生物化学：第2章 核酸的结构与功能

1、第第2章章 核酸的结构与功能核酸的结构与功能Chapter 2 Struction & function of Nucleic Acid本章教学重点本章教学重点核酸的概念、基本组成单位，核酸的概念、基本组成单位，DNA、RNA组成的异同；核组成的异同；核酸（酸（DNA、RNA）的一级结构，连接键；）的一级结构，连接键； DNA双螺旋结构双螺旋结构模式的要点，模式的要点，DNA的超螺旋结构和功能；的超螺旋结构和功能；tRNA、mRNA的的组成、结构特点；组成、结构特点； 核酸的变性、复性，融解温度（核酸的变性、复性，融解温度（Tm）、）、增色效应的概念。增色效应的概念。 核蛋白体核蛋白体

2、RNA（rRNA）的结构与功能；）的结构与功能；核酸分子杂交的概念和原理；核酶的定义，功能。核酸分子杂交的概念和原理；核酶的定义，功能。 概概 述述 1868年年 Fridrich Miescher从脓细胞中提取从脓细胞中提取“核素核素” 1944年年 Avery等人等人证实证实DNA是遗传物质是遗传物质 1953年年 Watson和和Crick发现发现DNA的双螺旋结构的双螺旋结构 1968年年 Nirenberg发现发现遗传密码遗传密码 1975年年 Temin和和Baltimore发发现现逆转录酶逆转录酶 1981年年 Gilbert和和Sanger建建立立DNA 测序方法测序方法 19

3、85年年 Mullis发明发明PCR 技术技术 1990年年 美国启动美国启动人类基因组计划人类基因组计划(HGP) 1994年年 中国人类基因组计划启动中国人类基因组计划启动 2001年年 美、英等国美、英等国完成人类基因组计划基本框架完成人类基因组计划基本框架核核 酸酸(nucleic acid)是以核苷酸为基本组成单位、携带和传递是以核苷酸为基本组成单位、携带和传递遗传信息的生物大分子遗传信息的生物大分子 。 90%以上分布于细胞核，其余分布以上分布于细胞核，其余分布于核外于核外如线粒体，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。(deoxyribon

4、ucleic 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RNA也可作为遗也可作为遗传信息的载体。传信息的载体。第第1 1节节 核酸的化学组成及一级结构核酸的化学组成及一级结构Section 1 the Chemical Component and Primary Structure of Nucleic Acid核酸的组成核酸的组成 核酸核酸 (DNA和和RNA)

5、核苷酸核苷酸核苷和脱氧核苷核苷和脱氧核苷磷酸磷酸戊糖戊糖碱基碱基嘌呤嘌呤嘧啶嘧啶核糖核糖脱氧核糖脱氧核糖1. .核酸的化学组成及核苷酸核酸的化学组成及核苷酸 1-1-1. 元素组成元素组成C、H、O、N、P（910%） 1-1-2. 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)1-1. .核酸的化学组成核酸的化学组成1-1-2-1. 碱基碱基(base) 含氮的杂环化合物。含氮的杂环化合物。碱基碱基嘌呤嘌呤嘧啶嘧啶腺嘌呤腺嘌呤鸟嘌呤鸟嘌呤尿嘧啶尿嘧啶胸腺嘧啶胸腺嘧啶胞嘧啶胞嘧啶存

6、在于存在于DNA和和RNA中中仅存在于仅存在于RNA中中仅存在于仅存在于DNA中中1-1-2-1. 嘌呤嘌呤(purine，Pu) NNNHN123456789NNNHNNH2腺嘌呤腺嘌呤(adenine, A)NNHNHNNH2O鸟嘌呤鸟嘌呤(guanine, G)NNH1324561-1-2-1. 嘧啶嘧啶(pyrimidine，Py)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)NHNHOOCH3HNHNCNH2+O+HNNH2NNH2亚氨式氨式+ H+NCOHNCO- -+ H+酮式烯醇式碱基的

7、互变异构体碱基的互变异构体1-1-2-2. 戊戊 糖糖(pentose)（构成（构成RNA）1 2 3 4 5 OHOCH2OHOHOH核糖核糖(ribose)（构成（构成DNA）OHOCH2OHOH脱氧核糖脱氧核糖(deoxyribose)1-1-2-3. 核苷核苷(ribonucleoside)NNNN9NH2OOHOHHHHCH2OHH12糖苷键糖苷键嘌呤嘌呤N-9或嘧啶或嘧啶N-1与与核糖核糖C-1 通过通过-N-糖苷键相连。糖苷键相连。脱氧核苷脱氧核苷(deoxyribonucleoside)嘌呤嘌呤N-9 或嘧啶或嘧啶N-1与与脱氧核糖脱氧核糖C-1 通过通过-N-糖苷键相连。糖苷

8、键相连。核苷：核苷：AR, GR, UR, CR脱氧核苷：脱氧核苷：dAR, dGR, dTR, dCROHOCH2OHOHNNNH2O1 1CR1-2. .核酸的构件分子核酸的构件分子核苷酸核苷酸POOOHOHOCH2OHOHNNNH2OOHOCH2OHOHNNNH2O核苷酸核苷酸：AMP, GMP, UMP, CMP脱氧脱氧核苷酸：核苷酸：dAMP, dGMP, dTMP, dCMP 1-2-1. 核苷酸核苷酸(ribonucleotide)的结构与命名的结构与命名核苷（脱氧核苷）和磷酸以核苷（脱氧核苷）和磷酸以磷酸酯键磷酸酯键连接形成连接形成核苷酸（脱氧核苷酸）。核苷酸（脱氧核苷酸）。多

9、磷酸核苷酸多磷酸核苷酸1-2-2. 核苷酸衍生物核苷酸衍生物NOCH2OOHONNNNH2POOHcAMP环核苷酸：环核苷酸：cAMP、cGMP，是细胞信号转导中的第二信使。，是细胞信号转导中的第二信使。 含核苷酸的生物活性物质：含核苷酸的生物活性物质： NAD+、NADP+、CoA-SH、FAD 等都含等都含有有 AMPNADP+NAD+CoA10FMN5 端端3 端端核苷酸之间以核苷酸之间以磷磷酸二酯键酸二酯键连接形成多核连接形成多核苷酸链，即核酸。苷酸链，即核酸。CGA1-3. . 核苷酸的连接核苷酸的连接2.多聚脱氧核苷酸多聚脱氧核苷酸(DNA)一个脱氧核苷酸一个脱氧核苷酸3 的的羟基

10、羟基与另一个核苷酸与另一个核苷酸5 的的-磷酸磷酸基团缩合形成基团缩合形成磷酸二酯键磷酸二酯键(phosphodiester bond)。 多个脱氧核苷酸通过磷酸二酯键构成了具有多个脱氧核苷酸通过磷酸二酯键构成了具有方方向 性向 性 的 线 性 分 子 ， 称 为的 线 性 分 子 ， 称 为 多 聚 脱 氧 核 苷 酸多 聚 脱 氧 核 苷 酸(polydeoxynucleotide)，即，即DNA链链。5-末端末端3-末端末端CGA磷酸二酯键磷酸二酯键磷酸二酯键磷酸二酯键DNA链的方向是链的方向是5 3 交替的磷酸基团和戊糖构成交替的磷酸基团和戊糖构成了了DNA的骨架的骨架 (backbo

11、ne)3.多聚核苷酸多聚核苷酸(RNA) RNA也是多个核苷酸分子通过酯化反应形成也是多个核苷酸分子通过酯化反应形成3,5-磷酸二酯键的线性大分子，并且具有方向性；磷酸二酯键的线性大分子，并且具有方向性； RNA的戊糖是核糖；的戊糖是核糖； RNA的嘧啶是胞嘧啶和尿嘧啶。的嘧啶是胞嘧啶和尿嘧啶。4.核酸的一级结构核酸的一级结构55端端3端端CGAn定义定义核酸中核苷酸的排列顺序。由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于核苷酸间的差异主要是碱基不同，所以也称为不同，所以也称为碱基序列碱基序列。A G P5 P T PG PC PT P OH 3 n书写方法：书写方法：5 pApG

12、pTpGpCpT-OH 3 5 A G T G C T 3 核酸分子的大小常用碱基核酸分子的大小常用碱基(base或或kilobase)数目或碱基数目或碱基对对(base pair, bp)来表示。来表示。 小 的 核 酸 片 段小 的 核 酸 片 段 ( 80)。rRNA与核蛋白体蛋白结合组成与核蛋白体蛋白结合组成核蛋白体核蛋白体(ribosome)，后者为蛋白质的合成提供场所后者为蛋白质的合成提供场所。* 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

13、rRNAn核蛋白体的组成核蛋白体的组成原核生物（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30S40SrRNA16S1542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量的50%大亚基大亚基50S60SrRNA23S5S2940个核苷酸个核苷酸120个核苷酸个核苷酸28S5.85S5S4718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%70S ribosome50S l

14、arge subunit23S rRNA5S rRNA31 proteins16S rRNA21 proteins30S small subunitn大肠杆菌的核蛋白体大肠杆菌的核蛋白体真核生物真核生物18S rRNA的二级结构的二级结构蛋白质合成时核糖体、蛋白质合成时核糖体、mRNA、tRNA形成复合体形成复合体4. 其他小分子其他小分子RNA及及RNA组学组学RNA组学是研究细胞内组学是研究细胞内snmRNA的种类、结构和功的种类、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同时空状态下snmRNAs表达谱的变化，以及与功能表

15、达谱的变化，以及与功能之间的关系。之间的关系。 细胞的不同部位存在的许多其他种类的小分子细胞的不同部位存在的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)。 l核内小核内小RNAl核仁小核仁小RNAl胞质小胞质小RNAl催化性小催化性小RNAl小片段干扰小片段干扰 RNA 参与参与hnRNA的加工剪接的加工剪接nsnmRNAs的种类的种类nsnmRNAs的功能的功能n核酶核酶某些小某些小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 种 具 有 催 化 作 用 的 小这 种 具 有 催

16、 化 作 用 的 小 R N A 亦 被 称 为亦 被 称 为 核 酶核 酶(ribozyme)或或催化性催化性RNA(catalytic RNA)。 催化性催化性DNA (DNAzyme) 人工合成的寡聚脱氧核人工合成的寡聚脱氧核苷酸片段，能序列特异性降解苷酸片段，能序列特异性降解RNA。也称脱氧核酶。也称脱氧核酶(deoxyribozyme) siRNA是生物宿主对外源侵入的基因表达的双链是生物宿主对外源侵入的基因表达的双链RNA进行切割所产生的特定长度和特定核酸序列的小片段进行切割所产生的特定长度和特定核酸序列的小片段RNA。siRNA可以与外源基因表达的可以与外源基因表达的mRNA相结

17、合，并诱发相结合，并诱发这些这些mRNA的降解。的降解。 基于此机理，人们发明了基于此机理，人们发明了RNA干扰干扰(RNA interference，RNAi)技术。技术。n小片段干扰小片段干扰RNA第第4节节 核酸的理化性质核酸的理化性质Section 4 the Physical and Chemical Characters of Nucleic Acid核酸的酸碱及溶解度性质核酸的酸碱及溶解度性质l核酸为多元酸，具有较强的酸性。核酸为多元酸，具有较强的酸性。核酸的高分子性质核酸的高分子性质l粘度：粘度：DNARNA dsDNA ssDNAl沉降行为沉降行为:不同构象的核酸分子的沉降的

18、速率有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很大差异，这是超速离心法提取和纯化核酸的理论基础。论基础。1. 核酸分子的紫外吸收核酸分子的紫外吸收核酸在波长核酸在波长 260nm260nm 处有强烈的吸收，是由处有强烈的吸收，是由碱基的共轭双键碱基的共轭双键所所决定的。这一特性常用作核酸的定性和定量分析。决定的。这一特性常用作核酸的定性和定量分析。DNA或或RNA的定量的定量A260 = 1.0 相当于相当于 50g/ml 双链双链DNA(dsDNA)40g/ml 单链单链DNA (ssDNA or RNA)20g/ml 寡核苷酸寡核苷酸紫外吸收寡核苷酸紫外吸

19、收寡核苷酸ssDNA/RNAdsDNA确定样品中核酸的纯度确定样品中核酸的纯度 纯纯 DNA: A260/A280 = 1.8纯纯 RNA: A260/A280 = 2.0n紫外吸收特性的应用紫外吸收特性的应用2. DNA的变性的变性定义定义：在某些理化因素作用下，在某些理化因素作用下，DNA双链解开成两条单双链解开成两条单链的过程。链的过程。方法：方法：过量酸，碱，加热，变性试剂如尿素、酰胺以及过量酸，碱，加热，变性试剂如尿素、酰胺以及某些有机溶剂如乙醇、丙酮等。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

20、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n部分变性部分变性DNA的电镜图像的电镜图像增色效应增色效应(hyperchromic effect)：DNA变性时其溶液变性时其溶液OD260增高的现象。增高的现象。DNA解链时的紫外吸收变化解链时的紫外吸收变化nDNA的解链曲线的解链曲线解链温度或融解温度解链温度或融解温度(melting temperature，Tm)连续加热连续加热DNA的过程中以的过程中以温度相对于温度相对于A260值作图，值作图，所得的曲线称为所得的曲线称为解链曲线。解链曲线

21、。 解链过程中，紫外吸光度的解链过程中，紫外吸光度的变化达到最大变化值的一半变化达到最大变化值的一半时所对应的温度。时所对应的温度。G+C 含量越高，解链温度就越高。含量越高，解链温度就越高。n解链曲线的变化解链曲线的变化3. DNA的复性与分子杂交的复性与分子杂交DNA复性复性(renaturation)的定义的定义在适当条件下，变性在适当条件下，变性DNA的两条互补链可恢复天的两条互补链可恢复天然的双螺旋构象，这一现象称为然的双螺旋构象，这一现象称为复性复性。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) 。 不同种类的不同种类的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配对关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系，在适宜的条件可以在不同的分子间形成杂化双链杂化双链(heteroduplex)。 这种杂化双链可以在不同的这种杂化双链可以在不同的DNA与与DNA之间形成，也之间形成，也可以在可以在DNA和和