生化--核酸结构与功能

1、 1核核 酸酸(nucleic acid) 是以核苷酸为基本组成单位的生物大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。分子，携带和传递遗传信息。二、核酸的分类及分布二、核酸的分类及分布 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。( DNA)( 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，决定细胞和个体的基因型体的基因型(genotype)。参与细胞内参与细胞内DNA遗传信息的表遗传信息的表达。某些病毒达。某些病毒

2、RNA也可作为遗也可作为遗传信息的载体。传信息的载体。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一、核酸的化学组成一、核酸的化学组成 1. 元素组成元素组成C、H、O、N、P2. 分子组成分子组成 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)嘌呤嘌呤(purine) NNNHN123456789NNNHNNH2腺嘌呤腺嘌呤(adenine, A)NNHNHNNH

3、2O鸟嘌呤鸟嘌呤(guanine, G)碱碱 基基NNH132456嘧啶嘧啶(pyrimidine)胞嘧啶胞嘧啶(cytosine, C)NNHNH2O尿嘧啶尿嘧啶(uracil, U)NHNHOO胸腺嘧啶胸腺嘧啶(thymine, T)NHNHOOCH3PentoseNucleosideNucleotide二、核酸的一级结构二、核酸的一级结构定义定义核酸中核苷酸的排列顺核酸中核苷酸的排列顺序序, ,也称为也称为碱基序列碱基序列。55端端3端端CGAA G P5 P T PG PC PT P OH 3 书写方法书写方法5 pApCpTpGpCpT-OH 3 5 A C T G C T 3 第二

4、节第二节DNA的空间结构与功能的空间结构与功能Dimensional Structure and Function of DNA一、一、 DNA的二级结构的二级结构双螺旋结构双螺旋结构WATSONCRICK（一）（一）DNA双螺旋结构的研究背景双螺旋结构的研究背景 碱基组成分析碱基组成分析Chargaff 规则：规则：A = TG C 碱基的理化数据分析碱基的理化数据分析A-T、G-C以以氢键氢键配对较合理配对较合理 DNA纤维的纤维的X-线衍射图谱分析线衍射图谱分析 （二）（二） DNA双螺旋结构模型要点双螺旋结构模型要点 （Watson, Crick, 1953）uDNADNA分子由两条分

5、子由两条相互平行但相互平行但走向相反走向相反的脱氧多核苷酸链的脱氧多核苷酸链组成，以组成，以右手螺旋右手螺旋方式绕同方式绕同一公共轴盘。螺旋直径为一公共轴盘。螺旋直径为2.372.37nm。u碱基垂直螺旋轴居双螺旋内碱基垂直螺旋轴居双螺旋内側，与对側碱基形成側，与对側碱基形成氢键配氢键配对对（互补配对形式：（互补配对形式：A=T; G C） 。u相邻碱基平面距离相邻碱基平面距离0.34nm，螺旋一圈螺距螺旋一圈螺距3.54nm，一圈，一圈10.5对碱基。对碱基。（二）（二） DNA双螺旋结构模型要点双螺旋结构模型要点 （Watson, Crick, 1953）u氢键氢键维持双链横向稳定性，维持

6、双链横向稳定性，碱基堆积力碱基堆积力维持双链纵向稳维持双链纵向稳定性。定性。（二）（二） DNA双螺旋结构模型要点双螺旋结构模型要点 （Watson, Crick, 1953）（三）（三）DNA双螺旋结构的多样性双螺旋结构的多样性二、二、DNA的超螺旋结构及其在染色质的超螺旋结构及其在染色质中的组装中的组装（一）（一）DNA的超螺旋结构的超螺旋结构超螺旋结构超螺旋结构DNA双螺旋链再盘绕形成超螺旋结构。双螺旋链再盘绕形成超螺旋结构。 正超螺旋正超螺旋 盘绕方向与盘绕方向与DNA双螺旋方同相同双螺旋方同相同 负超螺旋负超螺旋 盘绕方向与盘绕方向与DNA双螺旋方向相反双螺旋方向相反 （二）原核生物

7、（二）原核生物DNA的高级结构的高级结构（三）（三）DNA在真核生物细胞核内的组装在真核生物细胞核内的组装真核生物染色体由真核生物染色体由DNA和蛋白质构成，和蛋白质构成，其基本单位是其基本单位是 核小体核小体(nucleosome)。核小体的组成核小体的组成DNA：约约200bp 组蛋白：组蛋白：H1H2A，H2BH3H4三、三、DNA的功能的功能DNA的基本功能是以的基本功能是以基因基因的形式荷载遗的形式荷载遗传信息，并作为基因复制和转录的模板。传信息，并作为基因复制和转录的模板。是生命是生命遗传的物质基础遗传的物质基础，也是个体生命，也是个体生命活动的信息基础。活动的信息基础。基因基因:

8、 指指DNA分子中的特定区段，其中分子中的特定区段，其中的核苷酸排列顺序决定了基因的功能。的核苷酸排列顺序决定了基因的功能。基因组基因组 第三节第三节 RNA的结构与功能的结构与功能Structure and Function of RNARNA的种类、分布、功能的种类、分布、功能核蛋白体核蛋白体RNA信使信使RNA转运转运RNA核内不均一核内不均一RNA核内小核内小RNA胞浆小胞浆小RNA 细胞核和胞液细胞核和胞液线粒体线粒体功功能能rRNAmRNA mt rRNAtRNAmt mRNAmt tRNAHnRNASnRNASnoRNAscRNA/7SL-RNA 核蛋白体组分核蛋白体组分蛋白质合

9、成模板蛋白质合成模板转运氨基酸转运氨基酸成熟成熟mRNA的前体的前体参与参与hnRNA的剪接、转运的剪接、转运rRNA的加工、修饰的加工、修饰蛋白质内质网定位合成蛋白质内质网定位合成的信号识别体的组分的信号识别体的组分核仁小核仁小RNA核蛋白体核蛋白体RNA信使信使RNA转运转运RNA核内不均一核内不均一RNA核内小核内小RNA胞浆小胞浆小RNA 细胞核和胞液细胞核和胞液线粒体线粒体功功能能rRNAmRNA mt rRNAtRNAmt mRNAmt tRNAHnRNASnRNASnoRNAscRNA/7SL-RNA 核蛋白体组分核蛋白体组分蛋白质合成模板蛋白质合成模板转运氨基酸转运氨基酸成熟成

10、熟mRNA的前体的前体参与参与hnRNA的剪接、转运的剪接、转运rRNA的加工、修饰的加工、修饰蛋白质内质网定位合成蛋白质内质网定位合成的信号识别体的组分的信号识别体的组分核仁小核仁小RNA一一 、信使、信使RNA的结构与功能的结构与功能hnRNA 内含子内含子( (intron) )mRNA * mRNA成熟过程成熟过程 外显外显子子( (exon) )* * mRNA结构特点结构特点1. 大多数真核大多数真核mRNA的的5 末端均在转录后加上末端均在转录后加上一个一个7-甲基鸟苷，同时第一个核苷酸的甲基鸟苷，同时第一个核苷酸的C 2也也是甲基化，形成帽子结构：是甲基化，形成帽子结构：m7G

11、pppNm-。2. 大多数真核大多数真核mRNA的的3 末端有一个多聚腺苷酸末端有一个多聚腺苷酸(polyA)结构，称为多聚结构，称为多聚A尾。尾。帽子结构帽子结构mRNA核内向胞质的转位核内向胞质的转位mRNA的稳定性维系的稳定性维系翻译起始的调控翻译起始的调控 帽子结构和多聚帽子结构和多聚A尾的功能尾的功能DNAmRNA蛋白蛋白转录转录翻译翻译* mRNA的功能的功能 把把DNA所携带的遗所携带的遗传信息，按碱基互补配传信息，按碱基互补配对原则，抄录并传送至对原则，抄录并传送至核糖体，用以决定其合核糖体，用以决定其合成蛋白质的氨基酸排列成蛋白质的氨基酸排列顺序。顺序。* tRNA的一级结构

12、特点的一级结构特点核苷酸残基数在核苷酸残基数在6090之间；之间；含含 1020% 稀有碱基，如稀有碱基，如 DHU 3末端为末端为 CCA-OH 5末端大多数为末端大多数为pG二、转运二、转运RNA的结构与功能的结构与功能 稀有碱基稀有碱基 * tRNA的二级结构的二级结构三叶草形三叶草形 氨基酸臂氨基酸臂 DHU环环 反密码环反密码环 额外环额外环 TC环环* tRNA的三级结构的三级结构 倒倒L形形* tRNA的功能的功能活化、搬运氨基活化、搬运氨基酸到核糖体，参与蛋酸到核糖体，参与蛋白质的翻译。白质的翻译。* rRNA的结构的结构三、核蛋白体三、核蛋白体RNA的结构与功能的结构与功能*

13、 rRNA的功能的功能参与组成核蛋白参与组成核蛋白体，作为蛋白质生物体，作为蛋白质生物合成的场所。合成的场所。* rRNA的种类（根据沉降系数）的种类（根据沉降系数）真核生物真核生物5S rRNA28S rRNA5.8S rRNA18S rRNA原核生物原核生物5S rRNA23S rRNA16S rRNA四四 、其他非编码、其他非编码RNA除了上述三种除了上述三种RNA外，细胞的不同部位外，细胞的不同部位存在的许多其他种类的小分子存在的许多其他种类的小分子RNA，统称为，统称为非编码非编码RNA(non-coding RNAs, nmRNAs)。 ncRNAs核核 酸酸 的的 理理 化化 性

14、性 质质The Physical and Chemical Characters of Nucleic Acid第第 四四 节节一一.核酸的紫外吸收核酸的紫外吸收1. DNA或或RNA的定量的定量OD260=1.0相当于相当于50 g/ml双链双链DNA40g/ml单链单链DNA（或（或RNA）20g/ml寡核苷酸寡核苷酸2.判断核酸样品的纯度判断核酸样品的纯度DNA纯品纯品: OD260/OD280 = 1.8RNA纯品纯品: OD260/OD280 = 2.0OD260的应用的应用二、二、DNA的变性的变性(denaturation)定义定义：在某些理化因素作用下，在某些理化因素作用下，D

15、NA双链解开双链解开成两条单链的过程。成两条单链的过程。理化因素：理化因素：过量酸，碱，加热，变性试剂如尿素过量酸，碱，加热，变性试剂如尿素以及某些有机溶剂如乙醇、丙酮等。以及某些有机溶剂如乙醇、丙酮等。变性后其它理化性质变化：变性后其它理化性质变化：OD260增高增高粘度下降粘度下降比旋度下降比旋度下降浮力密度升高浮力密度升高酸碱滴定曲线改变酸碱滴定曲线改变生物活性丧失生物活性丧失DNADNA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例：变性引起紫外吸收值的改变例：变性引起紫外吸收值的改变DNA的紫外吸收光谱的紫外吸收光谱增色效应：增色效应：DNA变性时其溶液变性时其溶液OD2

16、60增高的现象。增高的现象。 Tm：紫外光吸收值紫外光吸收值达 到 最 大 变 化 值 的达 到 最 大 变 化 值 的5 0 % 时 的 温 度 称 为时 的 温 度 称 为DNA的解链温度，又的解链温度，又称融解温度称融解温度(Tm)。其。其大小与大小与G+C含量成正含量成正比。比。三、三、DNA的复性与分子杂交的复性与分子杂交 DNA复性复性(renaturation) 在适当条件下，变性在适当条件下，变性DNADNA的两条互补链可恢复天然的双螺旋构象，称的两条互补链可恢复天然的双螺旋构象，称为为复性复性。减色效应减色效应DNA复性时，其溶液复性时，其溶液OD260降低。降低。热变性的热

17、变性的DNA经缓慢冷却后即可复性，经缓慢冷却后即可复性，称为称为退火退火(annealing) 。在在DNA变性后的复性过程中，将不同种变性后的复性过程中，将不同种类的类的DNA单链分子或单链分子或RNA分子放在同一溶液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（温度及离的碱基配对关系，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子强度）下，就可以在不同的分子间形成杂杂化双链化双链(heteroduplex)。核酸分子杂交核酸分子杂交(hybridization) DNA-DNA杂交双链分子杂交双链分子

18、变性变性 复性复性 不同来源的不同来源的DNA分子分子核酸分子杂交的应用核酸分子杂交的应用研究研究DNA分子中某一种基因的位置分子中某一种基因的位置测定两种核酸分子间的序列相似性测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中存在与否检测某些专一序列在待检样品中存在与否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物不同分类 DNA酶酶(DNase)：专一降解专一降解DNA。 RNA酶酶 (RNase)：专一降解专一降解RNA。依据切割部位不同依据切割部位不同 核酸内切酶：核酸内切酶：分为限制性核酸内切酶和非特异性分为限制性核酸内切酶和非特异性限制性核酸内切酶。限制性核酸内切酶。 核酸外切酶：核酸外切酶：5 3 或或3 5 核酸外切酶。核酸外切酶。u 参与参与DNADNA的合成与修复及的合成与修复及RNARNA合成后的剪接等重要合成后的剪接等重要基因复制和基因表达过程基因复制和基因表达