核酸的结构与功能

1、核核 酸酸(nucleic acid) 以以核苷酸核苷酸为基本组成单位的生为基本组成单位的生物物大分子大分子，携带和传递，携带和传递遗传信息遗传信息.l1868年年 Fridrich Miescher 从脓细胞中提取核素。从脓细胞中提取核素。 l1944年年 Avery等人证实等人证实DNADNA是遗传物质。是遗传物质。l19531953年年 Watson和和Crick发现发现DNA的双螺旋结构。的双螺旋结构。l1968年年 Nirenberg发现遗传密码。发现遗传密码。l1975年年 Temin和和Baltimore发发现逆转录酶。现逆转录酶。l1981年年 Gilbert和和Sanger建

2、建立立DNA测序方法。测序方法。l1985年年 Mullis发明发明PCR技术。技术。l1990年年 美国启动人类基因组计划美国启动人类基因组计划(HGP)。l1994年年 中国人类基因组计划启动。中国人类基因组计划启动。l2001年年 美英等国完成人类基因组计划。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 存在存在于细胞核和于细胞核和线粒体线粒体 分布于细胞核、细胞质、分布于细胞核、细胞质、线粒体线粒体(deoxyribonucleic acid, DNA)(ribonucleic acid, RNA)脱氧核糖核酸脱氧核糖核酸 核糖核酸核糖核酸携带遗传信息，并通过复制传递

3、给下携带遗传信息，并通过复制传递给下一代。一代。是是DNADNA转录的产物，参与遗传信息的转录的产物，参与遗传信息的复制与表达。某些病毒复制与表达。某些病毒RNARNA也可作为也可作为遗传信息的载体遗传信息的载体核酸的化学组成核酸的分子结构核酸的理化性质DNARNA 主要内容：主要内容：核酸核酸 ( (DNA和和RNA) )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嘌呤嘌呤嘧啶嘧啶核糖核糖脱氧核糖脱氧核糖核酸组成 DNA的组成单位是的组成单位是脱氧核糖核苷酸脱氧核糖核苷酸（deoxyribonucleotide）RNA的组成单位是的组成单位是核糖核苷酸核糖核苷酸（ribo

4、nucleotide）。）。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)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中中碱基嘌呤(purine，Pu) NNNHN123456789NNNHNNH2腺嘌呤腺嘌呤(adenine, A)NNHNHNN

5、H2O鸟嘌呤鸟嘌呤(guanine, G)NNH132456嘧啶(pyrimidine，Py)胞嘧啶胞嘧啶(cytosine, C)NNHNH2O尿嘧啶尿嘧啶(uracil, U)NHNHOO胸腺嘧啶胸腺嘧啶(thymine, T)NHNHOOCH3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)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戊糖（构成（构成RNA）1 2 3 4 5 OHOCH2OHOHOH-D-核糖核糖(ribose)（构成（构成DNA）OHOCH2OHO

6、H-D-2脱氧核糖脱氧核糖(deoxyribose)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)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核苷核苷脱氧核苷嘌呤嘌呤N-9 与脱氧核糖与脱氧核糖C-1 通过通过-N-糖苷键糖苷键相连形成相连形成脱氧核苷脱氧核苷(deoxyribonucleoside)。嘧啶嘧啶N-9 -9与核糖与核糖C-1C-1 通过通过 - -N- -糖苷键糖苷键相相连形成连形成核苷核苷(ribonucleoside)。核苷NNNN9NH2OOHOHH

7、HHCH2OHH12糖苷键糖苷键分子组成碱基碱基(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)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核苷核苷核苷或脱氧核苷与磷酸通过核苷或脱氧核苷与磷酸通过酯键酯键结合构成结合构成核苷酸核苷酸(ribonucleotide)(ribonucleotide)或脱氧核苷酸或脱氧核苷酸(deoxyribonucleotide)(deoxyribonucleotide)。核苷酸(ribonucleotide)NNNN9NH2OO HO HHHHCH2H1 2

8、OPO- -HOO糖苷键糖苷键酯键酯键多磷酸核苷酸环化核苷酸：环化核苷酸：cAMP、cGMP，是细胞信，是细胞信号转导中的第二信使。号转导中的第二信使。NOCH2OOHONNNNH2POOHcAMP核苷酸衍生物烟酰胺腺嘌呤二核苷酸，烟酰胺腺嘌呤二核苷酸，nicotinamide adenine nicotinamide adenine dinucleotide, NAD+dinucleotide, NAD+）生物氧化体系的重要成分，在传递质子或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。电子的过程中具有重要的作用。二、二、DNADNA通过通过3 3 ,5 ,5 - -磷酸二

9、酯键连接磷酸二酯键连接一个脱氧核苷酸一个脱氧核苷酸3 3 的的羟基与另一个核苷酸羟基与另一个核苷酸5 5 的的 - - 磷 酸 基 团 缩 合 形 成磷 酸 基 团 缩 合 形 成 磷 酸 二 酯 键磷 酸 二 酯 键(phosphodiester bond)。 多个脱氧核苷酸通过磷酸二酯键构成了具多个脱氧核苷酸通过磷酸二酯键构成了具有有方向性方向性的线性分子，称为的线性分子，称为多聚脱氧核苷酸多聚脱氧核苷酸(polydeoxynucleotide)，即，即DNA链。链。5-末端末端3-末端末端CGA磷酸二酯键磷酸二酯键磷酸二酯键磷酸二酯键交替的磷酸基团和戊交替的磷酸基团和戊糖构成了糖构成了D

10、NA的骨架的骨架 (backbone)。DNA链的方向是链的方向是5 5 3 3 三、三、RNARNA具具3 3 , 5, 5 - -磷酸二酯键的线性大分子磷酸二酯键的线性大分子RNARNA也是多个核苷酸分子通过也是多个核苷酸分子通过3 3 ,5 ,5 - -磷酸二酯键磷酸二酯键连接形成的线性大分子，也具有连接形成的线性大分子，也具有5 5 33 方向性方向性; ; RNARNA的戊糖是核糖；的戊糖是核糖； RNARNA的嘧啶是胞嘧啶和尿嘧啶。的嘧啶是胞嘧啶和尿嘧啶。构成构成RNARNA的四种基本核苷酸是的四种基本核苷酸是AMPAMP、GMPGMP、CMPCMP和和UMPUMP。核酸中核苷酸的

11、核酸中核苷酸的排列顺序。排列顺序。由于核苷酸间的由于核苷酸间的差异主要是差异主要是碱基不同碱基不同，所以也称为所以也称为碱基序列碱基序列。5 5 端端3 3 端端CGA四、核酸的一级结构是四、核酸的一级结构是核苷酸的排列顺序核苷酸的排列顺序A G P5 P T PG PC PT P OH 3 核酸的一级结构5 pApCpTpGpCpT-OH 3 5 A C T G C T 3 A C T G C T单链单链DNA和和RNA分子的大小常用分子的大小常用核苷酸数目核苷酸数目（nucleotide，nt）表示；双链核酸分子的大表示；双链核酸分子的大小常用小常用碱基碱基(base或或kilobase)

12、数目数目来表示。来表示。小的核酸片段小的核酸片段(80)。 rRNA与核糖体蛋白结合组成核糖体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。，为蛋白质的合成提供场所。三、三、rRNA为组分的核糖体是蛋白质为组分的核糖体是蛋白质合成的场所合成的场所n核糖体的组成核糖体的组成原核生物（大肠杆菌）原核生物（大肠杆菌）真核生物（小鼠肝）真核生物（小鼠肝）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

13、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%核酸的化学组成核酸的分子结构核酸的理化性质DNARNA 主要内容：主要内容：核酸在波长核酸在波长 260nm 处有强烈的吸收，处有强烈的吸收，是由是由碱基的共轭双键碱基的共轭双键所决定的。这一所决定的。这一特性常用作核酸的定性和定量分析。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一、核酸分子具有强烈的紫外吸收DNA或或RNA的定量的定量A260 = 1.0 相当于相当于 50

14、g/ml 双链双链DNA(dsDNA)40g/ml 单链单链DNA (ssDNA or RNA)20g/ml 寡核苷酸寡核苷酸确定样品中核酸的纯度确定样品中核酸的纯度 纯纯 DNA: A260/A280 = 1.8纯纯 RNA: A260/A280 = 2.0n紫外吸收的应用紫外吸收的应用二、二、DNA变性是双链解离为单链的过程变性是双链解离为单链的过程某些理化因素导致某些理化因素导致DNADNA双链互补碱双链互补碱基对之间的氢键发生断裂，基对之间的氢键发生断裂，DNADNA双链解双链解离为单链离为单链的过程。的过程。 n定义定义DNA变性的本质是双链间变性的本质是双链间氢键氢键的断裂。的断裂

15、。部分解链部分解链双链双链DNAnDNA的变性的变性增色效应增色效应(hyperchromic effect)：DNA变性时其溶液变性时其溶液OD260增高增高的现象。的现象。nDNA解链时的紫外吸收变化解链时的紫外吸收变化nDNA的解链曲线的解链曲线连续加热连续加热DNA的的过程中以温度相对于过程中以温度相对于A260值作图，所得的值作图，所得的曲线称为曲线称为解链曲线解链曲线。 解链过程中，紫外解链过程中，紫外吸光度的变化达到最大吸光度的变化达到最大变化值的一半时所对应变化值的一半时所对应的温度。的温度。解链温度解链温度(melting temperature，Tm)G+C 含量越高，解链

16、温度就越高。含量越高，解链温度就越高。n解链曲线的变化解链曲线的变化三、变性的核酸可以复性或形成杂交双链三、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，这链可重新配对，恢复原来的双螺旋结构，这一现象称为一现象称为DNA复性复性(renaturation) 。 减色效应：减色效应：DNA复性时，其溶液复性时，其溶液OD260降低。降低。 热变性的热变性的DNA经缓慢冷却后即可复性，这一经缓慢冷却后即可复性，这一过程称为过程称为退火退火(annealing) 。不同种类的不同种类的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，只要两种单链分子之间存在着一定程度的碱基中，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杂化双链(heteroduplex)。这种杂化双链可以在不同的这种杂化双链可以在不同的DNA与与DNA之间形成，之间形成，也可以在也可以在DNA和和RNA分子间或者分子间或者RNA与与RNA分子间分