第2章核酸的结构与功能

1、第二章核酸的结构与功能,Structure and Function of Nucleic Acid,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,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,第一节 核酸的化学组成及其一级结构The Chemical Component and Primary Structure of Nucleic Acid,核酸组成,一、核苷酸是构成核酸的基本组成单位,碱基(bas

2、e)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,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,多磷酸核苷酸,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,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

3、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,三、RNA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酯化反应形成的线性大分子，并且具有方向性,RNA的戊糖是核糖； RNA的嘧啶是胞嘧啶和尿嘧啶,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,核酸分子的大小常用碱基(base或kilobase)数目来表示。 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

4、十万个碱基,核酸大小的表示法,第二节 DNA的空间结构与功能Dimensional Structure and Function of DNA,DNA的空间结构又分为二级结构(secondary structure)和高级结构,DNA的空间结构(spatial structure,构成DNA的所有原子在三维空间具有确定的相对位置关系,一、DNA的二级结构是双螺旋结构,两条多聚核苷酸链在空间的走向呈反向平行(anti-parallel)。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2.37nm，螺距为3.54nm。 脱氧核糖和磷酸基团组成的亲水性骨架

5、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(major groove)和一个小沟(minor groove,DNA双螺旋结构模型要点,1.DNA是反向平行、右手螺旋的双链结构,相邻两个碱基对会有重叠，产生了疏水性的碱基堆积力(base stacking interaction)。 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,3.疏水作用力和氢键共同维系着DNA双螺旋结构的稳定,三种DNA构型的比较,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(positiv

6、e supercoil) 盘绕方向与DNA双螺旋方同相同,负超螺旋(negative supercoil) 盘绕方向与DNA双螺旋方向相反,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,二）真核生物DNA的高度有序和高度致密的结构,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：约200bp 组蛋白：H1 H2A，H2B H3 H4,核小体的组成,DNA的基本功能是以基因的形式荷载遗传信息，并作为基因复制和转录的模

7、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,基因从结构上定义，是指DNA分子中的特定区段，其中的核苷酸排列顺序决定了基因的功能,三、DNA是遗传信息的物质基础,第三节 RNA的结构与功能,Structure and Function of RNA,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，但有复杂的局部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,RNA的种类、分布、功能,信使RNA(messenger RNA, mRNA)是合成蛋白质的模板。 不均一核RNA(hnRNA)含有内含子(intron

8、)和外显子(exon)。 外显子是氨基酸的编码序列，而内含子是非编码序列。 hnRNA经过剪切后成为成熟的mRNA,一、mRNA是蛋白质合成中的模板,从AUG 开始，每三个核苷酸为一组编码了一个氨基酸，称为三联体密码(codon)。 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-A tail)结构,成熟的真核生物mRNA,三）mRNA依照自身的碱基顺序指导蛋白质氨基酸顺序的合成,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)或三联体密码(triplet code,AUG被称为起始密码子；决定肽链终

9、止的密码子则称为终止密码子,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(open reading frame, ORF)，决定了多肽链的氨基酸序列,四）mRNA的成熟过程是hnRNA的剪接过程,卵清蛋白mRNA的成熟,转运RNA(transfer RNA, 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7495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,tRNA具有局部的茎环(stem-loop)结构或发卡(hairpin)结构,二）tRNA具有茎环结构,tRNA的二级结构 三叶草形,氨基酸臂

10、 DHU环 反密码环 TC环 附加叉,tRNA的3-末端都是以CCA结尾。 3-末端的A与氨基酸共价连结，tRNA成为了氨基酸的载体。 不同的tRNA可以结合不同的氨基酸,三）tRNA的3-末端连接氨基酸,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,四）tRNA的反密码子识别mRNA的密码子,核蛋白体RNA(ribosomal RNA，rRNA)是细胞内含量最多的RNA(80)。 rRNA与核蛋白体蛋白结合组成核蛋白体(ribosome)，为蛋白质的合成提供场所,三、以rRNA为组分的核蛋白体是蛋

11、白质合成的场所,RNA组学 是研究细胞内snmRNA的种类、结构和功能。同一生物体内不同种类的细胞、同一细胞在不同时空状态下snmRNAs表达谱的变化，以及与功能之间的关系,四、snmRNA参与了基因表达的调控,细胞的不同部位存在的许多其他种类的小分子RNA，统称为非mRNA小RNA(small non-messenger RNAs, snmRNAs,snmRNAs,核内小RNA 核仁小RNA 胞质小RNA 催化性小RNA 小片段干涉 RNA,参与hnRNA的加工剪接,snmRNAs的种类,snmRNAs的功能,核酶,某些小RNA分子具有催化特定RNA降解的活性，这种具有催化作用的小RNA亦被

12、称为核酶(ribozyme)或催化性RNA(catalytic RNA,核酸的理化性质 The Physical and Chemical Characters of Nucleic Acid,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。 核酸的高分子性质 粘度：DNARNA dsDNA 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,DNA或RNA的定量 A260 = 1.0 相当于

13、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,二、DNA变性是双链解离为单链的过程,在某些理化因素作用下，DNA双链解开成两条单链的过程,定义,DNA变性的本质是双链间氢键的断裂,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,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

14、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,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),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,研究DNA分子中某一种基因的位置。 鉴定两种核酸分子间的序列相似性。 检测某些专一序列在待检样品