核酸的结构与功能-1(临床3班)

1、1 核酸的结构和功能 生物化学与分子生物学教研室生物化学与分子生物学教研室 江江 渝渝 Tel:752942(O); E-mail: 2014-09-15 2 Review: 蛋白质结构与功能的关系 l变构效应、协同效应 l蛋白质的理化性质 两性电离 胶体性质 变性和复性 紫外吸收 呈色反应 3 蛋白质的分离、纯化蛋白质的分离、纯化与结构分析与结构分析 透析透析(dialysis) 盐析盐析(salt precipitation) 免疫沉淀法免疫沉淀法 电泳电泳(electrophoresis) 。 （1）SDS-聚丙烯酰胺凝胶电泳（聚丙烯酰胺凝胶电泳（2）二维电）二维电 泳泳 层析层析(ch

2、romatography) 超速离心法超速离心法 反向遗传学方法分析多肽链中氨基酸序列反向遗传学方法分析多肽链中氨基酸序列 4 本章（本章（4学时）内容学时）内容: l核酸的组成与一级结构核酸的组成与一级结构 lDNA的空间结构与功能的空间结构与功能 lRNA的分类、结构特点和功能的分类、结构特点和功能 l核酸的理化性质核酸的理化性质 l核酸酶和核酶的概念核酸酶和核酶的概念 2学时学时 2学时学时 5 教学目的：教学目的： 掌握核酸的组成、结构、功能掌握核酸的组成、结构、功能 及理化性质及理化性质 教学重点：教学重点： DNA的双螺旋结构的双螺旋结构 教学难点：教学难点： 分子杂交技术的原理分

3、子杂交技术的原理 6 核核 酸酸(nucleic acid) 是以核苷酸为基本组成单位、以磷酸是以核苷酸为基本组成单位、以磷酸 二酯键为连接方式的生物大分子，携带和二酯键为连接方式的生物大分子，携带和 传递遗传信息。传递遗传信息。 核苷酸核苷酸磷酸磷酸 二酯键二酯键 7 核酸的分类及分布核酸的分类及分布 90% 90%以上分布于细胞核，其余分布于以上分布于细胞核，其余分布于 核外核外如线粒体，叶绿体，质粒等。如线粒体，叶绿体，质粒等。 分布于胞核、胞液。分布于胞核、胞液。 (deoxyribonucleic acid, DNA) (ribonucleic acid, RNA) 脱氧核糖核酸脱氧

4、核糖核酸 核糖核酸核糖核酸 携带遗传信息，决定细胞和个携带遗传信息，决定细胞和个 体的基因型体的基因型(genotype)。 参与细胞内参与细胞内DNA遗传信息的表遗传信息的表 达。某些病毒达。某些病毒RNA也可作为遗也可作为遗 传信息的载体。传信息的载体。 基因的化学本质一段有功能的 DNA序列 8 19441944年，年， O. AveryO. Avery： 试管里试管里进行了转化实验进行了转化实验 只需要将从只需要将从S S型菌株中提取的一种抽提液加入型菌株中提取的一种抽提液加入 到到R R型菌株，就能使型菌株，就能使R R型菌株转化为型菌株转化为S S型菌株。型菌株。 1 1）用蛋白酶

5、处理这种抽提液）用蛋白酶处理这种抽提液 它仍然有它仍然有 活性活性，因此因此不是蛋白质不是蛋白质 2 2）用核糖核酸酶处理这种抽提液）用核糖核酸酶处理这种抽提液 它仍它仍 然有活性然有活性，因此因此不是不是RNARNA 3 3）用脱氧核糖核酸酶处理这种抽提液）用脱氧核糖核酸酶处理这种抽提液 它不再有活性它不再有活性，因此应该，因此应该是是DNADNA 9 10 基 因 表 达 基因 (调控) rRNA, tRNA 11 第一节第一节 核酸的化学组成及其一级结构核酸的化学组成及其一级结构 The Chemical Component and Primary Structure of Nuclei

6、c Acid 12 核酸核酸 （ RNA和和DNA） 核苷酸核苷酸 核苷和脱氧核苷核苷和脱氧核苷磷酸磷酸 戊糖戊糖碱基碱基 一、核苷酸是构成核酸的基本组成单位一、核苷酸是构成核酸的基本组成单位 13 2.元素组成元素组成 C、H、O、N、P（910%） 1.分子组成分子组成 碱基碱基(base)：嘌呤碱，嘧啶碱：嘌呤碱，嘧啶碱 戊糖戊糖(ribose)：核糖，脱氧核糖：核糖，脱氧核糖 磷酸磷酸(phosphate) n核酸的结构 14 1）碱）碱 基基 碱基碱基(base)是含氮的杂环化合物。是含氮的杂环化合物。 碱基碱基 嘌呤嘌呤 嘧啶嘧啶 腺嘌呤腺嘌呤 鸟嘌呤鸟嘌呤 尿嘧啶尿嘧啶 胸腺嘧啶

7、胸腺嘧啶 胞嘧啶胞嘧啶 存在于存在于DNA和和RNA中中 仅存在于仅存在于RNA中中 仅存在于仅存在于DNA中中 15 嘌呤嘌呤(purine) N N NH N 1 2 3 4 5 6 7 8 9 N N NH N NH2 腺嘌呤腺嘌呤(adenine, A) N NH NH N NH2 O 鸟嘌呤鸟嘌呤(guanine, G) 1）碱）碱 基基 共轭双键共轭双键 16 1）碱）碱 基基 N NH 1 3 2 4 5 6 嘧啶嘧啶(pyrimidine) 胞嘧啶胞嘧啶(cytosine, C) N NH NH2 O 尿嘧啶尿嘧啶(uracil, U) NH NH O O 胸腺嘧啶胸腺嘧啶(t

8、hymine, T) NH NH O O CH3 共轭双键共轭双键 17 碱基互补配对碱基互补配对 18 2 2）戊）戊 糖糖 （构成（构成RNA） 1 2 3 4 5 OH O CH2OH OHOH 核糖核糖(ribose) （构成（构成DNA） OH O CH2OH OH 脱氧核糖脱氧核糖(deoxyribose) H 19 核苷：核苷：AR, GR, UR, CR 脱氧核苷：脱氧核苷：dAR, dGR, dTR, dCR n 核苷核苷(ribonucleoside)的形成的形成 碱基和核糖（脱氧核糖）通过碱基和核糖（脱氧核糖）通过糖糖 苷键苷键连接形成核苷（脱氧核苷）。连接形成核苷（脱氧

9、核苷）。 20 P O O OH OH O CH2 OHOH N N NH2 O OH O CH2 OHOH N N NH2 O 核苷酸：核苷酸： AMP, GMP, UMP, CMP 脱氧核苷酸：脱氧核苷酸： dAMP, dGMP, dTMP, dCMP n 核苷酸核苷酸(ribonucleotide)的形成的形成 核苷（脱氧核苷）和磷酸以核苷（脱氧核苷）和磷酸以磷酸酯键磷酸酯键 连接形成核苷酸（脱氧核苷酸）。连接形成核苷酸（脱氧核苷酸）。 酯键酯键 21 u多磷酸核苷酸多磷酸核苷酸 22 23 RNARNADNADNA 核苷酸的命名及其符号核苷酸的命名及其符号 NADP+NAD+ n 体内

10、重要的游离核苷酸及其衍生物体内重要的游离核苷酸及其衍生物 l含核苷酸的生物活性物质：含核苷酸的生物活性物质： NAD+、NADP+、CoA-SH、FAD 等都含有等都含有核苷酸核苷酸 l 环化核苷酸环化核苷酸: : cAMP，cGMP，细胞信号转导中的第二信使。，细胞信号转导中的第二信使。 25 N O CH2O OHO N N N NH2 PO OH 26 5 端端 3 端端 n 核苷酸的连接核苷酸的连接 核苷酸之间以核苷酸之间以 磷酸二酯键磷酸二酯键连接形连接形 成成，即，即 核酸。核酸。 方向：方向：53 C G A 思考：如果3位也脱氧？ C 27 二、核酸的一级结构 定义定义 核酸中

11、核苷酸从核酸中核苷酸从 的排列顺序。的排列顺序。 由于核苷酸间的差异由于核苷酸间的差异 主要是碱基不同，所以也主要是碱基不同，所以也 称为称为。 G A C 28 l多核苷酸链中戊糖和磷酸基团构成其 骨架结构 l核苷酸之间以磷酸二酯键连接 l遗传信息储存在碱基的序列中 l核酸分子的大小常用碱基（对）数 （base or base pair，bp）或千碱基 （对）数（kilobase, kb, kilobase pair, or kbp）来表示。 l小的核酸片段(50bp)常被称为寡核苷 酸(oligonucleotide)。自然界中的DNA 和RNA的长度可以高达几十万个碱基。 二、核酸的一级

12、结构二、核酸的一级结构 与蛋白质大分子的构建比较? 29 A G P5 P T P G P C P T P OH 3 书写方法书写方法 5 pApCpTpGpCpT-OH 3 5 A C T G C T 3 二、核酸的一级结构二、核酸的一级结构 5 3 30 小小 结结 核酸的化学组成核酸的化学组成 元素组成元素组成 分子组成分子组成 DNA与与RNA区别区别 1.核酸的一级结构核酸的一级结构 31 第二节第二节 DNA的空间结构与功能的空间结构与功能 spatial Structure and Function of DNA 32 DNADNA的空间结构又分为二级结构的空间结构又分为二级结构

13、 (secondary structure)和高级结构。和高级结构。 nDNA的空间结构的空间结构(spatial structure) 构成构成DNA的所有原子在三维空间的所有原子在三维空间 具有的确定的相对位置关系。具有的确定的相对位置关系。 33 lDNA的二级结构的二级结构-双螺旋结构双螺旋结构 lDNA双螺旋结构模型要点双螺旋结构模型要点 lDNA的超螺旋结构及其在染色质中的组装的超螺旋结构及其在染色质中的组装 lDNA的超螺旋结构的超螺旋结构 l原核生物原核生物DNA的高级结构的高级结构 lDNA在真核生物细胞核内的组装在真核生物细胞核内的组装 lDNA的功能的功能 34 一、一、

14、 DNA的二级结构的二级结构 双螺旋结构（双螺旋结构（double helix） l不同生物种属的不同生物种属的DNA的碱基组成不同的碱基组成不同 lA = T，G = C l同一个体的不同器官或组织的同一个体的不同器官或组织的DNA碱碱 基组成相同。基组成相同。 （一）（一）DNA双螺旋结构的研究背景双螺旋结构的研究背景 碱基组成分析碱基组成分析Chargaff 规则：规则： DNA纤维的纤维的X-线衍射图谱分析线衍射图谱分析 Erwin Chargaff 1905-2002 AGCTA/TG/CG+C 嘌呤嘌呤/ /嘧啶嘧啶 大肠杆菌大肠杆菌26.026.024.924.925.225.2

15、23.923.91.091.090.990.9950.150.11.041.04 结核杆菌结核杆菌15.115.134.934.935.435.414.614.61.031.030.990.9970.370.31.001.00 酵母酵母31.731.718.318.317.417.432.632.60.970.971.051.0535.735.71.001.00 牛牛29.029.021.221.221.221.228.728.71.011.011.001.0042.442.41.011.01 猪猪29.829.820.720.720.720.729.129.11.021.021.001.00

16、41.441.41.011.01 人人30.430.419.919.919.919.930.130.11.011.011.001.0039.839.81.011.01 n不同生物来源不同生物来源DNA碱基组分和相对比例碱基组分和相对比例 碱基的理化数据分析碱基的理化数据分析 A-T、G-C以以氢键氢键配对较合理配对较合理 （一）（一）DNA双螺旋结构的研究背景双螺旋结构的研究背景 J.Watson J.Watson and F.Crick （二）（二） DNA双螺旋结构模型要点双螺旋结构模型要点（Watson, Crick, 1953） DNADNA是是反向平行反向平行、右手螺旋右手螺旋 的的

17、双链结构双链结构 螺旋直径为螺旋直径为2.372.37nmnm，螺旋一螺旋一 圈螺距圈螺距3.3.5 54nm4nm 两链以脱氧核糖两链以脱氧核糖- -磷酸为骨磷酸为骨 架，位于外侧，疏水碱基位架，位于外侧，疏水碱基位 于内側于内側 大沟大沟(major groove)(major groove)及小沟及小沟 (minor groove)(minor groove)相间。相间。 2.37nm 3.54nm 39 lDNADNA双链之间形成了双链之间形成了互补互补 碱基对碱基对 l与对侧碱基以氢键互补配对：与对侧碱基以氢键互补配对： A=T; GA=T; G C C l碱基对平面与螺旋轴垂直碱基

18、对平面与螺旋轴垂直 l相邻碱基平面距离相邻碱基平面距离0.34nm0.34nm， 一圈一圈1010.5.5对碱基。对碱基。 （二）（二） DNA双螺旋结构模型要点双螺旋结构模型要点（Watson, Crick, 1953） 2.37nm 3.54nm 40 l疏水作用力和氢键疏水作用力和氢键共同维共同维 持持DNADNA双螺旋结构的稳定双螺旋结构的稳定 碱基堆积力维持双链纵向碱基堆积力维持双链纵向 稳定性，氢键维持双链横向稳定性，氢键维持双链横向 稳定性。稳定性。 （二）（二） DNA双螺旋结构模型要点双螺旋结构模型要点（Watson, Crick, 1953） 2.37nm 3.54nm 4

19、1 亲水性的骨架位于亲水性的骨架位于 双链的外侧。双链的外侧。 疏水性的碱基位于疏水性的碱基位于 双链的内侧。双链的内侧。 n骨架与碱基骨架与碱基 42 （三）（三）DNA双螺旋结构的多样性双螺旋结构的多样性 湿度 75% 92% 左手螺旋 43 （四）（四）DNA的多链螺旋结构的多链螺旋结构 Note: This Figure shows Triple stranded DNA n三链结构三链结构 n四链结构四链结构 Hoogsteen氢键氢键 44 二、二、DNA的的高级结构是高级结构是超螺旋结构超螺旋结构 超螺旋结构超螺旋结构(superhelix 或或supercoil) DNA双螺旋

20、链再盘绕即形成超螺旋结构。双螺旋链再盘绕即形成超螺旋结构。 正超螺旋正超螺旋(positive supercoil) 盘绕方向与盘绕方向与DNA双螺旋方同相同双螺旋方同相同 负超螺旋负超螺旋(negative supercoil) 盘绕方向与盘绕方向与DNA双螺旋方向相反双螺旋方向相反 45 意义意义 形成致密的结构组装在细胞核内。形成致密的结构组装在细胞核内。 DNA超螺旋结构整体或局部的拓扑学超螺旋结构整体或局部的拓扑学 变化及其调控对于变化及其调控对于DNA复制和复制和RNA转录过转录过 程具有关键作用。程具有关键作用。 二、二、DNA的的高级结构是高级结构是超螺旋结构超螺旋结构 46

21、（一）原核生物（一）原核生物DNA的环状超螺旋结构的环状超螺旋结构 原核生物原核生物DNA多为环状，以负超螺旋的形多为环状，以负超螺旋的形 式存在，平均每式存在，平均每200200碱基就有一个超螺旋形成。碱基就有一个超螺旋形成。 47 （一）原核生物（一）原核生物DNA的环状超螺旋结构的环状超螺旋结构 nDNA超螺旋结构的电镜图象超螺旋结构的电镜图象 48 （二）（二）DNA在真核生物细胞核内的组装在真核生物细胞核内的组装 细胞分裂期核内的染色体细胞分裂间期核内松散的染色质 l 真核生物真核生物DNA以非常有序的形式存在于细胞核内。以非常有序的形式存在于细胞核内。 l 在细胞周期的大部分时间里，在细胞周期的大部分时间里，DNA以松散的染色质以松散的染色质 (chromatin)形式存在，在细胞分裂期，则形成高度致密的形式存在，在细胞分裂期，则形成高度致密的 染色体染色体(chromosome)。 49 （二）（二）DNA在真核生物细胞核内的组装在真核生物细胞核内的组装 真核生物染色体由真核生物染色体由DNA和蛋白质构成，和蛋白质构成， 其基本单位是其基本单位是 核小体核小