核酸的结构与功能药学

1、第二章 核酸的结构与功能,第一节 核酸的一般概述 第二节 核酸的化学组成 第三节 DNA的结构与功能 第四节 RNA的结构与功能 第五节 核酸的理化性质及应用,核 酸(nucleic acid,是以核苷酸作为基本组成单位的生物大分子，携带和传递遗传信息。核酸分为2种,脱氧核糖核酸（deoxyribonucleic acid, DNA） 核糖核酸（ribonucleic acid, RNA,P24,1868年 瑞士的Miescher 医生从脓细胞中提取核素（核酸的发现） 1944年 Avery用肺炎球菌转化试验等证实DNA是遗传物质（核酸功能的认识） 1953年 Watson和Crick提出DN

2、A的双螺旋结构模型（现代分子生物学的基础,一、核酸的发现与研究简史,P24,第一节 核酸的一般概述,1968年 Nirenberg发现遗传密码 1973年 美国斯坦福大学首次进行了体外基因重组 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 启动人类基因组计划(HGP) 2003年 完成人类基因组计划 20世纪末 发现许多具有特殊功能的RNA,P24,二、核酸有固定的分布区域,并具有重要的生物学功能,核酸的分布区域特点,核酸位于细胞内，大部分都与蛋白质结合存 在，细胞外无核酸

3、 DNA存在于细胞核与线粒体 RNA主要存在于细胞质，10% 存在于细胞核 分3类：信使RNA( messenger RNA, mRNA) 转运RNA ( transfer RNA, tRNA) 核蛋白体RNA ( ribosomal RNA, rRNA,P25,DNA 储存遗传信息并通过复制传递给下一代 RNA 是DNA转录的产物，与蛋白质一起参与 遗传信息的复制与表达,核酸的生物学功能,核酸对生长、发育、遗传和变异具有重要意义,P25,第一节 核酸的一般概述 第二节 核酸的化学组成 第三节 DNA的结构与功能 第四节 RNA的结构与功能 第五节 核酸的理化性质及应用,第二节 核酸的化学组成

4、,核酸的元素组成 C、H、O、N、P,RNA含磷 8.5%9% DNA含磷 9%10,P25,用于定量测定,核酸的基本组成单位是核苷酸(nucleotide,核酸,DNA和RNA,核苷酸（脱氧核糖核苷酸和核苷核糖酸,脱氧核苷和核苷,磷酸,戊糖,碱基,嘌呤,嘧啶,脱氧核糖,核糖,P25,一、戊糖是核苷酸组分之一,构成RNA,1,2,3,4,5,D-核糖,P25,O,H,O,CH,2,O,H,O,H,O,H,嘌呤碱：A(adenine)、G(guanine) 嘧啶碱：C(cytosine)、T(thymine)、 U(uracil) 稀有碱基：甲基化衍生物,二、嘌呤和嘧啶是核苷酸的碱基组分,P26

5、,碱基中含共轭双键，对260nm左右的紫外光有较强的吸收，可用于定性定量分析,P26,碱基的互变异构体,P26,三、碱基与戊糖相连形成核苷，核苷与磷 酸连接形成核苷酸,戊糖的C1与嘌呤的N9或 嘧啶的N1以糖苷键相连形 成核苷(nucleoside)。 戊糖的碳原子编号加“,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,P27,游离存在的多为5-核苷酸,核苷的戊糖羟基与磷酸结合形成的磷酸酯即核苷酸,常见的核苷酸/脱氧核苷酸（NMP/dNMP,AMP、 GMP、 CMP、 UMP dAMP、dGMP、dCMP、dTMP,P27,2-、3-

6、、5-三种核苷酸 3-、5-两种脱氧核苷酸,P28,P28,P28,四、ATP等是体内重要的游离核苷酸,NMP的磷酸基可以再和磷酸相连形成 NDP/dNDP、 NTP/dNTP（RNA/DNA的原料,ATP是能量的直接供体，GTP、CTP和 UTP也可提供能量,P29,P29,核苷酸的其它功能,生成活性物质，如UDPG、CDP-二脂酰 甘油、SAM、PAPS * 构成辅酶，如NAD+、FAD、CoA * 环核苷酸cAMP和cGMP作为激素的 第二信使在信号转导中起重要作用,P29,P30,第一节 核酸的一般概述 第二节 核酸的化学组成 第三节 DNA的结构与功能 第四节 RNA的结构与功能 第

7、五节 核酸的理化性质及应用,一、核苷酸序列是核酸分子的一级结构,核酸由核苷酸以3 , 5 -磷酸二酯键相连聚合而成,一个核苷酸的C-3-羟基和下一位核苷酸C-5-磷酸之间 脱水缩合形成的酯键，即磷酸二酯键,方向性： 5-磷酸 “头”, 3- OH “尾” 书写：按 5 3方向,P30,第三节 DNA的结构与功能,P31,基本单位：脱氧核糖核苷酸 （dAMP、dGMP、dCMP、dTMP） * 基本结构键：3,5-磷酸二酯键,DNA的一级结构指DNA分子中脱氧核苷酸的排列顺序（也就是碱基排列顺序,DNA的一级结构,P30,核酸分子大小常用碱基(base或kilobase, kb)或碱基对(bas

8、e pair, bp或kilobase pair, kbp)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的长度可以高达几十万个碱基,P31,二、DNA的二级结构是右手双螺旋,20世纪50年代，Chargaff等，薄层层析和紫外吸收等 技术研究了DNA的碱基成分，得出Chargaff规则： 不同种属的DNA碱基组成不同，而同一个体不同 器官、组织的DNA碱基组成相同 某一特定生物DNA碱基组成不随年龄等因素改变 Pu=Py，A+G=T+C，且A=T，G=C,一）DNA碱基组成具有重要特征（2个证据,P31,1952年，Fran

9、klin，DNA的X-ray衍射图谱 -DNA是双链螺旋形分子,P31,二）DNA双螺旋结构为现代 分子生物学奠定了基础,1953年，Watson和Crick， 双螺旋(double helix)结构模型 要点如下（四点,P32,1、DNA 分子是由两条长度相同、方向相反的平行多核苷酸链围绕同一中心轴构成的双螺旋结构；两条螺旋都是右手螺旋，双螺旋表面有深沟、浅沟,5,3,5,3,P32,3.4nm,0.34nm,1nm,2、双螺旋直径为2 nm。磷酸和脱氧核糖 相连而成的糖-磷酸骨架位于螺旋外侧， 碱基位于内侧。脱氧核糖平面垂直于碱基 平面，碱基平面垂直于螺旋的纵轴。相邻 碱基间堆砌距离0.3

10、4nm，旋转夹角36o,每 旋转一周包括10 个脱氧核苷酸残基，螺 距为3.4nm,P32,T,C,A,G,A,C,G,T,3、两条多核苷酸链 通过碱基间的氢键连接，遵从碱基互补配对原则，即： A-T配对，形成两个氢键G-C配对，形成三个氢键,P32,碱基的配对使得双螺旋DNA分子在复制时以半保留的形式进行,4、维持DNA双螺旋结构稳定的因素： 碱基堆砌力（疏水力）和氢键,P32,Watson-Crick的DNA双螺旋,2.0 nm,DNA双螺旋结构存在多样性,B-DNA：右手螺旋，条件：相对湿度92%，生理盐水中 提取的DNA纤维的构象,A-DNA：右手螺旋，条件：相对湿度72,Z-DNA：

11、1979，Rich，左手螺旋， 条件：CG重复序列，天然也有,P33,A,B,Z,P34,DNA的超螺旋结构 是指DNA在双螺旋结构的基础上，进一步旋转折叠，在蛋白质的参与下组装成的空间构象。 正超螺旋：与双螺旋同向，使之变紧 负超螺旋：与双螺旋反向，使之变松,三、荷载遗传信息的DNA大分子 具有超螺旋结构,P35,1、原核生物DNA形成超螺旋,原核生物DNA、线粒体、叶绿体、质粒、噬菌体及某些病毒的DNA是共价封闭的环，主要形成负超螺旋,P35,平均每200碱基就有一个超螺旋形成,P35,11nm5.5nm，盘状小颗粒,核心颗粒：组蛋白H2A、H2B、H3、H4各两分子 组成八聚体，表面绕有

12、146bp， 3 以1-圈负超螺旋组成 4 连接区：组蛋白H1和60bpDNA链连结接,核 小 体,2、真核生物染色体DNA与组蛋白形成核小体,P35,核小体彼此相连成串珠状染色质细丝,P36,染色质细丝进一步螺旋化形成中空的线圈状螺线管， 每圈螺旋由 6个核小体组成，即染色质纤维空管。 再进一步盘曲、折叠形成染色单体,P36,压缩6倍,压缩40倍,DNA经过多次折叠，被压缩了800010000倍,压缩1000倍,压缩10000倍,真核生物的染色体DNA,四、DNA是物种进化和世代繁衍的物质基础,基因(gene) ：从结构上定义是指DNA分子中的功能性片段，即经过复制可以遗传给子代，能编码有功

13、能的蛋白质或合成RNA所必需的完整序列，是核酸的功能单位,DNA的基本功能： 基因遗传 基因表达,P35,生物体的全部基因序列称为基因组(genome)，包含了所有编码RNA和蛋白质的编码序列及所有的非编码序列，也就是DNA分子的全序列,基因组,SV40病毒的基因组：5100bp 大肠杆菌的基因组：577kb 人的基因组3.0109bp,P35,第一节 核酸的一般概述 第二节 核酸的化学组成 第三节 DNA的结构与功能 第四节 RNA的结构与功能 第五节 核酸的理化性质及应用,第四节 RNA的结构与功能,AMP、GMP、CMP、UMP,RNA的基本组成单位是4种核苷酸,RNA的基本结构键是,3

14、，5 磷酸二酯键,P36,RNA的一级结构即核苷酸的排列顺序,RNA的分子小，种类多，稀有碱基多,发夹结构(hairpin)是RNA中最普遍的二级结构,多数RNA为线形单链 RNA分子内相邻区段可形成局部双螺旋， 区段间非配对碱基膨胀成凸出或突环,RNA进一步折叠成三级结构成为活性分子,P36,RNA的分类和功能,信使RNA是蛋白质生物合成的直接模板 转运RNA是蛋白质合成时转运氨基酸的工具 核蛋白体RNA是蛋白质合成的场所 细胞内存在多种功能各异的小分子RNA,P36,一、信使RNA是蛋白质生物合成 的直接模板,信使RNA（messenger RNA, mRNA,含量最少（2-3%）；种类最

15、多；半寿期短； 一级结构差异大（500-6000个NA,mRNA 转录DNA的基因序列信息，并携带至细胞 质，作为蛋白质合成的模板，指导蛋白质的合成,P36,不均一核RNA（heterogeneous nuclear RNA, hnRNA,真核细胞成熟的mRNA来自不均一核RNA,含有内含子的转录产物，经加工成熟为mRNA。 hnRNA 加工修饰包括,剪接 5端加帽子结构 3端加尾,P36,真核细胞mRNA5端有m7-GpppN的帽子结构,5端帽子结构的作用： -增强mRNA稳定性，免受核酸酶降解 -促进核糖体与mRNA的结合,P36,真核细胞mRNA的3端有,m7-GpppN,AAAAAA,

16、30到200个,多聚腺苷酸尾（poly A）的作用,多聚腺苷酸的尾,参与mRNA从胞核到胞浆的转位 维持mRNA的稳定性 参与调控蛋白质的合成速度,P37,成熟mRNA包括编码区和非编码区,mRNA的功能是指导蛋白质的合成,成熟mRNA分子编码序列上每3个相邻的核苷酸为一组，决定相应多肽链中某一个氨基酸，称为三联体密码(triplet code)或密码子(codon,P37,原核生物mRNA与真核生物不同,无5帽子结构和3多聚腺苷尾 转录后很少加工，直接作为蛋白质合成的模板,P37,二、转运RNA是蛋白质合成时 转运氨基酸的工具,占RNA总量15%左右 （一）tRNA一级结构的特点 70-90

17、核苷酸，分子量最小的RNA 富含稀有碱基（7-15个/分子） 5末端多为pG，3-末端都是-CCA A的羟基是氨基酸结合部位,P37,P37,二） tRNA的二级结构呈三叶草形,四个螺旋区 三个环 一个可变环 （附加叉,P37,三）tRNA三级结构呈倒“L”字母形,P37,含量最多，约占RNA总量80%； 与多种蛋白质构成核糖体/核蛋白体(ribosome)，是蛋白质的“装配机,三、核蛋白体RNA是蛋白质合成的场所,P38,rRNA 蛋白质 大亚基 50S 5S、23S 34种 小亚基 30S 16S 21种,原核细胞核糖体,P38,rRNA 蛋白质 大亚基 60S 5S、5.8S、28S 3

18、6-50种 小亚基 40S 18S 30-32种,真核细胞核糖体,P38,rRNA有特定的二级结构，也可形成三级结构,P38,四、细胞内存在多种功能各异的 小分子RNA,非mRNA小RNA( small non-messenger RNA, snmRNAs )， 参与RNA的加工、转运及基因表达调控,核内小RNA（snRNA） 核仁小RNA （snoRNA） 胞质小RNA （scRNA） 催化性小RNA （ribozyme，核酶） 小片段干扰RNA （siRNA,P38,第一节 核酸的一般概述 第二节 核酸的化学组成 第三节 DNA的结构与功能 第四节 RNA的结构与功能 第五节 核酸的理化性

19、质及应用,一、核酸分子具有多种重要的理化性质,第五节 核酸的理化性质及应用,1、核酸是生物大分子 RNA比DNA短，在溶液中的粘度小于DNA,P39,2、核酸是两性电解质，酸性较强 * 酸性的磷酸基团 * 碱基上的碱性基团 依核酸分子大小及所带电荷不同，可用 电泳和离子交换法来分离不同的核酸,P39,碱基共轭双键的最大吸收峰在260nm,3、核酸的紫外线吸收性质,P39,应用：* 定性、定量分析 * 变性、复性的指标,一）变性 DNA变性是指在某些理化因素的作用下，双螺旋DNA分子中互补碱基对之间的氢键断裂，双螺旋结构松散，变成单链的过程。不伴有共价键的断裂,三、DNA具有变性和复性的特性,P39,DNA分子的变性,部分变性DNA,现象： 粘度下降 紫外吸收值增加，称增色效应 监测指标：260nm处吸光度的变化,变性因素：加热、碱、酸、有机溶剂、 尿素及酰胺等,增色效应(hyperchromic effect,DNA的热变性是爆发式的， 在很狭窄的温度范围内发生。 （S形,DNA热变性的解链曲线,解链温度(melting temperature，Tm) 通常将DNA分子达到50%解链时的 温度称为熔点或解链温度,G-C含量高,Tm高；A-T含量高,Tm低；链越长Tm越高,变性DNA在适当条件下,如热变性后温度缓慢下降，两