第二核酸的结构与功能

1、Structure and Function of Nucleic Acid 1868年年 Fridrich Miescher从脓细胞中提取从脓细胞中提取“核核素素” 1944年年 Avery等人等人证实证实DNA是遗传物质是遗传物质 1953年年 Watson和和Crick发现发现DNA的双螺旋结构的双螺旋结构 1968年年 Nirenberg发现发现遗传密码遗传密码 1981年年 Gilbert和和Sanger建建立立DNA 测序方法测序方法 1985年年 Mullis发明发明PCR 技术技术 2000年年 美英等国美英等国完成人类基因组计划基本框架完成人类基因组计划基本框架一、核酸的发现

2、与研究简史一、核酸的发现与研究简史Chemical Component of Nucleic AcidPOOOHOHOCH2OHOHNNNH2O核苷酸核苷酸磷酸磷酸戊糖戊糖碱基碱基 组成核酸的戊糖有两种。组成核酸的戊糖有两种。OHHOHHOHOHHHOCH2HOCH2OHHOHHHOHHD-核糖D-2-脱氧核糖123452.2.碱基碱基 腺嘌呤腺嘌呤Adenine 鸟嘌呤鸟嘌呤GuanineNNNHNNH2NHNNHNONH2NNNHN123456789 尿嘧啶尿嘧啶Uracil 胞嘧啶胞嘧啶Cytosine 胸腺嘧啶胸腺嘧啶ThymineNHNHOONNHNH2ONHNHOONNH13245

3、6 嘌呤碱和嘧啶碱嘌呤碱和嘧啶碱含共轭双键含共轭双键 紫外区紫外区260 nm有强吸收有强吸收RNA和和DNA合成后，碱基上可能发生共价修饰，形成合成后，碱基上可能发生共价修饰，形成稀有碱基稀有碱基嘧啶衍生物：嘧啶衍生物：5-氟尿嘧啶氟尿嘧啶用于抗肿瘤用于抗肿瘤 C-N糖苷键糖苷键胞嘧啶核苷尿嘧啶核苷鸟嘌呤核苷腺嘌呤核苷NNOHHONNNH2HONNOHH2NNNNNNNNH2OHHOHHOHHHOCH2HOCH2OHHOHHOHHOHHOHHOHHHOCH2OHHOHHOHHHOCH2腺苷腺苷胞苷胞苷尿苷尿苷鸟苷鸟苷多为多为5-5-核苷酸核苷酸OBOH OHOH2CPOHHOOB=腺嘌呤，鸟

4、嘌呤，胞嘧啶，尿嘧啶或胸腺密啶核糖核苷酸 OH2CPOHHOOOBOH脱氧核糖核苷酸12345脱氧核糖核苷酸脱氧核糖核苷酸 Deoxyribonucleotides腺嘌呤腺嘌呤脱氧核糖脱氧核糖磷酸磷酸脱氧腺苷脱氧腺苷(一磷一磷)酸酸脱氧鸟苷脱氧鸟苷(一磷一磷)酸酸Deoxyribonucleotides脱氧胸苷脱氧胸苷(一磷一磷)酸酸脱氧胞苷脱氧胞苷(一磷一磷)酸酸核糖核苷酸核糖核苷酸 Ribonucleotides腺苷酸腺苷酸鸟苷酸鸟苷酸Ribonucleotides尿苷酸尿苷酸胞苷酸胞苷酸O-POO-NNNNNH2OHHOHHOHHOCH2O-POO-O-POO-三磷酸腺苷 (ATP) 细

5、胞信号传递的重要信使细胞信号传递的重要信使1. 核酸一级结构的概念及其连接核酸一级结构的概念及其连接概念：概念：核苷酸的排列顺序，即核苷酸序列核苷酸的排列顺序，即核苷酸序列或碱基序列。或碱基序列。核苷酸之间以核苷酸之间以 3, 5-磷酸二酯键磷酸二酯键 相连。相连。第二节第二节 DNA的结构和功能的结构和功能磷酸二酯键磷酸二酯键OHOH头为头为5-磷酸基；磷酸基；尾为尾为3-羟基；羟基；从从5往往3端书写端书写核酸的书写核酸的书写5PAPCPGPCPTPGPTPA 35 ACGCTGTA 3通常写成通常写成 ACGCTGTA核酸分子大小常用碱基对数来表示核酸分子大小常用碱基对数来表示, bp=

6、base pair;kbp=kilobase pair.寡核苷酸寡核苷酸50 bp.核苷酸虽只有四种，但各核苷酸的数量、比例和排列不同，核苷酸虽只有四种，但各核苷酸的数量、比例和排列不同，且且DNA分子中的核苷酸分子中的核苷酸(碱基碱基)数量巨大，数量巨大，这些排列方式所提供的信息，几乎是无限的，这些排列方式所提供的信息，几乎是无限的，从而造就了自然界丰富多彩的物种和个体之间的差异。从而造就了自然界丰富多彩的物种和个体之间的差异。 DNA碱基组成的特征碱基组成的特征-Chargaff规则规则a)不同物种碱基组成不同；不同物种碱基组成不同；b)同一个体的不同器官和组织中的碱基组成相同；同一个体的

7、不同器官和组织中的碱基组成相同；c)碱基组成不随年龄、营养状况、环境因素等变化碱基组成不随年龄、营养状况、环境因素等变化;d)A=T，G=C预示着预示着A与与T，G与与C可能互补配对组成可能互补配对组成1953年年, Francis Crick and James Watson 提出提出DNA双螺旋结构模型双螺旋结构模型1962年获诺贝尔生理学和医学奖年获诺贝尔生理学和医学奖脱氧核糖和磷酸在双链外，脱氧核糖和磷酸在双链外，碱基在内；碱基在内；碱基配对通过氢键互补，碱基配对通过氢键互补，A-T 2氢键，氢键， G-C 3氢键；氢键；右手螺旋，右手螺旋，直径直径2 nm；10bp/周；螺距周；螺距

8、3.4 nm； DNA双螺旋结构特点双螺旋结构特点 p20了解：了解：DNA双螺旋结构的多样性双螺旋结构的多样性DNA三级结构三级结构：超螺旋结构：超螺旋结构(supercoil) p22 双螺旋分子进一步螺旋化生成。双螺旋分子进一步螺旋化生成。主要以盘旋方向与主要以盘旋方向与DNA双螺旋方向不同的双螺旋方向不同的负超螺旋负超螺旋形式存在。形式存在。原核生物原核生物DNA的高级结构的高级结构共价闭合双链环状共价闭合双链环状负超螺旋负超螺旋DNA的高级结构的高级结构：从核小体到染色体：从核小体到染色体 p22-23核小体结构特点：核小体结构特点：DNA双螺旋可进一步盘旋成紧密结构，并与组蛋白形成

9、核小体；双螺旋可进一步盘旋成紧密结构，并与组蛋白形成核小体；核小体是核小体是染色质的基本组成单位染色质的基本组成单位；核小体由组蛋白核小体由组蛋白(H1，H2A，H2B，H3和和H4)和和DNA组成；组成； H2A，H2B，H3和和H4各各2分子，组成分子，组成八聚体核心组蛋白八聚体核心组蛋白；核心颗粒之间通过一段核心颗粒之间通过一段60 bpDNA和和H1连成连成串珠结构串珠结构Nucleosome: 核小体核小体Octameric histone core：八聚体核心组蛋白八聚体核心组蛋白（仅了解）（仅了解）DNA以核小体为基本单位包装成染色体：以核小体为基本单位包装成染色体： p23DN

10、A形成形成核小体核小体，致密，致密6倍；倍；每每6个核小体卷曲，形成个核小体卷曲，形成30 nm纤维状结构纤维状结构，致密，致密40倍；倍；30 nm纤维进一步折叠成纤维进一步折叠成柱状结构柱状结构，致密，致密1000倍倍-10000倍；倍；通过步步折叠，通过步步折叠，1 m长长DNA压缩容纳于数微米的细胞核内压缩容纳于数微米的细胞核内。(仅了解仅了解) 第三节第三节 RNA的结构与功能的结构与功能Structure and Function of RNA中心法则中心法则(genetic central dogma)，指遗传信息从指遗传信息从DNA传递给传递给RNA，再从再从RNA传递给蛋白质

11、，传递给蛋白质，即完成遗传信息的即完成遗传信息的转录转录和和翻译翻译的过程。的过程。 DNA复制复制转录转录翻译翻译RNA复制复制逆转录逆转录mAmino acid 氨基酸氨基酸tRNA转运氨基酸转运氨基酸核糖体核糖体RNA(rRNA)是蛋白质合成场所是蛋白质合成场所mRNA-蛋白质合成的直接模板蛋白质合成的直接模板tRNA在蛋白质合成时转运氨基酸在蛋白质合成时转运氨基酸rRNA是蛋白质合成的场所是蛋白质合成的场所真核真核mRNAmRNA的的3-3-端端有有poly Apoly A尾；尾；（与其半寿期有关）与其半寿期有关）5 -5 -端有一个甲基化的鸟苷酸，称为端有一个甲基化的鸟苷酸，称为帽结

12、构帽结构。（与翻译与（与翻译与mRNAmRNA的稳定有关）的稳定有关）原核原核mRNAmRNA无帽子结构和无帽子结构和poly Apoly A尾尾真核真核mRNAmRNA含内含子和外显子，含内含子和外显子，原核原核mRNAmRNA一般不含内含子一般不含内含子一、真核一、真核mRNA结构和特点结构和特点 p24 图图2-10真核真核mRNA的的5端帽子结构端帽子结构7-甲基鸟嘌呤甲基鸟嘌呤m7-GpppNDNAmRNA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

13、胞 富含稀有碱基；富含稀有碱基；5-pG, 3-CCAOH;4个局部双链区，个局部双链区，3环环4臂，臂，三叶草形的二级结构三叶草形的二级结构倒倒L型的三级结构型的三级结构DHU环环反密码环反密码环TC C环环, 音音psai反密码环中的反密码环中的3个碱基称为个碱基称为反密码子反密码子，与与mRNA上对应的三联体密码互补，上对应的三联体密码互补，于是携带特定氨基酸的于是携带特定氨基酸的tRNA可正确定位在合成的肽链上。可正确定位在合成的肽链上。氨基酸臂氨基酸臂tRNA的三级结构的三级结构-倒倒L型型TC C环环DHU环环 核蛋白体小亚基核蛋白体小亚基 核蛋白体核蛋白体大亚基大亚基真核真核 1

14、8S rRNA+蛋白蛋白 40 S小亚基小亚基 (5+5.8+28)S rRNA+蛋白蛋白 60 S大亚基大亚基原核原核 16S rRNA+蛋白蛋白 30 S小亚基小亚基 (5+23)S rRNA+蛋白蛋白 50 S大亚基大亚基核蛋白体是蛋白质合成的场所核蛋白体是蛋白质合成的场所RNA的种类、分布、功能的种类、分布、功能 (后后4种小分子种小分子RNA不做要求不做要求)核蛋白体核蛋白体RNA信使信使RNA转运转运RNA核内不均一核内不均一RNA核内小核内小RNA胞浆小胞浆小RNA 细胞核和胞液细胞核和胞液线粒体线粒体功功能能rRNAmRNA mt rRNAtRNAmt mRNAmt tRNAH

15、nRNASnRNASnoRNAscRNA/7SL-RNA 核蛋白体组分核蛋白体组分蛋白质合成模板蛋白质合成模板转运氨基酸转运氨基酸成熟成熟mRNA的前体的前体参与参与hnRNA的剪接、转运的剪接、转运rRNA的加工、修饰的加工、修饰蛋白质内质网定位合成蛋白质内质网定位合成的信号识别体的组分的信号识别体的组分核仁小核仁小RNA核蛋白体核蛋白体RNA信使信使RNA转运转运RNA核内不均一核内不均一RNA核内小核内小RNA胞浆小胞浆小RNA 细胞核和胞液细胞核和胞液线粒体线粒体功功能能rRNAmRNA mt rRNAtRNAmt mRNAmt tRNAHnRNASnRNASnoRNAscRNA/7S

16、L-RNA 核蛋白体组分核蛋白体组分蛋白质合成模板蛋白质合成模板转运氨基酸转运氨基酸成熟成熟mRNA的前体的前体参与参与hnRNA的剪接、转运的剪接、转运rRNA的加工、修饰的加工、修饰蛋白质内质网定位合成蛋白质内质网定位合成的信号识别体的组分的信号识别体的组分核仁小核仁小RNA第四节第四节 核酸的理化性质及其应用核酸的理化性质及其应用The Physical and Chemical Characters of Nucleic Acid1. A 260 nm紫外吸收峰紫外吸收峰 (仅了解仅了解)DNA或或RNA的定量的定量OD260=1.0 相当于相当于50 g/ml双链双链DNA40g/m

17、l单链单链DNA（或（或RNA）20g/ml寡核苷酸寡核苷酸一、理化性质一、理化性质 判断核酸样品的纯度判断核酸样品的纯度DNA纯品纯品: OD260/OD280 = 1.8RNA纯品纯品: OD260/OD280 = 2.02. 核酸的水解核酸的水解酸或碱水解酸或碱水解 DNA和和RNA对酸或碱的耐受程度有很大差别。对酸或碱的耐受程度有很大差别。 如在如在0.1 mol/L NaOH溶液中，溶液中，RNA几乎完全水解，几乎完全水解， DNA则不受影响则不受影响核酸酶水解核酸酶水解 DNA水解酶（水解酶（DNases）、）、RNA水解酶（水解酶（RNases）。）。 核酸外切酶和核酸内切酶。核

18、酸外切酶和核酸内切酶。 限制性核酸内切酶：水解核酸中某些特定碱基顺序的限制性核酸内切酶：水解核酸中某些特定碱基顺序的部位。部位。二、二、 核酸的变性与复性核酸的变性与复性1. 1. 变性变性：指核酸指核酸双螺旋双螺旋区的多聚核苷酸链间的区的多聚核苷酸链间的氢键断裂氢键断裂，变成变成单链单链结构的过程。结构的过程。核酸的变性并不涉及磷酸二酯键的断裂核酸的变性并不涉及磷酸二酯键的断裂，一级结构，一级结构( (碱基顺序碱基顺序) )保持不变保持不变。变性核酸：变性核酸：OD260增高，粘度下降，浮力密度升高，增高，粘度下降，浮力密度升高，失去其部分或全部的生失去其部分或全部的生物活性。物活性。增色效

19、应增色效应核酸变性后，其在核酸变性后，其在260 nm260 nm处的紫外吸收值将增加。处的紫外吸收值将增加。核酸变性的因素核酸变性的因素：温度升高、酸碱度改变、甲醛和尿素等的存在均可引起：温度升高、酸碱度改变、甲醛和尿素等的存在均可引起核酸的变性。核酸的变性。DNADNA的热变性的热变性 p27p27 DNADNA的变性过程是突变性的，在很窄的温度区间内完成。的变性过程是突变性的，在很窄的温度区间内完成。因此，通常将引起因此，通常将引起DNADNA变性的温度称为融点（解链温度、变性的温度称为融点（解链温度、融解温度、融解温度、Tm Tm ）。）。T Tm m：DNADNA热变性达到一半时候的

20、温度热变性达到一半时候的温度。 G G和和C C的含量高，的含量高，T Tm m值高值高A260Tm T 解链曲线解链曲线2. 2. 复性复性 变性变性DNADNA在适当的条件下，两条彼此分开在适当的条件下，两条彼此分开的单链可以重新缔合成为双螺旋结构的单链可以重新缔合成为双螺旋结构 DNADNA复性后，一系列性质将得到恢复，但是生物活性一复性后，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。般只能得到部分的恢复。 DNADNA复性的程度、速率与复性过程的条件有关。复性的程度、速率与复性过程的条件有关。 将热变性的将热变性的DNADNA骤然冷却至低温时，骤然冷却至低温时，DNADNA不可能复不可能复性。但是将变性的性。但是将变性的DNADNA缓慢冷却时，可以复性。缓慢冷却时，可以复性。 分子量越大复性越难。浓度越大，复性越容易。分子量越大复性越难。浓度越大，复