生物化学02核酸结构与功能

1、会计学1生物化学生物化学02核酸结构与功能核酸结构与功能核核 酸酸(nucleic acid)是以核苷酸为基本组成单位的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生物大分子，携带和传递遗传信息。核酸的分类及分布核酸的分类及分布 90% 90%以上分布于细胞核，其以上分布于细胞核，其余分布于核外余分布于核外如线粒体，叶如线粒体，叶绿体，质粒等。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，决定细胞和携带遗传信息，决定细胞和

2、个体的基因型个体的基因型(genotype)。参与细胞内参与细胞内DNA遗传信息遗传信息的表达。某些病毒的表达。某些病毒RNA也也可作为遗传信息的载体。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 Acid核酸的化学组成核酸的化学组成 1. 元素组成元素组成C、H、O、N、P（9%10%）核酸核酸核苷酸核苷酸磷酸磷酸核苷核苷碱基碱基戊糖戊糖水解水解水解水解嘌呤碱基嘌呤碱基嘧啶碱基嘧啶碱基水解水解核核 糖糖脱氧核糖脱氧核糖AMPdCMP嘌呤嘌呤(

3、purine) NNNHN123456789NNNHNNH2腺嘌呤腺嘌呤(adenine, A)NNHNHNNH2O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)NHNHOOCH3返回返回戊戊 糖糖（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)返回返回核苷：核苷：AR, GR, UR,

4、CR脱氧核苷：脱氧核苷：dAR, dGR, dTR, dCR核苷核苷(ribonucleoside)的形成的形成碱基和核糖（脱氧碱基和核糖（脱氧核糖）通过核糖）通过糖苷键糖苷键连接连接形成核苷（脱氧核苷）形成核苷（脱氧核苷）。OHOCH2OHOHNNNH2O1 1返回返回POOOHOHOCH2OHOHNNNH2O核苷酸：核苷酸：AMP, GMP, UMP, CMP脱氧核苷酸：脱氧核苷酸：dAMP, dGMP, dTMP, dCMP 核苷酸核苷酸(ribonucleotide)的结构与命名的结构与命名核苷核苷（脱氧核苷）和磷酸以脱氧核苷）和磷酸以磷酸酯键磷酸酯键连接形成核苷酸（脱连接形成核苷酸（

5、脱氧核苷酸）。氧核苷酸）。 酯键酯键默认情况下核苷酸均为默认情况下核苷酸均为5-核苷酸核苷酸返回返回l 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，cGMPNOCH2OOHOHNNNNH2POOHOHNOCH2OOHOHNNNNH2POOHOPOOHOHNOCH2OOHOHNNNNH2POOHOPOOHOPOOHOHNOCH2OOHONNNNH2POOHNADP+NAD+O CH2OOHOHN1HO POHOO CH2OOHOHN2HOPOHO核苷酸的连接核苷酸的连接 H2OOHOHO CH2OOOHN1HO POHOO CH2ON2HOPO35

6、53O CH2OOHOHN3HOPOHOO CH2OOHOHNHOPOHO3-磷酸酯键磷酸酯键5-磷酸酯键磷酸酯键5 端端3 端端3. 3. 核苷酸的连接核苷酸的连接 核苷酸之间核苷酸之间以以3,5-3,5-磷酸二酯磷酸二酯键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。CGA55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 1953 195

7、3年年Watson & CrickWatson & Crick提出提出DNADNA双螺旋学说。双螺旋学说。 2003 2003年年Watson & CrickWatson & Crick纪念纪念DNADNA双螺旋结构发现双螺旋结构发现5050周年。周年。一、一、DNADNA的二级结构的二级结构双螺旋结构双螺旋结构（一）（一） DNA双螺旋结构模型要点双螺旋结构模型要点 （Watson, Crick, 1953）DNADNA分子由两条分子由两条相互平相互平行但走向相反行但走向相反的脱氧多的脱氧多核苷酸链组成，两链以核苷酸链组成，两链以- -脱氧核糖脱氧核糖- -磷

8、酸磷酸- -为骨为骨架，以架，以右手螺旋右手螺旋方式绕方式绕同一公共轴盘。螺旋直同一公共轴盘。螺旋直径 为径 为 2 2 n mn m ， 形 成 大 沟， 形 成 大 沟(major groove)(major groove)及小沟及小沟(minor groove)(minor groove)相间。相间。大沟大沟小沟小沟（一）（一） DNA双螺旋结构模型要点双螺旋结构模型要点 （Watson, Crick, 1953）碱基垂直螺旋轴居双螺碱基垂直螺旋轴居双螺旋内侧，与对侧碱基形旋内侧，与对侧碱基形成成氢键配对氢键配对（互补配对（互补配对形式：形式：A=T; GA=T; G C C）。）。大沟

9、大沟小沟小沟大沟大沟小沟小沟（一）（一） DNA双螺旋结构模型要点双螺旋结构模型要点 （Watson, Crick, 1953）相邻碱基平面距离相邻碱基平面距离0.34nm0.34nm，螺旋一圈螺螺旋一圈螺距距3.4nm3.4nm，一圈，一圈1010对对碱基。碱基。碱基平面与纵轴垂直碱基平面与纵轴垂直，糖基平面与纵轴平，糖基平面与纵轴平行（碱基平面与戊糖行（碱基平面与戊糖平面相互垂直）。平面相互垂直）。（二）（二） DNA双螺旋结构模型要点双螺旋结构模型要点 （Watson, Crick, 1953）氢键氢键维持双链维持双链横向稳横向稳定性定性，碱基堆积力碱基堆积力维维持双链持双链纵向稳定性纵

10、向稳定性。大沟大沟小沟小沟（二）（二）DNA双螺旋结构的多样性双螺旋结构的多样性A-DNA B-DNA Z-DNA（二）（二）DNA双螺旋结构的多样性双螺旋结构的多样性三链三链DNA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(superhelix 或或supercoil)DNA双螺旋链再盘绕即形成超螺旋结构。双螺旋链再盘绕即形成超螺旋结构。 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 super

11、coil)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 意义意义DNA超螺旋结构整体或局部的拓超螺旋结构整体或局部的拓扑学变化及其调控对于扑学变化及其调控对于DNA复制和复制和RNA转录过程具有关键作用。转录过程具有关键作用。 （二）原核生物（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DNADNA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)(nucleosome)。核小体的组成核小体的组成 DNADNA：约约200bp200bp 组蛋白：组蛋白：H

12、1H1 H2A H2A，H2BH2B H3 H3 H4 H4DNA的基本功能是以的基本功能是以基因基因的形式的形式荷载遗传信息，并作为基因复制和转荷载遗传信息，并作为基因复制和转录的模板。它是生命遗传的物质基础录的模板。它是生命遗传的物质基础，也是个体生命活动的信息基础。，也是个体生命活动的信息基础。基因从结构上定义，基因从结构上定义，是指是指DNA分子分子中的特定区段，其中的核苷酸排列顺序中的特定区段，其中的核苷酸排列顺序决定了基因的功能。决定了基因的功能。 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RN

13、A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

14、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组分核仁小核仁小RNADNAmRNA hnRNA (核内不均一核内不均一RNA) 外显子外显子( (exon) )内含子内含子( (intron)

15、)* * 真核生物真核生物mRNA结构特点结构特点1. 大多数真核大多数真核mRNA的的5 末端均在转录后末端均在转录后加上一个加上一个7-甲基鸟苷，同时第一个核苷甲基鸟苷，同时第一个核苷酸的酸的C 2也是甲基化，形成也是甲基化，形成帽子结构帽子结构：m7GpppNm-。2. 大多数真核大多数真核mRNA的的3 末端有一个多聚末端有一个多聚腺苷酸腺苷酸(polyA)结构，称为多聚结构，称为多聚A尾，又尾，又称为靴子结构。称为靴子结构。* mRNA的功能的功能 把把DNA所携带的遗传信息，按碱基互所携带的遗传信息，按碱基互补配对原则，抄录并传送至核糖体，用以补配对原则，抄录并传送至核糖体，用以决

16、定其合成蛋白质的氨基酸排列顺序。决定其合成蛋白质的氨基酸排列顺序。DNAmRNA蛋白蛋白转录转录翻译翻译原核细胞原核细胞 细胞质细胞质细胞核细胞核DNA内含子内含子外显子外显子转录转录转录后剪接转录后剪接转运转运mRNAhnRNA翻译翻译蛋白蛋白真核细胞真核细胞 （二）（二）tRNAtRNA的二级结构的二级结构( (三叶草形三叶草形) )氨基酸氨基酸臂臂额外环额外环u DHU环环u 反密码反密码环环u 额外环额外环u TC环环u 氨基酸臂氨基酸臂（三）（三）tRNA的三级结构的三级结构 倒倒L形形* 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* rRNA的功能的

17、功能参与组成核蛋参与组成核蛋白体，作为蛋白白体，作为蛋白质生物合成的场质生物合成的场所。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

18、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%四四 、其他小分子、其他小分子RNA及及RNA组学组学除了上述三种除了上述三种RNA外，细胞的不同外，细胞的不同部位存在的许多其他种类的小分子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)。 snmRNAssnmRNAs的的种类种类核内小核内小RNARNA

19、核仁小核仁小RNARNA胞质小胞质小RNARNA催化性小催化性小RNARNA小片段干涉小片段干涉 RNARNA snmRNAs的的功能功能参与参与hnRNA和和rRNA的加工和转运。的加工和转运。RNARNA组学研究细胞中组学研究细胞中snmRNAs的的种类、结构和功能。种类、结构和功能。同一生物体内不同种类的细胞、同同一生物体内不同种类的细胞、同一 细 胞 在 不 同 时 间 、 不 同 状 态 下一 细 胞 在 不 同 时 间 、 不 同 状 态 下snmRNAs的表达具有时间和空间特异的表达具有时间和空间特异性。性。 RNARNA组学组学核核 酸酸 的的 理理 化化 性性 质质The P

20、hysical and Chemical Characters of Nucleic Acid第第 四四 节节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，DNA双链双链解开成两条单链的过程。解开成两条单链的过

21、程。方法：方法：过量酸，碱，加热，变性试剂如尿过量酸，碱，加热，变性试剂如尿素、酰胺以及某些有机溶剂如乙醇、素、酰胺以及某些有机溶剂如乙醇、丙酮等。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OD260增高的现象。增高的现象。 Tm：变性是在一个

22、相当窄的温度范围内完成，在这一范围内，紫外光变性是在一个相当窄的温度范围内完成，在这一范围内，紫外光吸收值达到最大值的吸收值达到最大值的50%时的温度称为时的温度称为DNA的解链温度，又称融解温度的解链温度，又称融解温度(melting temperature, Tm)。其大小与。其大小与G+C含量成正比。含量成正比。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)的定义的定义在适当条件下，变性在适当条件下，变性DNADNA的两条互补的两条互补链可恢复天然的双螺旋构象，这一现象称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

23、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经缓慢冷却后即可复性，这一过程称为性，这一过程称为退火退火(annealing) 。在在DNA变性后的复性过程中，如果将不同种类的变性后的复性过程中，如果将不同种类的DNA单链分子单链分子或或RNA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系，在适宜的条件（温度及离子强度）下，就可以在不的碱基配对关系，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同的分子间形成杂化双链杂化双链(heteroduplex)。这种杂化双链

24、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，也可以在之间形成，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间形成。这种现象称为核酸分子杂交。分子杂交。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定两种核酸分子间的序列相似性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检测某些专一序列在待检样品中存在与否在与否是基因芯片技术

25、的基础是基因芯片技术的基础 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(deoxyribonuclease, DNase)：专一降解专一降解DNA。RNA酶酶 (ribonuclease, 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分为限制性核酸内切酶和非特异性限制性核酸内切酶。和非特异性限制性核酸内切酶。核酸外切酶：核酸外切酶：5 3 或或3 5 核酸外切核酸外切酶。酶。 核核 酶酶u催化性催化性DNA (DNAzyme) 人工合成的寡人工合成的寡聚脱氧核苷酸片段，也能序列特异性降聚脱氧核苷酸片段，也能序列特异性降解解RNA。 u催化性催化性RNA (ribozyme) 作为序列特异作为序列特异性的核酸内切酶降解性的核酸内切酶降解mRN