1、第 二 章核酸的結(jié)構(gòu)和功能,Structure and Function of Nucleic Acid,核 酸(nucleic acid),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、核酸的發(fā)現(xiàn)和研究工作進展,1868年 Fridrich Miescher從膿細胞中提取“核素” 1944年 Avery等人證實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 1981年 Gilbert和Sanger建立DNA 測序方法 1985年 Mullis發(fā)明

2、PCR 技術(shù) 1990年 美國啟動人類基因組計劃(HGP) 1994年 中國人類基因組計劃啟動 2001年 美、英等國完成人類基因組計劃基本框架,二、核酸的分類及分布,90%以上分布于細胞核，其余分布于線粒體、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，決定細胞和個體的基因型(genotype)。,參與細胞內(nèi)DNA遺傳信息的表達。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)組成及其一級結(jié)構(gòu)The Chemical Component and P

3、rimary Structure of Nucleic Acid,核酸的化學(xué)組成,1. 元素組成 C、H、O、N、P（910%）,2. 分子組成, 堿基(base)：嘌呤堿，嘧啶堿, 戊糖(ribose)：核糖，脫氧核糖, 磷酸(phosphate),基,嘌呤(purine),腺嘌呤(adenine, A),鳥嘌呤(guanine, G),堿 基,嘧啶(pyrimidine),胞嘧啶(cytosine, C),尿嘧啶(uracil, U),胸腺嘧啶(thymine, T),DNA中含有的堿基是：A T C G RNA中含有的堿基是：A U C G 紫外吸收的特性（共軛雙鍵） 吸收波長：260n

4、m 用于定量測定,戊 糖,核苷：AR, GR, UR, CR 脫氧核苷：dAR, dGR, dTR, dCR,一、核苷酸的結(jié)構(gòu),核苷：戊糖與含氮堿基脫水縮合而生成,糖苷鍵,C-N 鍵,假尿嘧啶（）核苷 的糖苷鍵不是C-N鍵，而是C-C鍵,核苷酸： AMP, GMP, UMP, CMP 脫氧核苷酸： dAMP, dGMP, dTMP, dCMP,2. 核苷酸(ribonucleotide)的結(jié)構(gòu)與命名,核苷（脫氧核苷）和磷酸以磷酸酯鍵連接形成核苷酸（脫氧核苷酸）。,核苷酸的結(jié)構(gòu)與命名,體內(nèi)重要的游離核苷酸及其衍生物,含核苷酸的生物活性物質(zhì)： NAD+、NADP+、CoA-SH、FAD 等都含有

5、AMP,多磷酸核苷酸：NMP，NDP，NTP,環(huán)化核苷酸: cAMP，cGMP,AMP,ADP,ATP,cAMP,C,G,A,二、核酸的一級結(jié)構(gòu),定義: 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，所以也稱為堿基序列。,書寫方法,5 pApCpTpGpCpT-OH 3,5 A C T G C T 3,核酸具有方向性，一端稱為5-端，另一端稱為3-端,第二節(jié) DNA的空間結(jié)構(gòu)與功能Dimensional Structure and Function of DNA,一、 DNA的二級結(jié)構(gòu) 雙螺旋結(jié)構(gòu),（一）DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的研究背景,（二） DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型要點 （Watson

6、, Crick, 1953）,DNA分子是反向平行的互補雙鏈結(jié)構(gòu)； 骨架：-脫氧核糖-磷酸- 堿基：“掛”在主鏈骨架上,DNA分子為右手螺旋結(jié)構(gòu) 螺旋直徑為2nm，形成大溝及小溝。 相鄰堿基平面距離0.34nm，螺旋一圈螺距3.4nm，一圈10對堿基 維系鍵：疏水作用力，氫鍵,堿基堆積力：堿基平面之間的疏水作用力 氫鍵：垂直螺旋軸居雙螺旋內(nèi)側(cè)，與對側(cè)堿基形成氫鍵配對,堿基互補配對 : A = T; G C,T,A,G,C,堿基互補配對是半保留復(fù)制的基礎(chǔ),（三）DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的多樣性,二、DNA的超螺旋結(jié)構(gòu)及其在染色質(zhì)中的組裝,（一）DNA的超螺旋結(jié)構(gòu),超螺旋結(jié)構(gòu)： DNA雙螺旋鏈再盤繞即形成

7、超螺旋結(jié)構(gòu)。,正超螺旋(positive supercoil) 盤繞方向與DNA雙螺旋方同相同,負超螺旋(negative supercoil) 盤繞方向與DNA雙螺旋方向相反,意義 DNA超螺旋結(jié)構(gòu)整體或局部的拓撲學(xué)變化及其調(diào)控對于DNA復(fù)制和RNA轉(zhuǎn)錄過程具有關(guān)鍵作用。,（二）原核生物DNA的高級結(jié)構(gòu),（三）DNA在真核生物細胞核內(nèi)的組裝,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(nucleosome)。,核小體的組成 DNA：約200bp 組蛋白：H1 H2A，H2B H3 H4,真核生物中的核小體結(jié)構(gòu)：,DNA 雙螺旋形成超螺旋結(jié)構(gòu)，再與核內(nèi)的蛋白質(zhì)結(jié)合，形成核小體的結(jié)

8、構(gòu) DNA 纏繞八聚體 1.75圈，然后與H1連接，形成串珠狀結(jié)構(gòu),意義：有規(guī)律壓縮體積，減少占用的空間,三、DNA的功能,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)，也是個體生命活動的信息基礎(chǔ)。,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。,基因（gene）: DNA分子中具有特定生物學(xué)功能的片段 基因組（genome）：一個生物體的全部DNA序列稱。 基因組的大小與生物的復(fù)雜性有關(guān)，如病毒SV40的基因組大小為5.1103bp，大腸桿菌為5.7106bp，人為3109bp。,第三節(jié) RNA的結(jié)構(gòu)與功

9、能,Structure and Function of RNA,RNA通常以單鏈形式存在，但也可形成局部的雙螺旋結(jié)構(gòu)。 RNA分子的種類較多，分子大小變化較大，功能多樣化。,RNA的種類、分布、功能,一 、信使RNA(messenger RNA),5-帽子結(jié)構(gòu) 編碼序列 3-多聚A結(jié)構(gòu),* mRNA結(jié)構(gòu)特點,1. 大多數(shù)真核mRNA的5末端均在轉(zhuǎn)錄后加上一個7-甲基鳥苷，同時第一個核苷酸的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末端有一個多聚腺苷酸(polyA)結(jié)構(gòu)，稱為多聚A尾。,帽子結(jié)構(gòu),5,5,mRNA核內(nèi)向胞質(zhì)的轉(zhuǎn)位 mRNA的穩(wěn)定性維系 翻譯起始

10、的調(diào)控,帽子結(jié)構(gòu)和多聚A尾的功能,編碼區(qū)：mRNA分子中每三個相鄰的核苷酸組成一組，在蛋白質(zhì)翻譯合成時代表一個特定的氨基酸，這種核苷酸三聯(lián)體稱為遺傳密碼（coden） 功能:為蛋白質(zhì)的合成提供模板,* mRNA的功能:為蛋白質(zhì)的合成提供模板 把DNA所攜帶的遺傳信息，按堿基互補配對原則，抄錄并傳送至核糖體，用以決定其合成蛋白質(zhì)的氨基酸排列順序。,* tRNA的一級結(jié)構(gòu)特點 tRNA是分子最小(7090個核苷酸） 含 10-20% 稀有堿基，如 DHU、等 3末端為 CCA-OH(氨基酸臂） 5末端大多數(shù)為G 具有 TC,二、轉(zhuǎn)運RNA(transfer RNA),N,N二甲基鳥嘌呤,N6-異戊

11、烯腺嘌呤,雙氫尿嘧啶,4-巰尿嘧啶,稀有堿基,* tRNA的二級結(jié)構(gòu) 三葉草形 氨基酸臂 DHU環(huán) 反密碼環(huán) 額外環(huán) TC環(huán),氨基酸臂,額外環(huán),3OH 端可以結(jié)合氨基酸 反密碼環(huán)可以與mRNA上的密碼子配對 將合適的氨基酸攜帶到合適的位置,tRNA的功能：作為各種氨基酸的轉(zhuǎn)運載體在蛋白質(zhì)合成中轉(zhuǎn)運氨基酸原料,tRNATyr: 可以和Tyr結(jié)合的tRNA Tyr-tRNATyr : 結(jié)合了Tyr的tRNA,命名原則：,* tRNA的三級結(jié)構(gòu) 倒L形,* tRNA的功能 活化、搬運氨基酸到核糖體，參與蛋白質(zhì)的翻譯。,三、核蛋白體RNA(ribosomal RNA),* rRNA的功能 參與組成核蛋

12、白體，作為蛋白質(zhì)生物合成的場所。,rRNA是細胞中含量最多的RNA，占總量的80%。,* rRNA的種類（根據(jù)沉降系數(shù)）,真核生物 5S rRNA 28S rRNA 5.8S rRNA 18S rRNA,原核生物 5S rRNA 23S rRNA 16S rRNA,核蛋白體的組成,四 、其他小分子RNA及RNA組學(xué),除了上述三種RNA外，細胞的不同部位存在的許多其他種類的小分子RNA，統(tǒng)稱為非mRNA小RNA(small non-messenger RNAs, snmRNAs),snmRNAs,snmRNAs的種類 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,

13、snmRNAs的功能 參與hnRNA和rRNA的加工和轉(zhuǎn)運。,RNA組學(xué)研究細胞中snmRNAs的種類、結(jié)構(gòu)和功能。同一生物體內(nèi)不同種類的細胞、同一細胞在不同時間、不同狀態(tài)下snmRNAs的表達具有時間和空間特異性。,RNA組學(xué),核 酸 的 理 化 性 質(zhì) The Physical and Chemical Characters of Nucleic Acid,第 四 節(jié),一、核酸的一般理化性質(zhì) 核酸具有酸性； DNA分子粘度大；RNA 分子粘度小 能吸收紫外光，最大吸收峰為260nm?？捎糜诤怂岬亩ㄐ院投繙y定。,1. DNA或RNA的定量 OD260=1.0相當(dāng)于 50g/ml雙鏈DNA

14、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,OD260的應(yīng)用,二、DNA的變性(denaturation),定義：在某些理化因素作用下，DNA雙鏈解開成兩條單鏈的過程。,方法：過量酸，堿，加熱，變性試劑如尿素、 酰胺以及某些有機溶劑如乙醇、丙酮等。,變性后其它理化性質(zhì)變化：,增色效應(yīng) 粘度下降 比旋度下降浮力密度升高 酸堿滴定曲線改變生物活性喪失,DNA變性的本質(zhì)是雙鏈間氫鍵的斷裂,例：變性引起紫外吸收值的改變,DNA的紫外吸收光譜,增色效應(yīng)：DNA變性時其

15、溶液OD260增高的現(xiàn)象。,熱變性,解鏈曲線：如果在連續(xù)加熱DNA的過程中以溫度對A260（absorbance，A，A260代表溶液在260nm處的吸光率）值作圖，所得的曲線稱為解鏈曲線。,Tm：變性是在一個相當(dāng)窄的溫度范圍內(nèi)完成，在這一范圍內(nèi)，紫外光吸收值達到最大值的50%時的溫度稱為DNA的解鏈溫度，又稱融解溫度(melting temperature, Tm)。,Tm的高低與DNA分子中G+C的含量有關(guān)， G+C的含量越高，則Tm越高。,三、DNA的復(fù)性,DNA復(fù)性(renaturation)的定義 在適當(dāng)條件下，變性DNA的兩條互補鏈可恢復(fù)天然的雙螺旋構(gòu)象，這一現(xiàn)象稱為復(fù)性。,減色效

16、應(yīng) DNA復(fù)性時，其溶液OD260降低。,熱變性的DNA經(jīng)緩慢冷卻后即可復(fù)性，這一過程稱為退火(annealing) 。,兩條來源不同的單鏈核酸（DNA或RNA），只要它們有大致相同的互補堿基順序，在適宜的條件（溫度及離子強度）下，經(jīng)退火處理即可復(fù)性，形成新的雜種雙螺旋，這一現(xiàn)象稱為核酸的分子雜交。,四、分子雜交與探針技術(shù),核酸雜交可以是DNA-DNA，也可以是DNA-RNA雜交。 不同來源的，具有大致相同互補堿基順序的核酸片段稱為同源順序。,探針技術(shù),利用核酸的分子雜交，可以確定或?qū)ふ也煌锓N中具有同源順序的DNA或RNA片段。,在核酸雜交分析過程中，常將已知順序的核酸片段用放射性同位素或生物素進行標(biāo)記。這種帶有一定標(biāo)記的已知順序的核酸片段稱為探針。,核酸分子雜交的應(yīng)用 研究DNA分子中某一種基因的位置 定兩種核酸分子間的序列相似性 檢測某些專一序列在待檢樣品中存在與否 是基因芯片技術(shù)的基礎(chǔ),第五節(jié) 核 酸 酶 Nuclease,核酸酶是指所有可以水解核酸的酶 依據(jù)底物不同分類 DNA酶(DNase)：專一降解DNA。 RNA酶 (RNase)：專一降解RNA。 依據(jù)切割部位不同 核酸內(nèi)切酶：分為限制性核酸內(nèi)切酶和非特異性限制性核酸內(nèi)切酶。