1、第三章 核酸結(jié)構(gòu)與功能,(Structure and Function of Nucleic Acid),核酸是以核苷酸為基本組成單位的生物大分子，攜帶和傳遞遺傳信息。,一、什么是核酸(nucleic acid),天然存在的核酸可分為核糖核酸(RNA)和脫氧核糖核酸(DNA)兩大類(lèi)。,二、核酸的發(fā)現(xiàn)和研究工作進(jìn)展,1868年 Fridrich Miescher從膿細(xì)胞中提取“核素” 1944年 Avery等人證實(shí)DNA是遺傳物質(zhì) 1953年 Watson和Crick發(fā)現(xiàn)DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu) 1968年 Nirenberg發(fā)現(xiàn)遺傳密碼 1975年 Temin和Baltimore發(fā)現(xiàn)逆轉(zhuǎn)錄酶 198

2、1年 Gilbert和Sanger建立DNA 測(cè)序方法 1985年 Mullis發(fā)明PCR 技術(shù) 1990年 美國(guó)啟動(dòng)人類(lèi)基因組計(jì)劃(HGP) 1994年 中國(guó)人類(lèi)基因組計(jì)劃啟動(dòng) 2001年 美、英等國(guó)完成人類(lèi)基因組計(jì)劃基本框架 2003年 人類(lèi)基因組計(jì)劃完成 約34萬(wàn)個(gè)基因,三、核酸的分類(lèi)及分布,90%以上分布于細(xì)胞核，其余分布于核外如線(xiàn)粒體，葉綠體，質(zhì)粒等。,分布于胞核、胞液。,(deoxyribonucleic acid, DNA),(ribonucleic acid, RNA),脫氧核糖核酸,核糖核酸,攜帶遺傳信息，決定細(xì)胞和個(gè)體的基因型(genotype)。,參與細(xì)胞內(nèi)DNA遺傳信息

3、的表達(dá)。某些病毒RNA也可作為遺傳信息的載體。,第一節(jié) 核酸的化學(xué)組成 (The Chemical Component of Nucleic Acid),一、化學(xué)組成,(一) 元素組成 組成核酸的主要元素：C、H、O、N、P（9%10%）,(二) 分子組成,1.堿基(base) 嘌呤堿，嘧啶堿,2.戊糖(ribose) 核糖，脫氧核糖,3.磷酸(phosphate),稀有堿基：如次黃嘌呤、二氫尿嘧啶等。,(1)嘌呤(purine),腺嘌呤(adenine, A),鳥(niǎo)嘌呤(guanine, G),1.堿 基,N,N,H,N,H,N,N,H,2,O,(2)嘧啶(pyrimidine),胞嘧啶(cy

4、tosine, C),胸腺嘧啶(thymine, T),2.戊 糖,二、基本單位核苷酸,(一)核苷(ribonucleoside),(二)核苷酸(ribonucleotide),(三)重要的游離核苷酸及其衍生物,1.多磷酸核苷酸 NMP，NDP，NTP,2.環(huán)化核苷酸 cAMP，cGMP,(四)核苷酸的連接,1.核苷酸之間以磷酸二酯鍵連接形成多核苷酸鏈，即核酸。,C,A,H,磷酸二酯鍵,2.書(shū)寫(xiě)方法,5 pApGpTpGpCpT-OH 3,5 A G T G C T 3,第二節(jié) DNA的結(jié)構(gòu)與功能 (Structure and Function of DNA),一、核酸的一級(jí)結(jié)構(gòu),(一)定義

5、核酸中核苷酸的排列順序。 由于核苷酸間的差異主要是堿基不同，所以也稱(chēng)為堿基序列。,DNA: A、T、G、C RNA: A、U、G、C,二、DNA的空間結(jié)構(gòu)與功能,(一) DNA的二級(jí)結(jié)構(gòu),1. 定義 即平行反向的右手雙螺旋結(jié)構(gòu)。Watson, Crick于1953提出。,2. 研究背景,(1) 堿基組成分析 Chargaff 規(guī)則：A = T G C,(2)堿基的理化數(shù)據(jù)分析 A-T、G-C以氫鍵配對(duì)較合理,(3)X-線(xiàn)衍射圖譜分析,3. DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型要點(diǎn),(1) 由兩條相互平行但走向相反的脫氧多核苷酸鏈組成，以右手螺旋方式盤(pán)繞中心軸。螺旋直徑為2nm，形成大溝及小溝相間。 這些溝結(jié)構(gòu)

6、與蛋白質(zhì)、DNA之間的相互識(shí)別有關(guān)。,5/,3/,5/,3/,(2) 堿基間距0.34nm，螺旋一圈10對(duì)堿基，螺距3.4nm 。,(4)糖與磷酸骨架居雙螺旋外側(cè)，堿基在內(nèi)相互形成氫鍵配對(duì)(A=T; GC)。,(3)氫鍵維持橫向穩(wěn)定性，堿基堆積力維持縱向穩(wěn)定性。,4.DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的多樣性,Watson和Crick當(dāng)年提出的是理想化的DNA雙螺旋模型，后來(lái)發(fā)現(xiàn)其各項(xiàng)參數(shù)均與實(shí)際的DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)有一定差異。,(二) DNA的三級(jí)結(jié)構(gòu),1.原核生物DNA的超螺旋結(jié)構(gòu),(1) 定義 即在DNA二級(jí)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上進(jìn)一步折疊成環(huán)狀或麻花狀的超螺旋結(jié)構(gòu)(superhelix 或supercoil)。,環(huán)

7、狀 麻花狀,(3) 意義 DNA超螺旋結(jié)構(gòu)整體或局部的拓?fù)鋵W(xué)變化及其調(diào)控對(duì)于DNA復(fù)制和RNA轉(zhuǎn)錄過(guò)程具有關(guān)鍵作用。,正超螺旋(positive supercoil) 盤(pán)繞方向與DNA雙螺旋方同相同。,負(fù)超螺旋(negative supercoil) 盤(pán)繞方向與DNA雙螺旋方向相反。,(2) 種類(lèi),2.真核生物DNA的超螺旋結(jié)構(gòu),真核生物染色體由DNA和蛋白質(zhì)構(gòu)成，其基本單位是 核小體。,(1) DNA在真核生物細(xì)胞核內(nèi)的組裝,2nm DNA,(三) DNA的功能,1.DNA的基本功能是以基因的形式荷載遺傳信息，并作為基因復(fù)制和轉(zhuǎn)錄的模板。它是生命遺傳的物質(zhì)基礎(chǔ)，也是個(gè)體生命活動(dòng)的信息基礎(chǔ)。,

8、2.基因從結(jié)構(gòu)上定義，是指DNA分子中的特定區(qū)段，其中的核苷酸排列順序決定了基因的功能。,3.進(jìn)化程度越高的生物其DNA分子越大，人類(lèi)基因組有3109個(gè)堿基對(duì)。,第三節(jié) RNA的結(jié)構(gòu)與功能 (Structure and Function of RNA),RNA的種類(lèi)、分布、功能,核蛋白體,RNA,信使,RNA,轉(zhuǎn)運(yùn),RNA,核內(nèi)不均一,RNA,核內(nèi)小,RNA,胞漿小,RNA,細(xì)胞核和胞液,線(xiàn)粒體,功,能,rRNA,mRNA,mt,rRNA,tRNA,mt,mRNA,mt,tRNA,HnRNA,SnRNA,SnoRNA,scRNA/7SL,-,RNA,核蛋白體組分,蛋白質(zhì)合成模板,轉(zhuǎn)運(yùn)氨基酸,成

9、熟,mRNA,的前體,參與,hnRNA,的剪接、轉(zhuǎn)運(yùn),rRNA,的加工、修飾,蛋白質(zhì)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)定位合成,的信號(hào)識(shí)別體的組分,核仁小,RNA,核蛋白體,RNA,信使,RNA,轉(zhuǎn)運(yùn),RNA,核內(nèi)不均一,RNA,核內(nèi)小,RNA,RNA,細(xì)胞核和胞液,線(xiàn)粒體,功,能,rRNA,mRNA,mt,rRNA,tRNA,mt,mRNA,mt,tRNA,HnRNA,SnRNA,SnoRNA,scRNA/7SL,-,RNA,核蛋白體組分,蛋白質(zhì)合成模板,轉(zhuǎn)運(yùn)氨基酸,成熟,mRNA,的前體,參與,hnRNA,的剪接、轉(zhuǎn)運(yùn),rRNA,的加工、修飾,蛋白質(zhì)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)定位合成,的信號(hào)識(shí)別體的組分,核仁小,RNA,根據(jù)RNA的功能

10、可分為mRNA、tRNA、rRNA等多種。,(一) mRNA結(jié)構(gòu)特點(diǎn),1.大多數(shù)真核mRNA的5末端均在轉(zhuǎn)錄后加上一個(gè)7-甲基鳥(niǎo)苷，同時(shí)第一個(gè)核苷酸的C2也是甲基化，形成帽子結(jié)構(gòu)：m7GpppN。,2.大多數(shù)真核mRNA的3末端有一個(gè)多聚腺苷酸(polyA)結(jié)構(gòu)，稱(chēng)為多聚A尾。,3.帽子結(jié)構(gòu)和多聚A尾的功能 mRNA核內(nèi)向胞質(zhì)的轉(zhuǎn)位；mRNA的穩(wěn)定性維系；翻譯起始的調(diào)控 。,一、mRNA的結(jié)構(gòu)與功能,(二) mRNA的功能 1.構(gòu)成遺傳密碼，傳遞DNA所攜帶的遺傳信息。 2.用連續(xù)三個(gè)核苷酸作為密碼子以決定其合成蛋白質(zhì)的氨基酸排列順序。,(一) tRNA的特點(diǎn) 1.含 1020% 稀有堿基，如

11、 DHU、 TC。 2. 3末端為 CCA-OH； 5末端大多數(shù)為G。,二、tRNA的結(jié)構(gòu)與功能,(二) tRNA的結(jié)構(gòu),tRNA的二級(jí)結(jié)構(gòu),(1) tRNA的二級(jí)結(jié)構(gòu)為平面卷曲的三葉草構(gòu)型。,(2)由單鏈卷曲形成局部環(huán)狀雙鏈。 (3)反密碼環(huán)，帶有反密碼子可破譯遺傳密碼。 (4)氨基酸臂，直接結(jié)合被活化的氨基酸。,2. tRNA的三級(jí)結(jié)構(gòu) 倒L形,(三) tRNA的功能 破譯遺傳密碼；活化、搬運(yùn)氨基酸到核糖體，參與蛋白質(zhì)的翻譯。,X線(xiàn)衍射結(jié)構(gòu)證明，tRNA的共同三級(jí)結(jié)構(gòu)為倒L形。,(二) rRNA由單鏈卷曲構(gòu)成的多莖環(huán)結(jié)構(gòu)。,三、rRNA的結(jié)構(gòu)與功能,(三)rRNA參與組成核糖體的大、小亞基

12、，作為蛋白質(zhì)生物合成的場(chǎng)所。,(一) rRNA占總RNA的80以上。,(四)根據(jù)沉降系數(shù)，rRNA在原核生物中有 5S,23S,16S 三種；在真核生物中有 5S,28S,5.8S,18S四種。,四、小分子核內(nèi)RNA與RNA組學(xué),(一) snmRNAs 除了上述三種RNA外，細(xì)胞的不同部位存在的許多其他種類(lèi)的小分子RNA，統(tǒng)稱(chēng)為非mRNA小RNA (small non-messenger RNAs, snmRNAs)。包括核內(nèi)小RNA、核仁小RNA、胞質(zhì)小RNA、催化性小RNA、小片段干涉 RNA。參與hnRNA和rRNA的加工和轉(zhuǎn)運(yùn)。,RNA組學(xué)是研究細(xì)胞中snmRNAs的種類(lèi)、結(jié)構(gòu)和功能。

13、生物的不同細(xì)胞、不同時(shí)間、不同狀態(tài)下snmRNAs的表達(dá)具有時(shí)間和空間特異性。,(二) RNA組學(xué),五、核酶 (一)具有催化功能的核酸稱(chēng)為核酶。,(二) 核酶的錘頭狀結(jié)構(gòu),通常為60個(gè)核苷酸組成，包括有催化部分和底物部分組成錘頭結(jié)構(gòu)。,(三)核酶研究的意義,核酶的發(fā)現(xiàn)，對(duì)中心法則作了重要補(bǔ)充；是對(duì)傳統(tǒng)酶學(xué)的挑戰(zhàn)；利用核酶的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合成人工核酶 。,核酸是含磷酸和堿基的兩性電解質(zhì)，通常表現(xiàn)為較強(qiáng)的酸性?？捎秒娪竞碗x子交換分離純化核酸。 在堿性條件下，RNA不穩(wěn)定，可在室溫下水解。利用這個(gè)性質(zhì)可以測(cè)定RNA的堿基組成，也可清除DNA溶液中混雜的RNA。 核酸是線(xiàn)性的大分子，其在溶液中的粘度很高。R

14、NA分子比DNA短，在溶液中的粘度低于DNA。,第四節(jié) 核酸的理化性質(zhì) (The Physical and Chemical Characters of Nucleic Acid),一、核酸的一般性質(zhì),二、紫外吸收,(一) 由于嘌呤和嘧啶中含有共軛雙鍵，核酸在260nm處有最大吸收峰。,1. DNA或RNA的定量 OD260=1.0相當(dāng)于： 50g/ml雙鏈DNA 40g/ml單鏈DNA（或RNA） 20g/ml寡核苷酸 2.判斷核酸樣品的純度 DNA純品: OD260/OD280 = 1.8 RNA純品: OD260/OD280 = 2.0,(二) OD260的應(yīng)用,三、DNA的變性與復(fù)性,

15、(一)變性 (denaturation),1.定義 在某些理化因素作用下，DNA雙鏈解開(kāi)成兩條單鏈的過(guò)程。本質(zhì)是雙鏈間氫鍵的斷裂。,3.變性后其他理化性質(zhì)變化, OD260增高 浮力密度升高 粘度下降 酸堿滴定曲線(xiàn)改變 比旋度下降 生物活性喪失,(1)理化性質(zhì)變化,2.因素 強(qiáng)酸，強(qiáng)堿，高溫，高壓，變性試劑如尿素以及某些有機(jī)溶劑如乙醇等。,(2)增色效應(yīng)： DNA變性時(shí)其溶液OD260增高的現(xiàn)象。,DNA的紫外吸收光譜,200 250 260 300,1.5,1.0,0.5,波長(zhǎng)(nm),吸光度值,變性狀態(tài),天然狀態(tài),(3)Tm：紫外光吸收值達(dá)到最大值的50%時(shí)的溫度稱(chēng)為DNA的解鏈溫度，又稱(chēng)融解溫度(melting temperature, Tm)。其大小與G+C含量成正比。,解鏈曲線(xiàn)：在連續(xù)加熱DNA的過(guò)程中以溫度為橫坐標(biāo)，以吸光度A260為縱坐標(biāo)作圖，所得的曲線(xiàn)稱(chēng)為解鏈曲線(xiàn)。,Tm,(二)復(fù)性,1.DNA復(fù)性(renaturation)的定義,(3)減色效應(yīng)：DNA復(fù)性時(shí)，其溶液OD260降低。,(1)當(dāng)變性因素去除后，變性DNA的兩條互補(bǔ)鏈可恢復(fù)天然的雙螺旋構(gòu)象，這一現(xiàn)象稱(chēng)為復(fù)性。,(2)熱變性的DNA經(jīng)緩慢冷卻后即可復(fù)性，這一過(guò)程稱(chēng)為退火(anneali