生物化学与分子生物学课件第2章核酸的结构与功能

1、BiochemistryWei Yin PhDDepartment of BiochemistryZhongshan Medical School Sun Yat Sen university2014-9-29第第2 2章章核酸的结构与功能核酸的结构与功能Structure and Function of Nucleic Acidn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

2、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

3、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 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，并通过复制传递携带遗传信息，并通过复制传递给下一代。给下一代。是是DNA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RNA也可作为遗传信息的载体也可作为遗传信息的载体 90 % 以上分布于细胞核，其余分以上分布于细胞核，其余分布于核外布于核外如

4、线粒体，叶绿体，质粒如线粒体，叶绿体，质粒等。等。核酸核酸的功能的功能 DNA-遗传遗传 RNA功能的功能的多样性多样性1.参与蛋白质的合成 2.RNA的转录后加工与修饰3.参与基因表达的调控4.生物催化作用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 Acid核酸核酸的分子组成的分子组成1、 元素组成元素组成 C H O N P（恒定，9-10%）2、 基本结构单位基本结构单位-核苷酸核苷酸 核核 酸（酸（nucleic acid）核苷酸核苷酸(nucleotid

5、e) 磷酸磷酸 (phosphoric acid)核苷核苷(nucleoside) 戊糖戊糖(pentose)碱基碱基(base)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

6、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+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核糖核糖(ribo

7、se)（构成（构成DNA）OHOCH2OHOH脱氧核糖脱氧核糖(deoxyribose)n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)。 碱碱基和核糖或脱氧核基和核糖或脱氧核糖通过糖通过糖苷键糖苷键连接形成连接形成核苷核苷或或脱氧核苷脱氧核苷 嘌呤嘌呤N-9或或嘧啶嘧啶N-1与核糖与核糖C-1 通过通过-N-糖苷糖苷键键相连形成相连形成核苷核苷(ribonucleoside)。n核苷核苷NNNN9NH2OOHOHHHHCH2OHH12糖苷键糖苷键核苷或脱氧核苷与

8、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体内重要的游离核苷酸及其衍生物体内重要的游离核苷酸及其衍生物l含核苷酸的生物活性物质： 等都含有 l

9、 多磷酸核苷酸：l 环化核苷酸: NOCH2OOHOHNNNNH2POOHOHNOCH2OOHOHNNNNH2POOHOPOOHOHNOCH2OOHOHNNNNH2POOHOPOOHOPOOHOHNOCH2OOHONNNNH2POOH1、 构成构成DNA、RNA的核苷酸的核苷酸 DNA：dAMP、dGMP、dCMP、dTMP RNA： AMP、 GMP、 CMP、 UMP2、 细胞内的游离核苷酸及其衍生物细胞内的游离核苷酸及其衍生物l核苷5-多磷酸化合物ATP、GTP、CTP、ppppA、ppppG 在能量代谢和物质代谢及调控中起重要作用。l环核苷酸 3,5-cAMP， 3,5-cGMP是信号

10、分子，参与调节细胞的糖代谢、脂代谢。l核苷5多磷酸3多磷酸化合物 ppGpp pppGpp ppApp、核苷酸衍生物：HSCoA、 NAD+、NADP+、FAD等辅助因子，GDP-半乳糖、GDP-葡萄糖等是糖蛋白生物合成的活性糖基供体。l抗代谢药物 6MP，5-FU 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

11、bond)。 多个脱氧核苷酸通过多个脱氧核苷酸通过磷酸二酯键磷酸二酯键构成了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-末末端端3-末末端端CGA磷酸二酯键磷酸二酯键磷酸二酯键磷酸二酯键交替的交替的磷酸磷酸基团基团和戊和戊糖糖构成了构成了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酯化反应形也是多个核苷酸分子通过酯化反应形成的线性大分子，并

12、且具有方向性；成的线性大分子，并且具有方向性； 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。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。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 核酸分子的大小常用碱基核酸分子的大小常用碱基(base或或

13、kilobase)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n核蛋白体的组成核蛋白体的组成原核生物（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

14、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 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n1818S rRNA的二级结构的二级结构n蛋白质合成时形成的复合体蛋白质合成时形成的复合体RNA组学是研究细胞内组

15、学是研究细胞内snmRNA的种类、结的种类、结构和功能。同一生物体内不同种类的细胞、构和功能。同一生物体内不同种类的细胞、同一细胞在不同时空状态下同一细胞在不同时空状态下snmRNAs表达谱表达谱的变化，以及与功能之间的关系。的变化，以及与功能之间的关系。 四、四、snmRNA参与了基因表达的调控参与了基因表达的调控细胞的不同部位存在的许多其他种类的小分细胞的不同部位存在的许多其他种类的小分子子RNA，统称为，统称为非非mRNA小小RNA(small non-messenger RNAs, snmRNAs)。 nsnmRNAsl核内小核内小RNAl核仁小核仁小RNAl胞质小胞质小RNAl催化性

16、小催化性小RNAl小片段干涉小片段干涉 RNA 参与参与hnRNA的加工剪接的加工剪接nsnmRNAs的的种类种类nsnmRNAs的的功能功能n核酶核酶某些小某些小RNA分子具有催化特定分子具有催化特定RNA降解降解的活性，这种具有催化作用的小的活性，这种具有催化作用的小RNARNA亦被称亦被称为为核酶核酶(ribozyme)或催化性或催化性RNA(catalytic RNA)。 siRNA是生物宿主对外源侵入的基因表达的双是生物宿主对外源侵入的基因表达的双链链RNA进行切割所产生的特定长度和特定核进行切割所产生的特定长度和特定核酸序列的小片段酸序列的小片段RNA。siRNA可以与外源基因表达

17、的可以与外源基因表达的mRNA相结合，相结合，并诱发这些并诱发这些mRNA的降解。的降解。 基于此机理，人们发明了基于此机理，人们发明了RNA干扰干扰(RNA interference，RNAi)技术。技术。n小片段干扰小片段干扰RNAn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 Characters of Nucleic Acid第四节第四节核酸的酸碱及溶解度性

18、质核酸的酸碱及溶解度性质l核酸为多元酸，具有较强的酸性。核酸为多元酸，具有较强的酸性。核酸的高分子性质核酸的高分子性质l粘度：粘度：DNARNA dsDNA ssDNAl沉降行为沉降行为:不同构象的核酸分子的沉降的不同构象的核酸分子的沉降的速率有很大差异，这是超速离心法提取和速率有很大差异，这是超速离心法提取和纯化核酸的理论基础。纯化核酸的理论基础。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

19、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/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、DNADNA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在某些理化因素作用下，在某些理化因素作用下，DNA双链解双链解开成两条单链开成两条单链的过程。的过程。n定义定义DNA变性的本

20、质是双链间氢键的断裂。变性的本质是双链间氢键的断裂。协同性的协同性的DNA解链解链高温或极端的高温或极端的pHnDNA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OD260增高增高的现象。的现象。nDNA解链时的解链时的紫紫外吸收变化外吸收变化nDNA的解的解链链曲线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

21、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解链解链曲线曲线的变化的变化三、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

22、，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不同的分子间形成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之间形之间形成，也可以在成，也可以在DNA和和RNA分子间或者分子间或者RNA与与RNA分子间形成。这种现象称为核酸分子杂交。分子间形成。这种现象称为核酸分子杂交。n核酸分子杂交核酸分子杂交(hybridization) n核酸分子杂交核酸分子杂交 研究研究DNA分子中某一种基因的位置。分子中某一种基因的位置。 监定两种核酸分子间的序列相似性。监定两种核酸分子间的序列相似性。 检测某些专一序列在待检样品中存在与否。检测某些专一序列在待检样品中存在与否。n核酸分子杂交的应用核酸分子杂交的应用第五节第五节 核酸酶核酸酶 Nuclease依据底物不同分类依据底物不同分类DNA酶酶(deoxyribonucleas