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(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) 1965年 Nirenberg發(fā)現(xiàn)遺傳密碼 1970年 Temin和Baltimore發(fā)現(xiàn)逆轉(zhuǎn)錄酶 1981年 Gilbert和Sanger建立DNA 測(cè)序方法 1985年 Mullis發(fā)明

2、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,二、核酸的分類(lèi)及分布,第一節(jié) 核酸的化學(xué)組成及其一級(jí)結(jié)構(gòu)The Chemical Component and Primary Structure of Nucleic Acid,核酸的化學(xué)組成,1. 元素組成 C、H、O、N、P（910%）,嘌呤(purine),腺嘌呤(adenine, A),鳥(niǎo)嘌呤(guanine, G),堿 基,嘧啶(pyrimidine),胞嘧啶(cytosine, C),尿嘧啶(uracil, U),胸腺嘧啶(thymine

3、, T),堿基的互變異構(gòu),酮式烯醇 C=O C-OH N N 氨基亞氨基 C-NH2 C=NH2 + +HN HN 受介質(zhì)pH影響,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),核苷酸： AMP, GMP, UMP, CMP 脫氧核苷酸： dAMP, dGMP, dTMP, dCMP,電 腦 模 型圖 簡(jiǎn)化式,酯鍵,糖苷鍵,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 AMP,多磷酸核苷酸：NMP，NDP，NTP,環(huán)化核苷酸: cAMP，cGMP,AMP,ADP,A

4、TP,cAMP,C,G,A,二、核酸的一級(jí)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(chēng)為堿基序列。,書(shū)寫(xiě)方法,5 pApCpTpGpCpT-OH 3,5 A C T G C T 3,目 錄,第二節(jié) DNA的空間結(jié)構(gòu)與功能Dimensional Structure and Function of DNA,DNA的二級(jí)結(jié)構(gòu)-雙螺旋結(jié)構(gòu) DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的研究背景和歷史意義 DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型要點(diǎn) DNA的超螺旋結(jié)構(gòu)及其在染色質(zhì)中的組裝 DNA的超螺旋結(jié)構(gòu) 原核生物DNA的高級(jí)結(jié)構(gòu) DNA在真核生物細(xì)胞核內(nèi)的組裝 DNA的功能,一、 DNA的二級(jí)結(jié)構(gòu) 雙螺旋結(jié)構(gòu)

5、,（一）DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的研究背景和歷史意義,目 錄,Chargaff 規(guī)則 任何一種生物中各堿基相對(duì)比例相同 即：A=T，G=C； 不同生物的DNA,其堿基組成不同； 同一個(gè)體不同器官、組織的DNA,其堿基組成相同。 DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)的歷史意義： 揭示了生物體遺傳信息儲(chǔ)存及表達(dá)的分子機(jī)制 開(kāi)創(chuàng)了現(xiàn)代分子生物學(xué) 是生物學(xué)發(fā)展史上的里程碑,（二） DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型要點(diǎn) （Watson, Crick, 1953）,DNA分子由兩條相互平行但走向相反的脫氧多核苷酸鏈組成，兩鏈以-脫氧核糖-磷酸-為骨架，以右手螺旋方式繞同一公共軸盤(pán)。螺旋直徑為2nm，形成大溝(major groove)及小溝

6、(minor groove)相間。,目 錄,（二） DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型要點(diǎn) （Watson, Crick, 1953）,堿基垂直螺旋軸居雙螺旋內(nèi)側(cè)，與對(duì)側(cè)堿基形成氫鍵配對(duì)（互補(bǔ)配對(duì)形式：A=T; GC） 。 相鄰堿基平面距離0.34nm，螺旋一圈螺距3.4nm，一圈10對(duì)堿基。,目 錄,堿基互補(bǔ)配對(duì),T,A,G,C,（二） DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型要點(diǎn) （Watson, Crick, 1953）,氫鍵維持雙鏈橫向穩(wěn)定性，堿基堆積力維持雙鏈縱向穩(wěn)定性。,目 錄,（三）DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的多樣性,目 錄,B-,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)(super

7、helix 或supercoil) DNA雙螺旋鏈再盤(pán)繞即形成超螺旋結(jié)構(gòu)。,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,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。,（二）原核生物DNA的高級(jí)結(jié)構(gòu),（三）DNA在真核生物細(xì)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 H4,三、DNA的功能,DNA的基本

8、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)。,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。,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,一 、信使RNA的結(jié)構(gòu)與功能,內(nèi)含子 (intron),* mRNA成熟過(guò)程,外顯子 (exon),目 錄,* 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)：m7GpppNm-。,2. 大多數(shù)真核mRN

9、A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。,帽子結(jié)構(gòu),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,帽子結(jié)構(gòu)和多聚A尾的功能,帽結(jié)合蛋白（CBPs),polyA結(jié)合蛋白(PAB),* mRNA的功能 把DNA所攜帶的遺傳信息，按堿基互補(bǔ)配對(duì)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(jí)結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 含 1020% 稀有堿基，如 DHU 3末端為 CCA-OH 5末端大多數(shù)為G 具有 TC,二、轉(zhuǎn)運(yùn)RNA的結(jié)構(gòu)與功能,N,N二甲基鳥(niǎo)嘌呤,N6-異戊烯腺嘌呤,雙氫尿嘧啶,4-巰尿嘧啶,稀有堿基,* tRNA的二級(jí)結(jié)構(gòu) 三葉草形

10、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),* tRNA的三級(jí)結(jié)構(gòu) 倒L形,* tRNA的功能 活化、搬運(yùn)氨基酸到核糖體，參與蛋白質(zhì)的翻譯。,* rRNA的結(jié)構(gòu),三、核蛋白體RNA的結(jié)構(gòu)與功能,* rRNA的功能 參與組成核蛋白體，作為蛋白質(zhì)生物合成的場(chǎng)所。,* rRNA的種類(lèi)（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(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

11、RNA(small non-messenger RNAs, snmRNAs)。,snmRNAs,snmRNAs的種類(lèi) 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,snmRNAs的功能 參與hnRNA和rRNA的加工和轉(zhuǎn)運(yùn)。,RNA組學(xué)研究細(xì)胞中snmRNAs的種類(lèi)、結(jié)構(gòu)和功能。同一生物體內(nèi)不同種類(lèi)的細(xì)胞、同一細(xì)胞在不同時(shí)間、不同狀態(tài)下snmRNAs的表達(dá)具有時(shí)間和空間特異性。,RNA組學(xué),核酸和蛋白質(zhì)的比較,核 酸 的 理 化 性 質(zhì) The Physical and Chemical Characters of Nucleic Acid,第 四 節(jié),目 錄,

12、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,OD260的應(yīng)用,目 錄,二、DNA的變性(denaturation),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。,方法：過(guò)量酸，堿，加熱，變性試劑如尿素、 酰胺以及某些有機(jī)溶劑如乙醇、丙酮等。,變性后其它理化性質(zhì)變化：,OD260增高粘度下降 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,目 錄,DNA變性的本

13、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(shí)其溶液OD260增高的現(xiàn)象。,目 錄,熱變性,解鏈曲線：如果在連續(xù)加熱DNA的過(guò)程中以溫度對(duì)A260（absorbance，A，A260代表溶液在260nm處的吸光率）值作圖，所得的曲線稱(chēng)為解鏈曲線。,目 錄,Tm：變性是在一個(gè)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(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。,目 錄,三、DNA的復(fù)性與分子雜交,DNA復(fù)性(renaturation)的定義 在適

14、當(dāng)條件下，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。,減色效應(yīng) DNA復(fù)性時(shí)，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(guò)程稱(chēng)為退火(annealing) 。,目 錄,在DNA變性后的復(fù)性過(guò)程中，如果將不同種類(lèi)的DNA單鏈分子或RNA分子放在同一溶液中，只要兩種單鏈分子之間存在著一定程度的堿基配對(duì)關(guān)系，在適宜的條件（溫度及離子強(qiáng)度）下，就可以在不同的分子間形成雜化雙鏈(heteroduplex)。 這種雜化雙鏈可以在不同的DNA與DNA之間形成，也可以在DNA和RNA分子間或者RNA與RNA分子間形成。這種現(xiàn)象稱(chēng)為核酸分子雜交。,核酸分子雜交(hyb

15、ridization),DNA-DNA 雜交雙鏈分子,不同來(lái)源的DNA分子,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(cè)某些專(zhuān)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),探針,在核酸雜交的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一種用于研究核酸和基因診斷的新技術(shù)稱(chēng)為探針技術(shù)。 探針：?jiǎn)捂湹暮塑账峋酆象w標(biāo)記后，就可以稱(chēng)為探針。,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(lèi) DNA酶(deoxyribonuclease, DNase)： 專(zhuān)一降解DNA。 RNA酶 (ribonuclease, RNase)： 專(zhuān)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。 核酸外切酶：53或35核酸外切酶。,參與DNA的合成與修復(fù)及RNA合成后的剪接等重要基因復(fù)制和基因表達(dá)過(guò)程 負(fù)責(zé)清除多余的、結(jié)構(gòu)和功能異常的核酸，同時(shí)也可以清除侵入細(xì)胞的外源性核酸 在消化液中降解食物中的核酸以利吸收 體外重組DNA技術(shù)中的重要工具酶,生物體內(nèi)的核酸酶負(fù)責(zé)細(xì)胞內(nèi)外催化核酸的降解,核酸酶的功能,核 酶,催化性DNA (DNAzyme) 人工合成的寡聚脫氧核苷酸片段