生化-第02章 核酸的结构与功能

1,第二章核酸的结构和功能,核 酸(nucleic acid),是以核苷酸为基本组成单位的生物大分子，携带和传递遗传信息。,2,1868年 Fridrich Miescher 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发现DNA的双螺旋结构。1968年 Nirenberg发现遗传密码。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发明PCR技术。1990年 美国启动人类基因组计划(HGP)。1994年 中国人类基因组计划启动。2001年 美英等国完成人类基因组计划。,核酸研究的发展简史,3,核酸的分类及分布,存在于细胞核和线粒体,分布于细胞核、细胞质、线粒体,(deoxyribonucleic acid, DNA),(ribonucleic acid, RNA),脱氧核糖核酸,核糖核酸,4,本章主要内容,第一节 核酸的化学组成及一级结构,第二节 DNA的空间结构与功能,第三节 RNA的结构与功能,第四节 核酸的理化性质,第五节 核酸酶,5,第一节核酸的化学组成以及一级结构The Chemical Component and Primary Structure of Nucleic Acid,6,核酸组成,DNA的组成单位是脱氧核糖核苷酸（deoxyribonucleotide）RNA的组成单位是核糖核苷酸（ribonucleotide）。,7,一、核苷酸是构成核酸的基本组成单位,8,碱基(base)是含氮的杂环化合物。,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,9,（二）核酸的化学组成,1. 元素组成C、H、O、N、P（910%）,2.分子组成,（1）碱基:,嘌呤碱,嘧啶碱,腺嘌呤(A)鸟嘌呤(G),胞嘧啶(C)尿嘧啶(U)胸腺嘧啶(T),（2）戊糖：核糖（RNA）脱氧核糖（DNA）,（3）磷酸:,存在于DNA和RNA,(只存于RNA),(只存于DNA),10,嘌呤(purine，Pu),腺嘌呤(adenine, A),鸟嘌呤(guanine, G),11,嘧啶(pyrimidine，Py),胞嘧啶(cytosine, C),尿嘧啶(uracil, U),胸腺嘧啶(thymine, T),12,碱基的互变异构体,13,戊糖,14,脱氧核苷,嘌呤N-9 与脱氧核糖C-1通过-N-糖苷键相连形成脱氧核苷(deoxyribonucleoside)。,15,嘧啶N-1与核糖C-1通过-N-糖苷键相连形成核苷(ribonucleoside)。,核苷,N,N,N,N,9,N,H,2,O,O,H,O,H,H,H,H,C,H,2,O,H,H,1,2,糖苷键,16,核苷或脱氧核苷与磷酸通过酯键结合构成核苷酸(ribonucleotide)或脱氧核苷酸(deoxyribonucleotide)。,核苷酸(ribonucleotide),17,多磷酸核苷酸,18,环化核苷酸：cAMP、cGMP，是细胞信号转导中的第二信使。,cAMP,核苷酸衍生物,19,生物氧化体系的重要成分，在传递质子或电子的过程中具有重要的作用。,烟酰胺腺嘌呤二核苷酸，nicotinamide adenine dinucleotide, NAD+），,20,构成RNA的碱基、核苷以及核苷酸,21,构成DNA的碱基、核苷、核苷酸,22,二、DNA是脱氧核苷酸通过3,5-磷酸二酯键连接形成的大分子,一个脱氧核苷酸3的羟基与另一个核苷酸5的-磷酸基团缩合形成磷酸二酯键(phosphodiester bond)。 多个脱氧核苷酸通过磷酸二酯键构成了具有方向性的线性分子，称为多聚脱氧核苷酸(polydeoxynucleotide)，即DNA链。,23,C,G,A,24,交替的磷酸基团和戊糖构成了DNA的骨架 (backbone)。,DNA链的方向是5 3,25,三、RNA也是具有3, 5-磷酸二酯键的线性大分子,RNA也是多个核苷酸分子通过3,5-磷酸二酯键连接形成的线性大分子，也具有53方向性; RNA的戊糖是核糖； RNA的嘧啶是胞嘧啶和尿嘧啶。构成RNA的四种基本核苷酸是AMP、GMP、CMP和UMP。,26,定义核酸中核苷酸的排列顺序。由于核苷酸间的差异主要是碱基不同，所以也称为碱基序列。,四、核酸的一级结构是核苷酸的排列顺序,27,2.书写方法：,5 pApCpTpGpCpT-OH 3,5 A C T G C T 3,28,单链DNA和RNA分子的大小常用核苷酸数目（nucleotide，nt）表示；双链核酸分子的大小常用碱基(base或kilobase)数目来表示。小的核酸片段(80)。rRNA与核糖体蛋白结合组成核糖体(ribosome)，为蛋白质的合成提供场所。,三、以rRNA为组分的核糖体是蛋白质合成的场所,83,核糖体的组成,84,大肠杆菌的核蛋白体,85,18S rRNA的二级结构,86,蛋白质合成时形成的复合体,87,四、其他非编码RNA参与基因表达的调控,长链非编码RNA（long non-coding RNA, lncRNA）,非编码RNA（ Non-coding RNA, ncRNA）,不编码蛋白质但具有重要生物学功能的RNA分子。,短链（小）非编码RNA（small non-coding RNA, sncRNA）,88,ncRNA 功能,参与转录调控、RNA的剪切和修饰、mRNA的稳定和翻译调控、蛋白质的稳定和转运、染色体的形成和结构稳定等细胞重要功能,lncRNA 功能,lncRNA在结构上类似于mRNA，但序列中不存在开放读框。许多已知的lncRNAs由RNA聚合酶转录并经可变剪切形成，通常被多聚腺苷酸化。lncRNA具有复杂的生物学功能，并与一些疾病的发病机制密切相关。有的lncRNA能使基因沉默，有的则激活基因的表达。,89,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（small non-messenger RNA）,90,核内小RNA（small nuclear RNA, snRNA）位于细胞核内。snRNA有5种，分别称为U1、U2、U4、U5、U6，它们与多种蛋白形成复合体，参与真核细胞hnRNA的内含子加工剪接（第十六章）。核仁小RNA（small nucleolar RNA, snoRNA）：定位于核仁，主要参与rRNA的加工和修饰，如rRNA中核糖C-2的甲基化修饰。胞质小RNA（small cytoplasmic RNA, scRNA）：存在于细胞质中，参与形成信号识别颗粒，引导含有信号肽的蛋白质进入内质网定位合成（第十七章）。,91,催化性小RNA亦被称为核酶（ribozyme）。是细胞内具有催化功能的一类小分子RNA，具有催化特定RNA降解的活性，在RNA的剪接修饰中具有重要作用。小干扰RNA（small interfering RNA，siRNA）是生物宿主对于外源侵入基因表达的双链RNA进行切割所产生的具有特定长度（2123 bp）和特定序列的小片段RNA。这些siRNA可以单链形式与外源基因表达的mRNA相结合，并诱导相应mRNA降解。,92,微RNA（microRNAs, miRNAs ）,是一类长度为22nt左右的内源性sncRNA。miRNAs主要是通过结合mRNA而选择性调控基因的表达。,93,原核生物基因表达的特异性,五、核酸在真核细胞和原核细胞中表现出不同的时空特性,94,真核生物基因表达的特异性,95,核酸的理化性质The Physical and Chemical Characters of Nucleic Acid,第四节,96,核酸在波长 260nm 处有强烈的吸收，是由碱基的共轭双键所决定的。这一特性常用作核酸的定性和定量分析。,一、核酸分子具有强烈的紫外吸收,97,碱基的紫外吸收光谱,98,DNA或RNA的定量A260 = 1.0 相当于 50g/ml 双链DNA(dsDNA)40g/ml 单链DNA (ssDNA or RNA)20g/ml 寡核苷酸确定样品中核酸的纯度 纯 DNA: A260/A280 = 1.8纯 RNA: A260/A280 = 2.0,紫外吸收的应用,99,二、DNA变性是双链解离为单链的过程,某些理化因素导致DNA双链互补碱基对之间的氢键发生断裂，DNA双链解离为单链的过程。,定义,DNA变性的本质是双链间氢键的断裂。,100,部分解链,双链DNA,DNA的变性,101,DNA的变性,102,部分变性DNA的电镜图像,103,增色效应(hyperchromic effect)：DNA变性时其溶液OD260增高的现象。,DNA解链时的紫外吸收变化,104,DNA的解链曲线,连续加热DNA的过程中以温度相对于A260值作图，所得的曲线称为解链曲线。,解链过程中，紫外吸光度的变化达到最大变化值的一半时所对应的温度。,解链温度(melting temperature，Tm),105,G+C 含量越高，解链温度就越高。,解链曲线的变化,106,三、变性的核酸可以复性或形成杂交双链,当变性条件缓慢地除去后，两条解离的互补链可重新配对，恢复原来的双螺旋结构，这一现象称为DNA复性(renaturation) 。,减色效应：DNA复性时，其溶液OD260降低。,热变性的DNA经缓慢冷却后即可复性，这一过程称为退火(annealing) 。,107,不同种类的DNA单链分子或RNA分子放在同一溶液中，只要两种单链分子之间存在着一定程度的碱基配对关系，在适宜的条件可以在不同的分子间形成杂化双链(heteroduplex)。这种杂化双链可以在不同的DNA与DNA之间形成，也可以在DNA和RNA分子间或者RNA与RNA分子间形成。这种现象称为核酸分子杂交。,核酸分子杂交(hybridization),108,核酸分子复性和杂交,109,研究DNA分子中某一种基因的位置。监定两种核酸分子间的序列相似性。检测靶基因在待检样品中存在与否。,核酸分子杂交的应用,110,第五节 核酸酶 Nuclease,111,依据底物不同分类DNA酶(deoxyribonuclease, DNase)：专一降解DNA。RNA酶 (ribonuclease, RNase)：专一降解RNA。依据对底物作用方式不同核酸内切酶：在DNA或RNA分子内部切断磷酸二酯键 。核酸外切酶：水解核酸分子链末端的磷酸二酯键。 有53或35核酸外切酶。,核酸酶是指所有可以水解核酸的酶。,112,5,5,3,3,外切位点,外切位点,内切位点,内切位点,113,参与DNA的合成、修复以及RNA的剪接。清除多余的、结构和功能异常的核酸，以及侵入细胞的外源性核酸。 降解食物中的核酸。体外重组DN