生物化学和分子生物学：第2章 核酸结构与功能

1、第第 二二 章章 核酸的结构与功能核酸的结构与功能 The Department of Biochemistry and Molecular Biology, CMU 核核 酸酸(nucleic acid) l是以是以核苷酸核苷酸为基本组成单位的生物信息大分子，为基本组成单位的生物信息大分子， 具有复杂的结构和重要的生物功能。具有复杂的结构和重要的生物功能。 绪论绪论 l1868年，年， Fridrich Miescher从脓细胞核中提从脓细胞核中提 取取“核素（核素（nuclein）” l1944年年， Avery等人等人通过实验通过实验证实证实DNA是遗传是遗传 物质物质 生物体的遗传物质

2、是生物体的遗传物质是DNA的证明实验的证明实验 l实验一、肺炎双球菌的转化实验实验一、肺炎双球菌的转化实验 l实验二、放射性同位素对噬菌体的标记实验实验二、放射性同位素对噬菌体的标记实验 1928年，英国科学家年，英国科学家F.Griffith的实验的实验 1944年，年，O.Avery的实验的实验 1952年，年，Hershey-Chase的实验的实验 分子生物学的发展分子生物学的发展 l1953年年，Watson和和Crick发现发现DNA的双螺旋结的双螺旋结 构构 l1958年，年，Crick提出提出中心法则中心法则 l1968年，年，Nirenberg破译了破译了遗传密码遗传密码 l1

3、973年，年，Cohen等获得等获得体外重组体外重组DNA的分子克的分子克 隆隆 l1975年，年，Temin和和Baltimore发发现现逆转录酶和逆逆转录酶和逆 转录转录现象现象 l1981年，年，Gilbert和和Sanger建建立立DNA 测序方法测序方法 l1985年，年，Mullis发明发明PCR 技术技术 l1990年，美国启动年，美国启动人类基因组计划人类基因组计划(HGP) l1996年，年，克隆羊克隆羊多利诞生多利诞生 l1998年，年，A.Fire和和C.C.Mello揭示了揭示了RNA干扰干扰 现象现象 l2001年，美、英、日、中等国完成人类基因组年，美、英、日、中等

4、国完成人类基因组 计划基本框架计划基本框架 第一节第一节 核酸的化学组成及一级结构核酸的化学组成及一级结构 The Chemical Component and Primary Structure of Nucleic Acid 90%90%以上分布于细胞核，其余分布于以上分布于细胞核，其余分布于 核外核外如线粒体，叶绿体，质粒等。如线粒体，叶绿体，质粒等。 分布于胞核、胞液。分布于胞核、胞液。 (deoxyribonucleic acid, DNA) (ribonucleic acid, RNA) 脱氧核糖核酸脱氧核糖核酸 核糖核酸核糖核酸 携带遗传信息，决定细胞和个携带遗传信息，决定细胞和

5、个 体的基因型体的基因型(genotype)(genotype)。 参与细胞内参与细胞内DNADNA遗传信息的表达。遗传信息的表达。 某些病毒某些病毒RNARNA也可作为遗传信息也可作为遗传信息 的载体。的载体。 DNA 与与RNA的分布与功能不同的分布与功能不同 核酸的化学组成核酸的化学组成 l1. 元素组成元素组成 lC、H、O、N、P（910%） l与蛋白质比较，其组成上有与蛋白质比较，其组成上有两个特点两个特点: 一般一般不不含元素硫含元素硫 (S) P元素的含量较多并且恒定元素的含量较多并且恒定(约占约占9-10%) 核酸核酸核苷酸核苷酸 磷酸磷酸 核苷或核苷或 脱氧核脱氧核 苷苷

6、核酸酶核酸酶 水解水解 核苷酶核苷酶 核糖核糖 脱氧核糖脱氧核糖 碱基碱基 戊糖戊糖 嘌呤嘌呤 嘧啶嘧啶 2. 分子组成分子组成 l核苷酸核苷酸是构成核酸的基本组成单位是构成核酸的基本组成单位 核苷酸核苷酸由碱基由碱基(base)、戊糖、戊糖(pentose)和磷酸和磷酸3 种成分以种成分以共价键共价键依次连接而成。依次连接而成。 碱基碱基(base)：嘌呤碱，嘧啶碱：嘌呤碱，嘧啶碱 戊糖戊糖(ribose)：核糖，脱氧核糖：核糖，脱氧核糖 磷酸磷酸(phosphate) 碱基碱基 l每种核酸的主要碱基都有四种每种核酸的主要碱基都有四种 碱基 嘌呤 嘧啶 腺嘌呤（A） 鸟嘌呤（G） 胞嘧啶（C

7、） 尿嘧啶（U） 胸腺嘧啶（T） 两种核酸均有 RNA有 DNA有 嘌呤嘌呤(purine) N N NH N 1 2 3 4 5 6 7 8 9 N N NH N NH2 腺嘌呤腺嘌呤(adenine, A) N NH NH N NH2 O 鸟嘌呤鸟嘌呤(guanine, G) N NH 1 3 2 4 5 6 嘧啶嘧啶(pyrimidine) 胞嘧啶胞嘧啶(cytosine, C) N NH NH2 O 尿嘧啶尿嘧啶(uracil, U) NH NH O O 胸腺嘧啶胸腺嘧啶(thymine, T) NH NH O O CH3 HN HN C NH2+ O +HN NH2 N NH2 亚氨

8、式氨式 + H+ N C OH N C O- - + H+ 酮式烯醇式 五种碱基的酮基五种碱基的酮基 或氨基，均位于或氨基，均位于 杂环上氮原子的杂环上氮原子的 邻位。因此都能邻位。因此都能 形成酮式烯醇形成酮式烯醇 式或氨基亚氨式或氨基亚氨 基的互变异构。基的互变异构。 这两种异构体的这两种异构体的 平衡关系受介质平衡关系受介质 酸碱环境的影响。酸碱环境的影响。 N NH NH N N O CH3 CH3 N N NH N NH CH2CHC CH3 CH3 NH NH O O H H H H NH NH S O N,N二甲基鸟嘌呤二甲基鸟嘌呤 N6-异戊烯腺嘌呤异戊烯腺嘌呤 双氢尿嘧啶双氢

9、尿嘧啶 4-巯尿嘧啶巯尿嘧啶 稀有碱基稀有碱基 稀有碱基稀有碱基 HNNH O O R 5 1 HN N N N HNCH2 CH2 NO O 7 O R I R DHU N N N N OH R mG H2N CH3 戊戊 糖糖 （构成（构成RNA） OH O CH 2 OH OHOH -D-核糖核糖(ribose) （构成（构成DNA） OH O CH 2 OH OH -D-2-脱氧核糖脱氧核糖(deoxyribose) 嘌呤碱嘌呤碱N9或嘧啶碱或嘧啶碱 N1与核糖或脱氧核与核糖或脱氧核 糖糖C1 通过通过N-N- -糖糖 苷键苷键相连形成相连形成核苷核苷 或或脱氧核苷脱氧核苷。 OH O

10、 CH2 OHOH N N NH2 O 1 1 核苷（核苷（ribonucleoside） l为肽链合成所需要的为肽链合成所需要的mRNA、tRNA以及多种蛋以及多种蛋 白因子提供了相互结合的位点和相互作用的空白因子提供了相互结合的位点和相互作用的空 间环境。间环境。 原核生物核糖体原核生物核糖体 70S 核糖体 30S 小亚基 50S 大亚基 23S rRNA5S rRNA 31种 蛋白质 16S rRNA 21种 蛋白质 80S 核糖体 40S 小亚基 60S 大亚基 28S rRNA5S rRNA 49种 蛋白质 18S rRNA 33种 蛋白质 5.8S rRNA a b 真核生物核糖

11、体真核生物核糖体 70S 核糖体 30S 小亚基 50S 大亚基 23S rRNA5S rRNA 31种 蛋白质 16S rRNA 21种 蛋白质 80S 核糖体 40S 小亚基 60S 大亚基 28S rRNA5S rRNA 49种 蛋白质 18S rRNA 33种 蛋白质 5.8S rRNA a b 核糖体的组成核糖体的组成 原核生物（以大肠杆菌为例）原核生物（以大肠杆菌为例）真核生物（以小鼠肝为例）真核生物（以小鼠肝为例） 小亚基小亚基30S40S rRNA16S1542个核苷酸个核苷酸18S1874个核苷酸个核苷酸 蛋白质蛋白质21种种占总重量的占总重量的40%33种种占总重量的占总重

12、量的50% 大亚基大亚基50S60S rRNA23S 5S 2940个核苷酸个核苷酸 120个核苷酸个核苷酸 28S 5.85S 5S 4718个核苷酸个核苷酸 160个核苷酸个核苷酸 120个核苷酸个核苷酸 蛋白质蛋白质31种种占总重量的占总重量的30%49种种占总重量的占总重量的35% 四四 、其他小分子、其他小分子RNA及及RNA组学组学 除了上述三种除了上述三种RNA外，细胞的不同部位存在的外，细胞的不同部位存在的 许多其他种类的小分子许多其他种类的小分子RNA，统称为，统称为非非mRNA 小小RNA(small non-messenger RNAs, snmRNAs)。 RNA组学组

13、学 l研究细胞中研究细胞中snmRNAs的种类、结构和功能。的种类、结构和功能。 1.snmRNAs的表达具有时间和空间特异性；的表达具有时间和空间特异性； 2.在同一生物体内不同种类的细胞中表达不同；在同一生物体内不同种类的细胞中表达不同； 3.同一细胞在不同时间、不同状态下表达不同。同一细胞在不同时间、不同状态下表达不同。 snmRNAs的种类的种类 l核内小核内小RNA(snRNA) ； l核仁小核仁小RNA(snoRNA)； l胞质小胞质小RNA(scRNA)； l催化性小催化性小RNA（small catalytic RNA，核，核 酶酶)； l小片段干涉小片段干涉 RNA (siR

14、NA)。 snmRNAs的功能的功能 l参与参与hnRNA加工、转运加工、转运 l参与参与rRNA的转录后加工的转录后加工 l参与基因表达调控参与基因表达调控 核核 酶酶 l某些小某些小RNA分子具有催化特定分子具有催化特定RNA降解的活性，降解的活性， 这些具有催化作用的小这些具有催化作用的小RNA称为核酶称为核酶 （ribozyme），或催化性），或催化性RNA。 lCech和和Altman由于核酶的发现由于核酶的发现1989年获年获 Nobel 化学奖。化学奖。 第第 四四 节节 核核 酸酸 的的 理理 化化 性性 质质 The Physical and Chemical Charact

15、ers of Nucleic Acid 一、核酸的一般理化性质一、核酸的一般理化性质 l较强的酸性较强的酸性 l DNA粘度极大，粘度极大，RNA粘度比粘度比DNA小得多。小得多。 l 在在260nm波长有紫外吸收峰，是由碱基的共轭波长有紫外吸收峰，是由碱基的共轭 双键决定的。这一特性常用作核酸的定性、定双键决定的。这一特性常用作核酸的定性、定 量分析。量分析。 l在碱性条件下，在碱性条件下，DNA稳定，稳定，RNA不稳定。不稳定。 l嘌呤和嘧啶环中均含有共轭双键嘌呤和嘧啶环中均含有共轭双键 l在在260nm有最大吸收峰有最大吸收峰 l在在260nm的紫外吸收光密度值称的紫外吸收光密度值称OD

16、值值 OD260的应用的应用 l1. DNA或或RNA的定量的定量 lOD260=1.0相当于相当于 l50g/ml双链双链DNA l40g/ml单链单链DNA（或（或RNA） l20g/ml寡核苷酸寡核苷酸 l2.判断核酸样品的纯度判断核酸样品的纯度 lDNA纯品纯品: OD260/OD280 = 1.8 lRNA纯品纯品: OD260/OD280 = 2.0 二、二、DNA的变性的变性(denaturation) l定义定义：在某些理化因素作用下，在某些理化因素作用下，DNA双链互补双链互补 碱基之间氢键断裂，双螺旋结构松散，解开成碱基之间氢键断裂，双螺旋结构松散，解开成 两条单链的过程。

17、两条单链的过程。 lDNA变性只改变其二级结构，而不改变其核苷变性只改变其二级结构，而不改变其核苷 酸序列，即一级结构不变。酸序列，即一级结构不变。 DNA变性变性 双链双链DNA 单链单链DNA 加热加热 DNA变性的本质是双链间氢键的断裂变性的本质是双链间氢键的断裂 增色效应：增色效应：DNA变性时其溶液变性时其溶液OD260增高的现象。增高的现象。 增色效应增色效应 Tm：变性是在一个相当窄变性是在一个相当窄 的温度范围内完成，在这的温度范围内完成，在这 一范围内，紫外光吸收值一范围内，紫外光吸收值 达到最大值的达到最大值的50%时的温时的温 度称为度称为DNA的的解链温度解链温度， 又

18、称融解温度又称融解温度(melting temperature, Tm)。其高。其高 低与低与G+C含量和含量和分子大小分子大小 成正比。成正比。 解链温度（解链温度（Tm值）值） Tm就是就是DNA的热变性过程中，的热变性过程中，50% 的的DNA 双链打开时的温度。双链打开时的温度。 Tm值的高低与以下因素有关：值的高低与以下因素有关： 所含碱基中的所含碱基中的G和和C所占比例所占比例 DNA分子大小分子大小 pH 离子强度离子强度 变性后其它理化性质变化 l粘度下降粘度下降 l比旋度下降比旋度下降 l浮力密度升高浮力密度升高 l酸碱滴定曲线改变酸碱滴定曲线改变 l变性方法：变性方法：过量

19、酸、碱，加热，过量酸、碱，加热， 变性试剂如尿素、酰胺；变性试剂如尿素、酰胺； 某些有机溶剂如乙醇、丙酮等。某些有机溶剂如乙醇、丙酮等。 三、三、DNA的复性与分子杂交的复性与分子杂交 lDNA复性复性(renaturation)的定义的定义 l在适当条件下，变性在适当条件下，变性DNA的两条互补链可恢的两条互补链可恢 复天然的双螺旋构象，这一现象称为复天然的双螺旋构象，这一现象称为复性复性。 l热变性的热变性的DNA经缓慢冷却后即可复性，这一过经缓慢冷却后即可复性，这一过 程称为程称为退火退火(annealing) 。 l比比Tm值低值低25 oC的温度是的温度是DNA复性的最佳条件。复性的

20、最佳条件。 l减色效应减色效应 lDNA复性时，其溶液复性时，其溶液OD260降低。降低。 核酸分子杂交核酸分子杂交(hybridization) l在在DNA变性后的复性过程中，如果将不同种类变性后的复性过程中，如果将不同种类 的的DNA单链分子或单链分子或RNA分子放在同一溶液中，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（温度及离子强度）配对关系，在适宜的条件（温度及离子强度） 下，就可以在不同的分子间形成下，就可以在不同的分子间形成杂化双链杂化双链 (heteroduplex)。 l这种杂化双链可以在不

21、同的这种杂化双链可以在不同的DNA与与DNA之间形之间形 成，也可以在成，也可以在DNA和和RNA分子间或者分子间或者RNA与与 RNA分子间形成。这种现象称为核酸分子杂交。分子间形成。这种现象称为核酸分子杂交。 核酸分子杂交的应用核酸分子杂交的应用 l研究研究DNA分子中某一种基因的位置；分子中某一种基因的位置； l鉴定两种核酸分子间的序列相似性；鉴定两种核酸分子间的序列相似性； l检测某些专一序列在待检样品中存在与否；检测某些专一序列在待检样品中存在与否； l是基因芯片技术的基础。是基因芯片技术的基础。 第第 五五 节节 核核 酸酸 酶酶 Nuclease 核酸酶核酸酶是指所有可以水解核酸的酶。是指所有可以水解核酸的酶。 依据底物不同分类依据底