核酸的结构与功能课件

Chapter2

Structureandfunctionofnucleicacids

Contents一、原核细胞与真核细胞二、DNA结构与功能三、RNA结构与功能四、DNA理化特性1ProkaryoticandEukaryoticCell有细胞核，染色体位于细胞核内真核生物:多细胞动植物,单细胞酵母等原核生物与真核生物区别

原核生物真核生物基因组大小小、单个大、多个核拟核真核（核膜核仁、和组蛋白）核外DNA质粒（plasmid）线粒体DNA、叶绿体DNA转录翻译原位、同步异位、不同步转录后加工无有（剪接、修饰）细胞器无有（内质网、线粒体、高尔基体、溶酶体等）2DNAStructureandFunction

P26水解水解水解单核苷酸(B-R-P)核苷(B-R)碱基(B)戊糖(R)磷酸(P)核酸碱基（base)腺嘌呤(adenine,A)

鸟嘌呤(guanine,G)

胞嘧啶(cytosine,C)胸腺嘧啶(thymine,T)尿嘧啶(uracil,U)

嘌呤(purine)嘧啶(pyrimidine)嘌呤(purines)

腺嘌呤（A）（6-氨基嘌呤）

鸟嘌呤（G）（2-氨基

6-氧嘌呤）稀有碱基(unusualcomponent)--又称修饰碱基

（themodifiedcomponent)指上述五种碱基环上的某一位置被一些化学基团(如甲基化、甲硫基化等)修饰后的衍生物。一般这些碱基在核酸中的含量稀少，在各种类型核酸中的分布也不均一。如DNA中的修饰碱基主要见于噬菌体DNA，RNA中以tRNA含修饰碱基最多。核糖脱氧核糖戊糖(ribose)RNA:D-核糖DNA:D-2-脱氧核糖D-核糖的C-2所连的-OH脱去氧就是D-2脱氧核糖D-D-两类核酸的基本成分RNADNA磷酸磷酸磷酸戊糖D-核糖D-2-脱氧核糖嘌呤碱腺嘌呤(A)鸟嘌呤(G)腺嘌呤(A)鸟嘌呤(G)嘧啶碱胞嘧啶(C)尿嘧啶(U)胞嘧啶(C)胸腺嘧啶(T)腺嘌呤核苷（腺苷）19核糖腺嘌呤胞嘧啶脱氧核苷（脱氧胞苷）11脱氧核糖胞嘧啶核苷酸核苷磷酸核苷酸(nucleotide)连接方式：磷酯键糖环上所有游离羟基（核糖的C-2、C-3、C-5及脱氧核糖的C-3、C-5）均能与磷酸发生酯化结合。生物体内多数核苷酸是5-核苷酸，即糖环上的C-5

与磷酸发生酯化结合。POOO腺嘌呤核苷酸（腺苷酸）5脱氧胞嘧啶核苷酸（脱氧胞苷酸）5核酸一级结构的概念：核酸分子中核苷酸的排列顺序，即碱基的排列顺序。连接键即3,5-磷酸二酯键：第一个核苷酸糖环上原来游离的

C-3羟基与第二个核苷酸C-5磷酸组成3,5磷酸二酯键。书写规则：方向5

3,从繁到简有多种表示方法。具有方向性：二个游离末端

5末端(游离磷酸基)

3末端(游离羟基)3‘，5’–磷酸二酯键5‘末端的磷酸基团3‘末端的羟基(-OH)3‘，5’–磷酸二酯键核苷酸链:一级结构5CAG3

CAG53

PP5pCpApG–OH3

1.Chargaff规则（1949-1951）不同物种的DNA碱基组成不同；同一生物体的不同组织的DNA的碱基组成相同；[A]=[T]，[G]=[C]，[A]+[G]=[T]+[C]2.Wilkins

和Franklin的高质量的X-衍射图3.Watson

和Crick提出双螺旋模型（1953）研究背景Background腺嘌呤(A)胸腺嘧啶(T)鸟嘌呤(G)胞嘧啶(C)(A+T)/(G+C)大肠杆菌25.424.81小麦26.828.01鼠29.725.621.922.81.21肝猪胸腺脾29.430.029.629.728.929.220.520.420.420.520.720.81.43酵母31.332.918.717.11.08DNA来源碱基不同物种的DNA碱基组成含量（例）1953年<自然>杂志上发表的论文-揭示了地球上生物的代码-DNA的分子结构核糖核酸领带俱乐部"DNA:TheSecretofLife"premierefeaturesWatsonvisitThestudentsgreetedthe75-year-oldscientistwithastandingovation.

Watsonandthestudents(left)engagedinalivelydiscussionofgenomicsformorethanahourbeforethestudentsweretreatedtoasneakpreviewof“DNA:TheSecretofLife.”ThedayfeaturedavisitbyNobellaureateJamesD.Watson.

Watson(right)andhispartner,FrancisCrick,arecreditedwithdiscoveringtheDNAdoublehelixin1953.CoinsofUK-TwoPoundCoinReversesDNA双螺旋模型的基本内容反向平行、互补双链

脱氧核糖和磷酸骨架位于双链外侧，走向相反（5´3´、3´5´）；碱基配对:A-T，G-C右手螺旋，并有大沟和小沟

螺旋直径2nm,螺距3.4nm,螺旋一周10个碱基对，碱基平面距离0.34nm双螺旋结构稳定力横向是碱基对氢键；纵向是碱基平面间的疏水堆积力（base-stackingforce）3.4nm0.34nmMajorGrooveMinorgroove2nm5‘5‘3‘3‘UTAADNA结构的多样性右手双螺旋（B-DNA）：生理条件下最稳定的结构；A-DNA：脱水条件下DNA双螺旋、及生理条件下的RNA双螺旋和DNA-RNA杂合双螺旋中。结构特征：右手双螺旋、螺旋直径2.6nm、螺距2.5nm，11个碱基/周；Z-DNA：存在于CGCGCGCG结晶体结构中。结构特征：左手螺旋、螺旋直径1.8nm、螺距4.5nm、12碱基/周、核酸链骨架显Z字型走行。5´3´5´3´5´5´5´3´5´3´3´3´MinorgrooveMajorgrooveMinorgrooveMajorgroovegrooveTriple-strandedhelicesarefoundinregionsofDNAthathaverepeatingstretchesofpurinesalternatingwithstretchesofpyrimidinescomplementarytothepurinestretches.Underthesecircumstances,onestrandofarepeatingunitfoldsbackintothemajorgrooveoftheprecedingrepeatingunit.Thisconformationleavesonestrandoftherepeatingunitunpaired.Triple-strandedhelicesThefour-strandedhelixischaracterizedbyG-richregionsofDNA.Thisstructureisoftenfoundattheendofchromosomesinthetelomeres,andmaybeimportantintheprocessofmeiosis.Thefour-strandedhelixDNA的超螺旋结构（一）原核生物DNA的高级结构（二）真核生物DNA的高级结构原核生物DNA在共价闭环双螺旋基础上进一步扭转盘曲,形成超螺旋(supercoil)体积进一步压缩。Supercoils.Atypicalphonecordisacoil.Aphonecordtwistedasshownisasupercoil.Theillustrationisespeciallyappropriate,becauseanexaminationofthetwistingofphonecordshelpedleadJeromeVinogradandcolleaguestotheinsightthatmanypropertiesofsmall,circularDNAscouldbeexplainedbysupercoiling.TheyfirstdetectedDNAsupercoilinginsmall,circularviralDNAsin1965.P88ElectronmicrographofDNAfromalysedE.colicell.Severalsmall,circularplasmidDNAsareindicatedbyarrows.Theblacksspotsandwhitespecksareartifactsofthepreparation.原核生物DNA：共价封闭环(covalentlyclosedcircle)－CCC分子超螺旋有方向性：正超螺旋、负超螺旋超螺旋的意义：自由状态的DNA通常没有活性，负超螺旋是DNA复制、基因转录等生命活动的必需超螺旋DNA对变性剂有较高的沉降系数和电泳迁移率，是实验室中分离纯化并鉴定超螺旋DNA的重要依据P45,87真核生物DNA分子结构染色体的多层次压缩包装p91KaryotypeofDrosophilapseudoobscuraDNA:MW=1010,1.2cm进一步螺旋，6个核小体/圈螺旋管:纤丝结构（30nm，压缩比40）核小体:串珠状的结构(11nm,压缩比6)襻状结构(300nm，压缩比680)染色单体(700nm，压缩比1.2104)DNA双螺旋H1、H2A、H2B、H3和H4+(2nm)染色体（chromosome）--独立携带必需遗传信息的DNA分子，并包括决定其结构的有关蛋白质。染色体的多层次压缩包装--细胞核DNA在双螺旋基础上的进一步结构变化,巨大的DNA链要包装成染色体需经多层次的结构变化才能实现，这些结构变化就是更高层次超螺旋的形成。染色质（chromatin）：真核生物染色体都包含一个很长的线性DNA分子，并被组装在细胞核内。染色质用来描述构成真核生物染色体的高度有序的DNA－蛋白质复合物。染色质结构用来包装和组构染色体DNA，并能在细胞周期的不同阶段调整压缩DNA的水平。几个概念染色质的基本结构单位是核小体，主要蛋白质成分是组蛋白。1974.Kornbergfoundnucleosomes.核小体＝组蛋白核心＋H1组蛋白＋盘绕其上的DNAp94八聚体组蛋白核心2(H2A,H2B,H3,H4)核小体念珠核小体染色质纤丝玫瑰花环念珠状核小体ElectronmicrographofDrosophilamelanogasterchromatinafterswellingrevealsthepresenceofnucleosomesas“beadsonastring.”染色质纤丝突环蛋白质骨架（scaffold）DNAloops真核生物染色体DNA组装不同层次的结构中期染色体螺旋圈突环染色质纤丝念珠核小体链DNA中期染色体染色单体－由染色体复制产生的两股染色单体中之一，它们由着丝粒拉在一起，在有丝分裂时，染色单体变成分离的染色体。端粒－一条染色体的两个末端染色粒之一，用于保持真核生物染色体末端稳定性的DNA片段。着丝粒－两条染色单体相连的区域DNA的功能遗传信息的载体:DNARNAProtein；基因的物质基础:核苷酸的排列顺序决定了基因的功能；基因组(genome):包含了所有编码RNA和蛋白质的序列及所有非编码序列--DNA分子的全序列。SV40病毒5100bp大肠杆菌5700kbp人3109bp3RNAStructureandFunction一、信使RNA(mRNA)二、转运RNA(tRNA)三、核糖体RNA(rRNA)细胞核和胞液线粒体功能核糖体RNArRNAmtrRNA核蛋白体的组分信使RNAmRNAmtmRNA蛋白质合成模板转运RNAtRNAmttRNA转运氨基酸不均一核RNAhnRNAmRNA的前体小核RNAsnRNA参与HnRNA的剪接、转运小核仁RNAsnoRNArRNA的加工、修饰小胞质RNAscRNA/7SL-RNA蛋白质内质网定位合成的信号识别体的组分干扰RNARNAi抑制特异基因表达动物细胞内主要RNA的种类与功能In1990,RNAsilencingwasfirstobservedinplants.Thisphenomenawascalled“cosuppression”or“PTGS”(posttranscriptionalgenesilencing).PlantCell,vanderKroletal.1990,2(4):291-299“RNAinterference”,“RNAi”,“RNAsilencing”,“siRNA”。概念：双链RNA(dsRNA)诱导序列特异的转录后基因沉默。其作用具有放大和持续的特点.ThediscoveryofsiRNARNAsecondaryandtertiarystructuresHairpins,Stem-loops,andothersecondarystructurescanformbybasepairingbetweendistantcomplementarysegmentsofanRNAmolecule.Instem-loops,thesingle-strandedloopbetweenthebase-pairedhelicalstemmaybehundredsoreventhousandsofnucleotideslong,whereasinhairpins,theshortturnmaycontainasfewas6–8nucleotides.Interactionsbetweentheflexibleloopsmayresultinfurtherfoldingtoformtertiarystructuressuchasthepseudoknot.Thistertiarystructureresemblesafigure-eightknot,butthefreeendsdonotpassthroughtheloops,sonoknotisactuallyformed.mRNA（messengerRNA）AAAA……Anm7GpppAUGGUGUAA………………5´3´5´帽子结构密码子3´多聚A尾

5´非编码区编码区3´非编码区真核生物mRNA：五个部分(m6A.A.G.C.U)(m5A.A.G.C.U)mRNA的5帽子结构（capsequence）—m7GpppNm557-甲基三磷酸鸟苷（m7Gppp）7mRNA转运核蛋白体体结合起始因子结合稳定性维持tRNA（transferRNA）结构特点:稀有碱基：二氢尿嘧啶(DHU)、T、假尿嘧啶()、7甲基嘌呤(mG和mA)等；三叶草形二级结构：D环、反密码环(有反密码子)、T环和3端氨基酸接受臂倒“L”型三级结构a.tRNA的三叶草结构(二级结构)反密码子环T环可变臂氨基酸接受臂(CCA末端)D环T环D环可变臂反密码子环T环D环反密码子环氨基酸接受臂b.tRNA的倒L型(三级结构)Aspace-fillingmodeloftheyeastphenylalaninetRNAtRNA功能：在翻译过程中作为转接分子：氨酰－tRNA（负载tRNA）。在反转录病毒复制过程中，tRNA可作为DNA复制的引物。rRNA（ribosomalRNA）核蛋白体RNA（核糖体RNA）：细胞内含量最多的RNA，占RNA总量的80%核糖体是一种核酶，由大小不同的两个亚基组成，大小亚基分别又有几种rRNA和数十种核糖体蛋白组成小亚基大亚基小亚基大亚基rRNAtRNArRNA典型的原核与真核糖体的组成SecondaryStructureofribosomalRNA(rRNA)rRNA功能：核糖体主要结构组成部分。蛋白质合成过程所必需的场所。4核酸的理化性质及其应用一、核酸一般的理化性质二、核酸的变性三、核酸的复性与杂交P47核酸一般的理化性质紫外光吸收：λmax＝260nm特征性吸收峰定量：OD=1相当于50g/ml双链DNA、40g/ml单链DNA（或RNA）或20g/ml寡核苷酸;纯度：DNA纯品OD260/OD280=1.8、

RNA纯品OD260/OD280=2.0核酸具有高分子特性核酸的变性（denaturation）定义：在某些理化因素作用下，核酸分子互补双链之间氢键断裂，使双螺旋结构松散变成单链的过程。如：温度、酸碱、有机溶剂、尿素等。增色效应（hyperchromiceffect）：核酸在加热变性过程中260nm波长吸收值（A260

）增加。它反映了核酸双链的解链程度。解链温度或熔解温度（meltingtemperature,Tm）:核酸加温变性过程中，A260达到最大值一半时的温度。在Tm时，核酸分子内50%的双链结构被解开。Thedenaturationofdouble-strandedDNAmolecules电子显微镜下的DNA分子的部分变性DNA变性有两个阶段

第一阶段：部分解链，不规则卷曲；第二阶段：完全解开，形成两条单链第一阶段第二阶段Amacromoleculeinadisruptedstate,inwhichthemoleculesareinanearlyrandomconformation,issaidtobedenatured;theorderedstate,whichispresumablythatoriginallypresentinnature,iscallednative.Atransitionfromthenativetothedenaturedstateiscalleddenaturation.Whenthebasesarehighlyordered,asindouble-strandedDNA,A260islowerthanthatforthelessorderedstateinsingle-strandedDNA.Inparticular,ifasolutionofdouble-strandedDNAhasavalueofA260=1.00,asolutionofsingle-strandedDNAatthesameconcentrationhasavalueofA260=1.37.Thisrelationisoftendescribedbystatingthatasolutionofdouble-strandedDNAbecomeshyperchromicwhenheated.Thecorrespondingvalueforfreebasesis1.60,sothatabsorbancecanalsobeusedtomeasuredegradationofnucleicacids.260天然状态的DNA在完全变性后，紫外吸收(260nm)值增加25－40%，而RNA变性后，约增加1.1%。Single-strandedDouble-helical增色效应核酸的解链(T/A260)关系曲线解链曲线（meiltingcurve）：T和A260关系曲线DNA加热变性特点：是爆发式的，变性过程在一个很窄的温度范围内发生，一般在82~95oC0.700.650.600.550.5080100oCTmRelativeabsorbance(260nm)P49影响Tm值的因素核酸分子中的G+C含量

Tm=69.3+0.41(G+C)%

小于20bp的寡核苷酸:Tm=4(G+C)+2(A+T)核酸分子长度：分子长,Tm高核酸分子的均一性：均质核酸Tm范围窄，异质核酸Tm范围宽离子强度：低离子介质中Tm低且范围宽806040201080100Tm（

oC）DNA解链温度与GC含量的关系709030507060M.phleiSerratia(沙雷氏菌)E.coliSalmonsperm（鲑鱼精）YeastBacteriophageT4（小牛胸腺）CalfthymusS.PneumoniaeAT-DNAPercentguaninepluscytosineG+C含量（％）双链RNA的变性与DNA相同局部双螺旋的RNA的Tm值较低tRNA的Tm值较高RNA变性核酸的复性renaturation核酸的复性（renaturation）又称退火（annealing）:变性核酸在一定条件下，两条互补单链重新恢复天然的双螺旋构象。Therenaturationofdouble-strandedDNAmolecules复性条件：温度：缓慢下降至比Tm值低25oC；

瞬间降至零度称淬火（quenching）DNA浓度：浓度较高，复性较快DNA片段大小和复杂程度溶液的离子强度、pH等减色效应（hypochromicity）：单一的核苷酸的吸收值比RNA和单链DNA的吸收值都大，单链DNA又比双链DNA大。这种双链DNA相对于单链DNA吸收值减少的现象称为减色效应。减色效应（hypochromicity）