第2章核酸结构与功能

第二章核酸的结构和功能 StructureandFunctionofNucleicAcid 核酸 nucleicacid 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 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 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 deoxyribonucleicacid DNA ribonucleicacid RNA 脱氧核糖核酸 核糖核酸 第一节核酸的化学组成以及一级结构TheChemicalComponentandPrimaryStructureofNucleicAcid 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 核酸酶 一 核苷酸是构成核酸的基本组成单位 元素组成C H O N P 10 碱基是含氮的杂环化合物 为嘌呤与嘧啶的衍生物 碱基 嘌呤 嘧啶 腺嘌呤 A 鸟嘌呤 G 尿嘧啶 U 胸腺嘧啶 T 胞嘧啶 C 仅存在于RNA中 仅存在于DNA中 碱基 base 存在于DNA和RNA中 嘌呤 purine Pu 腺嘌呤 adenine A 鸟嘌呤 guanine G 嘧啶 pyrimidine Py 胞嘧啶 cytosine C 尿嘧啶 uracil U 胸腺嘧啶 thymine T 碱基的互变异构体 互变异构体的存在为碱基之间形成氢键提供了结构基础 D 核糖 嘌呤N 9或嘧啶N 1与核糖C 1 通过糖苷键相连形成核苷 核苷 ribonucleoside 脱氧核苷 deoxyribonucleoside 嘌呤N 9或嘧啶N 1与脱氧核糖C 1 通过糖苷键相连形成脱氧核苷 天然条件下 由于空间位阻效应 核糖与碱基处在反式构象上 核苷或脱氧核苷与磷酸通过磷酯键结合构成核苷酸 ribonucleotide 或脱氧核苷酸 deoxyribonucleotide 核苷酸 ribonucleotide 糖苷键 磷酯键 ATP ADP AMP 多磷酸核苷酸NMP NDP NTP FormationofADPandATPbythesuccessiveadditionofphosphategroupsviaphosphoricanhydridelinkages NotetheremovalofequivalentsofH2Ointhesedehydrationsynthesisreactions RNA中的核糖核苷酸 DNA中的脱氧核糖核苷酸 多磷酸核苷酸 构成RNA的碱基 核苷以及核苷酸 构成DNA的碱基 核苷 核苷酸 环化核苷酸 环腺苷酸 cAMP 环鸟甘酸 cGMP 是细胞信号转导中的第二信使 具有调控基因表达的作用 cAMP 核苷酸衍生物 烟酰胺腺嘌呤二核苷酸 nicotinamideadeninedinucleotide NAD 辅酶I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 辅酶中的核苷酸 黄素腺嘌呤二核苷酸 FAD 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 phosphodiesterbond 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 C G A 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 只能在3 羟基端得以延长 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5 3 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 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 核酸的一级结构 5 pApCpTpGpCpT OH3 5 ACTGCT3 ACTGCT 一级结构就是碱基序列 核酸分子大小表示 核苷酸数目 单链 nucleotide nt碱基对数目 双链 basepair bp或kilobasepair kbp小的核酸片段 50bp 常被称为寡核苷酸 oligonucleotide 自然界中的DNA和RNA的长度可以高达几十万个碱基 第二节DNA的空间结构与功能DimensionalStructureandFunctionofDNA DNA的空间结构又分为二级结构 secondarystructure 和高级结构 DNA的空间结构 spatialstructure 定义 构成DNA的所有原子在三维空间的相对位置关系 一 DNA的二级结构是双螺旋结构 一 DNA双螺旋结构的实验基础 1 20世纪50年代查加夫Chargaff利用层析和紫外吸收光谱等技术研究DNA的化学组分 提出了有关DNA分子四种碱基组成的Chargaff规则 1 不同生物个体的DNA其碱基组成不同 2 同一个体不同器官或不同组织的DNA具有相同的碱基组成 3 对于一特定组织的DNA 其碱基组分不随其年龄 营养状态和环境而变化 4 对于一特定的生物体而言总有A T C G 即 嘌呤摩尔数 嘧啶摩尔数 不同生物来源DNA碱基组分和相对比例 用高度定向的DNA纤维得到的高质量X 光衍射照片 双螺旋结构的实验依据X 射线衍射数据 Franklin和Wilkins发现不同来源的DNA纤维具有相似的X 射线衍射图谱 而且延长轴有0 34nm和3 4nm两个重要的周期性变化 说明DNA可能有共同的空间结构 X 射线衍射数据说明 DNA含有两条或两条以上具有螺旋结构的多核苷酸链 Watson和Crick根据Wilkins和Franklin高质量的DNAX 线衍射照片及前人的研究结果 提出了DNA双螺旋结构模型 并在1953年发表在Nature杂志上 这一发现提示了生物界遗传性状得以世代相传的分子机制 解释了当时已知的DNA的理化性质 并将DNA的功能与结构联系起来 奠定了现代生命科学的基础 两条多聚核苷酸链在空间的走向呈反向平行 anti parallel 两条链中一条链的5 3 方向是自上而下 而另一条链的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 的结构 双螺旋结构的直径为2 4nm 螺距为3 54nm 二 DNA双螺旋结构模型要点 1 DNA由两条多聚脱氧核苷酸链组成 DNA双螺旋结构的示意图 脱氧核糖和磷酸基团组成的亲水性骨架位于双螺旋结构的外侧 疏水的碱基位于内侧 双螺旋结构的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 45 亲水性的骨架位于双链的外侧 疏水性的碱基位于双链的内侧 骨架与碱基 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的两条链则互为互补链 complementarystrand 碱基对平面与螺旋轴垂直 47 碱基互补配对 鸟嘌呤 G 胞嘧啶 C 48 碱基互补配对 腺嘌呤 A 胸腺嘧啶 T 49 碱基平面与纵轴垂直 糖环平面与纵轴平行 4 由于碱基对的糖苷键有一定的键角 使两个糖苷键之间的窄角为120o 广角为240o 碱基对因而向两条主链的一侧突出 碱基对上下堆积起来 窄角的一侧形成小沟 minorgroove 其宽度为1 2nm 广角的一侧形成大沟 majorgroove 其宽度为2 2nm 因此 DNA双螺旋的表面可看到一条连续的大沟 和一条连续的小沟 图2 20 大沟和小沟可以特异性地与蛋白质相互作用 特别是在大沟处 A T T A G C和C G的有关基团分布各不相同 可以提供与蛋白质相互识别的丰富信息 相邻两个碱基对会有重叠 产生了疏水性的碱基堆积力 basestackinginteraction 碱基堆积力和互补碱基对的氢键共同维系着DNA结构的稳定 碱基堆积力更重要 4 碱基对的疏水作用力和氢键共同维持着DNA双螺旋结构的稳定 碱基堆积作用力 相邻碱基对平面间的距离为0 34nm 该距离使碱基平面间的 电子云可在一定程度上互相交盖 形成碱基堆积力 basestackingforce 三 DNA双螺旋结构的多样性 92 相对湿度生理条件下最稳定 湿度下降 研究CGCGCG的晶体结构时发现 左手螺旋 三种DNA构型的比较 四 DNA的多链结构 在酸性的溶液中 胞嘧啶的N 3原子被质子化 可与鸟嘌呤的N 7原子形成氢键 同时 胞嘧啶的N 4的氢原子也可与鸟嘌呤的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的三链结构 triplex 三链结构 4个鸟嘌呤之间通过8个Hoogsteen氢键形成特殊的四链结构 tetraplex 四链结构 1 6 7 2 真核生物DNA3 末端是富含GT的多次重复序列 端粒 因而自身形成了折叠的四链结构 保护端粒的完整性 A T A 人端粒区序列 TTAGGG A A A 端粒 英文名 Telomere 是存在于真核细胞线状染色体末端的一小段DNA 蛋白质复合体 它与端粒结合蛋白一起构成了特殊的 帽子 结构 作用是保持染色体的完整性和控制细胞分裂周期 二 DNA的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 61 62 一 原核生物DNA的环状超螺旋结构 原核生物DNA多为环状 以负超螺旋的形式存在 平均每200碱基就有一个超螺旋形成 63 DNA超螺旋结构的电镜图象 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以非常有序的形式存在于细胞核内 在细胞周期的大部分时间里 DNA以松散的染色质 chromatin 形式存在 在细胞分裂期 则形成高度致密的染色体 chromosome DNA染色质呈现出的串珠样结构 染色质的基本单位是核小体 nucleosome DNA染色质的电镜图像 DNA 约150bp组蛋白 H1H2A H2BH3H4 核小体的组成 各两个 组成八聚体组蛋白核心 150bpDNA双链 盘绕1 75圈 形成核小体的核心颗粒 核小体串珠样的结构 核心颗粒之间由60bpDNA和组蛋白H1构成 70 染色质的中空螺旋管 71 双链DNA的折叠和组装 72 DNA经过多次折叠 被压缩了8000 10000倍 近2米DNA组装在直径只有为数微米的细胞核内 73 真核生物的染色体 端粒 染色体末端膨大的粒状结构 人端粒区序列为TTAGGG 维持染色体结构的稳定 维持复制过程中DNA的完整性 还与衰老及肿瘤相关 着丝粒 是两个染色单体连接位点 富含A T 细胞分裂时的断裂点 DNA是生物遗传信息的载体 并为基因复制和转录提供了模板 它是生命遗传的物质基础 也是个体生命活动的信息基础 基因是携带遗传信息的DNA片段 DNA具有高度稳定性的特点 用来保持生物体系遗传的相对稳定性 同时 DNA又表现出高度复杂性的特点 它可以发生各种重组和突变 适应环境的变迁 为自然选择提供机会 三 DNA是遗传信息的物质基础 75 第三节RNA的结构与功能 StructureandFunctionofRNA RNA与蛋白质共同负责基因的表达和表达过程的调控 RNA通常以单链的形式存在 但可通过链内碱基配对 形成局部的双链二级结构或三级结构 RNA比DNA小的多 RNA的种类 大小和结构远比DNA表现出多样性 动物细胞内主要的RNA种类及功能 信使RNA messengerRNA mRNA 是细胞内合成蛋白质的模板 生物体内mRNA的丰度最小 2 5 种类最多 105 大小也各不相同 寿命最短 mRNA的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的mRNA 一 mRNA是蛋白质合成中的模板 内含子 intron mRNA成熟过程 外显子 exon 成熟的mRNA由氨基酸编码区和非编码区构成 5 末端的帽子 cap 结构和3 末端的多聚A尾 poly Atail 结构 成熟的真核生物mRNA 帽子结构 m7GpppNp 1 大部分真核细胞mRNA的5 末端都以7 甲基鸟嘌呤 三磷酸核苷为起始结构 mRNA的帽结构可以与帽结合蛋白 capbindingprotein CBP 结合 真核生物的mRNA的3 末端转录后加上一段80 250个核苷酸的多聚腺苷酸 polyA 2 在真核生物mRNA的3 末端有多聚腺苷酸结构 mRNA的多聚A尾在细胞内与poly A 结合蛋白 poly A bindingprotein PABP 结合存在 mRNA细胞核内向胞质的转运mRNA的稳定性维系翻译起始的调控 帽子结构和多聚A尾的功能 原核生物mRNA没有这些构造 3 mRNA碱基序列决定蛋白质的氨基酸序列 从mRNA分子5 末端起的第一个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的核苷酸序列称为开放阅读框 openreadingframe ORF 决定了多肽链的氨基酸序列 在mRNA的开放阅读框的两侧 为非翻译序列 untranslatedregion UTR 即5 UTR和3 UTR 转运RNA transferRNA tRNA 在蛋白质合成过程中作为各种氨基酸的载体 将氨基酸转呈给mRNA 由74 95核苷酸组成 占细胞总RNA的15 具有很好的稳定性 二 tRNA是蛋白质合成中的氨基酸载体 1 tRNA中含有多种稀有碱基 稀有碱基 rarebase 是指除A G C U外的一些碱基 双氢尿嘧啶 假尿嘧啶核苷 甲基化鸟嘌呤 88 tRNA具有局部的茎环 stem loop 结构或发卡 hairpin 结构 2 tRNA含有茎环结构 tRNA的二级结构 三叶草形 氨基酸臂 DHU环 反密码环 T C环 可变环 89 tRNA的三级结构 倒L型 90 3 tRNA的3 末端连接氨基酸 tRNA的3 末端都是以CCA结尾 3 末端的A与氨基酸共价连结 脂键 tRNA成为了氨基酸的载体 氨基酰 tRNA 不同的tRNA可以结合不同的氨基酸 91 tRNA的反密码子环上有一个由三个核苷酸构成的反密码子 anticodon tRNA上的反密码子依照碱基互补的原则识别mRNA上的密码子 4 tRNA的反密码子识别mRNA的密码子 Ile 核糖体RNA ribosomalRNA rRNA 是细胞内含量最多的RNA 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 核糖体的组成 大肠杆菌的核蛋白体 真核18SrRNA的二级结构 蛋白质合成时形成的复合体 四 其他非编码RNA参与基因表达的调控 长链非编码RNA longnon codingRNA lncRNA 非编码RNA Non codingRNA ncRNA 不编码蛋白质但具有重要生物学功能的RNA分子 短链 小 非编码RNA smallnon codingRNA sncRNA 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 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 它们与多种蛋白形成复合体 参与真核细胞不均一核RNA hnRNA 的内含子加工剪接 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 smallcytoplasmicRNA 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 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 smallinterferingRNA 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 21 23bp 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 微RNA microRNAs miRNAs 是一类长度为22nt左右的内源性短链非编码RNA sncRNA miRNAs主要是通过结合mRNA而选择性调控基因的表达 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 无核膜 RNA的转录与蛋白翻译在同一时空进行 真核生物基因表达的特异性 核酸的理化性质ThePhysicalandChemicalCharactersofNucleicAcid 第四节 核酸的酸碱及溶解度性质核酸为多元酸 具有较强的酸性 由于核酸分子中的磷酸是一个中等强度的酸 而碱性 氨基 是一个弱碱 所以核酸的等电点比较低 DNA的等电点为4 4 5RNA的等电点为2 2 5不溶有机溶剂 其钠盐易溶于水 核酸的高分子性质粘度 DNA RNAdsDNA ssDNA沉降行为 不同构象的核酸分子的沉降的速率有很大差异 这是超速离心法提取和纯化核酸的理论基础 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 碱基的紫外吸收光谱 DNA或RNA的定量A260 1 0相当于50 g ml双链DNA dsDNA 40 g ml单链DNA ssDNAorRNA 20 g 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 二 DNA变性是双链解离为单链的过程 某些理化因素 温度 PH值 离子强度等 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 DNA的变性 部分变性DNA的电镜图像 增色效应 hyperchromiceffect DNA变性时其溶液OD260增高的现象 DNA解链时的紫外吸收变化 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 meltingtemperature Tm G C含量越高 解链温度就越高 解链曲线的变化 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 保持DNA变性状态 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 核酸分子复性和杂交 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 第五节核酸酶Nuclease 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5 3 或3 5 核酸外切酶 核酸酶是指所有可以水解核酸的酶 5 5 3 3 外切位点 外切位点 内切位点 内切位点 限制性核酸内切酶 可以识别DNA的特异序列 并在识别位点或其周围切割双链DNA的一类内切酶 简称限制酶 一般是以微生物属名的第一个字母和种名的前两个字母组成 第四个字母表示菌株 品系 在同一品系细菌中得到的识别不同碱基顺序的几种不同特异性的酶 可以编成不同的号 等 例如 从流感嗜血杆菌d株 Haemophilusinfluenzaed 中先后分离到3种限制酶 则分别命名为Hind Hind 和Hind AAGCTTTTCGAA 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 分泌细胞外 例如消化液中的核酸酶 降解食物中的核酸 体外重组DNA技术中的重要工具酶 核酸酶的功能 DNA与RNA比较 蛋白质和核酸比较 第二章作业1 简述B型DNA的结构特点 2 DNA分子中的四种基本碱基是 和