核酸的结构和功能专业知识讲座

核酸的结构和功能专业知识讲座核酸的结构和功能专业知识讲座第1页第二章

核酸结构和功效StructureandFunctionofNucleicAcid核酸的结构和功能专业知识讲座第2页核酸(nucleicacid)

是以核苷酸为基础组成单位生物大分子，携带和传递遗传信息。核酸的结构和功能专业知识讲座第3页1868年FridrichMiescher

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发觉DNA双螺旋结构。1968年Nirenberg发觉遗传密码。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创造PCR技术。1990年美国启感人类基因组计划(HGP)。1994年中国人类基因组计划开启。年美英等国完成人类基因组计划。核酸研究发展简史核酸的结构和功能专业知识讲座第4页核酸分类及分布

存在于细胞核和线粒体

分布于细胞核、细胞质、线粒体(deoxyribonucleicacid,DNA)(ribonucleicacid,RNA)脱氧核糖核酸

核糖核酸携带遗传信息，并经过复制传递给下一代。是DNA转录产物，参加遗传信息复制与表示。一些病毒RNA也可作为遗传信息载体核酸的结构和功能专业知识讲座第5页第一节核酸化学组成以及一级结构TheChemicalComponentandPrimaryStructureofNucleicAcid核酸的结构和功能专业知识讲座第6页核酸(DNA和RNA)核苷酸核苷和脱氧核苷磷酸戊糖碱基嘌呤嘧啶核糖脱氧核糖核酸组成DNA组成单位是脱氧核糖核苷酸（deoxyribonucleotide）RNA组成单位是核糖核苷酸（ribonucleotide）。核酸的结构和功能专业知识讲座第7页分子组成碱基(base)：嘌呤碱，嘧啶碱戊糖(ribose)：核糖，脱氧核糖磷酸(phosphate)一、核苷酸是组成核酸基础组成单位核酸的结构和功能专业知识讲座第8页碱基(base)是含氮杂环化合物。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DNA中碱基核酸的结构和功能专业知识讲座第9页嘌呤(purine，Pu)腺嘌呤(adenine,A)鸟嘌呤(guanine,G)核酸的结构和功能专业知识讲座第10页嘧啶(pyrimidine，Py)胞嘧啶(cytosine,C)尿嘧啶(uracil,U)胸腺嘧啶(thymine,T)核酸的结构和功能专业知识讲座第11页碱基互变异构体

核酸的结构和功能专业知识讲座第12页戊糖（组成RNA）1´2´3´4´5´β-D-核糖(ribose)（组成DNA）β-D-2′脱氧核糖(deoxyribose)核酸的结构和功能专业知识讲座第13页脱氧核苷嘌呤N-9

与脱氧核糖C-1

经过β-N-糖苷键相连形成脱氧核苷(deoxyribonucleoside)。核酸的结构和功能专业知识讲座第14页

嘧啶N-1与核糖C-1

经过β-N-糖苷键相连形成核苷(ribonucleoside)。核苷NNNN9NH2OOHOHHHHCH2OHH1'2'糖苷键核酸的结构和功能专业知识讲座第15页核苷或脱氧核苷与磷酸经过酯键结合组成核苷酸(ribonucleotide)或脱氧核苷酸(deoxyribonucleotide)。核苷酸(ribonucleotide)NNNN9NH2OOHOHHHHCH2H1'2'OPO-HOO糖苷键酯键核酸的结构和功能专业知识讲座第16页多磷酸核苷酸核酸的结构和功能专业知识讲座第17页环化核苷酸：cAMP、cGMP，是细胞信号转导中第二信使。cAMP核苷酸衍生物核酸的结构和功能专业知识讲座第18页生物氧化体系主要成份，在传递质子或电子过程中含有主要作用。烟酰胺腺嘌呤二核苷酸，nicotinamideadeninedinucleotide,NAD+），核酸的结构和功能专业知识讲座第19页

组成RNA碱基、核苷以及核苷酸碱基

核苷

核苷酸A

腺苷adenosine

腺苷一磷酸adenosinemonophosphate,AMPG

鸟苷guanosine

鸟苷一磷酸guanosinemonophosphate,GMPC

胞苷cytidine

胞苷一磷酸cytidinemonophosphate,CMPU

尿苷uridine

尿苷一磷酸uridinemonophosphate,UMP核酸的结构和功能专业知识讲座第20页

组成DNA碱基、核苷、核苷酸碱基脱氧核苷脱氧核苷酸A脱氧腺苷deoxyadenosine脱氧腺苷一磷酸deoxyadenosinemonophosphate,dAMPG脱氧鸟苷deoxyguanosine脱氧鸟苷一磷酸deoxyguanosinemonophosphate,dGMPC脱氧胞苷deoxycytidine脱氧胞苷一磷酸deoxycytidinemonophosphate,dCMPT脱氧胸苷deoxythymidine或thymidine脱氧胸苷一磷酸deoxythymidinemonophosphate,dTMP核酸的结构和功能专业知识讲座第21页二、DNA是脱氧核苷酸经过3

,5

-磷酸二酯键连接形成大分子一个脱氧核苷酸3

羟基与另一个核苷酸5

α-磷酸基团缩合形成磷酸二酯键(phosphodiesterbond)。

多个脱氧核苷酸经过磷酸二酯键组成了含有方向性线性分子，称为多聚脱氧核苷酸(polydeoxynucleotide)，即DNA链。核酸的结构和功能专业知识讲座第22页5´-末端3´-末端CGA磷酸二酯键磷酸二酯键核酸的结构和功能专业知识讲座第23页交替磷酸基团和戊糖组成了DNA骨架(backbone)。DNA链方向是5

→

3

核酸的结构和功能专业知识讲座第24页三、RNA也是含有3

,5

-磷酸二酯键线性大分子RNA也是多个核苷酸分子经过3

,5

-磷酸二酯键连接形成线性大分子，也含有5

→3

方向性;RNA戊糖是核糖；

RNA嘧啶是胞嘧啶和尿嘧啶。组成RNA四种基础核苷酸是AMP、GMP、CMP和UMP。核酸的结构和功能专业知识讲座第25页定义核酸中核苷酸排列次序。因为核苷酸间差异主要是碱基不一样，所以也称为碱基序列。5

端3

端CGA四、核酸一级结构是核苷酸排列次序核酸的结构和功能专业知识讲座第26页AGP5

PTPGPCPTPOH3

核酸一级结构5

pApCpTpGpCpT-OH

3

5

ACTGCT

3

ACTGCT核酸的结构和功能专业知识讲座第27页单链DNA和RNA分子大小常见核苷酸数目（nucleotide，nt）表示；双链核酸分子大小常见碱基(base或kilobase)数目来表示。小核酸片段(<50bp)常被称为寡核苷酸(oligonucleotide)。自然界中DNA和RNA长度能够高达几十万个碱基。核酸的结构和功能专业知识讲座第28页第二节DNA空间结构与功效DimensionalStructureandFunctionofDNA核酸的结构和功能专业知识讲座第29页DNA空间结构又分为二级结构(secondarystructure)和高级结构。DNA空间结构(spatialstructure)组成DNA全部原子在三维空间相对位置关系。核酸的结构和功能专业知识讲座第30页一、DNA二级结构是双螺旋结构核酸的结构和功能专业知识讲座第31页不一样生物种属DNA碱基组成不一样同一个体不一样器官或组织DNA碱基组成相同

对于一特定组织DNA，其碱基组分不随年纪、营养状态和环境而改变[A]=[T]，[G]=[C]Chargaff规则（一）DNA双螺旋结构试验基础取得了高质量DNA分子X射线衍射照片。提出了DNA分子双螺旋结构(doublehelix)模型。核酸的结构和功能专业知识讲座第32页两条多聚核苷酸链在空间走向呈反向平行(anti-parallel)。两条链中一条链5

→3

方向是自上而下，而另一条链5

→3

方向是自下而上。两条链围绕着同一个螺旋轴形成右手螺旋(right-handed)结构。双螺旋结构直径为2.37nm，螺距为3.54nm。（二）DNA双螺旋结构模型关键点1.DNA由两条多聚脱氧核苷酸链组成核酸的结构和功能专业知识讲座第33页脱氧核糖和磷酸基团组成亲水性骨架位于双螺旋结构外侧，疏水碱基位于内侧。双螺旋结构表面形成了一个大沟(majorgroove)和一个小沟(minorgroove)。2.核糖与磷酸位于外侧核酸的结构和功能专业知识讲座第34页DNA双螺旋结构示意图DNA双螺旋结构俯视图核酸的结构和功能专业知识讲座第35页3.DNA双链之间形成了互补碱基对碱基配对关系称为互补碱基对(complementarybasepair)。DNA两条链则互为互补链(complementarystrand)。碱基对平面与螺旋轴垂直。核酸的结构和功能专业知识讲座第36页碱基互补配对:鸟嘌呤/胞嘧啶核酸的结构和功能专业知识讲座第37页碱基互补配对:腺嘌呤/胸腺嘧啶核酸的结构和功能专业知识讲座第38页大沟与小沟核酸的结构和功能专业知识讲座第39页相邻两个碱基对会有重合，产生了疏水性碱基堆积力(basestackinginteraction)。碱基堆积力和互补碱基正确氢键共同维系着DNA结构稳定。4.碱基正确疏水作用力和氢键共同维持着DNA双螺旋结构稳定核酸的结构和功能专业知识讲座第40页碱基堆积作用力核酸的结构和功能专业知识讲座第41页（三）DNA双螺旋结构多样性核酸的结构和功能专业知识讲座第42页（四）DNA多链结构在酸性溶液中，胞嘧啶N-3原子被质子化，可与鸟嘌呤N-7原子形成氢键；同时，胞嘧啶N-4氢原子也可与鸟嘌呤O-6形成氢键，这种氢键被称为Hoogsteen氢键。Hoogsteen氢键Hoogsteen氢键，不破坏Watson-Crick氢键，由此形成了C＋GC三链结构(triplex)。核酸的结构和功能专业知识讲座第43页三链结构核酸的结构和功能专业知识讲座第44页鸟嘌呤之间经过8个Hoogsteen氢键形成特殊四链结构(tetraplex)。四链结构核酸的结构和功能专业知识讲座第45页真核生物DNA3

-末端是富含GT屡次重复序列，因而本身形成了折叠四链结构。核酸的结构和功能专业知识讲座第46页二、DNA高级结构是超螺旋结构超螺旋结构(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。

核酸的结构和功能专业知识讲座第47页（一）原核生物DNA环状超螺旋结构原核生物DNA多为环状双螺旋分子

，以负超螺旋形式存在，平均每200碱基就有一个超螺旋形成。核酸的结构和功能专业知识讲座第48页（二）真核生物DNA以核小体为单位形成高度有序致密结构真核生物DNA以非常有序形式存在于细胞核内。在细胞周期大个别时间里，DNA以涣散染色质(chromatin)形式存在，在细胞分裂期，则形成高度致密染色体(chromosome)。核酸的结构和功能专业知识讲座第49页DNA染色质展现出串珠样结构。染色质基础单位是核小体(nucleosome)。DNA染色质电镜图像核酸的结构和功能专业知识讲座第50页DNA：约200bp

组蛋白：H1H2A，H2BH3H4核小体组成核酸的结构和功能专业知识讲座第51页核小体串珠样结构核酸的结构和功能专业知识讲座第52页双链DNA折叠和组装核酸的结构和功能专业知识讲座第53页DNA经过屡次折叠，被压缩了8000～10000倍，组装在直径只有数微米细胞核内。核酸的结构和功能专业知识讲座第54页真核生物染色体两个功效区：端粒(telomeres):染色体末端膨大粒状结构，由染色体末端DNA（端粒DNA）与DNA结合蛋白组成。与染色体结构稳定性、完整性以及衰老和肿瘤发生发展相关。着丝粒（centromere）:两个染色单体连接位点，富含A、T序列。细胞分裂时，着丝粒可分开使染色体均等有序地进入子代细胞。核酸的结构和功能专业知识讲座第55页DNA是生物遗传信息载体，并为基因复制和转录提供了模板。它是生命遗传物质基础，也是个体生命活动信息基础。基因是携带遗传信息DNA片段，它们序列信息意义及其在DNA整个分子上排布特点将在第十三章详述。DNA含有高度稳定性特点，用来保持生物体系遗传相对稳定性。同时，DNA又表现出高度复杂性特点，它能够发生各种重组和突变，适应环境变迁，为自然选择提供机会。

三、DNA是遗传信息物质基础核酸的结构和功能专业知识讲座第56页第三节

RNA结构与功效StructureandFunctionofRNA核酸的结构和功能专业知识讲座第57页RNA与蛋白质共同负责基因表示和表示过程调控。RNA通常以单链形式存在，但有复杂局部二级结构或三级结构。RNA比DNA小多。RNA种类、大小和结构远比DNA表现出多样性。核酸的结构和功能专业知识讲座第58页动物细胞内主要RNA种类及功效RNA种类缩写细胞内位置功效核糖体RNArRNA细胞质核糖体组成成份信使RNAmRNA细胞质蛋白质合成模板转运RNAtRNA细胞质转运氨基酸微RNAmicroRNA细胞质翻译调控胞质小RNAscRNA/7SL-RNA细胞质信号肽识别体组成成份不均一核RNAhnRNA细胞核成熟mRNA前体核小RNAsnRNA细胞核参加hnRNA剪接、转运核仁小RNAsnoRNA核仁rRNA加工和修饰线粒体核糖体RNAmtrRNA线粒体核糖体组成成份线粒体信使RNAmtmRNA线粒体蛋白质合成模板线粒体转运RNAmttRNA线粒体转运氨基酸核酸的结构和功能专业知识讲座第59页信使RNA(messengerRNA,mRNA)是细胞内合成蛋白质模板。生物体内mRNA丰度最小、种类最多、大小也各不相同、寿命最短。mRNA初级产物为不均一核RNA(hnRNA)，含有内含子(intron)和外显子(exon)。hnRNA经过剪切后成为成熟mRNA。一、mRNA是蛋白质合成中模板核酸的结构和功能专业知识讲座第60页hnRNA内含子(intron)mRNAmRNA成熟过程

外显子(exon)核酸的结构和功能专业知识讲座第61页成熟mRNA由氨基酸编码区和非编码区组成。5

-末端帽子(cap)结构和3

-末端多聚A尾(poly-Atail)结构。成熟真核生物mRNA核酸的结构和功能专业知识讲座第62页帽子结构:m7GpppNm1.真核生物mRNA5

-端有特殊帽结构

mRNA帽结构能够与帽结合蛋白(capbindingprotein，CBP)结合。核酸的结构和功能专业知识讲座第63页真核生物mRNA3-末端转录后加上一段长短不一聚腺苷酸。2.真核生物mRNA3

末端有多聚腺苷酸尾mRNA多聚A尾在细胞内与poly(A)结合蛋白（poly(A)-bindingprotein，PABP）结合存在。核酸的结构和功能专业知识讲座第64页mRNA核内向胞质转位mRNA稳定性维系翻译起始调控帽子结构和多聚A尾功效核酸的结构和功能专业知识讲座第65页3.mRNA碱基序列决定蛋白质氨基酸序列从mRNA分子5

末端起第一个AUG开始，每3个核苷酸为一组称为密码子(codon)

。位于起始密码子和终止密码子之间核苷酸序列称为开放阅读框(openreadingframe,ORF)，决定了多肽链氨基酸序列。在mRNA开放读框两侧，为非翻译序列（untranslatedregion，UTR），即5

-UTR和3

-UTR。核酸的结构和功能专业知识讲座第66页转运RNA(transferRNA,tRNA)在蛋白质合成过程中作为各种氨基酸载体,将氨基酸转呈给mRNA。由74～95核苷酸组成；占细胞总RNA15%；含有很好稳定性。二、tRNA是蛋白质合成中氨基酸载体核酸的结构和功能专业知识讲座第67页1.tRNA中含有各种稀有碱基稀有碱基（rarebase）是指除A、G、C、U外一些碱基。核酸的结构和功能专业知识讲座第68页tRNA含有局部茎环(stem-loop)结构或发卡(hairpin)结构。2.tRNA含有茎环结构tRNA二级结构——三叶草形氨基酸臂，DHU环，反密码环，TψC环，附加叉核酸的结构和功能专业知识讲座第69页tRNA倒L三级结构核酸的结构和功能专业知识讲座第70页tRNA3-末端为CCA结尾。3-末端A与氨基酸以酯键相连生成氨基酰-tRNA

。不一样tRNA结合不一样氨基酸。3.tRNA3-末端连接氨基酸核酸的结构和功能专业知识讲座第71页tRNA反密码子环上有反密码子(anticodon)。tRNA上反密码子经过碱基互补识别mRNA上密码子。4.tRNA反密码子识别mRNA密码子核酸的结构和功能专业知识讲座第72页核糖体RNA(ribosomalRNA，rRNA)是细胞内含量最多RNA(>80％)。rRNA与核糖体蛋白结合组成核糖体(ribosome)，为蛋白质合成提供场所。三、以rRNA为组分核糖体是蛋白质合成场所核酸的结构和功能专业知识讲座第73页核糖体组成原核生物（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40%33种占总重量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30%49种占总重量35%核酸的结构和功能专业知识讲座第74页大肠杆菌核蛋白体核酸的结构和功能专业知识讲座第75页18S

rRNA二级结构核酸的结构和功能专业知识讲座第76页四、其它非编码RNA参加基因表示调控长链非编码RNA（longnon-codingRNA,lncRNA）非编码RNA（

Non-codingRNA,ncRNA）不编码蛋白质但含有主要生物学功效RNA分子。短链（小）非编码RNA（smallnon-codingRNA,sncRNA）核酸的结构和功能专业知识讲座第77页ncRNA功效参加转录调控、RNA剪切和修饰、mRNA稳定和翻译调控、蛋白质稳定和转运、染色体形成和结构稳定等细胞主要功效lncRNA功效lncRNA在结构上类似于mRNA，但序列中不存在开放读框。许多已知lncRNAs由RNA聚合酶Ⅱ转录并经可变剪切形成，通常被多聚腺苷酸化。lncRNA含有复杂生物学功效，并与一些疾病发病机制亲密相关。有lncRNA能使基因缄默，有则激活基因表示。核酸的结构和功能专业知识讲座第78页核内小RNA核仁小RNA胞质小RNA催化性小RNA小干涉RNA

微

RNA短链非编码RNA亦称为非编码小RNA（smallnon-messengerRNA）

核酸的结构和功能专业知识讲座第79页核内小RNA（smallnuclearRNA,snRNA）位于细胞核内。snRNA有5种，分别称为U1、U2、U4、U5、U6，它们与各种蛋白形成复合体，参加真核细胞hnRNA内含子加工剪接（第十六章）。核仁小RNA（smallnucleolarRNA,snoRNA）：定位于核仁，主要参加rRNA加工和修饰，如rRNA中核糖C-2

甲基化修饰。胞质小RNA（smallcytoplasmicRNA,scRNA）：存在于细胞质中，参加形成信号识别颗粒，引导含有信号肽蛋白质进入内质网定位合成（第十七章）。核酸的结构和功能专业知识讲座第80页催化性小RNA亦被称为核酶（ribozyme）。是细胞内含有催化功效一类小分子RNA，含有催化特定RNA降解活性，在RNA剪接修饰中含有主要作用。小干扰RNA（smallinterferingRNA，siRNA）是生物宿主对于外源侵入基因表示双链RNA进行切割所产生含有特定长度（21～23bp）和特定序列小片段RNA。这些siRNA能够单链形式与外源基因表示mRNA相结合，并诱导对应mRNA降解。核酸的结构和功能专业知识讲座第81页微RNA（microRNAs,miRNAs

）是一类长度为22nt左右内源性sncRNA。miRNAs主要是经过结合mRNA而选择性调控基因表示。核酸的结构和功能专业知识讲座第82页原核生物基因表示特异性五、核酸在真核细胞和原核细胞中表现出不一样时空特征核酸的结构和功能专业知识讲座第83页真核生物基因表示特异性核酸的结构和功能专业知识讲座第84页核酸理化性质ThePhysicalandChemicalCharactersofNucleicAcid第四节核酸的结构和功能专业知识讲座第85页核酸在波长260nm

处有强烈吸收，是由碱基共轭双键所决定。这一特征常见作核酸定性和定量分析。一、核酸分子含有强烈紫外吸收核酸的结构和功能专业知识讲座第86页碱基紫外吸收光谱核酸的结构和功能专业知识讲座第87页DNA或RNA定量A260=1.0相当于50μg/ml双链DNA(dsDNA)40μg/ml单链DNA(ssDNAorRNA)20μg/ml寡核苷酸确定样品中核酸纯度

纯

DNA:A260/A280=1.8

纯

RNA:A260/A280=2.0紫外吸收应用核酸的结构和功能专业知识讲座第88页二、DNA变性是双链解离为单链过程一些理化原因造成DNA双链互补碱基对之间氢键发生断裂，DNA双链解离为单链过程。

定义DNA变性本质是双链间氢键断裂。核酸的结构和功能专业知识讲座第89页个别解链双链DNADNA变性核酸的结构和功能专业知识讲座第90页DNA变性核酸的结构和功能专业知识讲座第91页个别变性DNA电镜图像核酸的结构和功能专业知识讲座第92页增色效应(h