第04章核酸化学2015

1、目目 录录目目 录录教学内容教学内容核酸的分子组成核酸的分子组成1核酸的分子结构核酸的分子结构2核酸的理化性质核酸的理化性质3目目 录录 概概 述述目目 录录l1868年年 Fridrich Miescher从脓细胞中提取从脓细胞中提取“核素核素”l1889年年Altman首先制备了不含蛋白的核酸制品，并引入首先制备了不含蛋白的核酸制品，并引入“核酸核酸”一词。一词。l20世纪年代，测定了核酸的组成，并将其分为世纪年代，测定了核酸的组成，并将其分为DNA和和RNAl1943年年chargaff的工作，嘌呤：嘧啶的工作，嘌呤：嘧啶=1:1，碱基配对理论。，碱基配对理论。l1944年年 Avery

2、等人等人证实证实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l60年代，年代，1968年年 Nirenberg发现发现遗传密码，遗传密码，1975年年 Temin和和Baltimore发现发现逆转录酶，操纵子学说，逆转录酶，操纵子学说，RNA研究的第一次研究的第一次高潮。高潮。l70年代年代DNA重组技术改变了分子生物学的面貌，导致生物重组技术改变了分子生物学的面貌，导致生物技术的兴起技术的兴起目目 录录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l

3、80年代年代RNA研究第二次高潮：反义研究第二次高潮：反义RNA，核酶，核酶，“RNA世世界界”假说假说l1990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) -生命生命“登月计划登月计划”开辟了科学新纪元，生命科学进入后基因组时代。开辟了科学新纪元，生命科学进入后基因组时代。 功能基因组学功能基因组学 蛋白基因组学蛋白基因组学 结构基因组学结构基因组学 RNA组学组学目目 录录坐落在北京坐落在北京中关村高科中关村高科技园区的技园区的DNA雕塑，雕塑，以它简洁而以它简洁而独特的双螺独特的双螺旋造型吸引旋造型吸引着过往行人。着过往行人。DNA已经目已经目前被作为高前被作为高科技的

4、标志。科技的标志。目目 录录二、核酸的分类、分布及功能二、核酸的分类、分布及功能 90% 90%以上分布于细胞核，其余分布于以上分布于细胞核，其余分布于核外如线粒体，叶绿体，质粒等。核外如线粒体，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。

5、传信息的载体。目目 录录RNA（核糖核酸）（核糖核酸）mRNA（messenger RNA）tRNA （transfer RNA）rRNA（ribosomal RNA）把遗传信息从把遗传信息从DNA带给核糖体，指导带给核糖体，指导蛋白质合成蛋白质合成在蛋白质合成过程在蛋白质合成过程中转运氨基酸，同中转运氨基酸，同时又是翻译器时又是翻译器核糖体的结构成分，核糖体的结构成分，核糖体是合成蛋白质的机器核糖体是合成蛋白质的机器目目 录录第一节第一节核酸的分子组成核酸的分子组成The Molecular Component of Nucleic Acid目目 录录一、核酸元素组成一、核酸元素组成10元素

6、组成：元素组成：C H O N P平均含量：平均含量：9 % 10%目目 录录二、核酸的基本组成单位二、核酸的基本组成单位核苷酸核苷酸1120种标准氨基酸种标准氨基酸 对比蛋白质对比蛋白质蛋白质蛋白质目目 录录12嘌呤嘌呤腺嘌呤腺嘌呤A鸟嘌呤鸟嘌呤G嘧啶嘧啶胞嘧啶胞嘧啶C尿嘧啶尿嘧啶U胸腺嘧啶胸腺嘧啶T碱碱 基基:含氮杂环化合物含氮杂环化合物目目 录录13戊戊 糖糖OHHOHHHHCH2OHOHOHHOHOHHHCH2OHOH核糖核糖脱氧核糖脱氧核糖12345目目 录录14磷磷 酸酸POHOHOHOH3PO4Pi目目 录录15组成成分组成成分DNARNA磷酸磷酸戊糖戊糖碱基碱基磷酸磷酸脱氧核糖

7、脱氧核糖A、GC、T磷酸磷酸核糖核糖A、GC、UDNA和和RNA的组成的组成目目 录录16 碱基碱基 磷酸磷酸 戊糖戊糖糖苷键糖苷键磷酸酯键磷酸酯键核苷核苷核苷酸核苷酸（脱氧）核苷与（脱氧）核苷酸（脱氧）核苷与（脱氧）核苷酸目目 录录17OHHOHOHHHNCH2NNNHONH2OHHOHOHHHNCH2NNNNH2H2O3P-OH2O3P-OH2O3P-ONNNH2OOHHOHOHHHCH2H2O3P-ONNHOOOHHOHOHHHCH2腺苷酸 鸟苷酸 胞苷酸 尿苷酸AMP, A GMP, G CMP, C UMP, URNA中的核苷酸中的核苷酸目目 录录18OHHOHHHHNCH2NNNH

8、ONH2OHHOHHHHNCH2NNNNH2H2O3P-OH2O3P-OH2O3P-ONNNH2OOHHOHHHHCH2H2O3P-ONNHOOOHHOHHHHCH2CH3脱氧腺苷酸 脱氧鸟苷酸 脱氧胞苷酸 脱氧胸苷酸dAMP, dA dGMP, dG dCMP, dC dTMP, dTDNA中的核苷酸中的核苷酸目目 录录19NNNNOOHOHNH2OCH2OOOPOOOOOOPPCH2OPOHOONNNNOOHNH2三磷酸腺苷三磷酸腺苷ATP环腺苷酸环腺苷酸cAMP重要的核苷酸衍生物重要的核苷酸衍生物目目 录录三、核苷酸的功能三、核苷酸的功能1、核酸的合成原料、核酸的合成原料 2、ATP为生

9、命活动提供能量为生命活动提供能量 3、UTP参与糖原合成参与糖原合成 4、CTP参与磷脂合成参与磷脂合成 5、腺苷酸构成酶的辅助因子，包括黄素腺嘌呤二、腺苷酸构成酶的辅助因子，包括黄素腺嘌呤二 核苷酸（核苷酸（FAD）、烟酰胺腺嘌呤二核苷酸）、烟酰胺腺嘌呤二核苷酸 （NAD）/烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸（烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸（NADP） 和辅酶和辅酶A（CoA）6、第二信使：环腺苷酸（、第二信使：环腺苷酸（cyclic AMP，cAMP） 和环鸟苷酸（和环鸟苷酸（cyclic GMP， cGMP）在）在细胞信细胞信 号转导号转导过程中具有重要调控作用过程中具有重要调控作用 目目 录录第二节第

10、二节核酸的分子结构核酸的分子结构The Molecular structure of Nucleic Acid目目 录录核核 酸酸(nucleic acid) 寡核苷酸（寡核苷酸（oligonucleotide）：长度小于）：长度小于50个核个核苷酸的核酸。苷酸的核酸。多核苷酸（多核苷酸（ polynucleotide）：长度大于）：长度大于50个个核苷酸的核酸。核苷酸的核酸。它们统称为核酸。它们统称为核酸。 目目 录录核酸的分子结构核酸的分子结构基本结构基本结构空间结构空间结构一级结构一级结构二级结构二级结构三级结构三级结构核酸的核苷酸序列核酸的核苷酸序列又称为碱基序列又称为碱基序列 由部分

11、核苷酸形成由部分核苷酸形成的有规律、稳定的的有规律、稳定的空间结构空间结构 DNA和染色和染色体的超级结体的超级结构构 目目 录录定义定义核酸中核苷酸的排核酸中核苷酸的排列顺序。列顺序。由于核苷酸间的差由于核苷酸间的差异主要是异主要是碱基不同碱基不同，所，所以也称为以也称为碱基序列碱基序列。55端端3端端CGA核苷酸之间以核苷酸之间以3，5磷酸二酯键磷酸二酯键连接形成多核苷连接形成多核苷酸链，即核酸。酸链，即核酸。形成键形成键：一、核酸的一级结构一、核酸的一级结构目目 录录l骨架骨架 （backbone）：）：l 磷酸基磷酸基-戊糖交替排列戊糖交替排列l 构成骨架，而碱基为侧链构成骨架，而碱基

12、为侧链l两端：两端： 5端端 （5-P） l 3端端 （3-OH）l方向：方向： 5 3A 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 目目 录录目目 录录 二、二、目目 录录lDNA的二级结构的二级结构-双螺旋结构双螺旋结构DNA双螺旋结构的研究背景和历史意义双螺旋结构的研究背景和历史意义DNA双螺旋结构模型要点双螺旋结构模型要点lDNA的超螺旋结构及其在染色质中的组装的超螺旋结构及其在染色质中的组装DNA的超螺旋结构的超螺旋结构原核生物原核生物DNA的高级结构的高级结构DNA在真核生物细胞核内的组

13、装在真核生物细胞核内的组装lDNA的功能的功能目目 录录（一）（一） DNA的二级结构的二级结构双螺旋结构双螺旋结构目目 录录1、目目 录录目目 录录罗莎琳德富兰克林（1920-1958）迟到的诺贝尔奖（2011年，化学奖）伦敦国王学院：罗莎琳威尔金斯馆 英国皇家学会：“富兰克林奖章 DNA晶体的X射线衍射照片，是发现DNA结构的关键 目目 录录2、 DNA双螺旋结构模型要点双螺旋结构模型要点 （Watson, Crick, 1953）1、DNA是由两股反向平行是由两股反向平行 的脱氧核苷酸链构成形成的脱氧核苷酸链构成形成 右手双螺旋结构右手双螺旋结构2、双链间的碱基依靠氢键、双链间的碱基依靠

14、氢键 互补配对互补配对配对原则：配对原则：A=T; G C3、氢键和具有疏水作用的碱、氢键和具有疏水作用的碱基堆积力维系基堆积力维系DNA双螺旋结构双螺旋结构的稳定性的稳定性氢键氢键维持双链维持双链横横向稳定性向稳定性，碱基碱基堆积力堆积力维持双链维持双链纵向稳定性纵向稳定性。目目 录录3、生理条件下生理条件下最稳定的构最稳定的构象，是主要象，是主要的构象。的构象。目目 录录（二）（二）DNA的高级结构是超螺旋结构的高级结构是超螺旋结构 超螺旋结构超螺旋结构(superhelix 或或supercoil) DNA双螺旋链进一步扭曲或盘绕即形成双螺旋链进一步扭曲或盘绕即形成超螺旋结构。超螺旋结构

15、。 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。 目目 录录意义意义DNA超螺旋结构整体或局部的拓扑学超螺旋结构整体或局部的拓扑学变化及其调控对于变化及其调控对于DNA复制和复制和RNA转录过转录过程具有关键作用。程具有关键作用。 目目 录录1、原核生物、原核生物DNA的环状超螺旋结构的环状超螺旋结构目目 录录2、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目目 录录真核生物染色（质）体由真核生物染色

16、（质）体由DNA和蛋白质和蛋白质构成，其基本单位是构成，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目目 录录目目 录录 核小体的组成核小体的组成DNA：约：约200bp目目 录录真核生物：真核生物：DNA分子多层次压缩包装分子多层次压缩包装核小体核小体核小体卷曲（空状螺线管）核小体卷曲（空状螺线管）染色体：压缩染色体：压缩近近104倍倍染色质纤维染色质纤维超螺线管超螺线管目目 录录目目 录录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

17、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。 目目 录录目目 录录RNA分子通常以分子通常以单链形式单链形式存在，单链存在，单链RNA可以通可以通过链内互补构成过链内互补构成局部的二级结构或三级结构局部的二级结构或三级结构。如果。如果RNA互补双链部分存在未配对的碱基，就会形成互补双链部分存在未配对的碱基，就会形成鼓鼓泡泡、膨胀环膨胀环和和发夹

18、结构发夹结构。 RNA和蛋白质共同负责基因的表达和表达过程和蛋白质共同负责基因的表达和表达过程的调控。的调控。RNA的碱基互补配对的碱基互补配对A与与U、G与与C；但不像；但不像DNA那么严格，存在较多那么严格，存在较多G-U碱基对。碱基对。 RNA比比DNA小的多。小的多。RNA的种类、大小、结构远比的种类、大小、结构远比DNA具有多样性，具有多样性，同时同时RNA的功能也是多样性的。的功能也是多样性的。目目 录录真核细胞中真核细胞中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

19、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rRN

20、AmRNA 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组分核仁小核仁小RNA目目 录录hnRNAHetero-nuclear 内含子内含子( (intron) )mRNA 1、真核生物、真核生物mRNA成熟过程是成熟过程是hnRNA的剪切结果的剪切结果 外显子外显子( (exon) )

21、目目 录录（一）（一）mRNA的结构与功能的结构与功能含量最少、容易降解含量最少、容易降解目目 录录目目 录录2、 成熟成熟mRNA的结构特点的结构特点目目 录录（二）（二）目目 录录* tRNA的结构特点的结构特点 含含 1020% 稀有碱基，如稀有碱基，如 DHU、 、mG等等 3 末端为末端为 CCA-OH，是氨基酸的结合部位，是氨基酸的结合部位 5 末端大多数为末端大多数为G目目 录录 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 D （DHU）臂和臂和D环环 反密码子臂和环反密码子臂和环 TC臂和臂和TC环环 额外环额外环氨基酸氨基酸臂臂额外环额外环 1、目目 录录

22、目目 录录目目 录录2、tRNA的的倒倒L形形三级结构三级结构这种结构有利这种结构有利于结合氨基酸于结合氨基酸和识别密码子和识别密码子* 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。目目 录录（三）（三）目目 录录70S80S50S30S60S40S31 proteins23S rRNA5S rRNA21 proteins16S rRNA49 proteins28S rRNA5.8S rRNA33 proteins18S rRNA原核原核真核真核大亚基大亚基小亚基小亚基大亚基大亚基小亚基小亚基目目 录录* 18S rRNA的结构的

23、结构* 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。 二级结构呈花状二级结构呈花状目目 录录目目 录录（四）（四）目目 录录snmRNAs的种类的种类核内小核内小RNA核仁小核仁小RNA胞质小胞质小RNA催化性小催化性小RNA小片段干涉小片段干涉 RNA snmRNAs的功能的功能参与参与hnRNA和和rRNA的加工和转运。的加工和转运。目目 录录siRNA（small interfering RNA） RNA干扰（干扰（RNA interference, RNAi）是）是指在进化过程中高度保守的、由双链指在进化过程中高度保守的、

24、由双链RNA（double-stranded RNA，dsRNA）诱发的、）诱发的、同源同源mRNA高效特异性降解的现象。高效特异性降解的现象。 目目 录录 近几年来近几年来RNAi研究取得了突破性进展，研究取得了突破性进展，被被Science杂志评为杂志评为2001年的十大科学进年的十大科学进展之一，并名列展之一，并名列2002年十大科学进展之首。年十大科学进展之首。由于使用由于使用RNAi技术可以特异性剔除或关闭特技术可以特异性剔除或关闭特定基因的表达，所以该技术已被广泛用于探定基因的表达，所以该技术已被广泛用于探索基因功能和传染性疾病及恶性肿瘤的基因索基因功能和传染性疾病及恶性肿瘤的基因

25、治疗领域。治疗领域。核核 酸酸 的的 理理 化化 性性 质质The Physical and Chemical Characters of Nucleic Acid第第 三三 节节目目 录录目目 录录一、核酸分子具有强烈的紫外吸收特征：一、核酸分子具有强烈的紫外吸收特征： 核酸在核酸在260nm附近存在最大吸收峰，附近存在最大吸收峰，是由碱基中的共轭双键所决定的，这一是由碱基中的共轭双键所决定的，这一特性常用作核酸的定性与定量分析。特性常用作核酸的定性与定量分析。目目 录录目目 录录二、二、DNA的变性与复性的变性与复性联想蛋白质变性，注意两者的区别联想蛋白质变性，注意两者的区别蛋白质变性：蛋

26、白质变性： 在一些理化因素作用下，天然构象被破坏，在一些理化因素作用下，天然构象被破坏，理化性质改变。生物活性丧失。理化性质改变。生物活性丧失。目目 录录（一）（一）DNA 变性（变性（denaturation） 在某些理化因素作用下，在某些理化因素作用下，DNA双链解开成双链解开成两条单链的过程。两条单链的过程。目目 录录方法：方法：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、 酰胺以及某些有机溶剂如乙醇、丙酮等。酰胺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

27、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目目 录录目目 录录DNA变性的本质是变性的本质是双链间氢键的断裂双链间氢键的断裂目目 录录例：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OD260增高的现象。增高的现象。目目 录录监测监测DNA双双链是否发生变链是否发生变性的指标性的指标（二）（二）DNA的复性的复性(renaturation) 定义定义当变性条件缓慢去除后，变性当变性条件缓慢去除后，变性DNA的两条的两条互补链可恢复天然的双螺旋构象，这一现象称互补链可恢复天然的双螺旋构象，这一现象称为为复性复性。减色效应减色效应DNA复性恢复其天然构象时，其溶液复性恢复其天然构象时，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，这经缓慢冷却后即可复性，这一过程称为一过程称为退火退火(annealing) 。目目 录录目目 录录核酸的变性 核酸的复性解链曲线：解链曲线：如果在连续加热如果在连续加热DNA的过程的过程中以中以