNA分子。,短链（小）非编码RNA（smallnon-codingRNA,sncRNA）,ncRNA功能,参与转录调控、RNA的剪切和修饰、mRNA的稳定和翻译调控、蛋白质的稳定和转运、染色体的形成和结构稳定等细胞重要功能,lncRNA功能,lncRNA在结构上类似于mRNA，但序列中不存在开放读框。许多已知的lncRNAs由RNA聚合酶转录并经可变剪切形成，通常被多聚腺苷酸化。lncRNA具有复杂的生物学功能，并与一些疾病的发病机制密切相关。有的lncRNA能使基因沉默，有的则激活基因的表达。,核内小RNA核仁小RNA胞质小RNA催化性小RNA小干涉RNA微RNA,短链非编码RNA亦称为非编码小RNA（smallnon-messengerRNA）,核内小RNA（smallnuclearRNA,snRNA）位于细胞核内。snRNA有5种，分别称为U1、U2、U4、U5、U6，它们与多种蛋白形成复合体，参与真核细胞hnRNA的内含子加工剪接（第十六章）。核仁小RNA（smallnucleolarRNA,snoRNA）：定位于核仁，主要参与rRNA的加工和修饰，如rRNA中核糖C-2的甲基化修饰。胞质小RNA（smallcytoplasmicRNA,scRNA）：存在于细胞质中，参与形成信号识别颗粒，引导含有信号肽的蛋白质进入内质网定位合成（第十七章）。,催化性小RNA亦被称为核酶（ribozyme）。是细胞内具有催化功能的一类小分子RNA，具有催化特定RNA降解的活性，在RNA的剪接修饰中具有重要作用。小干扰RNA（smallinterferingRNA，siRNA）是生物宿主对于外源侵入基因表达的双链RNA进行切割所产生的具有特定长度（2123bp）和特定序列的小片段RNA。这些siRNA可以单链形式与外源基因表达的mRNA相结合，并诱导相应mRNA降解。,微RNA（microRNAs,miRNAs）,是一类长度为22nt左右的内源性sncRNA。miRNAs主要是通过结合mRNA而选择性调控基因的表达。,原核生物基因表达的特异性,五、核酸在真核细胞和原核细胞中表现出不同的时空特性,真核生物基因表达的特异性,核酸的理化性质ThePhysicalandChemicalCharactersofNucleicAcid,第四节,核酸在波长260nm处有强烈的吸收，是由碱基的共轭双键所决定的。这一特性常用作核酸的定性和定量分析。,一、核酸分子具有强烈的紫外吸收,碱基的紫外吸收光谱,DNA或RNA的定量A260=1.0相当于50g/ml双链DNA(dsDNA)40g/ml单链DNA(ssDNAorRNA)20g/ml寡核苷酸确定样品中核酸的纯度纯DNA:A260/A280=1.8纯RNA:A260/A280=2.0,紫外吸收的应用,二、DNA变性是双链解离为单链的过程,某些理化因素导致DNA双链互补碱基对之间的氢键发生断裂，DNA双链解离为单链的过程。,定义,DNA变性的本质是双链间氢键的断裂。,部分解链,双链DNA,DNA的变性,DNA的变性,部分变性DNA的电镜图像,增色效应(hyperchromiceffect)：DNA变性时其溶液OD260增高的现象。,DNA解链时的紫外吸收变化,DNA的解链曲线,连续加热DNA的过程中以温度相对于A260值作图，所得的曲线称为解链曲线。,解链过程中，紫外吸光度的变化达到最大变化值的一半时所对应的温度。,解链温度(meltingtemperature，Tm),G+C含量越高，解链温度就越高。,解链曲线的变化,三、变性的核酸可以复性或形成杂交双链,当变性条件缓慢地除去后，两条解离的互补链可重新配对，恢复原来的双螺旋结构，这一现象称为DNA复性(renaturation)。,减色效应：DNA复性时，其溶液OD260降低。,热变性的DNA经缓慢冷却后即可复性，这一过程称为退火(annealing)。,不同种类的DNA单链分子或RNA分子放在同一溶液中，只要两种单链分子之间存在着一定程度的碱基配对关系，在适宜的条件可以在不同的分子间形成杂化双链(heteroduplex)。这种杂化双链可以在不同的DNA与DNA之间形成，也可以在DNA和RNA分子间或者RNA与RNA分子间形成。这种现象称为核酸分子杂交。,核酸分子杂交(hybridization),核酸分子复性和杂交,研究DNA分子中某一种基因的位置。监定两种核酸分子间的序列相似性。检测靶基因在待检样品中存在与否。,核酸分子杂交的应用,第五节核酸酶Nuclease,依据底物不同分类DNA酶(deoxyribonuclease,DNase)：专一降解DNA。RNA酶(ribonuclease,RNase)：专一降解