第三章核酸的结构与功能(2016LB)

1、目目 录录第第 三三 章章 核酸的结构与功能核酸的结构与功能Structure and Function of Nucleic Acid5端端3端端CGA目目 录录 以单核苷酸为基本单位组成的生以单核苷酸为基本单位组成的生物大分子。是生物遗传的物质基础。物大分子。是生物遗传的物质基础。核酸核酸 (nucleic acid): 目目 录录 脱氧核糖核酸（脱氧核糖核酸（DNA） 核糖核酸（核糖核酸（RNA） 核酸核酸mRNAtRNA rRNA目目 录录第一节第一节核酸的化学组成和一级结构核酸的化学组成和一级结构The Chemical Component of Nucleic Acid目目 录录核

2、酸的化学组成核酸的化学组成 1. 元素组成元素组成C、H、O、N、P（910%）2. 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)目目 录录嘌呤嘌呤(purine) NNNHN123456789NNNHNNH2腺嘌呤腺嘌呤(adenine, A)NNHNHNNH2O鸟嘌呤鸟嘌呤(guanine, G)碱碱 基基目目 录录NNH132456嘧啶嘧啶(pyrimidine)胞嘧啶胞嘧啶(cytosine, C)NNHNH2O尿嘧啶尿嘧啶(uracil, U)NHNHOO胸腺嘧啶胸腺嘧

3、啶(thymine, T)NHNHOOCH3目目 录录戊戊 糖糖（构成（构成RNA）1 2 3 4 5 OHOCH2OHOHOH核糖核糖(ribose)（构成（构成DNA）OHOCH2OHOH脱氧核糖脱氧核糖(deoxyribose)目目 录录核苷：核苷：AR, GR, UR, CR脱氧核苷：脱氧核苷：dAR, dGR, dTR, dCR一、核苷酸的结构一、核苷酸的结构1. 核苷核苷(nucleoside)的形成的形成碱基和核糖（脱氧核糖）通碱基和核糖（脱氧核糖）通过过糖苷键糖苷键连接形成核苷（脱氧核连接形成核苷（脱氧核苷）。苷）。OHOCH2OHOHNNNH2O1 1目目 录录POOOHOH

4、OCH2OHOHNNNH2OOHOCH2OHOHNNNH2O核苷酸：核苷酸：AMP, GMP, UMP, CMP脱氧核苷酸：脱氧核苷酸：dAMP, dGMP, dTMP, dCMP 2. 核苷酸核苷酸(nucleotide)的结构与命名的结构与命名核苷（脱氧核苷）和磷酸以核苷（脱氧核苷）和磷酸以磷酸酯磷酸酯键键连接形成核苷酸（脱氧核苷酸）。连接形成核苷酸（脱氧核苷酸）。 目目 录录体内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 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 AMPl 多磷酸核苷酸：多磷酸核苷酸：NM

5、P，NDP，NTPl 环化核苷酸环化核苷酸: : cAMP，cGMPNOCH2OOHOHNNNNH2POOHOHNOCH2OOHOHNNNNH2POOHOPOOHOHNOCH2OOHOHNNNNH2POOHOPOOHOPOOHOHNOCH2OOHONNNNH2POOHNADP+NAD+目目 录录二、核酸的一级结构二、核酸的一级结构定义定义核酸中核苷酸的排列核酸中核苷酸的排列顺序。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，所以主要是碱基不同，所以也称为也称为碱基序列碱基序列。5端端3端端CGA目目 录录5 端端3 端端核苷酸之间核苷酸之间以以磷酸二酯键磷酸二酯键连连接形成多核苷酸

6、接形成多核苷酸链，即核酸。链，即核酸。CGA目目 录录A G P5 P T PG PC PT P OH 3 书写方法书写方法5 pApCpTpGpCpT-OH 3 5 A C T G C T 3 目目 录录第二节第二节DNA的空间结构与功能的空间结构与功能Dimensional Structure and Function of DNA目目 录录DNA双螺旋结构的研究背景双螺旋结构的研究背景 20世纪世纪20年代，年代，大多数科学家认为蛋白质是遗大多数科学家认为蛋白质是遗传物质，而不是传物质，而不是DNA 1944年年Avery等利用从致病肺等利用从致病肺炎球菌中提取的炎球菌中提取的DNA使另

7、一使另一种非致病性种非致病性（无夹膜（无夹膜 ）肺炎肺炎球菌的遗传性状改变而成为球菌的遗传性状改变而成为致病菌致病菌（有夹膜（有夹膜 ） ，证实了，证实了遗传物质是遗传物质是DNA而非蛋白质而非蛋白质 Avery目目 录录DNA双螺旋结构的研究背景双螺旋结构的研究背景 1951年，年， Pauling利用利用X线线晶体衍射技术发现了蛋白晶体衍射技术发现了蛋白质的质的螺旋结构螺旋结构 螺旋结构理论首次解释了生螺旋结构理论首次解释了生物大分子的空间结构物大分子的空间结构 Linus Pauling 螺旋结构的提出对螺旋结构的提出对DNA二二级结构的发现也起了很重要级结构的发现也起了很重要的启发作用

8、的启发作用 目目 录录DNA双螺旋结构的研究背景双螺旋结构的研究背景 1952年，年， Chargaff等科学家等科学家采用层析和紫外吸收光谱分采用层析和紫外吸收光谱分析等技术发现了析等技术发现了DNA碱基的碱基的组成规律（组成规律（Chargaff定律）定律） Chargaff目目 录录Chargaff定律定律l A = T， G = C 不同种属不同种属DNA的的4种碱基组成不同种碱基组成不同 碱基组成没有组织和器官的特异性碱基组成没有组织和器官的特异性 揭示了揭示了DNA分子碱基之间存在分子碱基之间存在A与与T，G与与C的互补配对关系的互补配对关系 目目 录录DNA双螺旋结构的研究背景双

9、螺旋结构的研究背景 1953年，年， Franklin获得高质量的获得高质量的DNA X射线射线衍射图谱衍射图谱 目目 录录DNA双螺旋结构的研究背景双螺旋结构的研究背景 1953年，年， Wilkins发表了发表了DNA X射线射线衍射的分析数据衍射的分析数据 目目 录录DNA双螺旋结构的研究背景双螺旋结构的研究背景 综合了前人的研究成果，综合了前人的研究成果，Watson和和 Crick提出了提出了DNA分子的双螺旋结构分子的双螺旋结构模型模型 ，并于并于1953年年4月月在在英国英国Nature杂志上发杂志上发表表 Watson Crick目目 录录目目 录录 1958年，年，Frank

10、lin因癌因癌症离开了人世，年仅症离开了人世，年仅37岁岁 诺贝尔奖的遗憾诺贝尔奖的遗憾 Pauling 错误地分析了错误地分析了X射线照片中射线照片中DNA的密度，的密度，由此得出了由此得出了DNA是一个是一个三螺旋分子的错误结论，三螺旋分子的错误结论，从而与诺贝尔奖失之交从而与诺贝尔奖失之交臂臂目目 录录一、一、 DNA的二级结构的二级结构双螺旋结构双螺旋结构目目 录录（一）（一）DNA双螺旋结构提出的依据双螺旋结构提出的依据 碱基组成分析碱基组成分析Chargaff 规则：规则：A = T G = C 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 D

11、NA纤维的纤维的X-线衍射图谱分析线衍射图谱分析 目目 录录（二）（二） DNA双螺旋结构模型要点双螺旋结构模型要点 （Watson, Crick, 1953）uDNA分子是分子是反向平行的互反向平行的互补双链结构补双链结构，两链以，两链以-脱氧脱氧核糖核糖-磷酸磷酸-为骨架，以为骨架，以右右手螺旋手螺旋方式绕公共轴盘旋。方式绕公共轴盘旋。螺旋直径为螺旋直径为2.37nm，形成，形成大沟及小沟相间。大沟及小沟相间。目目 录录（二）（二） DNA双螺旋结构模型要点双螺旋结构模型要点 （Watson, Crick, 1953）u碱基垂直螺旋轴在内侧，碱基垂直螺旋轴在内侧，与对侧碱基形成与对侧碱基形

12、成氢键配氢键配对对 （ 互 补 配 对 形 式 ：（ 互 补 配 对 形 式 ：A=T; G C） 。u相邻碱基平面距离相邻碱基平面距离0.34nm，螺旋一圈螺距螺旋一圈螺距3.54nm，一圈，一圈10.4对碱对碱基。基。目目 录录碱基互补配对碱基互补配对 目目 录录（二）（二） DNA双螺旋结构模型要点双螺旋结构模型要点 （Watson, Crick, 1953）u氢键氢键维持双链横向维持双链横向稳定性，稳定性，碱基堆积碱基堆积力力维持双链纵向稳维持双链纵向稳定性。定性。目目 录录（三）（三）DNA双螺旋结构的多样性双螺旋结构的多样性目目 录录二、二、DNA的超螺旋结构及其在染色质的超螺旋结

13、构及其在染色质中的组装中的组装（一）（一）DNA的超螺旋结构的超螺旋结构 （supercoil） DNA双螺旋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。 负超螺旋负超螺旋正超螺旋正超螺旋DNA双螺旋双螺旋拓扑异构酶拓扑异构酶目目 录录（二）原核生物（二）原核生物DNA的三级结构的三级结构目目 录录（三）（三）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 核小体核小体(nucleosome)。核小体的组成核小体的组成DNA：约约200bp 组蛋白：组蛋白：H1 H2A，H2B H3

14、 H4目目 录录目目 录录目目 录录三、三、DNA的功能的功能以以基因基因的形式荷载遗传信息，并作的形式荷载遗传信息，并作为基因复制和转录的模板。为基因复制和转录的模板。基因：基因：是指是指DNA分子中的特定区分子中的特定区段，包含有编码生物活性产物的信息段，包含有编码生物活性产物的信息单位。单位。 目目 录录第三节第三节 RNA的结构与功能的结构与功能Structure and Function of RNA目目 录录RNA的种类、分布、功能的种类、分布、功能核核蛋蛋白白体体RNA信信使使RNA转转运运RNA核核内内不不均均一一RNA核核内内小小RNA胞胞浆浆小小RNA 细细胞胞核核和和胞胞

15、液液线线粒粒体体功功能能rRNAmRNA mtrRNAtRNAmtmRNAmttRNAHnRNASnRNASnoRNAscRNA/7SL-RNA 核核蛋蛋白白体体组组分分蛋蛋白白质质合合成成模模板板转转运运氨氨基基酸酸成成熟熟mRNA的的前前体体参参与与hnRNA的的剪剪接接、转转运运rRNA的的加加工工、修修饰饰蛋蛋白白质质内内质质网网定定位位合合成成的的信信号号识识别别体体的的组组分分核核仁仁小小RNA核核蛋蛋白白体体RNA信信使使RNA转转运运RNA核核内内不不均均一一RNA核核内内小小RNA胞胞浆浆小小RNA 细细胞胞核核和和胞胞液液线线粒粒体体功功能能rRNAmRNA mtrRNAt

16、RNAmtmRNAmttRNAHnRNASnRNASnoRNAscRNA/7SL-RNA 核核蛋蛋白白体体组组分分蛋蛋白白质质合合成成模模板板转转运运氨氨基基酸酸成成熟熟mRNA的的前前体体参参与与hnRNA的的剪剪接接、转转运运rRNA的的加加工工、修修饰饰蛋蛋白白质质内内质质网网定定位位合合成成的的信信号号识识别别体体的的组组分分核核仁仁小小RNA目目 录录一一 、信使、信使RNA的结构与功能的结构与功能hnRNA 内含子内含子( (intron) )mRNA * 真核生物真核生物mRNA成熟过程成熟过程 外显子外显子( (exon) )* mRNA含量较少含量较少 (占细胞总占细胞总RN

17、A的的35 ), 种类最多种类最多 目目 录录* mRNA的功能的功能 把把DNA所携带的遗传信息，按碱基互补配所携带的遗传信息，按碱基互补配对原则，抄录并传送至核糖体，用以决定其合对原则，抄录并传送至核糖体，用以决定其合成蛋白质的氨基酸排列顺序。成蛋白质的氨基酸排列顺序。DNAmRNA蛋白蛋白转录转录翻译翻译原核细胞原核细胞 细胞质细胞质细胞核细胞核DNA内含子内含子外显子外显子转录转录转录后剪接转录后剪接转运转运mRNAhnRNA翻译翻译蛋白蛋白真核细胞真核细胞 目目 录录* * 真核生物真核生物mRNA结构特点结构特点1. 5 末端形成帽子结构：末端形成帽子结构：m7GpppNm-。2.

18、 3 末端有一个多聚腺苷酸末端有一个多聚腺苷酸(polyA)结构，结构，称为多聚称为多聚A尾。尾。目目 录录帽子结构和帽子结构和PolyA尾巴尾巴目目 录录mRNA核内向胞质的转位核内向胞质的转位mRNA的稳定性维系的稳定性维系翻译起始的调控翻译起始的调控 帽子结构和帽子结构和多聚多聚A尾的功能：尾的功能：目目 录录 tRNA是细胞内分子量最小的是细胞内分子量最小的RNA（占总（占总RNA的的15）二、转运二、转运RNA的结构与功能的结构与功能 含含 1020% 稀有碱基包括双氢尿嘧稀有碱基包括双氢尿嘧啶啶(DHU)、假尿嘧啶、假尿嘧啶()和甲基化的和甲基化的嘌呤等嘌呤等 目目 录录NNHNH

19、NNOCH3CH3NNNHNNHCH2CHCCH3CH3NHNHOOHHHHNHNHSON,N二甲基鸟嘌呤二甲基鸟嘌呤N6-异戊烯腺嘌呤异戊烯腺嘌呤双氢尿嘧啶双氢尿嘧啶4-巯尿嘧啶巯尿嘧啶 稀有碱基稀有碱基 目目 录录 氨基酸臂氨基酸臂 DHU环环 反密码环反密码环 额外环额外环 TC环环氨基酸氨基酸臂臂额外环额外环tRNA的二级结构的二级结构三叶草形三叶草形目目 录录* tRNA的三级结构的三级结构 倒倒L形形* tRNA的功能的功能活化、搬运氨活化、搬运氨基酸到核糖体，参基酸到核糖体，参与蛋白质的翻译。与蛋白质的翻译。目目 录录1.如果一种如果一种tRNA上的反密码子是上的反密码子是GUA

20、，则，则它能结合的它能结合的mRNA上的密码子是：上的密码子是： ACAT BCAU CUAC DTAC E不能确定不能确定2.与与mRNA上上ACG密码子相应的密码子相应的tRNA反密反密码子是：码子是： AUGC BTGC CGCA DCGU ECGT目目 录录* 细胞内含量最多细胞内含量最多的的 RNA,占占RNA总量总量 的的80以上以上 三、核糖体三、核糖体RNA的结构与功能的结构与功能* rRNA的功能的功能参与组成核参与组成核糖糖体，作为蛋白体，作为蛋白质生物合成的场质生物合成的场所。所。目目 录录核糖体的结构核糖体的结构目目 录录核糖体的组成核糖体的组成原核生物（以大肠杆菌为例

21、）原核生物（以大肠杆菌为例）真核生物（以小鼠肝为例）真核生物（以小鼠肝为例）小亚基小亚基30S40SrRNA16S1542个核苷酸个核苷酸18S1874个核苷酸个核苷酸蛋白质蛋白质21种种占总重量的占总重量的40%33种种占总重量的占总重量的50%大亚基大亚基50S60SrRNA23S5S2940个核苷酸个核苷酸120个核苷酸个核苷酸28S5.85S5S4718个核苷酸个核苷酸160个核苷酸个核苷酸120个核苷酸个核苷酸蛋白质蛋白质31种种占总重量的占总重量的30%49种种占总重量的占总重量的35%目目 录录四四 、其他小分子、其他小分子RNA及及RNA组学组学除了上述三种除了上述三种RNA外

22、，细胞的不外，细胞的不同部位存在的许多其他种类的小分子同部位存在的许多其他种类的小分子RNA，统称为，统称为非非mRNA小小RNA(small non-messenger RNAs, snmRNAs)。 目目 录录snmRNAs的的种类种类核内小核内小RNARNA核仁小核仁小RNARNA胞质小胞质小RNARNA催化性小催化性小RNARNA小片段干涉小片段干涉 RNARNA snmRNAs的的功能功能参与参与hnRNA和和rRNA的加工和转运。的加工和转运。目目 录录 研究细胞中研究细胞中snmRNAs的种类、结构和的种类、结构和功能。同一生物体内不同种类的细胞、同功能。同一生物体内不同种类的细

23、胞、同一细胞在不同时间、不同状态下一细胞在不同时间、不同状态下snmRNAs的表达具有时间和空间特异性。的表达具有时间和空间特异性。 RNA组学组学目目 录录核核 酸酸 的的 理理 化化 性性 质质The Physical and Chemical Characters of Nucleic Acid第第 四四 节节目目 录录腺嘌呤腺嘌呤目目 录录1. DNA或或RNA的定量的定量A260=1.0, 相当于相当于50 g/ml双链双链DNA40g/ml单链单链DNA（或（或RNA）20g/ml寡核苷酸寡核苷酸2.判断核酸样品的纯度判断核酸样品的纯度DNA纯品纯品: A260/A280 比值比值

24、= 1.8RNA纯品纯品: A260/A280比值比值= 2.0一一、 A260的应用的应用目目 录录二、二、DNA的变性的变性(denaturation)定义定义：在某些理化因素作用下，在某些理化因素作用下，DNA双链解双链解开成两条单链的过程。开成两条单链的过程。方法：方法：过量酸，碱，加热，尿素、酰胺、有机过量酸，碱，加热，尿素、酰胺、有机 溶剂溶剂( (如乙醇、丙酮如乙醇、丙酮) )等。等。变性后理化性质变化：变性后理化性质变化： A260增高增高粘度下降粘度下降 生物活性丧失生物活性丧失目目 录录DNA变性的本质是变性的本质是双链间氢键的断裂双链间氢键的断裂目目 录录例：变性引起紫外

25、吸收值的改变例：变性引起紫外吸收值的改变DNA的紫外吸收光谱的紫外吸收光谱增色效应：增色效应：DNA变性时其溶液变性时其溶液A260增高的现象。增高的现象。目目 录录热变性热变性熔解曲线：熔解曲线：如果在连续加热如果在连续加热DNA的过的过程中以温度对程中以温度对A260值作图，所得的曲线值作图，所得的曲线。A260目目 录录 紫外光吸收值达到最大值的紫外光吸收值达到最大值的50%时的温时的温度称为度称为DNA的熔点，又称的熔点，又称熔解温度熔解温度(melting temperature, Tm)。其大小与。其大小与G+C含量成正含量成正比。比。A260目目 录录三、三、DNA的复性与分子杂

26、交的复性与分子杂交 DNA复性复性(renaturation)在适当条件下，变性在适当条件下，变性DNA的两条互补的两条互补链可恢复天然的双螺旋构象。链可恢复天然的双螺旋构象。热变性的热变性的DNA经缓慢冷却后即可复性，经缓慢冷却后即可复性，这一过程称为这一过程称为退火退火(annealing) 。目目 录录在在DNA复性过程中，如果将不同种类复性过程中，如果将不同种类的的DNA单链分子或单链分子或RNA分子放在同一溶液分子放在同一溶液中，在适宜的条件（温度及离子强度）下，中，在适宜的条件（温度及离子强度）下，就可以在不同的分子间形成就可以在不同的分子间形成杂化双链杂化双链(heteroduplex)。这种现象称为核酸分子杂交。这种现象称为核酸分子杂交。核酸分子杂交核酸分子杂交(hybridization) 目目 录录DNA-DNA杂交双链分子杂交双链分子不同来源的不同来源的DNA分子分子目目 录录目目 录录核酸分子杂交的应用核酸分子杂交的应用1.研究研究DNA分子中某一种基因的位置分子中某一种基因的位置2.鉴定两种核酸分子间的序列相似性鉴定两种核酸分子间的序列相似性3.检测某些专一序列存在与否检测某些专一序列存在与否4.是基因芯片技术的基础是基因芯片技术的