核酸的结构与功能学习教案

1、会计学1核酸的结构核酸的结构(jigu)与功能与功能第一页，共79页。 1869 Miescher isolated DNA for the first time. 确定确定(qudng)了了生物遗传的物质生物遗传的物质基础是基础是DNA n核核 酸酸(nucleic acid) 是以核苷酸为基本组成单位的生物是以核苷酸为基本组成单位的生物(shngw)大分子，携带和传递遗传信息。大分子，携带和传递遗传信息。第1页/共78页第二页，共79页。n核酸的分类核酸的分类(fn li)及分布及分布存在存在(cnzi)(cnzi)于细胞核和线于细胞核和线粒体粒体 分布分布(fnb)(fnb)于细胞核、细

2、胞质、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2页/共78页第三页，共79页。第一节第一节核酸的化学核酸的化学(huxu)(huxu)组成及组成及其一级结构其一级结构The Chemical The Chemical Com

3、ponent and Primary Component and Primary Structure of Nucleic AcidStructure of Nucleic Acid第3页/共78页第四页，共79页。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呤嘌呤嘧啶嘧啶核糖核糖脱氧核糖脱氧核糖n核酸核酸(h sun)(h sun)组成组成 第4页/共78页第五页，共79页。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、

4、核苷酸是构成核酸一、核苷酸是构成核酸(h sun)的基本的基本组成单位组成单位第5页/共78页第六页，共79页。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(pi(piololngng) )嘧啶嘧啶(m (m dndn) )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(m (m dn)dn)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碱基碱基第6页/共78页第七页，共79页。嘌呤嘌呤(piolng)(purine，Pu) NNNHN123456789NNNHNNH2腺嘌呤腺嘌呤(adenine, A)

5、NNHNHNNH2O鸟嘌呤鸟嘌呤(guanine, G)第7页/共78页第八页，共79页。NNH132456嘧啶嘧啶(m dn)(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)NHNHOOCH3第8页/共78页第九页，共79页。n戊糖戊糖（构成（构成RNA）1 2 3 4 5 OHOCH2OHOHOH核糖核糖(ribose)（构成（构成DNA）OHOCH2OHOH脱氧核糖脱氧核糖(deoxyribose)第9页/共78页第十页，共79页。嘌呤嘌呤N-9N-9或嘧啶或嘧啶N-1

6、N-1与核糖与核糖C-1C-1通过通过(tnggu)-N-(tnggu)-N-糖苷键相连形成核苷糖苷键相连形成核苷(ribonucleoside)(ribonucleoside)。n核苷核苷NNNN9NH2OOHO HHHHCH2O HH12糖苷键糖苷键OHOCH2OHOHNNNH2O1 1 AR, GR, UR, CR第10页/共78页第十一页，共79页。n脱氧核苷脱氧核苷嘌呤嘌呤N-9 或嘧啶或嘧啶N-1与脱氧核糖与脱氧核糖C-1通过通过-N-糖苷键相连糖苷键相连(xin lin)形成脱氧核苷形成脱氧核苷(deoxyribonucleoside)。OHOCH2OHOHNNNH2O1 1Hd

7、AR, dGR, dTR, dCR第11页/共78页第十二页，共79页。核苷或脱氧核苷与磷酸通过酯键结合核苷或脱氧核苷与磷酸通过酯键结合(jih)(jih)构成核构成核苷酸苷酸(ribonucleotide)(ribonucleotide)或脱氧核苷酸或脱氧核苷酸(deoxyribonucleotide)(deoxyribonucleotide)。n核苷酸核苷酸(ribonucleotide) AMP, GMP, UMP, CMPNNNN9NH2OO HO HHHHCH2H1 2OPO- -HOO糖苷键糖苷键酯键酯键脱氧核苷酸：脱氧核苷酸：dAMP, dGMP, dTMP, dCMP 第12页

8、/共78页第十三页，共79页。NADP+NAD+第13页/共78页第十四页，共79页。n多磷酸多磷酸(ln sun)(ln sun)核苷酸核苷酸第14页/共78页第十五页，共79页。环化核苷酸：环化核苷酸：cAMPcAMP、cGMPcGMP，是细胞，是细胞(xbo)(xbo)信号转导中的第二信使。信号转导中的第二信使。NOCH2OOHONNNNH2POOHcAMPn核苷酸衍生物核苷酸衍生物第15页/共78页第十六页，共79页。二、二、DNA是脱氧核苷酸通过是脱氧核苷酸通过(tnggu)3,5-磷酸二酯键连接形成的大磷酸二酯键连接形成的大分子分子一个脱氧核苷酸一个脱氧核苷酸3 3的羟基与另一个核

9、苷酸的羟基与另一个核苷酸5 5的的 - - 磷 酸 基 团 缩 合 形 成 磷 酸 二 酯 键磷 酸 基 团 缩 合 形 成 磷 酸 二 酯 键(phosphodiester bond)(phosphodiester bond)。 多个脱氧核苷酸通过磷酸二酯键构成了具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有方向性的线性分子(fnz)(fnz)，称为多聚脱氧核，称为多聚脱氧核苷酸苷酸(polydeoxynucleotide)(polydeoxynucleotide)，即，即DNADNA链。链。第16页/共78页第十七页，共79页。5-末末端端3-末末端端CGA磷酸二酯键磷酸二酯键

10、磷酸二酯键磷酸二酯键第17页/共78页第十八页，共79页。交替的磷酸基团交替的磷酸基团(j tun)(j tun)和戊糖构成了和戊糖构成了DNADNA的骨架的骨架 (backbone)(backbone)。DNA链的方向链的方向(fngxing)是是5 3第18页/共78页第十九页，共79页。三、三、RNARNA也是具有也是具有(jyu)3,5-(jyu)3,5-磷磷酸二酯键的线性大分子酸二酯键的线性大分子 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成(xngchng)的线性大分子，并且具有方向的线性大分子，并且具有方向性；性； RNA的戊糖是核糖；的戊糖是核糖；

11、 RNA的嘧啶的嘧啶(m dn)是胞嘧啶是胞嘧啶(m dn)和尿嘧啶和尿嘧啶(m dn)。第19页/共78页第二十页，共79页。55端端3端端CGA四、核酸四、核酸(h sun)的一的一级结构是核苷酸的排列级结构是核苷酸的排列顺序顺序第20页/共78页第二十一页，共79页。A G P5 P T PG PC PT P OH 3 n书写书写(shxi)(shxi)方方法：法：5 pApCpTpGpCpT-OH 3 5 A C T G C T 3 第21页/共78页第二十二页，共79页。 核酸分子核酸分子(fnz)的大小常用碱基的大小常用碱基(base或或kilobase)数数目来表示。目来表示。

12、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核蛋白体与核蛋白体蛋白结合组成核蛋白体(ribosome)，为蛋白质的合成提供，为蛋白质的合成提供(tgng)场所。场所。三、以三、以rRNArRNA为组分为组分(zfn)(zfn)的核蛋白的核蛋白体是蛋白质合成的场所体是蛋白质合成的场所第54页/共78页第五十五页，共79页。n核蛋白体的组成核蛋白体的组成(z (z chn)chn)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

13、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%第55页/共78页第五十六页，共79页。70S ribosome50S large subunit23S rRNA5S rRNA31 proteins16S rRNA21 proteins30S small subunitn大肠杆菌大肠杆菌(d c

14、hn n jn)的核蛋白体的核蛋白体第56页/共78页第五十七页，共79页。n蛋白质合成蛋白质合成(hchng)时形成的复时形成的复合体合体第57页/共78页第五十八页，共79页。n核酶核酶某些小某些小RNARNA分子具有催化分子具有催化(cu hu)(cu hu)特定特定RNARNA降解的活性，这种具有催化降解的活性，这种具有催化(cu hu)(cu hu)作用的小作用的小RNARNA亦被称为核酶亦被称为核酶(ribozyme)(ribozyme)或催化或催化(cu hu)(cu hu)性性RNA(catalytic RNA)RNA(catalytic RNA)。 第58页/共78页第五十九

15、页，共79页。RNA具有(jyu)酶活性的发现 Sidney Altman，Thomas R. Cech （1939-） （1947-） The Nobel Prize in Chemistry 1989 for their discovery of catalytic properties of RNA 第59页/共78页第六十页，共79页。核酸的理化核酸的理化(lhu)(lhu)性质性质The Physical and Chemical The Physical and Chemical Characters of Nucleic AcidCharacters of Nucleic Aci

16、d第四节第四节第60页/共78页第六十一页，共79页。第61页/共78页第六十二页，共79页。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由碱基的共轭双键所决定(judng)的。这一特的。这一特性常用作核酸的定性和定量分析。性常用作核酸的定性和定量分析。一、核酸一、核酸(h sun)(h sun)分子具有强烈的分子具有强烈的紫外吸收紫外吸收第62页/共78页第六十三页，共79页。n碱基的紫外吸收光谱碱基的紫外吸收光谱(x shu un p)第63页/共78页第六十四页，共79页。DNA或或RNA的定量的定量A260 = 1.0 相当于相当于 50

17、g/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确定样品中核酸(h sun)的纯度的纯度 纯纯 DNA: A260/A280 = 1.8纯纯 RNA: A260/A280 = 2.0n紫外吸收紫外吸收(xshu)的的应用应用第64页/共78页第六十五页，共79页。二、二、DNADNA变性变性(binxng)(binxng)是双链解离为单链是双链解离为单链的过程的过程在某些理化因素在某些理化因素(yn s)作用下，作用下，DNA双链双链解开成两条单链的过程。解开成两条单链的过程。n定义定义(dngy)DN

18、A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。常见因素常见因素：过量酸，碱，加热，变性试剂如尿素、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。酰胺以及某些有机溶剂如乙醇、丙酮等。第65页/共78页第六十六页，共79页。协同协同(xitng)性的性的DNA解链解链高温高温(gown)或极端或极端的的pHnDNA的变性的变性(binxng)第66页/共78页第六十七页，共79页。n部分变性部分变性(binxng)DNA的电镜图的电镜图像像变性后理化变性后理化(lhu)(lhu)性质变化性质变化：OD260增高增高(znggo)粘度下降粘度下降比旋度下降比旋

19、度下降浮力密度升高浮力密度升高酸酸碱碱滴定曲滴定曲线线改改变变生物活性生物活性丧丧失失第67页/共78页第六十八页，共79页。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(znggo)的现象。的现象。nDNA解链时的紫外吸收解链时的紫外吸收(xshu)变化变化第68页/共78页第六十九页，共79页。nDNA的解链曲线的解链曲线(qxin)连续加热连续加热DNA的的过程过程(guchng)中以温中以温度相对于度相对于A260值作图值作图，所得的曲线称为解，所得的曲线称为解链曲线。链曲线。 解链过程解链过程(guchng)中，紫外吸中

20、，紫外吸光度的变化达到最大变光度的变化达到最大变化值的一半时所对应的化值的一半时所对应的温度。温度。解链温度解链温度(melting temperature，Tm)第69页/共78页第七十页，共79页。G+C 含量含量(hnling)越高，解链温度就越越高，解链温度就越高。高。n解链曲线解链曲线(qxin)的的变化变化第70页/共78页第七十一页，共79页。三、变性的核酸可以复性三、变性的核酸可以复性(f xn)或形成杂交双链或形成杂交双链当变性条件缓慢地除去后，两条解离的互补当变性条件缓慢地除去后，两条解离的互补(h b)链可重新配对，恢复原来的双螺旋结构，这链可重新配对，恢复原来的双螺旋结构，这一现象称为一现象称为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(rngy)OD260降低降低。Hypochromism：A decrease in the absorbance coefficient as DNA renatures from the single-stranded to the double-stranded form.热变性的热变性的DNA经缓慢冷却后即可复性，这一过程经缓慢冷却后即可复性，这一过