核酸的结构和功能

1、第二章第二章核酸的结构和功能核酸的结构和功能Structure and Function of Nucleic Acid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。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DNA是遗传物质。是遗传物质。l1953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

2、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。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(deoxyribon

3、ucleic 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的载体第一节第一节核酸的化学组成以及一级结构核酸的化学组成以及一级结构The Chemical Component and Primary Structure of Nucleic Acid核酸核酸 ( (DNA和和RNA) )核苷酸核苷酸核苷

4、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（deoxyribonucleotide）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

5、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)NHNHOOCH3n碱基的互变异构体碱基的互变异构体 HNHNCNH2+

6、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-D-核糖核糖(ribose)（构成（构成DNA）OHOCH2OHOH-D-2脱氧核糖脱氧核糖(deoxyribose)n脱氧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-糖苷键糖苷键相连相连形成形成脱氧核苷脱氧核苷(deoxyribonucleoside)。 嘧啶嘧啶N-1 -1与核糖与核糖C-1C-1 通过通过 - -N- -糖苷键糖苷键相连形成相连形成核苷核苷(ribonucleoside)。n核苷核苷NNNN9N

7、H2OOHOHHHHCH2OHH12糖苷键糖苷键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n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。NOCH2OOHONNNNH2POOHcAMPn核苷酸衍生物核苷酸衍生物生物氧化体系的重要成分，在传递质子

8、或电子的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。过程中具有重要的作用。烟酰胺腺嘌呤二核苷酸，烟酰胺腺嘌呤二核苷酸，nicotinamide adenine dinucleotide, NAD+），），n 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adenosine 腺苷一磷酸腺苷一磷酸adenosine monophosphate, AMPG 鸟苷鸟苷guanosine 鸟苷一磷酸鸟苷一磷酸guanosine monophosphate, GMPC 胞苷胞苷cytidine 胞苷一磷酸胞苷一磷酸cytidine

9、 monophosphate, CMPU 尿苷尿苷uridine 尿苷一磷酸尿苷一磷酸uridine monophosphate, UMPn 构成构成DNA的碱基、核苷、核苷酸的碱基、核苷、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 deoxyadenosine脱氧腺苷一磷酸脱氧腺苷一磷酸deoxyadenosine monophosphate, dAMPG脱氧鸟苷脱氧鸟苷deoxyguanosine脱氧鸟苷一磷酸脱氧鸟苷一磷酸deoxyguanosine monophosphate, dGMPC脱氧胞苷脱氧胞苷deoxycytidine脱氧胞苷一磷酸脱氧胞苷一磷酸

10、deoxycytidine monophosphate, dCMPT脱氧胸苷脱氧胸苷deoxythymidine或或thymidine脱氧胸苷一磷酸脱氧胸苷一磷酸deoxythymidine monophosphate, dTMP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 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

11、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。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DNA的骨架的骨架 (backbone)。DNA链的方向是链的方向是5 5 3 3 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

12、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的四种基本核苷酸是的四种基本核苷酸是AMP、GMP、CMP和和UMP。n定义定义核酸中核苷酸的排核酸中核苷酸的排列顺序。列顺序。由于核苷酸间的差由于核苷酸间的差异主要是碱基不同，所异主要是碱基不同，所以也称为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 n核酸的一级结构核酸的一级结构5 pApCpTpGpC

13、pT-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碱基小常用碱基(base或或kilobase)数目来表示。数目来表示。 小的核酸片段小的核酸片段(80)。r R N A 与 核 糖 体 蛋 白 结 合 组 成与 核 糖 体 蛋 白 结 合 组 成 核 糖 体核 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、以三、以rRNA为组分的核糖体是蛋白为组分的核糖体是蛋白质合成的场所质合成的场所

14、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%70S ribosome50S large s

15、ubunit23S 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n1818S rRNA的二级结构的二级结构四、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

16、RNA, sncRNA）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 lncRNA 功能功能 lncRNA在结构上类似于在结构上类似于mRNA，但序列中不存在，但序列中不存在开放读框。许多已知的开放读框。许多已知的lncRNAs由由RNA聚合酶聚合酶转录并转录并经可变剪切形成，通常被多聚腺苷酸化。经可变剪切形成，通常被多聚腺苷酸化。lncRNA具有具有复杂的生物学功能，并与一些疾病的发病机制密

17、切相关。复杂的生物学功能，并与一些疾病的发病机制密切相关。有的有的lncRNA能使基因沉默，有的则激活基因的表达。能使基因沉默，有的则激活基因的表达。 l核内小核内小RNAl核仁小核仁小RNAl胞质小胞质小RNAl催化性小催化性小RNAl小干涉小干涉 RNA l微微 RNAn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（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，参与真核细胞它们

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

19、性小催化性小RNA亦被称为核酶（亦被称为核酶（ribozyme）。是细胞内具）。是细胞内具有催化功能的一类小分子有催化功能的一类小分子RNA，具有催化特定，具有催化特定RNA降解降解的活性，在的活性，在RNA的剪接修饰中具有重要作用。的剪接修饰中具有重要作用。 小干扰小干扰RNA（small interfering RNA，siRNA）是生物）是生物宿主对于外源侵入基因表达的双链宿主对于外源侵入基因表达的双链RNA进行切割所产生进行切割所产生的具有特定长度（的具有特定长度（2123 bp）和特定序列的小片段）和特定序列的小片段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

20、与外源基因表达的mRNA相结合，并诱导相应相结合，并诱导相应mRNA降解。降解。 n微微RNA（microRNAs, miRNAs ）是一类长度为是一类长度为22nt左右的内源性左右的内源性sncRNA。miRNAs主要是通过结合主要是通过结合mRNA而选择性调控而选择性调控基因的表达。基因的表达。 n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出不同的时空特性表现出不同的时空特性n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 Character

21、s 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n碱基的紫外吸收光谱碱基的紫外吸收光谱DNA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 DNA: A260/

22、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。部分解链部分解链双链双链DNAnDNA的变性的变性nDNA的变性的变性n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变性变性时其溶液时其溶液

23、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

24、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) 。 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溶液中，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度的碱基配对关系，在适宜的条件可以在