第02章核酸的结构与功能

1、11.1.蛋白质一级结构与功能的关系蛋白质一级结构与功能的关系 一级结构是空间结构与功能的基础一级结构是空间结构与功能的基础2.2.蛋白质空间结构与功能的关系蛋白质空间结构与功能的关系 蛋白质的功能依赖特定空间结构蛋白质的功能依赖特定空间结构3.3.蛋白质的理化性质蛋白质的理化性质 两性解离、胶体性质、变性与复性两性解离、胶体性质、变性与复性 紫外吸收、呈色反应紫外吸收、呈色反应4.4.蛋白质的分离纯化蛋白质的分离纯化 透析及超滤、丙酮沉淀及盐析、透析及超滤、丙酮沉淀及盐析、 电泳、层析、超速离心电泳、层析、超速离心知识回顾知识回顾2第二章第二章核酸的结构与功能核酸的结构与功能Structur

2、e and Function of Nucleic Acid授课教师：杨授课教师：杨 滢滢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3教学目的与要求教学目的与要求 教学时数教学时数 4学时学时掌握掌握 ：核酸分子中核苷酸的连接方式。核酸分子中核苷酸的连接方式。DNA和和RNA的一级结构和基本组成单位。的一级结构和基本组成单位。DNA二级结二级结构构双螺旋结构的概念和特点。双螺旋结构的概念和特点。mRNA、tRNA、rRNA的结构特点及功能。核酶的概念。核酸的紫的结构特点及功能。核酶的概念。核酸的紫外吸收作用。外吸收作用。DNA的变性与复性。的变性与复性。DNA的增色效的增色效应和解链

3、温度的概念。应和解链温度的概念。 熟悉熟悉 ：核酸的基本组成单位和核酸的水解产物。核酸的基本组成单位和核酸的水解产物。DNA的超螺旋结构。核酸的分子杂交。的超螺旋结构。核酸的分子杂交。 了解了解 ：DNA结构的多样性。基因的定义及结构的多样性。基因的定义及DNA的的功能。其他非编码功能。其他非编码RNA的种类及功能。核酸酶的种的种类及功能。核酸酶的种类及作用。类及作用。n核核 酸酸(nucleic acid) 是以核苷酸为基本组成单位的生物大是以核苷酸为基本组成单位的生物大分子，携带和传递遗传信息。分子，携带和传递遗传信息。5l1868年年 Fridrich Miescher 从脓细胞中提取核

4、素。从脓细胞中提取核素。 l1944年年 Avery等人证实等人证实DNA是遗传物质。是遗传物质。l1953年年 Watson和和Crick发现发现DNA的的双螺旋结构双螺旋结构。l1966年年 Nirenberg破译遗传密码。破译遗传密码。l1975年年 Temin和和Baltimore发现逆转录酶。发现逆转录酶。l1981年年 Gilbert和和Sanger建立建立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。l2006年

5、年 人类基因组计划全部完成。人类基因组计划全部完成。n核酸研究的发展简史核酸研究的发展简史n核酸的分类及分布核酸的分类及分布存在于细胞核和线粒体存在于细胞核和线粒体 分布于细胞核、细胞质、线粒体分布于细胞核、细胞质、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，并通过复制传递携带遗传信息，并通过复制传递给下一代。给下一代。是是DNADNA转录的产物，参与遗传信转录的产物，参与遗传信息的复制与表达。某些病毒息的复制与表达。某些病毒RNARNA也可作为遗传信息的载体也可作为遗传信息

6、的载体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 Nucleic Acid8与蛋白质相比，核酸的元素组成特点有二：与蛋白质相比，核酸的元素组成特点有二： 核酸中一般不含核酸中一般不含S； 核酸中核酸中P的含量较多且相当恒定，约占的含量较多且相当恒定，约占9%10%。9核酸核酸 ( (DNA和和RNA) )核苷酸核苷酸 核苷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n核酸组成核酸组成 DNA的组成单位是脱氧核糖核苷酸（的组成单位是脱氧核糖核苷酸（deoxy

7、ribonucleotide）RNA的组成单位是核糖核苷酸（的组成单位是核糖核苷酸（ribonucleotide）n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)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11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n碱基碱基(扁平、疏水扁平

8、、疏水)嘌呤嘌呤(purine，Pu) NNNHN123456789NNNHNNH2腺嘌呤腺嘌呤(adenine, A)NNHNHNNH2O鸟嘌呤鸟嘌呤(guanine, G)NNH132456嘧啶嘧啶(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)NHNHOOCH314n碱基的互变异构体碱基的互变异构体 HNHNCNH2+O+HNNH2NNH2亚氨式氨式+ H+NCOHNCO- -+ H+酮式烯醇式n戊糖戊糖（构成（构成RNA）1 2 3 4 5 OHOCH2OHOHOH核

9、糖核糖(ribose)（构成（构成DNA）OHOCH2OHOH脱氧核糖脱氧核糖(deoxyribose) -D-核糖核糖 -D-脱氧核糖脱氧核糖16n脱氧核苷脱氧核苷嘌呤嘌呤N-9 或或嘧啶嘧啶N-1与脱氧核糖与脱氧核糖C-1 通过通过-N-糖糖苷键苷键相连形成相连形成脱氧核苷脱氧核苷(deoxyribonucleoside)。1上的上的-OH与与5上的上的-OH在糖环在糖环的同一侧为的同一侧为型，不同侧为型，不同侧为型型（C-N键）键）A17 嘌呤嘌呤N-9 -9或或嘧啶嘧啶N-1 -1与核糖与核糖C-1C-1 通过通过 - -N- -糖苷糖苷键键相连形成相连形成核苷核苷(ribonucle

10、oside)。n核苷核苷NNNN9NH2OOHOHHHHCH2OHH12糖苷键糖苷键1819磷酸的结构和书写方法磷酸的结构和书写方法20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)或或脱氧核苷酸脱氧核苷酸(deoxyribonucleotide)。n核苷酸核苷酸(ribonucleotide)NNNN9NH2OO HO HHHHCH2H1 2OPO- -HOO糖苷键糖苷键酯键酯键A21POOOHOHOCH2OHOHNNNH2OOHOCH2OHOHNNNH2O 核苷核苷 ( (脱氧核苷脱氧核苷) ) 和磷酸以和磷酸以磷酸酯键

11、磷酸酯键连接形成连接形成核苷酸核苷酸( (脱氧核苷酸脱氧核苷酸) ) 核苷酸：核苷酸：AMP, GMP, UMP, CMP脱氧核苷酸：脱氧核苷酸：dAMP, dGMP, dTMP, dCMP OPOOHOHHn核苷酸的形成核苷酸的形成生物体内多数核苷酸生物体内多数核苷酸都是都是5 5 - -核苷酸核苷酸。C22n多磷酸核苷酸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,第二信使第二信使不是核酸的组成成不是核酸的组成成分，而是重要的分，而是重要的调节物质。调节物质。NOCH2OOHONNNNH2POOHcAMPn核苷酸衍生物核苷酸

12、衍生物2425二、二、DNA是脱氧核苷酸通过是脱氧核苷酸通过3,5-磷酸二酯磷酸二酯键连接形成的大分子键连接形成的大分子一个脱氧核苷酸一个脱氧核苷酸3 3 的的羟基羟基与另一个核苷酸与另一个核苷酸5 5 的的 - - 磷 酸磷 酸 基 团 缩 合 形 成基 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多个脱氧核苷酸通过磷酸二酯键构成了具有具有方向性方向性的线性分子，称为的线性分子，称为多聚脱氧核苷多聚脱氧核苷酸酸(polydeoxynucleotide)，即即DNA链链。273,5-磷酸二酯键磷酸二酯键

13、 CA285-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29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DNA的骨架的骨架 (backbone)。DNA链的方向是链的方向是5 5 3 3 A、T、G、C30三、三、RNA也是具有也是具有3,5-磷酸二酯键磷酸二酯键的线性大分子的线性大分子 RNA也是多个核苷酸分子通过也是多个核苷酸分子通过3 ,5 -磷酸二酯磷酸二酯键连接键连接形成的线性大分子，也具有形成的线性大分子，也具有5 3 方方向性向性; ; RNA的戊糖是核糖；的戊糖是核糖； RNA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RNA的四种

14、基本核苷酸是的四种基本核苷酸是AMP、GMP、CMP和和UMP。31两类核酸的基本化学组成比较两类核酸的基本化学组成比较 DNA RNA 嘌呤碱嘌呤碱 腺嘌呤腺嘌呤 (A ) 腺嘌呤腺嘌呤 (A) 鸟嘌呤鸟嘌呤 (G) 鸟嘌呤鸟嘌呤 (G) 嘧啶碱嘧啶碱 胞嘧啶胞嘧啶 (C) 胞嘧啶胞嘧啶(C) 胸腺嘧啶胸腺嘧啶(T) 尿嘧啶尿嘧啶 (U) 戊糖戊糖 D-2-脱氧核糖脱氧核糖 D-核糖核糖 酸酸 磷酸磷酸 磷酸磷酸dAMP、dGMPdCMP、dTMPAMP、GMPCMP、UMP组成单位组成单位碱基碱基32n定义定义核酸中从核酸中从55末端到末端到33末端核苷酸的排列顺序。末端核苷酸的排列顺序。

15、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，所以也称为称为碱基序列碱基序列。55端端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 n书写方法：书写方法：5 pApCpTpGpCpT-OH 3 5 A C T G C T 3 35 单链单链DNA和和RNA分子的大小常用核苷酸数目分子的大小常用核苷酸数目（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对碱基对(base pair，bp)或千碱基对或千碱基对(base kilobase

16、pair,kbp)数目来表示。数目来表示。 小的核酸片段小的核酸片段(80)。rRNA与核蛋白体蛋白结合组成与核蛋白体蛋白结合组成核蛋白体核蛋白体(ribosome)，为蛋白质的合成提供场所。，为蛋白质的合成提供场所。三、以三、以rRNA为组分的核蛋白体是为组分的核蛋白体是蛋白质合成的场所蛋白质合成的场所89n核蛋白体的组成核蛋白体的组成9070S ribosome50S large subunit23S rRNA5S rRNA31 proteins16S rRNA21 proteins30S small subunitn大肠杆菌的核蛋白体大肠杆菌的核蛋白体91n1818S rRNA的二级结构

17、的二级结构92n蛋白质合成时形成的复合体蛋白质合成时形成的复合体93四、四、其他非编码其他非编码RNA参与基因表达的调控参与基因表达的调控长链非编码长链非编码RNA（long non-coding RNA, lncRNA）n非编码非编码RNA（ Non-coding RNA, ncRNA）不编码蛋白质但具有重要生物学功能的不编码蛋白质但具有重要生物学功能的RNA分子。分子。 短链（小）非编码短链（小）非编码RNA（small non-coding RNA, sncRNA）94n ncRNA 、 lncRNA功能功能 参与转录调控、参与转录调控、RNA的剪切和修饰、的剪切和修饰、mRNA的稳定和

18、翻译调控、蛋白质的稳定和转运、染色的稳定和翻译调控、蛋白质的稳定和转运、染色体的形成和结构稳定等细胞重要功能体的形成和结构稳定等细胞重要功能 n短链非编码短链非编码RNA亦称为非编码小亦称为非编码小RNA（small non-messenger RNA） 核内小核内小RNA、核仁小核仁小RNA、胞质小胞质小RNA催化性小催化性小RNA、小干扰小干扰 RNA 、微微 RNA95 核内小核内小RNA（small nuclear RNA, snRNA）位于细胞核）位于细胞核内。内。snRNA有有5种，分别称为种，分别称为U1、U2、U4、U5、U6，它们与多种蛋白形成复合体，参与它们与多种蛋白形成复

19、合体，参与真核细胞真核细胞hnRNA的内的内含子加工剪接含子加工剪接（第十六章）。（第十六章）。 核仁小核仁小RNA（small nucleolar RNA, snoRNA）：定位于）：定位于核仁，主要核仁，主要参与参与rRNA的加工和修饰的加工和修饰，如，如rRNA中核糖中核糖C-2 的甲基化修饰。的甲基化修饰。96 胞质小胞质小RNA（small cytoplasmic RNA, scRNA）：存）：存在于细胞质中，在于细胞质中，参与形成信号识别颗粒，参与形成信号识别颗粒，引导含有信引导含有信号肽的蛋白质进入内质网定位合成（第十七章）。号肽的蛋白质进入内质网定位合成（第十七章）。 催化性小

20、催化性小RNA亦被称为亦被称为核酶核酶（ribozyme）。是）。是细胞内具有催化功能的一类小分子细胞内具有催化功能的一类小分子RNA，具有，具有催化特定催化特定RNA降解的活性降解的活性，在，在RNA的剪接修饰的剪接修饰中具有重要作用。中具有重要作用。97n微微RNA（microRNAs, miRNAs ）是一类长度为是一类长度为22nt左右的左右的内源性单链内源性单链sncRNA。miRNAs主要是通过结合主要是通过结合mRNA而选择性调控基因的表达。而选择性调控基因的表达。 小干扰小干扰RNA（small interfering RNA，siRNA）是生）是生物宿主对于物宿主对于外源侵入

21、基因外源侵入基因表达的表达的双链双链RNA进行切割所进行切割所产生的具有特定长度（产生的具有特定长度（2123 bp）和特定序列的小片）和特定序列的小片段段RNA。这些。这些siRNA可以单链形式与外源基因表达的可以单链形式与外源基因表达的mRNA相结合，并相结合，并诱导相应诱导相应mRNA降解降解。 98n原核生物基因表达的特异性原核生物基因表达的特异性五、核酸在真核细胞和原核细胞中五、核酸在真核细胞和原核细胞中表现了不同的时空特性表现了不同的时空特性99n真核生物基因表达的特异性真核生物基因表达的特异性核酸的理化性质核酸的理化性质The Physical and Chemical Char

22、acters of Nucleic Acid第四节第四节核酸在波长核酸在波长 260nm 处有强烈的吸收，是处有强烈的吸收，是由由碱基的共轭双键碱基的共轭双键所决定的。这一特性常用作所决定的。这一特性常用作核酸的定性和定量分析。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102n碱基的紫外吸收光谱碱基的紫外吸收光谱103DNA或或RNA的定量的定量A260 = 1.0 相当于相当于 50g/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

23、 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104二、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DNA双链互补碱基双链互补碱基对之间的氢键发生断裂，对之间的氢键发生断裂，DNA双链解离为双链解离为单链单链的过程。的过程。 n定义定义DNA变性的本质是双链间氢键的断裂。变性的本质是双链间氢键的断裂。105nDNA的变性的变性106n部分变性部分变性DNA的电镜图像的电镜图像增色效应增色效应(hyperchromic effect)：DNA变性时由变性时由于共轭双键暴露，其

24、溶液于共轭双键暴露，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)50%的的DNA双双链被打开时所链被打开时所对应的温度对应的温度 G+C 含量越高，解链温度就越高。含量越高，解链温度就越高。n解链曲线的

25、变化解链曲线的变化三、变性的核酸可以复性或形成三、变性的核酸可以复性或形成杂交双链杂交双链当变性条件缓慢地除去后，两条解离的互补链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，这一现可重新配对，恢复原来的双螺旋结构，这一现象称为象称为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) 。111 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液中，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碱基配对关系，在适宜的条件可以在不同的分子间形成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分子分子间形成。这种现象称为间形成。这种现象称为核酸分子杂交核酸分子杂交。n核酸分子杂交核酸分子杂交(hybridization) n核酸分