廖-第二章核酸的结构与功能

1、第二章第二章 核酸的结构与功能核酸的结构与功能1868年，米歇尔首次发现了重要的生命物质之一年，米歇尔首次发现了重要的生命物质之一核酸。核酸。在在1869年，年，F. Mischer从细胞核中分离得到一种含磷很高的强酸。从细胞核中分离得到一种含磷很高的强酸。 性物质，即现在被称为核酸的物质。性物质，即现在被称为核酸的物质。1879年，年，Kossel发现了核酸中的碱基。发现了核酸中的碱基。1912，Levene提出核酸中含有四种核苷酸，四种核苷酸组成结构单位。提出核酸中含有四种核苷酸，四种核苷酸组成结构单位。1989年年Altmann, 发展了从酵母和动物组织中制备不含蛋白质的核酸的方法，发展

2、了从酵母和动物组织中制备不含蛋白质的核酸的方法，并提出核酸这一名称。并提出核酸这一名称。1944年年 Avery等人通过细菌转化试验证明了等人通过细菌转化试验证明了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。1958 Crick提出遗传信息传递的中心法则。提出遗传信息传递的中心法则。1968年年 Nirenberg发现遗传密码。发现遗传密码。1981年年 Gilbert和和Sanger建立建立DNA 测序方法。测序方法。1985年年 Mullis发明发明PCR 技术技术核酸的发展史核酸的发展史第一节第一节 核酸的化学组成及核酸

3、的化学组成及一级结构一级结构一、核酸一、核酸(nucleic acid) ？ 以核苷酸为基本组成单位的生物大分子，起携带以核苷酸为基本组成单位的生物大分子，起携带和传递遗传信息的作用。和传递遗传信息的作用。脱氧核糖核酸（脱氧核糖核酸（DNA)：携带遗传信息，决定携带遗传信息，决定 细胞和个体基因型细胞和个体基因型核糖核酸（核糖核酸（RNA)：参与细胞内参与细胞内DNA遗传信息遗传信息的表达。某些病毒的表达。某些病毒RNARNA也可以作为遗传信息的也可以作为遗传信息的载体载体 核酸分类核酸分类核酸核酸 ( (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

4、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：戊糖戊糖P碱基碱基核苷酸核苷酸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RNA的组成单位是核糖核苷酸的组成单位是核糖核苷酸核苷酸是构成核酸的基本组成单位核苷酸是构成核酸的基本组成单位 碱基碱基嘌呤嘌呤嘧啶嘧啶腺嘌呤（腺嘌呤（A A）鸟嘌呤（鸟嘌呤（G G）尿嘧啶（尿嘧啶（U U）胸腺嘧啶（胸腺嘧啶（T T）胞嘧啶（胞嘧啶（C C）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n 嘌呤嘌呤NNNHN123456789NNNHNNH2腺嘌呤腺嘌呤(adenine, A)NNHN

5、HNNH2O鸟嘌呤鸟嘌呤(guanine, G)6622NNH132456n 嘧啶嘧啶胞嘧啶胞嘧啶(cytosine, C)NNHNH2O尿嘧啶尿嘧啶(uracil, U)NHNHOO胸腺嘧啶胸腺嘧啶(thymine, T)NHNHOOCH3444222OHOHOHH2OHCHOCCCC H H HCHOCCCCHOHOHH2OH H H HCCCCCOHH2OH H H HO OH HOHO CCCCCHH2OH H H H OH HOHn戊糖戊糖脱脱氧氧核核糖糖核核糖糖戊糖戊糖P碱基碱基核苷酸核苷酸糖苷键糖苷键磷酯键磷酯键n脱氧核苷脱氧核苷/ /核苷核苷碱基和核糖（或脱氧核糖）通过碱基和核

6、糖（或脱氧核糖）通过糖苷键糖苷键连接形成连接形成核苷核苷（或脱氧核苷）。（或脱氧核苷）。糖苷键糖苷键NNNN9OOH(H)CHHO HHHH2H1 2OO HHHH2H1 2OOCHOHH(H)NN1嘌呤嘌呤N-9/嘧啶嘧啶N-1 与与脱氧核糖脱氧核糖C-1 通过通过-N-糖糖苷键苷键相连形成相连形成核苷核苷 /脱氧核苷脱氧核苷糖苷键糖苷键核苷或脱氧核苷与磷酸通过酯键结合构成核苷酸核苷或脱氧核苷与磷酸通过酯键结合构成核苷酸或脱氧核苷酸。或脱氧核苷酸。n核苷酸核苷酸NNNN9NH2OO HO HHHHCH2H1 2OPO- -HOO糖苷键糖苷键酯键酯键OOHO HHHHCH2H12OPO- -O

7、O碱基碱基核苷核苷核苷一磷酸核苷一磷酸(NMP)磷酯键磷酯键核苷二磷核苷二磷 酸酸(NDP)OPO- -O腺苷一磷酸腺苷一磷酸 (AMP)腺苷二磷酸腺苷二磷酸 (ADP)腺苷三磷酸腺苷三磷酸 (ATP)PO- - -OO核苷三磷酸核苷三磷酸 (NTP)AHn 多磷酸核苷酸多磷酸核苷酸n构成构成DNA的碱基、核苷以及核苷酸的碱基、核苷以及核苷酸碱基碱基脱氧核苷脱氧核苷脱氧核苷酸脱氧核苷酸A脱氧腺苷脱氧腺苷脱氧腺苷一磷酸脱氧腺苷一磷酸dAMPG脱氧鸟苷脱氧鸟苷脱氧鸟苷一磷酸脱氧鸟苷一磷酸dGMPC脱氧胞苷脱氧胞苷脱氧胞苷一磷酸脱氧胞苷一磷酸dCMPT脱氧胸苷脱氧胸苷脱氧胸苷一磷酸脱氧胸苷一磷酸dT

8、MPn构成构成RNA的碱基、核苷以及核苷酸的碱基、核苷以及核苷酸碱基碱基 核苷核苷 核苷酸核苷酸A 腺苷腺苷 腺苷一磷酸腺苷一磷酸(AMP)G 鸟苷鸟苷 鸟苷一磷酸鸟苷一磷酸( (GMP)C 胞苷胞苷 胞苷一磷酸胞苷一磷酸( (CMP)U 尿苷尿苷 尿苷一磷酸尿苷一磷酸( (UMP)NNNNNH2OOHOHHHCH2HOPHOOcAMP环化核苷酸环化核苷酸: cAMP，cGMP含核苷酸的生物活性物质：含核苷酸的生物活性物质： NAD+、NADP+、CoASH、 FAD等都含有AMPn 体内重要核苷酸衍生物体内重要核苷酸衍生物二、二、DNA是脱氧核苷酸通过是脱氧核苷酸通过3 ,5 -磷酸二酯键磷

9、酸二酯键连接形成的大分子连接形成的大分子一个脱氧核苷酸一个脱氧核苷酸3 的的羟基羟基与另一个核苷酸与另一个核苷酸5 的的-磷酸基团磷酸基团缩合形成缩合形成磷酸二酯键磷酸二酯键。 多个脱氧核苷酸通过磷酸二酯键构成了具有多个脱氧核苷酸通过磷酸二酯键构成了具有方向性的线性分子，称为多聚脱氧核苷酸，即方向性的线性分子，称为多聚脱氧核苷酸，即DNA链链。 3 ,5 -磷酸二磷酸二 酯键酯键5 端端3 端端GAC RNA DNA四、核酸的一级结构四、核酸的一级结构脱氧脱氧PPAPCPCPTPGOHCPTPAPA5 3pApCpTpGpCpTpApApC-OH 35 ACTGCTAAC35第二节第二节DNA

10、的空间结构与功能的空间结构与功能DNA的空间结构又分为二级结构和高级的空间结构又分为二级结构和高级结构。结构。nDNA的空间结构的空间结构构成构成DNA的所有原子在三维空间的相对的所有原子在三维空间的相对位置关系。位置关系。一、一、DNA的二级结构是双螺旋结构的二级结构是双螺旋结构James Watson、Francis Crick（一）（一）DNA双螺旋结构的实验基础双螺旋结构的实验基础Chargaff 规则规则:1.不同生物个体的不同生物个体的DNA，其碱基组成不同，其碱基组成不同;2.同一个体不同器官或不同组织的同一个体不同器官或不同组织的DNA具有相同的碱具有相同的碱 基组成基组成;3

11、.对于一特定的组织的对于一特定的组织的DNA，其碱基组成不随年龄、，其碱基组成不随年龄、 营养状态和环境而变化营养状态和环境而变化;4.对于一特定的生物体，对于一特定的生物体，A=T、G=C（二）（二） DNADNA双螺旋结构模型要点双螺旋结构模型要点 1. 两条反向平行的多核苷酸围绕两条反向平行的多核苷酸围绕同一中心轴相互缠绕，均为同一中心轴相互缠绕，均为右手螺旋。右手螺旋。2. 核糖与磷酸位于外侧。核糖与磷酸位于外侧。3. DNA双链间形成互补碱基（碱双链间形成互补碱基（碱基互补规则基互补规则A-T、C-G）。）。4. 维持双螺旋稳定的因素，横向维持双螺旋稳定的因素，横向为氢键，纵向为碱基

12、间的堆为氢键，纵向为碱基间的堆积力，碱基堆积距离为积力，碱基堆积距离为0.34nm。（三）（三）DNA双螺旋结构的多样性双螺旋结构的多样性二、二、DNA的高级结构是超螺旋结构的高级结构是超螺旋结构超螺旋结构超螺旋结构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。 正超螺旋正超螺旋 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。 向左向左 向右向右松弛型松弛型正超螺旋正超螺旋负超螺旋负超螺旋原核生物原核生物DNA环状超螺旋结构环状超螺旋结构（一）原核生物（一）原核生物DNA的环状超螺旋

13、结构的环状超螺旋结构原核生物原核生物DNA多为环状的双螺旋分子多为环状的双螺旋分子 ，以，以负超螺旋的形式存在，平均每负超螺旋的形式存在，平均每200碱基就有一个碱基就有一个超螺旋形成。超螺旋形成。（二）真核生物（二）真核生物DNA以核小体为单位形成高以核小体为单位形成高 度有序致密结构度有序致密结构 真核生物染色体由真核生物染色体由DNADNA和蛋白质构成，其基本和蛋白质构成，其基本单位是单位是 核小体。核小体。 在细胞周期的大部分时间里，在细胞周期的大部分时间里，DNADNA以松散的染以松散的染色质形式存在，在细胞分裂期，则形成高度致色质形式存在，在细胞分裂期，则形成高度致密的染色体。密的

14、染色体。 DNA染色质呈现出的串珠样结构。染色质呈现出的串珠样结构。 染色质的基本单位是核小体。染色质的基本单位是核小体。nDNA染色质的电镜图像染色质的电镜图像组蛋白组蛋白：H1H2A，H2BH3H4n核小体的组成核小体的组成核小体重复单位：约核小体重复单位：约200bp约约150bp约约60bpn 染色体形成染色体形成压缩压缩6 6倍倍压缩压缩6 6倍，每圈倍，每圈6 6个核小体个核小体压缩压缩4040倍倍压缩压缩10001000倍倍直径直径400nm三、三、DNA是遗传信息的物质基础是遗传信息的物质基础 DNA是生物遗传信息的载体，并为基因复制和转录提是生物遗传信息的载体，并为基因复制和

15、转录提 供了模板供了模板基因是携带遗传信息的基因是携带遗传信息的DNADNA片段片段DNADNA具有高度稳定性、高度复杂性的特点具有高度稳定性、高度复杂性的特点 第三节第三节 RNA的结构与功能的结构与功能n动物细胞内主要的动物细胞内主要的RNA种类及功能种类及功能RNA种类种类缩写缩写细胞内位置细胞内位置功能功能核糖体核糖体RNA rRNA细胞质细胞质核糖体组成成分核糖体组成成分信使信使RNAmRNA细胞质细胞质蛋白质合成模板蛋白质合成模板转运转运RNAtRNA细胞质细胞质转运氨基酸转运氨基酸微微RNAmicroRNA细胞质细胞质翻译调控翻译调控胞质小胞质小RNAscRNA/7SL-RNA细

16、胞质细胞质信号肽识别体的组成成分信号肽识别体的组成成分不均一核不均一核RNAhnRNA细胞核细胞核成熟成熟mRNA的前体的前体核小核小RNAsnRNA细胞核细胞核参与参与hnRNA的剪接、转运的剪接、转运核仁小核仁小RNAsnoRNA核仁核仁rRNA的加工和修饰的加工和修饰线粒体核糖体线粒体核糖体RNA mt rRNA线粒体线粒体核糖体组成成分核糖体组成成分线粒体信使线粒体信使RNAmt mRNA线粒体线粒体蛋白质合成模板蛋白质合成模板线粒体转运线粒体转运RNAmt tRNA线粒体线粒体转运氨基酸转运氨基酸一、一、mRNA是蛋白质合成中的模板是蛋白质合成中的模板 信使信使RNA(messeng

17、er RNA, mRNA)是细胞内合是细胞内合成蛋白质的模板成蛋白质的模板。 生物体内生物体内mRNA的丰度最小、种类最多、大小的丰度最小、种类最多、大小也各不相同、寿命最短。也各不相同、寿命最短。 mRNA的初级产物为不均一核的初级产物为不均一核RNA(hnRNA)，含有含有内含子内含子(intron)和外显子和外显子(exon)。 hnRNA经过剪切后成为成熟的经过剪切后成为成熟的mRNA。n mRNA成熟过程成熟过程hnRNA 内含子内含子( (intron) )mRNA 外显子外显子( (exon) ) 成熟的成熟的mRNA由氨基酸编码区和非编码区构成。由氨基酸编码区和非编码区构成。

18、5 -末端的帽子末端的帽子(cap)结构和结构和3 -末端的多聚末端的多聚A尾尾(poly-A tail)结构。结构。 mRNA的碱基序列决定蛋白质的氨基酸序列的碱基序列决定蛋白质的氨基酸序列 n成熟的真核生物成熟的真核生物mRNA53m7GpppAAAAn3非翻译区5非翻译区编码区AUGUAA 帽子结构和多聚帽子结构和多聚A A尾的功能尾的功能： 1.mRNA核内向胞质的转位核内向胞质的转位 2.mRNA的稳定性维系的稳定性维系 3.翻译起始的调控翻译起始的调控 转运转运RNA(transfer RNA, tRNA)在蛋白质合成过在蛋白质合成过程中作为各种程中作为各种氨基酸的载体氨基酸的载体

19、, 将氨基酸转呈给将氨基酸转呈给mRNA。 由由7495核苷酸组成；核苷酸组成； 占细胞总占细胞总RNA的的15%； 具有很好的稳定性。具有很好的稳定性。二、二、tRNA是蛋白质合成中的氨基酸载体是蛋白质合成中的氨基酸载体n tRNA中含有多种稀有碱基中含有多种稀有碱基稀有碱基（稀有碱基（rare base）是指除）是指除A、G、C、U外的一些碱基。外的一些碱基。双氢尿嘧啶双氢尿嘧啶DHU假尿嘧啶核苷假尿嘧啶核苷甲基化鸟嘌呤甲基化鸟嘌呤假尿嘧啶核苷假尿嘧啶核苷C-5与戊糖的与戊糖的C-1原子相连。原子相连。n tRNA二级结构二级结构- -三叶草型三叶草型1.DHU环环 2. 反密码环反密码环

20、 3.额外环额外环4.TC环环5.氨基酸臂氨基酸臂 tRNA的的3 -末末端为端为CCA结尾。结尾。 3 -末末端的端的A与氨基酸与氨基酸以酯键相连生成氨基以酯键相连生成氨基酰酰-tRNA 。 不同的不同的tRNA结合不结合不同的氨基酸。同的氨基酸。 n tRNA的的3 -末末端连接氨基酸端连接氨基酸n tRNA三级结构三级结构倒倒L形形 核糖体核糖体RNA(ribosomal RNA，rRNA)是细胞是细胞内含量最多的内含量最多的RNA(80)。r R N A 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

21、合成提供场所。，为蛋白质的合成提供场所。三、以三、以rRNA为组分的核糖体是为组分的核糖体是蛋白质合成的场所蛋白质合成的场所n核糖体的组成核糖体的组成原核生物（以大肠杆菌为例）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 30S 40SrRNA16S1542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28S5.8S5S4718个核苷酸个核苷酸160个核苷酸个核苷酸120个核苷酸个

22、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%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。 n ncRNA 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的稳定和翻译调控、蛋白质的稳定的稳定和翻译调控、蛋白质的稳定和转运、染色体的形成和结构稳定等细胞和转运、染色体的形成和结构稳定等细胞重要功能重要功能 第四节第四节 核酸核酸的理化性质的理化性

23、质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，是由碱基的共轭双键所决定的。这一特性常用作由碱基的共轭双键所决定的。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n碱基的紫外吸收光谱碱基的紫外吸收光谱n OD260的应用：的应用：1. DNA或或RNA的定量的定量50g/ml双链双链DNA40g/ml单链单链DNA（RNA）20g/ml寡核苷酸寡核苷酸OD260=1.02.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

24、= 2.0二、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对之间的氢键氢键发生发生断裂断裂，DNA双链解离为双链解离为单链的过程。单链的过程。 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。方法：过量酸，碱，加热，变性试剂如尿素、酰胺以方法：过量酸，碱，加热，变性试剂如尿素、酰胺以 及某些有机溶剂如乙醇、丙酮等。及某些有机溶剂如乙醇、丙酮等。部分解链部分解链双链双链DNAn DNA变性变性1.OD2601.OD260增高（增色效应）增高（增色效应） 2.2.粘度下降粘度下降3.3.比旋度下降比旋度下降 4.4.浮力密度升高浮力密度升高 5.5.生物活性丧失生物活性丧失n 变性后其它理化性质变化：变性后其它理化性质变化：增色效应：增色效应：DNA变性时其溶液变性时其溶液OD260增高的现象增高的现象n解链温度解链温度(melting temperature，Tm)Tm：解链过程