生物化学与分子生物学：第二章 核酸的结构与功能

1、Structure and Function of Nucleic Acids核酸研究历史核酸研究历史q 1869年年 核素的发现核素的发现 q 1944年年 确立核酸遗传物质的地位确立核酸遗传物质的地位 核酸是以核酸是以为基本组成单位的生物大分子为基本组成单位的生物大分子核酸核酸（DNA, deoxyribonucleic acid）：）：位于胞核、线粒体，贮存遗传信息。位于胞核、线粒体，贮存遗传信息。（RNA, ribonucleic acid）：位于胞质、）：位于胞质、少量在胞核内，传递并参与遗传信息的表达；少量在胞核内，传递并参与遗传信息的表达；病毒病毒RNA也可贮存遗传信息。也可贮存

2、遗传信息。1. 元素组成元素组成C、H、O、N、P（911%）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(pentose)：核糖，脱氧核糖：核糖，脱氧核糖磷酸磷酸(phosphate)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核苷酸核苷酸核酸核酸pentose嘌呤嘌呤(purine) NNH2腺嘌呤腺嘌呤(adenine, A)NH2O鸟嘌呤鸟嘌呤(guanine, G)碱碱 基基HN789NN543216HN789NN543216NHN789NN543216HN6-氨基嘌呤氨基嘌呤2-氨基氨基-6-氧嘌呤氧嘌呤嘧啶嘧啶(pyrim

3、idine)胞嘧啶胞嘧啶(cytosine, C)尿嘧啶尿嘧啶(uracil, U)胸腺嘧啶胸腺嘧啶(thymine, T)HHOON543216N3HNH2NN54216OH5432CH3HOON16N3HNN542162,4-二氧嘧啶二氧嘧啶5-甲基尿嘧啶甲基尿嘧啶2-氧氧-4-氨基嘧啶氨基嘧啶戊戊 糖糖 Pentose1 1 2 2 3 3 4 4 5 5 （构成（构成RNA）核糖核糖(ribose)（构成（构成DNA）脱氧核糖脱氧核糖(deoxyribose)H戊戊 糖糖1 2 3 4 5 OHOCH2OHOHHHHOHH1 2 3 4 5 OHOCH2OHOHHHHH碱基碱基戊糖戊糖

4、糖苷键糖苷键purine：N9-C1 pyrimidine：N1-C1 9111核核 苷苷 （nucleoside）Pentose核苷酸核苷酸(nucleotide)l核苷与磷酸缩合生成核苷与磷酸缩合生成的磷酸酯。的磷酸酯。l自然界所发现的核苷自然界所发现的核苷酸主要为核苷酸主要为核苷C5上上羟基与磷酸形成的酯羟基与磷酸形成的酯键，称为键，称为5核苷酸或核苷酸或一磷酸核苷。一磷酸核苷。l核苷酸是核酸的基本核苷酸是核酸的基本组成单位组成单位。OHOCH2OHOHNNNH2OPOOOHOHOCH2OHOHNNNH2OH核苷酸的结构与命名核苷酸的结构与命名v三磷酸核苷酸三磷酸核苷酸是参与核是参与核酸

5、合成的直接形式，并酸合成的直接形式，并同时为生理储能和供能同时为生理储能和供能的重要形式。的重要形式。 3, 5-环腺苷酸（环腺苷酸（cAMP） 3, 5-环鸟苷酸（环鸟苷酸（cGMP）q 细胞信号转导中的细胞信号转导中的 “第二信使第二信使”脱氧核糖核酸（脱氧核糖核酸（DNA）核糖核酸（核糖核酸（RNA）磷磷 酸酸 D-2-脱氧核糖脱氧核糖 D-核糖核糖A T C G A U C GdAMP dTMP dCMP dGMP AMP UMP CMP GMP磷磷 酸酸 表表 两类核酸化学组成的比较两类核酸化学组成的比较 单核苷酸通过单核苷酸通过3,5-磷酸二酯键磷酸二酯键连接成大分子连接成大分子多

6、核苷酸。多核苷酸。5-末端：末端：P3 -末端：末端：OHA 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 1. 线条简化式线条简化式2. 文字简化式文字简化式方向：方向：5 3DNA的二级结构的二级结构secondary structure第二节第二节 DNADNA的空间结构与功能的空间结构与功能-双螺旋结构模型双螺旋结构模型double helix modelChargaff规则：规则：腺嘌呤与胸腺嘧啶的摩尔腺嘌呤与胸腺嘧啶的摩尔数相等数相等 。A=T 鸟嘌呤与胞嘧啶的摩尔数鸟嘌呤与胞嘧啶的摩尔数相

7、等。相等。G=C1.研究背景：研究背景：不同生物种属的不同生物种属的DNA碱基碱基组成不同组成不同同一个体不同器官、不同组同一个体不同器官、不同组织织DNA的具有相同的碱基组的具有相同的碱基组成成 Franklin的的X衍射照片显示衍射照片显示DNA是双链并呈螺旋分子。是双链并呈螺旋分子。WilkinsWatson-CrickWatson-Crick1953 DNA1953 DNA双螺旋双螺旋结构模型结构模型。19651965年年2、DNA双螺旋结构要点双螺旋结构要点1. 反向平行的互补双链结构反向平行的互补双链结构2. 右手螺旋右手螺旋3. 稳定因素稳定因素氢键：维持双螺旋横向稳定氢键：维持

8、双螺旋横向稳定碱基堆积力：维持纵向稳定碱基堆积力：维持纵向稳定螺距为螺距为3.4nm，旋转一周为，旋转一周为10个碱基对。螺旋直径为个碱基对。螺旋直径为2.0nm。 major groove minor groove磷酸磷酸-戊糖骨架位于外侧，两戊糖骨架位于外侧，两条链上的碱基以条链上的碱基以A=T、G=C相连，构成碱基平面，位于相连，构成碱基平面，位于螺旋内侧。螺旋内侧。A T C G碱基互补配对碱基互补配对3、DNA双螺旋结构的多样性双螺旋结构的多样性左手螺旋左手螺旋Z-DNA3、DNA的多链的多链结构结构二二 DNA的超螺旋结构的超螺旋结构(superhelix 或或supercoil)

9、 双螺旋结构基础上进一步折叠缠绕，在蛋白质参与双螺旋结构基础上进一步折叠缠绕，在蛋白质参与下形成超螺旋级结构。下形成超螺旋级结构。1、原核生物、原核生物DNA超螺旋超螺旋 共价封闭环状双螺旋再进一步螺旋。共价封闭环状双螺旋再进一步螺旋。正超螺旋正超螺旋(positive supercoil) 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(negative supercoil) 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DNADNA双螺旋双螺旋核小体核小体染色单体染色单体超螺线管超螺线管螺线管螺线管串珠状多核串珠状多核小体细丝小体细丝腺嘌呤腺嘌呤(adeni

10、ne, A)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。它传信息，并作为基因复制和转录的模板。它是生命遗传的物质基础，也是个体生命活动是生命遗传的物质基础，也是个体生命活动的信息基础。的信息基础。基因从结构上定义基因从结构上定义，是指，是指DNA分子中的分子中的特定区段，其中的核苷酸排列顺序决定了基特定区段，其中的核苷酸排列顺序决定了基因的功能。因的功能。 DNA复制复制 RNA 转录转录Protein翻译翻译基因（基因（gene）：）：DNA上的功能单位，能够编码蛋白质或者上的功能单位，能够编码蛋白质或者RNA。基因组（基因组（gen

11、ome）：）：包含了所有编码包含了所有编码RNA和蛋白质的序列和蛋白质的序列 及所有的非编码序列，也就是及所有的非编码序列，也就是DNA分子的全序列。分子的全序列。 生物：生物： 简单简单 复杂复杂基因组：基因组： 小小 大大人类基因组计划人类基因组计划 HGP1990-2001.220亿美元亿美元RNA通常是单链形式存在，局部有二级或三级结构。通常是单链形式存在，局部有二级或三级结构。 RNA分子小，种类多，功能亦多。分子小，种类多，功能亦多。第三节第三节 RNA的结构和功能的结构和功能主要功能：主要功能：1) 传递传递DNA的遗传信息，参与基因表达：的遗传信息，参与基因表达：DNA RNA

12、 Protein2) 自我催化作用（核酶）自我催化作用（核酶）转录反转录RNA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

13、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

14、组分核仁小核仁小RNAmRNA分子种类多、大小差异大分子种类多、大小差异大含量约占总含量约占总RNA的的5%，半衰期短，半衰期短剪接修饰剪接修饰真核生物真核生物 成熟成熟mRNAv 5- 5-末端：末端：m m7 7G-ppp5-NpG-ppp5-Np（帽）（帽） 蛋白质合成时：促进核糖体与蛋白质合成时：促进核糖体与mRNA的结合，的结合，加速翻译加速翻译的的起始速度起始速度 增强增强mRNA的的稳定性稳定性，防止被，防止被核酸酶核酸酶水解水解v 3-3-末端：末端：polyApolyA（尾）（尾）参与参与mRNA从核内向胞质的从核内向胞质的转移转移 防止外切酶的水解，增强防止外切酶的水解，增

15、强mRNA的的稳定性稳定性二、转运二、转运RNARNA的结构与功能的结构与功能转运氨基酸到核糖体转运氨基酸到核糖体上，参与解译上，参与解译mRNAmRNA的遗传的遗传密码。使密码。使携带的氨基酸在携带的氨基酸在mRNAmRNA准确的定位准确的定位transfer RNA，tRNAtRNA 细胞内分子量最小的一类核酸，约占总细胞内分子量最小的一类核酸，约占总RNARNA的的15%15%。 含有含有10-20%10-20%的的稀有碱基稀有碱基。 细胞内细胞内tRNAtRNA的种类很多，每一种氨基酸都有其相应的种类很多，每一种氨基酸都有其相应的一种或几种的一种或几种tRNAtRNA。 二级结构为二级

16、结构为“三叶草三叶草”的结构。的结构。 三级结构呈三级结构呈倒倒L L形形。“三叶草三叶草”形形的二级结构的二级结构氨基酸臂反密码子反密码环T环 密码子功能部位：功能部位： 反密码环（反密码子）反密码环（反密码子） 氨基酸臂（氨基酸臂（aa接纳茎）接纳茎）DHU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、核糖体三、核糖体RNA的结构与功能的结构与功能rRNA的功能的功能参与组成核参与组成核糖糖体，作体，作为蛋白质生物合成的为蛋白质生物合成的场所。场所。r

17、ibosomal RNA，rRNA* rRNA含量含量 约占总约占总RNARNA的的80%80%。* 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 rRNA5.8S rRNA28S rRNA18S rRNA原核生物原核生物5S rRNA23S rRNA16S rRNASedimentation coefficent ( (沉降系数沉降系数) )核核蛋蛋白白体体RNA信信使使RNA转转运运RNA核核内内不不均均一一RNA核核内内小小RNA胞胞浆浆小小RNA 细细胞胞核核和和胞胞液液线线粒粒体体功功能能rRNAmRNA mt rRNAtRNAmt mRNAmt tRNA

18、HnRNASnRNASnoRNAscRNA/7SL-RNA 核核蛋蛋白白体体组组分分蛋蛋白白质质合合成成模模板板转转运运氨氨基基酸酸成成熟熟mRNA的的前前体体参参与与hnRNA的的剪剪接接、转转运运rRNA的的加加工工、修修饰饰蛋蛋白白质质内内质质网网定定位位合合成成的的信信号号识识别别体体的的组组分分核核仁仁小小RNA核核蛋蛋白白体体RNA信信使使RNA转转运运RNA核核内内不不均均一一RNA核核内内小小RNA胞胞浆浆小小RNA 细细胞胞核核和和胞胞液液线线粒粒体体功功能能rRNAmRNA mt rRNAtRNAmt mRNAmt tRNAHnRNASnRNASnoRNAscRNA/7SL

19、-RNA 核核蛋蛋白白体体组组分分蛋蛋白白质质合合成成模模板板转转运运氨氨基基酸酸成成熟熟mRNA的的前前体体参参与与hnRNA的的剪剪接接、转转运运rRNA的的加加工工、修修饰饰蛋蛋白白质质内内质质网网定定位位合合成成的的信信号号识识别别体体的的组组分分核核仁仁小小RNA四、四、 其它小分子其它小分子RNA细胞的不同部位还存在着许多其它种类的小分子细胞的不同部位还存在着许多其它种类的小分子RNA，这些小，这些小RNA被统称为非被统称为非mRNA小小RNA（small non-messenger RNA, snmRNAs）小分子干扰核糖核酸（小分子干扰核糖核酸（siRNA）外源导入的双链核糖外

20、源导入的双链核糖核酸核酸(dsRNA)被切割为被切割为2123nt的的 siRNA。 siRNA结合到结合到核糖核核糖核酸酶复合物酸酶复合物上形成上形成RNA诱导的诱导的基因沉默复合体基因沉默复合体（RISC）。）。活化的活化的RISC通过由通过由siRNA决定的碱基互补决定的碱基互补配对原理切割具有同源配对原理切割具有同源序列的基因转录体，最序列的基因转录体，最终导致终导致基因沉默效应基因沉默效应。微微MicroRNA 核酶核酶（ribozyme）是具有催化功能的是具有催化功能的RNA分子。分子。 核酶能起作用的结构要求：核酶能起作用的结构要求：至少有三个茎（分子内部形成的至少有三个茎（分子

21、内部形成的局部双链），局部双链），13个环（分子局个环（分子局部双链鼓出的单链）和部双链鼓出的单链）和13个一致个一致性的碱基位点。性的碱基位点。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 = 2.0260nm有特别吸收峰，可作定量指标有特别吸收峰，可作定量指标第四节第四节 核酸的理化性质核酸的理化性质 在某些理化因素的作用下，在某些理化因素的作

22、用下，DNADNA双链的互补碱基双链的互补碱基对之间的氢键断裂对之间的氢键断裂，双螺旋结构解开，成为单，双螺旋结构解开，成为单链的现象。链的现象。DNADNA变性只改变其二级结构，不改变它的核苷酸序变性只改变其二级结构，不改变它的核苷酸序列，即一级结构不变。列，即一级结构不变。v增色效应：增色效应：解链过程中，解链过程中， DNA A260增加，并与解链增加，并与解链程度相关。程度相关。vTm ：50%DNA解链的解链的温度，又称温度，又称融解温度融解温度。（G G、C C含量）含量）P52v复性复性：变性的变性的DNA在适当的条件下，两条在适当的条件下，两条DNA单链单链可重新配对，恢复天然

23、的双螺旋构象。可重新配对，恢复天然的双螺旋构象。变性的逆过程变性的逆过程 退火退火：热变性的热变性的DNA经经缓慢冷却缓慢冷却后即可复性。后即可复性。分子杂交（分子杂交（hybridization） *两条两条来源不同来源不同的核酸单链间，因部分的核酸单链间，因部分碱基互补配对碱基互补配对，在适宜的条件下（温度及离子强度等），可以形成杂交在适宜的条件下（温度及离子强度等），可以形成杂交双链。双链。如如DNA/DNA、DNA/RNA、RNA/RNA杂交分子。杂交分子。53535353目前分子杂交技术已广泛应用于基础研究、目前分子杂交技术已广泛应用于基础研究、疾病诊断、肿瘤病因学研究等领域。疾病诊

24、断、肿瘤病因学研究等领域。(详见第二十章) The result of FISHThe digoxigenin-labeled probe was visualized with anti-DIG-rhodamine（red）The biotin-labeled probe, with avidin-FITC（green）色彩缤纷的色彩缤纷的核酸世界核酸世界l掌握核酸的分子组成以及核苷酸之间的连接方式。掌握核酸的分子组成以及核苷酸之间的连接方式。l掌握掌握DNA双螺旋结构模式的要点。双螺旋结构模式的要点。l掌握掌握mRNA、tRNA、rRNA的结构特点的结构特点 和生物学功能。和生物学功能。l

25、DNA变性、变性、DNA复性、解链温度复性、解链温度(Tm)、 增色效应、核酸杂交的概念。增色效应、核酸杂交的概念。l掌握核酶、核酸酶的概念掌握核酶、核酸酶的概念Key wordsDNA double helix modelDNA Denaturation Nucleic acid Hybridization1核酸中核苷酸之间的连接方式是（核酸中核苷酸之间的连接方式是（ ） A2,3-磷酸二酯键磷酸二酯键 B3,5-磷酸二酯键磷酸二酯键 C2,5-磷酸二酯键磷酸二酯键 D糖苷键糖苷键 E氢键氢键 2DNA双螺旋结构模型的描述中哪一条不正确（双螺旋结构模型的描述中哪一条不正确（ ） A腺嘌呤的克分子数等于胸腺嘧啶的克分子数腺嘌呤的克分子数等于胸腺嘧啶的克分子数 B同种生物体不同组织中的同种生物体不同组织中的DNA碱基组成极为相似碱基组成极为相似 CDNA双螺旋中碱基对位于外侧双螺旋中碱基对位于外侧 D二股多核苷酸链通过二股多核苷酸链通过A与与T或或C与与G之间的氢键连接之间的氢键连接 E维持双螺旋稳定的主要因素是氢键和碱基堆积力维持双螺旋稳定的主要因素是氢键和碱基堆积力3tRNA 的结构特点不包括（的结构特点不包括（ ） A含甲基化核苷酸含甲基化核苷酸 B5末端具有特殊的帽子结构末端具有特殊的帽子结构 C三叶草形的二级结构三叶草形的二级结构 D有局部的双链结构有局部的双链