生物化学第02章核酸的结构与功能

1、第第2 2章章核酸的结构与功能核酸的结构与功能Structure and Function of Nucleic Acidn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。l1868年年 Fridrich Miescher 从脓细胞中提取核素。从脓细胞中提取核素。 l1944年年 Avery等人证实等人证实DNA是遗传物质。是遗传物质。l1953年年 Watson和和Crick发现发现DNA的双螺旋结构。的双螺旋结构。l1968年年 Nirenberg发现遗传密码。发现遗传密码。l197

2、5年年 Temin和和Baltimore发现逆转录酶。发现逆转录酶。l1981年年 Gilbert和和Sanger建立建立DNA测序方法。测序方法。l1985年年 Mullis发明发明PCR技术。技术。l1990年年 美国启动人类基因组计划美国启动人类基因组计划(HGP)。l1994年年 中国人类基因组计划启动。中国人类基因组计划启动。l2001年年 美英等国完成人类基因组计划。美英等国完成人类基因组计划。n核酸研究的发展简史核酸研究的发展简史n核酸的分类及分布核酸的分类及分布存在于细胞核和线粒体存在于细胞核和线粒体 分布于细胞核、细胞质、线粒体分布于细胞核、细胞质、线粒体(deoxyribo

3、nucleic 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，并通过复制传递携带遗传信息，并通过复制传递给下一代。给下一代。是是DNADNA转录的产物，参与遗传信转录的产物，参与遗传信息的复制与表达。某些病毒息的复制与表达。某些病毒RNARNA也可作为遗传信息的载体也可作为遗传信息的载体第一节第一节核酸的化学组成及其一级结构核酸的化学组成及其一级结构The Chemical Component and Primary Structure of Nucleic Acid1. 1.元素组成元素组成C C、H H、O O、N

4、 N、P, P,其中其中P P是核酸的特征元素。是核酸的特征元素。一般一般DNADNA含磷含磷9.2%9.2%，RNARNA含磷含磷9.2%9.2%。核酸核酸 ( (DNA和和RNA) )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2.2.核酸的分子组成核酸的分子组成 n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)一、核苷酸是构成核酸的基本组成单位一、核苷酸是构成核酸的基本组成单位n戊糖戊糖（构成（构成RNA）1 2 3 4

5、5 OHOCH2OHOHOH核糖核糖(ribose)（构成（构成DNA）OHOCH2OHOH脱氧核糖脱氧核糖(deoxyribose)碱基碱基(base)是含氮的杂环化合物。是含氮的杂环化合物。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n碱基碱基嘌呤嘌呤(purine，Pu) NNNHN123456789NNNHNNH2腺嘌呤腺嘌呤(adenine, A)NNHNHNNH2O鸟嘌呤鸟嘌呤(guanine, G)NNH132456嘧啶嘧啶(pyrimidine，Py)

6、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)NHNHOOCH3n碱基的互变异构体碱基的互变异构体 HNHNCNH2+O+HNNH2NNH2亚氨式氨式+ H+NCOHNCO- -+ H+酮式烯醇式n脱氧核苷脱氧核苷嘌呤嘌呤N-9 或或嘧啶嘧啶N-1与脱氧核糖与脱氧核糖C-1 通过通过-N-糖糖苷键苷键相连形成相连形成脱氧核苷脱氧核苷(deoxyribonucleoside)。 嘌呤嘌呤N-9 -9或或嘧啶嘧啶N-1 -1与核糖与核糖C-1C-1 通过通过-N- -糖苷糖苷键键相连形成相连形成核苷核苷(r

7、ibonucleoside)。n核苷核苷NNNN9NH2OOHOHHHHCH2OHH12糖苷键糖苷键核苷或脱氧核苷与磷酸通过核苷或脱氧核苷与磷酸通过酯键酯键结合构成结合构成核苷酸核苷酸(ribonucleotide)或或脱氧核苷酸脱氧核苷酸(deoxyribonucleotide)。n核苷酸核苷酸(ribonucleotide)NNNN9NH2OO HO HHHHCH2H1 2OPO- -HOO糖苷键糖苷键酯键酯键POOOHOHOCH2OHOHNNNH2OOHOCH2OHOHNNNH2O核苷酸：核苷酸：AMP, GMP, UMP, CMP脱氧核苷酸：脱氧核苷酸：dAMP, dGMP, dTMP

8、, dCMP 2. 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核苷酸（脱氧核苷酸）。连接形成核苷酸（脱氧核苷酸）。 体内重要的游离核苷酸及其衍生物体内重要的游离核苷酸及其衍生物 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 等都含有等都含有 AMPl 多磷酸核苷酸：多磷酸核苷酸：NMP，NDP，NTPl 环化核苷酸环化核苷酸: : cAMP，cGMPNOCH2OOHOHNNNNH2POOHOHNOCH2OOHOHNNNNH2POOHOPOOHOHNO

9、CH2OOHOHNNNNH2POOHOPOOHOPOOHOHNOCH2OOHONNNNH2POOHNADP+NAD+环化核苷酸：环化核苷酸：cAMP、cGMP，是细胞信，是细胞信号转导中的第二信使。号转导中的第二信使。NOCH2OOHONNNNH2POOHcAMP二、二、DNA是脱氧核苷酸通过是脱氧核苷酸通过3,5-磷酸二酯磷酸二酯键连接形成的大分子键连接形成的大分子一个脱氧核苷酸一个脱氧核苷酸3 3 的的羟基羟基与另一个核苷酸与另一个核苷酸5 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 bo

10、nd)。 多个脱氧核苷酸通过磷酸二酯键构成了多个脱氧核苷酸通过磷酸二酯键构成了具有具有方向性方向性的线性分子，称为的线性分子，称为多聚脱氧核苷多聚脱氧核苷酸酸(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交替的磷酸基团和戊交替的磷酸基团和戊糖构成了糖构成了DNA的骨架的骨架 (backbone)。碱基相当于侧链。碱基相当于侧链。DNA链的方向是链的方向是5 5 3 3 ，与核酸的合成方向一致。与核酸的合成方向一致。二、核酸的一级结构二、核酸的一级结构核酸中核苷酸的排列顺核酸中核苷酸的排列顺序。由于核苷酸间的差序

11、。由于核苷酸间的差异主要是碱基不同，所异主要是碱基不同，所以也称为以也称为碱基序列碱基序列。55端端3端端CGA骨架为磷酸骨架为磷酸+戊糖戊糖碱基为侧链碱基为侧链方向性：方向性：5 3A G P5 P T PG PC PT P OH 3 n书写方法：书写方法：5 pApCpTpGpCpT-OH 3 5 A C 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)数目数目来表示。来表示。 小的核酸片段小的核酸片段(80)。 寿命长寿命长 种类少种类少rRNAn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

12、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 large subunit23S rRNA5S rRNA31 proteins16S rRNA21 prote

13、ins30S small subunitn大肠杆菌的核蛋白体大肠杆菌的核蛋白体n1818S rRNA的二级结构的二级结构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小片段干涉小片段干涉 RNA 参与参与hnRNA的加工剪接的加工剪接nsnmRNAs的种类的种类nsnmRNAs的功能的功能其他其他RNARNAn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降解降解的活性，这种具有催化作用的的活性，这种具有催化作用的小小RNA亦被称亦被称为为核酶核酶(ribozyme)或催化性或催化性RNA(catalytic RNA)。 n原核生物基因

14、表达的特异性原核生物基因表达的特异性五、核酸在真核细胞和原核细胞中五、核酸在真核细胞和原核细胞中表现了不同的时空特性表现了不同的时空特性n真核生物基因表达的特异性真核生物基因表达的特异性核酸的理化性质核酸的理化性质The Physical and Chemical Characters of Nucleic Acid第四节第四节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不同构象的核酸分子的沉降的速率有很大

15、差异，这是超速离心法提取和速率有很大差异，这是超速离心法提取和纯化核酸的理论基础。纯化核酸的理论基础。核酸在波长核酸在波长 260nm 处有强烈的吸收，是处有强烈的吸收，是由由碱基的共轭双键碱基的共轭双键所决定的。这一特性常用作所决定的。这一特性常用作核酸的定性和定量分析。核酸的定性和定量分析。一、核酸分子紫外吸收特征一、核酸分子紫外吸收特征n碱基的紫外吸收光谱碱基的紫外吸收光谱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 寡核苷酸寡核苷酸确定样品中核酸的纯度确定

16、样品中核酸的纯度 纯纯 DNA: A260/A280 = 1.8纯纯 RNA: A260/A280 = 2.0n紫外吸收的应用紫外吸收的应用二、二、DNADNA变性变性在某些理化因素作用下，在某些理化因素作用下，DNA双链解双链解开成两条单链开成两条单链的过程。的过程。n定义定义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。协同性的协同性的DNA解链解链高温或极端的高温或极端的pHnDNA的变性的变性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变性变性时其溶液时其溶液紫外吸收增高紫外吸收增高的现象。的现象。n

17、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连续加热连续加热DNA的的过程中以温度相对于过程中以温度相对于A260值作图，所得的值作图，所得的曲线称为曲线称为解链曲线解链曲线。 解链过程中，紫外解链过程中，紫外吸光度的变化达到最大吸光度的变化达到最大变化值的一半时所对应变化值的一半时所对应的温度。的温度。解链温度解链温度(melting temperature，Tm) 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三、变性的核酸可以复性或形成三、变性的核酸可以复性或形成杂交双链杂交双链当变性条件缓慢地除去后，两条解离的互

18、补链当变性条件缓慢地除去后，两条解离的互补链可重新配对，恢复原来的双螺旋结构，这一现可重新配对，恢复原来的双螺旋结构，这一现象称为象称为DNA复性复性(renaturation) 。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，这一经缓慢冷却后即可复性，这一过程称为过程称为退火退火(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系，在适宜的条件可以在不同度的碱基配对关系，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。n核酸分子杂交