核酸的结构与功能

第二章核酸的结构与功能,核酸是一类重要的生物大分子,包括DNA 和RNA两大类，担负着生命信息的储存与传递的使命。1868年，F. Miescher从细胞核中分离得到一种酸性物质，即现在被称为核酸的物质。,核酸概述,1944年，Avery的转换转化实验,or,and,可分离,1952年， Hexshey、Chase T2噬菌体（捣碎器实验）1953年，Watson、Crick DNA双螺旋模型,98核中（染色体中） 真核 线粒体（mDNA） 核外 叶绿体（ctDNA）DNA 拟核 原核 核外：质粒（plasmid） 病毒：DNA病毒,二、核酸的种类和分布,核酸分为两大类： 脱氧核糖核酸 Deoxyribonucleic Acid （DNA） 核糖核酸 Ribonucleic Acid（RNA）,第一节 核苷酸的结构,核酸,核苷酸,核苷,磷酸,碱基,戊糖,元素组成： C H O N P,核酸完全水解产生嘌呤和嘧啶等碱性物质、戊糖（核糖或脱氧核糖）和磷酸的混合物。核酸部分水解则产生核苷和核苷酸。每个核苷分子含一分子碱基和一分子戊糖，一分子核苷酸部分水解后除产生核苷外，还有一分子磷酸。核酸的各种水解产物可用层析或电泳等方法分离鉴定。,一、碱基,1. 嘌呤（Purine）,2. 嘧啶（Pyrimidine）,核酸中也存在一些不常见的稀有碱基。稀有碱基的种类很多，大部分是上述碱基的甲基化产物，如可可碱、茶碱等。,组成核酸的戊糖有两种。DNA所含的糖为 -D-2-脱氧核糖；RNA所含的糖则为-D-核糖。,二、戊糖,三、核苷（nucleoside）,核苷 戊糖+碱基 糖与碱基之间的C-N键，称为C-N糖苷键,假尿苷（）次黄苷（肌苷）I黄嘌呤核苷 X二氢尿嘧啶核苷 D取代核苷的表示方式7-甲基鸟苷 m5G,Adenosine Guanosine Cytidine Uridine,四、核苷酸（nucleotide） 核苷酸 核苷+磷酸 戊糖+碱基+磷酸,五、核苷酸衍生物,1. 继续磷酸化,2.环化磷酸化,cAMP,cGMP,3. 肌苷酸及鸟苷酸(强力味精),4. 辅酶 NAD、NADP、FMN,IMP GMP,第二节、核酸的一级结构（多聚核苷酸）,多聚核苷酸是通过一个核苷酸的C3-OH 与另一分子核苷酸的5-磷酸基形成3,5-磷酸二酯键相连而成的链状聚合物。,5-磷酸端（常用5-P表示）；3-羟基端（常用3-OH表示）多聚核苷酸链具有方向性，当表示一个多聚核苷酸链时，必须注明它的方向是53或是35。,多聚核苷酸的表示方式,DNA RNA,5PdAPdCPdGPdTOH 3 5PAPCPGPUOH 或5pA-C-G-T-G-C-G-T 3 5pACGUAUGU 3 ACGTGCGT ACGUAUGU,第三节 DNA的空间结构与功能,一、DNA的二级结构一）DNA碱基组成特点腺嘌呤的摩尔含量=胸腺嘧啶的摩尔含量；鸟嘌呤含量=胞嘧啶含量，总嘌呤=总嘧啶；一种生物的DNA碱基组成不随年龄、组织类型、营养状态等变化而变化。,二）、DNA的二级结构要点 DNA的双螺旋模型,1953年，J. Watson和F. Crick 在前人研究工作的基础上，根据DNA结晶的X-衍射图谱和分子模型，提出了著名的DNA双螺旋结构模型，并对模型的生物学意义作出了科学的解释和预测。在DNA分子中，嘌呤碱基的总数与嘧啶碱基的总数相等。,DNA双螺旋模型要点,B型结构 两条链反向平行，右手螺旋 碱基在内（AT，GC）碱基平面垂直于螺旋轴 戊糖在外，双螺旋每转一周 为10碱基对（bp）A型结构 碱基平面倾斜20，螺旋变粗变短，螺距23nm。Z型结构 左手螺旋，只有小沟,三）DNA二级结构的多样性,双螺旋DNA的结构参数,双螺旋稳定的力 氢键 碱基堆积力（疏水相互作用及范德华力） 离子键等 则DNA变性剂（热、pH、脲/酰胺、有机溶剂）,二、DNA的三级结构,DNA双螺旋的进一步扭曲构成三级结构，负超螺旋 原核 双链环状DNA（dcDNA） 病毒 单链环状DNA（scDNA） 单链线性DNA（ssDNA）,真核 双链线性DNA（dsDNA）,DNA的存在形式,三、DNA的功能,DNA是遗传信息的载体，基因（gene）是DNA分子中具有编码功能的某一段区域。DNA的基本功能是作为遗传信息复制和基因转录的模板。一个细胞或生物所含有的全套基因称为基因组（genome）。,第四节 RNA的结构与功能,一、结构特点碱基组成 A、G、C、U （AU/GC） 稀有碱基较多，稳定性较差，易水解多为单链结构，少数局部形成螺旋分子较小分类mRNA（hnRNA 核不均一RNA）tRNA rRNA （snRNA/asRNA）少数RNA病毒,一、mRNA和hnRNA,占细胞总RNA的35,真核细胞mRNA的3-末端有一段长达200个核苷酸左右的聚腺苷酸(polyA)，称为 “尾结构” ，5 -末端有一个甲基化的鸟苷酸，称为” 帽结构“ 。,五、snRNA （small nucleic RNA 核小RNA） scRNA （small cytoplasmic RNA） asRNA （antisense RNA）,U1:RNP,二、tRNA,占RNA总量的15一种氨基酸对应最少一种RNA,分子量25000左右，大约由7090个核苷酸组成，沉降系数为4S左右。分子中含有较多的修饰成分。3-末端都具有CpCpAOH的结构。,tRNA的三级结构,三、rRNA,占RNA总量的80,四、其它的RNA,snRNA snoRNAscRNA,五、核酶（Ribozyme）,具有催化功能的RNA。,第五节 核酸的性质,二、核酸的紫外吸收特性,在核酸分子中，由于嘌呤碱和嘧啶碱具有共轭双键体系，因而具有独特的紫外线吸收光谱，一般在260nm左右有最大吸收峰，可以作为核酸及其组份定性和定量测定的依据。以A260/A280进行定性、定量DNA和RNA溶液中加入溴化乙锭（EB），在紫外下发出荧光,三、核酸的变性、复性与分子杂交,1. 变性稳定核酸双螺旋次级键断裂，空间结构破坏，变成单链结构的过程。核酸的的一级结构(碱基顺序)保持不变。变性表征 生物活性部分丧失、粘度下降、浮力密度升高、紫外吸收增加（增色效应）变性因素 pH（11.3或5.0） 变性剂（脲、甲酰胺、甲醛） 低离子强度 加热,DNA的变性过程是突变性的，它在很窄的温度区间内完成。因此，通常将紫外吸收的增加量达最大量一半时的温度称熔解温度，用Tm表示。一般DNA的Tm值在70-85C之间。DNA的Tm值与分子中的G和C的含量有关。G和C的含量高，Tm值高。因而测定Tm值，可反映DNA分子中G, C含量，可通过经验公式计算：（G+C)%=(Tm-69.3)X2.44,2. 热变性和Tm,3. 核酸的复性,变性核酸的互补链在适当的条件下，重新缔合成为双螺旋结构的过程称为复性。DNA复性后，一系列性质将得到恢复，但是生物活性一般只能得到部分的恢复，具有减色效应。将热变性的DNA骤然冷却至低温时，DNA不可能复性。变性的DNA缓慢冷却时可复性，因此又称为“退火”。 退火温度Tm25复性影响因素 片段浓度/片段大小/片段复杂性（重复序列数目）/ 溶液离子强度,4.分子杂交,DNA单链与在某些区域有互补序列的异源DNA单链或RNA链形成双螺旋结构的过程。这样形成的新分子称为杂交DNA分子。核酸的杂交在分子生物学和遗传学的研究中具有重要意义。Southern 杂交（Southern bolting）Northern 杂交（Northern bolting）Western 杂交 （Western bolting）,四、核酸的序列测定,双脱氧链终止法（Sanger酶法）2. Gilbert化学降解法,2.双脱氧链终止法（Sanger酶法）测序原理,H,H,电 泳 图,5-*GATCACTACTG,5-*GATCACTACT,5-*GATCACTAC,5-*GATCACTA,5-*GATCACT,5-*GATCAC,5-*GATCA,5-*GATC,5-*GAT,5-*GA,5-*G,C+T,C,G,G+A,5,本 章 小 结,核酸是遗传物