核苷酸与核酸

核苷酸与核酸第1页/共88页

分子生物学是研究核酸和蛋白质的结构与功能的学科。在分子水平上阐述基因的结构、基因的复制、基因的表达和调节、蛋白质与核酸的相互作用、蛋白质与蛋白质的相互作用。第2页/共88页

医学分子生物学是分子生物学的一个重要分支，是从分子水平研究人体在正常和疾病状态下生命活动及其规律的一门科学。医学分子生物学主要研究人体生物大分子和大分子体系的结构、功能、相互作用及其与疾病发生、发展的关系。第3页/共88页生物化学与分子生物学(供8年制及7年制临床医学等专业用)贾弘缇，冯作化主编人民卫生出版社(第二版2010)2.医学分子生物学(供研究生用)(全国高等医药院校教材)查锡良主编人民卫生出版社参考教材第4页/共88页主要内容核酸结构与功能蛋白质的结构与功能遗传信息传递的整体性(基因组学、转录组学、蛋白组学及“组学”在医学中的应用)基因表达与调控(原核生物基因表达调控，真核生物基因表达调控）DNA操作基本技术（分子杂交，PCR,DNA测序等）DNA重组技术基因诊断与基因治疗第5页/共88页核酸(nucleicacid)：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。核酸结构及功能第6页/共88页核酸的分类及分布

存在于细胞核和线粒体内存在于胞核、胞液和线粒体(deoxyribonucleicacid,DNA)(ribonucleicacid,RNA)脱氧核糖核酸

核糖核酸携带遗传信息，决定细胞和个体的遗传型。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。(Classificationofnucleicacid)第7页/共88页History1944:provedDNAisgeneticmaterials

(Averyetal.)1953:discoveredDNAdoublehelix

(WatsonandCrick)1968:decodedthegeneticcodes

(Nirenberg)1975:discoveredreversetranscriptase(TeminandBaltimore)1981:inventedDNAsequencingmethod

(GilbertandSanger)1985:inventedPCRtechnique

(Mullis)1990:launchedthe

humangenomeproject

1999:HGPinChina2001:accomplishedthedraftmapofhumangenome第8页/共88页核酸的化学组成(TheChemicalComponentofNucleicAcid)第9页/共88页核酸的化学组成元素组成

C、H、O、N、P(9-10%)

分子组成

碱基(base):

嘌呤(purine)

嘧啶(pyrimidine)

戊糖(pentose):

核糖(ribose)

脱氧核糖(deoxyribose)

磷酸(phosphate)第10页/共88页核酸的基本组成单位是核苷酸(nucleotides)碱基戊糖磷酸核苷酸核苷核酸DNA的基本组成单位是脱氧核糖核苷酸RNA的基本组成单位是核糖核苷酸

nucleicacidnucleotidephosphatenucleosidepentosebase第11页/共88页嘌呤

嘧啶

碱基腺嘌呤（A）鸟嘌呤（G）胞嘧啶（C）胸腺嘧啶（T）尿嘧啶（U）DNA、RNA均有DNA有RNA有一、核苷酸的结构每种核酸都含有四种碱基。第12页/共88页嘌呤(purine)腺嘌呤(adenine,A)鸟嘌呤(guanine,G)第13页/共88页嘧啶(pyrimidine)胞嘧啶(cytosine,C)尿嘧啶(uracil,U)胸腺嘧啶(thymine,T)第14页/共88页

稀有碱基（rarebases）DNARNA嘌呤7-甲基鸟嘌呤（m7G）N6-甲基腺嘌呤（m6A）N6-甲基腺嘌呤（m6A）N6,N6-二甲基腺嘌呤7-甲基鸟嘌呤嘧啶5-甲基胞嘧啶（m5C）5-甲基胞嘧啶（m5C）5-羟甲基胞嘧啶（hm5C）5-羟甲基胞嘧啶（hm5C）第15页/共88页第16页/共88页核苷（nucleoside）碱基与戊糖通过β-N-糖苷键共价相连而形成的一种糖苷。

（glycosidicbond）（glycosidicbond）第17页/共88页核苷酸：AMP,GMP,UMP,CMP脱氧核苷酸：dAMP,dGMP,dTMP,dCMP

（glycosidicbond）（phosphoesterbond）核苷酸（nucleotide）核苷的戊糖羟基与磷酸之间脱水以酯键相连形成核苷酸。第18页/共88页核苷酸（nucleotide)胞嘧啶（cytosine）胞苷（cytidine)胞苷一磷酸（cytidinemonophosphate）第19页/共88页

多磷酸核苷酸：

NMP，NDP，NTP第20页/共88页第21页/共88页第22页/共88页第23页/共88页第24页/共88页

核苷酸的功能构成核酸是细胞内化学能载体可以作为细胞内信号转导信使是一些重要辅酶的结构成分是重要的药物研究对象

第25页/共88页核酸的结构StructureofNucleicAcid第26页/共88页一、核酸的一级结构（primarystructure）

定义：核酸中核苷酸的排列顺序。组成DNA分子的脱氧核糖核苷酸(dAMP,dGMP,dTMP,dCMP)的排列顺序。组成RNA分子的核糖核苷酸(AMP,GMP,UMP,CMP)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。第27页/共88页5´端3´端核苷酸之间以3,5-磷酸二酯键(phosphoesterbond)连接形成多核苷酸链，即核酸。CGA第28页/共88页书写方法第29页/共88页

碱基戊糖磷酸

碱基戊糖磷酸

嘌呤嘧啶DNAAGCT

脱氧核糖磷酸RNA AGCU

核糖磷酸N9N1C1‘

核苷糖苷键核苷酸（多为5’核苷酸）磷酸二酯键两种核酸的比较第30页/共88页DNA的结构第31页/共88页一、DNA的一级结构

四种脱氧核糖核苷酸或四种碱基的排列顺序称为DNA的一级结构。第32页/共88页二、DNA的二级结构（Secondarystructure）

---双螺旋结构(DoublehelixofDNA)

JamesWatsonandFrancisCrickproposedadoublehelixmodelofDNAin1953.第33页/共88页DNA双螺旋结构模型要点

1.两条链反向平行(antiparallel)，围绕同一中心轴构成右手双螺旋(doublehelix)。螺旋直径2nm，表面有大沟和小沟。2.磷酸-脱氧核糖骨架位于螺旋外侧，碱基垂直于螺旋轴而伸入内侧。每圈螺旋含10个碱基对

(basepairs,bp)，螺距为3.4nm。大沟小沟第34页/共88页3.两条链通过碱基间的氢键相连，A对T有两个氢键，C对G有三个氢键，这种A-T、C-G配对的规律，称为碱基互补规则。4.维持双螺旋稳定的因素：横向为氢键，纵向为碱基间的堆积力。第35页/共88页DNA双螺旋结构的多样性Z型DNAB型DNAA型DNA右手螺旋左手螺旋第36页/共88页三、DNA的高级结构DNA分子在形成双螺旋结构的基础上，进一步折叠成超螺旋结构(supercoil)(原核细胞)，或在蛋白质的参与下，进行精密的包装(真核细胞)。高度压缩的DNA分子才能容纳于细胞质或细胞核中。第37页/共88页原核生物(Prokaryotic)DNA的高级结构

环状双螺旋分子，进一步盘绕形成类核。第38页/共88页超螺旋结构(superhelix或supercoil)DNA双螺旋链再盘绕即形成超螺旋结构。

正超螺旋(positivesupercoil)盘绕方向与DNA双螺旋方同相同。负超螺旋(negativesupercoil)盘绕方向与DNA双螺旋方向相反。自然界的闭合双链DNA主要以负超螺旋形式存在。第39页/共88页EMimageofsupercoiledDNA

第40页/共88页意义DNA超螺旋结构整体或局部的拓扑学变化及其调控对于DNA复制和RNA转录过程具有关键作用。第41页/共88页DNA在真核生物(Eukaryotic)细胞核内的组装真核生物染色体由DNA和蛋白质构成，其基本单位是核小体(nucleosome)。核小体的组成DNA：约200bp组蛋白：H1H2A，H2BH3H4第42页/共88页(约60bp)组蛋白H1八聚体核心组蛋白第43页/共88页串珠状核小体结构第44页/共88页真核生物染色体DNA组装第45页/共88页DNA的功能(FunctionsofDNA)DNA的基本功能是以基因的形式荷载遗传信息，并作为基因复制和转录的模板。它是生命遗传的物质基础，也是个体生命活动的信息基础。第46页/共88页基因组（Genome）

包含了所有编码RNA和蛋白质的序列及所有的非编码序列。人的基因组有2×109个碱基对。是指DNA分子中的特定区段，其中的核苷酸排列顺序决定了基因的功能。基因(Gene)第47页/共88页

DNA的结构特点具有高度的复杂性和稳定性,

满足遗传多样性和稳定性。2.DNA可以发生重组和突变，为自然选择提供机会。第48页/共88页

RNA的结构与功能StructureandFunctionofRNA第49页/共88页RNA常以单链形式存在，局部也可形成二级结构和三级结构。RNA分子比DNA分子小得多，数十个至数千个核苷酸组成。RNA种类、大小和结构多样化。RNA和蛋白质共同负责基因的表达和表达调控。RNA特点第50页/共88页主要RNA的种类、分布及功能第51页/共88页一、信使RNA(MessengerRNA,mRNA)

-------作为蛋白质合成的模板hnRNA内含子(intron)mRNAmRNA成熟过程

外显子(exon)第52页/共88页*mRNA结构特点1.真核mRNA的5´末端在转录后加上一个7-甲基鸟苷，同时第一个核苷酸的C´2也是甲基化，形成帽子结构：m7GpppNm-。2.真核mRNA的3´末端有一个多聚腺苷酸(polyA)结构，称为多聚A尾。第53页/共88页mRNA核内向胞质的转位mRNA的稳定性维系翻译起始的调控帽子结构和多聚A尾的功能*mRNA的功能：作为蛋白质合成的模板。第54页/共88页第55页/共88页tRNA的一级结构特点含稀有碱基较多3´末端为-CCA-OH二、转运RNA(TransferRNA,tRNA)----氨基酸的携带者，转运氨基酸至核糖体，参与蛋白质的合成。第56页/共88页*tRNA的二级结构——三叶草形氨基酸臂额外环第57页/共88页*tRNA的三级结构——倒L形*tRNA的功能活化、搬运氨基酸到核糖体，参与蛋白质的翻译。第58页/共88页*rRNA的结构三、核蛋白体RNA(RibosomalRNA,rRNA)*rRNA的功能参与组成核蛋白体，作为蛋白质生物合成的场所。第59页/共88页第60页/共88页核糖体(ribosomes)的组成原核生物真核生物小亚基30S40SrRNA16S18S蛋白质21种33种大亚基50S60SrRNA23S5S28S5.8S5S蛋白质33种49种核糖体70S80S第61页/共88页18SrRNA的二级结构

第62页/共88页第63页/共88页四、其他小分子RNA及RNA组学除了上述三种RNA外，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

(smallnon-messengerRNAs，snmRNAs)。

非mRNA小RNA（snmRNAs）第64页/共88页snmRNAs的种类核内小RNA(snRNA)核仁小RNA(snoRNA)胞质小RNA(scRNA)催化性小RNA小片段干扰RNA(siRNA)snmRNAs的功能参与hnRNA和rRNA的转录后加工和转运以及基因表达过程的调控等。第65页/共88页核酸的理化性质ThePhysicalandChemicalCharactersofNucleicAcid第66页/共88页一、核酸的一般理化性质核酸为多元酸，具有较强的酸性；DNA是线性高分子，粘度极大；在260nm波长有最大吸收峰，是由碱基的共轭双键决定的。这一特性常用作核酸的定性、定量分析。第67页/共88页腺嘌呤第68页/共88页1.DNA或RNA的定量OD260=1.0相当于50g/ml双链DNA40g/ml单链DNA（或RNA）20g/ml寡核苷酸2.判断核酸样品的纯度DNA纯品:OD260/OD280=1.8RNA纯品:OD260/OD280=2.0OD260的应用第69页/共88页二、DNA的变性(denaturation)定义：在某些理化因素作用下，DNA双链解开成两条单链的过程。变性因素：过量酸、碱、加热等。变性后理化性质的主要改变：OD260增高 粘度下降第70页/共88页第71页/共88页DNA的紫外吸收光谱增色效应(hyperchromicity)

DNA变性时其溶液OD260增高的现象。第72页/共88页*解链曲线(MeltingcurveofdsDNA)在连续加热DNA的过程中以温度对A260值作图，所得的曲线称为解链曲线。第73页/共88页*Tm：紫外光吸收值达到最大值的50%时的温度称为DNA的解链温度，又称融解温度(meltingtemperature,Tm)。其大小与G+C含量成正比。第74页/共88页三、DNA的复性与分子杂交

*DNA复性(renaturation)在适当条件下，变性DNA的两条互补链可恢复天然的双螺旋构象，这一现象称为复性。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)

。第75页/共88页CooperativeunwindingofDNAstrandsExtremesinpHorhightemperatureDenaturationofDNA第76页/共88页EMimageofdenaturedDNA第77页/共88页

热变性的DNA在复性过程中，具有碱基序列部分互补的不同的DNA之间或DNA与RNA之间形成杂化双链的现象。核酸分子杂交(hybridization)第78页/共88页变性复性复性第79页/共88页第80页/共88页核酸分子杂交的应用研究DNA分子中某一种基