生物化学核酸的结构与功能课件

1、主 要 内 容第一节 核酸的化学组成及其一级结构第二节 DNA的空间结构与功能第三节 RNA的结构与功能第四节 核酸的理化性质第五节 核酸酶2学习指导重点： 1. 核酸的化学组成； 2. DNA的一级结构与二级结构； 3. RNA的主要类型及功能； 4. 核酸的理化性质。难点： 1. 真核生物染色体的结构. 2. 核酸的理化性质。进展： 1. 核酶的发现及其重要的生物学意义. 11:43:27第一节核酸的化学组成及其一级结构The Chemical Component and Primary Structure of Nucleic Acid核 酸(nucleic acid) 是以核苷酸为基本

2、组成单位的生物大分子，携带和传递遗传信息。核酸是遗传信息的载体(Appendix 1：)1868年 Fridrich Miescher 从脓细胞中提取核素。 1944年 Avery等人证实DNA是遗传物质。1953年 Watson和Crick发现DNA的双螺旋结构。1968年 Nirenberg发现遗传密码。1975年 Temin和Baltimore发现逆转录酶。1981年 Gilbert和Sanger建立DNA测序方法。1985年 Mullis发明PCR技术。1990年 美国启动人类基因组计划(HGP)。1994年 中国人类基因组计划启动。2001年 美英等国完成人类基因组计划。核酸研究的发

3、展简史核酸的分类及分布存在于细胞核和线粒体 分布于细胞核、细胞质、线粒体(deoxyribonucleic acid, DNA)(ribonucleic acid, RNA)脱氧核糖核酸 核糖核酸携带遗传信息，并通过复制传递给下一代。是DNA转录的产物，参与遗传信息的复制与表达。某些病毒RNA也可作为遗传信息的载体一、核酸分子（DNA和RNA）的化学组成 Nucleic Acid (NA) Polynucleotide chain (poly Nt)Nucleotide (Nt) basic unitMono-phosphate (Mp)Nucleoside (Ns)Deoxy-ribose

4、( Ribose )BasePurin (pu) Pyrimidine (py)Adenine (A) Thymine (T) Guanine (G) Uracil (U) Cytosine (C) DNA与RNA结构相似，但在组成成份上略有不同。核酸（DNA和RNA）是一种线性多聚核苷酸，它的基本结构单元是核苷酸。核酸核苷酸磷酸（脱氧）核苷戊糖碱基脱氧核糖（核糖）嘌呤嘧啶分子组成碱基(base)：嘌呤碱，嘧啶碱戊糖(ribose)：核糖，脱氧核糖磷酸(phosphate)核苷酸是构成核酸的基本组成单位碱基嘌呤嘧啶腺嘌呤鸟嘌呤尿嘧啶胸腺嘧啶胞嘧啶存在于DNA和RNA中仅存在于RNA中仅存在于D

5、NA中碱基(base)是含氮的杂环化合物。碱基嘌呤(purine，Pu) 腺嘌呤(adenine, A)鸟嘌呤(guanine, G)嘧啶(pyrimidine，Py)胞嘧啶(cytosine, C)尿嘧啶(uracil, U)胸腺嘧啶(thymine, T)仅存在于RNA中仅存在于DNA中D-2-脱氧核糖D-核糖脱氧核糖(deoxyribose)（构成DNA）核糖(ribose)（构成RNA）戊糖嘌呤N-9或嘧啶N-1与（脱氧）核糖C-1通过-N-糖苷键相连形成 （脱氧） 核苷(deoxy)ribonucleoside（脱氧）核苷NNNN9NH2O(O)HOHHHHCH2OHH12糖苷键核苷

6、酸(ribonucleotide)NNNN9NH2OOHOHHHHCH2H12OPO-HOO糖苷键酯键核苷或脱氧核苷与磷酸通过酯键结合构成核苷酸(ribonucleotide)或脱氧核苷酸(deoxyribonucleotide)核苷或脱氧核苷与磷酸通过酯键结合构成核苷酸(ribonucleotide)或脱氧核苷酸(deoxyribonucleotide)。核苷酸(ribonucleotide)NNNN9NH2OOHOHHHHCH2H12OPO-HOO糖苷键酯键多磷酸核苷酸环化核苷酸：cAMP、cGMP，是细胞信号转导中的第二信使。cAMP核苷酸衍生物Adenine Nucleotides A

7、re Components of Many Enzyme CofactorsCoenzyme A (CoA) functions in acyl group transfer reactions.二、DNA是脱氧核苷酸通过3,5-磷酸二酯键连接形成的大分子一个脱氧核苷酸3的羟基与另一个核苷酸5的-磷酸基团缩合形成磷酸二酯键(phosphodiester bond)。 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(polydeoxynucleotide)，即DNA链。5-末端3-末端CGA磷酸二酯键磷酸二酯键交替的磷酸基团和戊糖构成了DNA的骨架 (backbone

8、)。DNA链的方向是5 3三、RNA也是具有3,5-磷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成的线性大分子，并且具有方向性；RNA的戊糖是核糖；RNA的嘧啶是胞嘧啶和尿嘧啶。定义核酸中核苷酸的排列顺序。由于核苷酸间的差异主要是碱基不同，所以也称为碱基序列。5端3端CGA四、核酸的一级结构是核苷酸的排列顺序DNA一级结构：核苷酸排列顺序组成：4种dNMP（ dAMP，dGMP，dCMP，dTMP ）连接方式：3,5-磷酸二酯键连接5-ACGTA-3,ACGTA, 或5 pApCpGpTpA-OH 3形态： 4种dNMP排列为特定的多核苷酸长链书写方法：核酸分子大小表示：碱基

9、(base或kilobase)数目。小的核酸片段(80)。rRNA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场所。三、以rRNA为组分的核蛋白体是蛋白质合成的场所核蛋白体的组成原核生物（以大肠杆菌为例）真核生物（以小鼠肝为例）小亚基30S40SrRNA16S1542个核苷酸18S1874个核苷酸蛋白质21种占总重量的40%33种占总重量的50%大亚基50S60SrRNA23S5S2940个核苷酸120个核苷酸28S5.85S5S4718个核苷酸160个核苷酸120个核苷酸蛋白质31种占总重量的30%49种占总重量的35%大肠杆菌的核蛋白体18S rRNA的二级结构蛋

10、白质合成时形成的复合体RNA组学是研究细胞内snmRNA的种类、结构和功能。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snmRNAs表达谱的变化，以及与功能之间的关系。 四、snmRNA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子RNA，统称为非mRNA小RNA(small non-messenger RNAs, snmRNAs)。 snmRNAs核内小RNA核仁小RNA胞质小RNA催化性小RNA小片段干涉 RNA 参与hnRNA的加工剪接snmRNAs的种类snmRNAs的功能核酶某些小RNA分子具有催化特定RNA降解的活性，这种具有催化作用的小RNA亦被称为核酶(

11、ribozyme)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链RNA进行切割所产生的特定长度和特定核酸序列的小片段RNA。siRNA可以与外源基因表达的mRNA相结合，并诱发这些mRNA的降解。 基于此机理，人们发明了RNA干扰(RNA interference，RNAi)技术。小片段干扰RNA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表现了不同的时空特性真核生物基因表达的特异性小 结DNA为双链结构，RNA的结构以单链为主。DNA的二级结构为双螺旋结构。mRNA、tRNA、rRNA结构特点与功能。 核酸的理化性质The Physi

12、cal and Chemical Characters of Nucleic Acid第四节核酸的酸碱及溶解度性质核酸为多元酸，具有较强的酸性。可用电泳或离子交换（色谱）进行分离核酸的高分子性质粘度：DNARNA dsDNA ssDNA线性大分子（粘度高, 抗剪切力差）沉降行为: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纯化核酸的理论基础。核酸的一般理化性质（在中性溶液中带负电荷），核酸在波长 260nm 处有强烈的吸收，是由碱基的共轭双键所决定的。这一特性常用作核酸的定性和定量分析。一、核酸分子具有强烈的紫外吸收以A260/A280进行定性、定量DNA和RNA溶液中加入溴

13、化乙锭(EB)，在紫外下发出荧光碱基的紫外吸收光谱DNA或RNA的定量A260 = 1.0 相当于 50g/ml 双链DNA(dsDNA)40g/ml 单链DNA (ssDNA or RNA)20g/ml 寡核苷酸确定样品中核酸的纯度 纯 DNA: A260/A280 = 1.8纯 RNA: A260/A280 = 2.0紫外吸收的应用二、DNA变性是双链解离为单链的过程在某些理化因素作用下，DNA双链解开成两条单链的过程。定义DNA变性的本质是双链间氢键的断裂。协同性的DNA解链高温或极端的pHDNA的变性核酸变性与蛋白质变性的本质一样，只涉及自身空间结构的变化，而不改变本身一级结构。部分变

14、性DNA的电镜图像增色效应(hyperchromic effect)：DNA变性时其溶液OD260增高的现象。DNA解链时的紫外吸收变化Thermal denaturation of double-stranded DNA and RNA.Increases: 2540%.Increases: 1.1%DNA的解链曲线连续加热DNA的过程中以温度相对于A260值作图，所得的曲线称为解链曲线。 解链过程中，紫外吸光度的变化达到最大变化值的一半时所对应的温度。解链温度(melting temperature，Tm)G+C 含量越高，解链温度就越高。解链曲线的变化Tm vs GC ContentFo

15、rmula for Evaluation GC% of DNA:（G+C）%=(Tm-69.3)X2.44Marmur-Doty formula（马默多蒂关系式） 60 70 80 90 100 110G + C (% of total nucleotides)Tm (oC)100806040200Formula for Evaluation GC% of DNA:（G+C）%=(Tm-69.3)X2.44Marmur-Doty formula（马默多蒂关系式） 69.3Tm vs GC Content三、变性的核酸可以复性或形成杂交双链当变性条件缓慢地除去后，两条解离的互补链可重新配对，恢复

16、原来的双螺旋结构，这一现象称为DNA复性(renaturation) 。减色效应：DNA复性时，其溶液OD260降低。热变性的DNA经缓慢冷却后即可复性，这一过程称为退火(annealing) 。减色效应hypochromic effectRenaturation of DNA by fast and slow cooling.将热变性的DNA骤然冷却至低温时，DNA不可能复性。变性的DNA缓慢冷却时可复性，因此又称为“退火”。 退火温度Tm25一般地, DNA复性最优温度为：Tm -25Nucleation 成核现象, 晶核形成不同种类的DNA单链分子或RNA分子放在同一溶液中，只要两种单链

17、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间形成杂化双链(heteroduplex)。这种杂化双链可以在不同的DNA与DNA之间形成，也可以在DNA和RNA分子间或者RNA与RNA分子间形成。这种现象称为核酸分子杂交。核酸分子杂交(hybridization) 核酸分子杂交The double-stranded nucleic acid produced by hybridization is called a hybrid（杂交体）.Nucleic Acids from Different Species Can Form HybridsHybrid 杂交体hybri

18、d duplex 杂化双链研究DNA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。检测某些专一序列在待检样品中存在与否。Probe technique are accessible for diagnosis of hereditary diseases and investigation of tumors.核酸分子杂交的应用第五节 核酸酶 Nuclease依据底物不同分类DNA酶(deoxyribonuclease, DNase)：专一降解DNA。RNA酶 (ribonuclease, RNase)：专一降解RNA。依据切割部位不同核酸内切酶：分为限制性核酸内切酶和非特异性限制性

19、核酸内切酶。核酸外切酶：53或35核酸外切酶。核酸酶是指所有可以水解核酸的酶。5533外切位点外切位点内切位点内切位点参与DNA的合成、修复以及RNA的剪接。清除多余的、结构和功能异常的核酸，以及侵入细胞的外源性核酸。 降解食物中的核酸。体外重组DNA技术中的重要工具酶 。核酸酶的功能*核酶（ribozyme） 核 酶催化性DNA (DNAzyme) 人工合成的寡聚脱氧核苷酸片段，也能序列特异性降解RNA。 催化性RNA (ribozyme) 作为序列特异性的核酸内切酶降解mRNA。 本章总结核酸包括DNA和RNA。DNA携带遗传信息，RNA参与遗传信息的复制与表达。核酸的基本组成单位是核苷酸

20、。核酸的基本结构。DNA为双链结构，RNA的结构以单链为主。DNA的二级结构为双螺旋结构。mRNA、tRNA、rRNA结构特点与功能。DNA的理化性质。 思考题核酸分子的化学组成 ？DNA与RNA结构化学组成上的主要区别是什么？DNA 的一级结构、二级结构及高级结构的定义？多聚核苷酸是通过什么方式将核苷酸相连而成的链状聚合物？DNA双螺旋结构的要点？（作业）影响双螺旋结构稳定性的主要因素 ？三种主要的RNA及其功能?DNA变性、核酸分子杂交，DNA的Tm值与其所含的G+C比例的关系？核酶的本质是什么？DNA 是主要的遗传物质RNA 也是遗传物质-烟草花叶病毒（tobacco mosaic virus,TMV） Protein? Prion?蛋白质可以自我复制？可以遗传？DNA 是遗传物质(Appendix 1：)证明DNA 是遗传物质的两大经典实验：实验一：1944 年，Avery的经典试验证明细菌的遗传物质为DNA实验二：1952 年，Hershey和Chase的经典试验证