核酸结构的功能

1、核酸结构的功能二、核酸的发现和研究工作进展 Y1868年年 Fridrich Miescher从脓细胞中提取从脓细胞中提取“核素核素” Y1944年年 Avery等人等人证实证实DNA是遗传物质是遗传物质Y1953年年 Watson和和Crick发现发现DNA的双螺旋结构的双螺旋结构Y1968年年 Nirenberg发现发现遗传密码遗传密码Y1975年年 Temin和和Baltimore发发现现逆转录酶逆转录酶Y1981年年 Gilbert和和Sanger建建立立DNA 测序方法测序方法Y1985年年 Mullis发明发明PCR 技术技术Y1990年年 美国启动美国启动人类基因组计划人类基因组

2、计划(HGP) Y1994年年 中国人类基因组计划启动中国人类基因组计划启动Y2001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Y2003年年 人类基因组计划完成人类基因组计划完成 约约34万个基因万个基因 第1页/共45页三、核酸的分类及分布 90%以以上分布于细胞核，其余分布于上分布于细胞核，其余分布于核外核外如线粒体，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。(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，

3、决定细胞和个体的基携带遗传信息，决定细胞和个体的基因型因型(genotype)。 参与细胞内参与细胞内DNA遗传信息的表达。某遗传信息的表达。某些病毒些病毒RNA也可作为遗传信息的载体。也可作为遗传信息的载体。第2页/共45页一、化学组成 (一一) 元素组成元素组成 组成核酸的主要元素：组成核酸的主要元素：C、H、O、N、P（9%10%）(二二) 分子组成分子组成1.碱基碱基(base) 嘌呤碱，嘧啶碱嘌呤碱，嘧啶碱2.戊糖戊糖(ribose) 核糖，脱氧核糖核糖，脱氧核糖3.磷酸磷酸(phosphate)稀有碱基：如次黄嘌呤、二氢尿嘧啶等。第3页/共45页(1)嘌呤嘌呤(purine) 腺嘌

4、呤腺嘌呤(adenine, A)鸟嘌呤鸟嘌呤(guanine, G)1.碱 基NNN HN123456789NNNHNNH2NNHNHNNH2O第4页/共45页(2)嘧啶嘧啶(pyrimidine)胞嘧啶胞嘧啶(cytosine, C)胸腺嘧啶胸腺嘧啶(thymine, T)NHN132456尿嘧啶尿嘧啶(uracil, U)NHNHOONNHNH2ONHNHOOCH3第5页/共45页2.戊 糖（构成（构成RNA）12345核糖核糖(ribose)（构成（构成DNA）脱氧核糖脱氧核糖(deoxyribose)OHOCH2OHOHOHOHOCH2OHOH第6页/共45页二、基本单位核苷酸(一一)

5、核苷(ribonucleoside)(二)核苷酸(ribonucleotide)1.碱基和核糖(脱氧核糖)通过糖苷键连接形 成核苷(脱氧核苷)。2.核苷种类 核苷：AR, GR, UR, CR脱氧核苷：dAR, dGR, dTR, dCR1.核苷（脱氧核苷）和磷酸以磷酸酯键连接 形成核苷酸（脱氧核苷酸）。 核苷酸：核苷酸：AMP, GMP, UMP, CMP脱氧核苷酸：脱氧核苷酸：dAMP, dGMP, dTMP, dCMP2.核苷酸种类 第7页/共45页PiPi糖苷键糖苷键OOHOCH2HOHNNNH2O磷酸酯键磷酸酯键OPOOOHOHOCH2HOHNNNH2O第8页/共45页1.多磷酸核苷

6、酸 NMP，NDP，NTP2.环化核苷酸 cAMP，cGMPNOCH2OOHOHNNNNH2POOHOPOOHOPOOHOH第9页/共45页5 端端3 端端(四)核苷酸的连接 1.核苷酸之间以磷酸二酯键连接形成多核苷酸链，即核酸。CANH2NNOPOHHOOOH3COOHPHOOOH3COOHNH2NNNN磷酸二酯键磷酸二酯键第10页/共45页A G P5 P T PG PC PT P OH 3 2.书写方法5 pApGpTpGpCpT-OH 3 5 A G T G C T 3 第11页/共45页 (一)定义 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不同，所以由于核苷酸间的差异主

7、要是碱基不同，所以也称为也称为碱基序列碱基序列。DNA: A、T、G、CRNA: A、U、G、C第12页/共45页二、DNA的空间结构与功能(一) DNA的二级结构 1. 定义 即平行反向的右手双螺旋结构。Watson, Crick于于1953提出。提出。2. 研究背景(1) 碱基组成分析碱基组成分析Chargaff 规则：规则：A = TG C(2)碱基的理化数据分析A-T、G-C以氢键配对较合理(3)X-线衍射图谱分析 第13页/共45页3. DNA双螺旋结构模型要点 (1) 由两条由两条相互平行但走向相互平行但走向相反相反的脱氧多核苷酸链组成，的脱氧多核苷酸链组成，以以右手螺旋右手螺旋方

8、式盘绕中心轴。方式盘绕中心轴。螺旋直径为螺旋直径为2nm，形成大沟，形成大沟及小沟相间。及小沟相间。 这些沟结构与蛋白质、这些沟结构与蛋白质、DNA之间的相互识别有关。之间的相互识别有关。5/3/5/3/(2) 碱基间距0.34nm，螺旋一圈10对碱基，螺距3.4nm 。第14页/共45页HNNNNNHOHNNCH3ONNNNOHHNHNNNOHH(4)糖与磷酸骨架居双螺旋外侧，碱基在内相互形成氢键配对(A=T; G C)。(3)氢键维持横向稳定性，碱基堆积力维持纵向稳定性。第15页/共45页4.DNA双螺旋结构的多样性不同类型不同类型DNA的结构参数的结构参数A型型DNAB型型DNAZ型型D

9、NA螺旋旋向螺旋旋向右手螺旋右手螺旋右手螺旋右手螺旋左手螺旋左手螺旋螺旋直径螺旋直径2.55nm2.37nm1.84nm每一螺旋的碱基对数目每一螺旋的碱基对数目1110.412螺距螺距2.53nm3.54nm4.56nm相邻碱基对之间的垂直间距相邻碱基对之间的垂直间距0.23nm0.34nm0.38nm Watson和Crick当年提出的是理想化的DNA双螺旋模型，后来发现其各项参数均与实际的DNA双螺旋结构有一定差异。 第16页/共45页(二二) DNA的的三级结构三级结构1.原核生物DNA的超螺旋结构(1) 定义定义 即在即在DNA二级结构的基础上进一步折二级结构的基础上进一步折叠成环状或

10、麻花状的叠成环状或麻花状的超螺旋结构超螺旋结构(superhelix 或或supercoil)。 环状环状 麻花状麻花状 第17页/共45页(3) 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转转录过程具有关键作用。录过程具有关键作用。 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。 (2) 种类第18页/共45页2.真核生物真核

11、生物DNA的超螺旋结构的超螺旋结构真核生物染色体由真核生物染色体由DNA和蛋白质构成，其基和蛋白质构成，其基本单位是本单位是 核小体核小体。(1) DNA在真核生物细胞核内的组装 核小体的组成核小体的组成DNA：约约200bp H1H2A，H2BH3H4组蛋白组蛋白2nm DNA第19页/共45页(三) DNA的功能1.DNA的基本功能是以的基本功能是以基因基因的形式荷载的形式荷载遗传信息，并作为基因复制和转录的模板。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，也是个体生命活它是生命遗传的物质基础，也是个体生命活动的信息基础。动的信息基础。2.基因从结构上定义，基因从结构上定

12、义，是指是指DNA分子中分子中的特定区段，其中的核苷酸排列顺序决定了的特定区段，其中的核苷酸排列顺序决定了基因的功能。基因的功能。 3.进化程度越高的生物其进化程度越高的生物其DNA分子越大，分子越大，人类基因组有人类基因组有3109个碱基对。个碱基对。第20页/共45页RNA的种的种类、分布、功能类、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

13、 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RNARNA 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

14、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根据RNA的功能可分为mRNA、tRNA、rRNA等多种。第21页/共45页(一) mRNA结构特点1.大多数真核大多数真核mRNA的的5 末端均在转录后加上一末端均在转录后加上一个个7-甲基鸟苷，同时第一个核苷酸的甲基鸟苷，同时第一个核苷酸的C2也是也是甲基化，形成甲基化，形成帽子结构：帽子结构：m7GpppN。2.大多数真核大多数真核mRNA的的3 末端有一个多聚腺苷酸末端有一个

15、多聚腺苷酸(polyA)结构，称为结构，称为多聚多聚A尾尾。 3.帽子结构和多聚帽子结构和多聚A尾的功能尾的功能 mRNA核内向胞核内向胞质的转位；质的转位；mRNA的稳定性维系；翻译起始的调的稳定性维系；翻译起始的调控控 。一、mRNA的结构与功能第22页/共45页7 7甲基鸟苷三磷酸甲基鸟苷三磷酸帽子结构帽子结构多聚多聚A尾结构尾结构OOCH2OOH+NHNNOH2NNCH3OOHH2CO-OPOOPO-OP鸟嘌呤OO-OPOOAAA-OH 3/AUGGUGGCGAGGTGTATTGAUAAAAAA Anm7Gpppp5/5/3/3/第23页/共45页(二二) mRNA的功能的功能 1.构

16、成遗传密码，传递构成遗传密码，传递DNA所携带的遗传所携带的遗传信息信息。 2.用用连续三个核苷酸作为连续三个核苷酸作为密码子密码子以决定其以决定其合成蛋白质的氨基酸排列顺序。合成蛋白质的氨基酸排列顺序。DNAmRNA蛋白转录翻译原核细胞原核细胞 细胞质细胞核DNA内含子外显子转录转录后剪接转运mRNAhnRNA翻译蛋白真核细胞真核细胞 第24页/共45页(一一) tRNA的特点的特点1.含含 1020% 稀有碱基，如稀有碱基，如 DHU、 T C。 2. 3末端为末端为 CCA-OH； 5末端大多数为末端大多数为G。二、tRNA的结构与功能N,N二甲基鸟嘌呤二甲基鸟嘌呤N6-异戊烯腺嘌呤异戊

17、烯腺嘌呤双氢尿嘧啶双氢尿嘧啶4-巯尿嘧啶巯尿嘧啶稀稀有有碱碱基基 ONNHNHNNCH3CH3NHNHSONHNHOOHHHHNNNHNNHCH2CHCCH3CH3第25页/共45页(二) tRNA的结构OHACCAGAGGGCCCCCCGCAAGCCGCUCUCGUAUCTCCGGGGGGGCAAGmDDGGDDDAACAGUUAAAAGUUCCDmAACA1. tRNA的二级结构 (1) tRNA的二级结构为平面卷曲的三叶草构型。(2)由单链卷曲形成局部环状双链。(3)反密码环，带有反密码子可破译遗传密码。 (4)氨基酸臂，直接结合被活化的氨基酸。第26页/共45页2. tRNA的三级结构

18、的三级结构 倒倒L形形(三三) tRNA的功能的功能破译遗传密码；活化、破译遗传密码；活化、搬运氨基酸到核糖体，参搬运氨基酸到核糖体，参与蛋白质的翻译。与蛋白质的翻译。 X线衍射结构证明，线衍射结构证明，tRNA的共同三级结构为的共同三级结构为倒倒L形。形。第27页/共45页(二二) rRNA由单链卷曲由单链卷曲构成的多茎环结构。构成的多茎环结构。三、rRNA的结构与功能(三三)rRNA参与组成核参与组成核糖糖体体的大、小亚基的大、小亚基，作为蛋白质生物合成作为蛋白质生物合成的场所。的场所。(一一) rRNA占总占总RNA的的80以上。以上。(四四)根据沉降系数根据沉降系数，rRNA在在原核生

19、物中有 5S,23S,16S 三三种种；在；在真核生物中有 5S,28S,5.8S,18S四四种种。第28页/共45页四、小分子核内RNA与RNA组学(一) snmRNAs 除了上述三种除了上述三种RNARNA外，细胞的不同部位存在外，细胞的不同部位存在的许多其他种类的小分子的许多其他种类的小分子RNARNA，统称为，统称为非非mRNAmRNA小小RNA (small non-messenger RNAs, snmRNAs)RNA (small non-messenger RNAs, snmRNAs)。包。包括核内小括核内小RNARNA、核仁小、核仁小RNARNA、胞质小、胞质小RNARNA、

20、催化、催化性小性小RNARNA、小片段干涉、小片段干涉 RNARNA。参与。参与hnRNAhnRNA和和rRNArRNA的加工和转运。的加工和转运。RNA组学是组学是研究细胞中研究细胞中snmRNAs的种类、结的种类、结构和功能。生物的不同细胞、不同时间、不同状构和功能。生物的不同细胞、不同时间、不同状态下态下snmRNAs的表达具有时间和空间特异性。的表达具有时间和空间特异性。 (二) RNA组学第29页/共45页五、核酶 (一)具有催化功能的核酸称为核酶。底物部分(二二) 核酶的锤头核酶的锤头状结构状结构 通常为通常为60个核苷酸个核苷酸组成，包括有催化部组成，包括有催化部分和底物部分组成

21、锤分和底物部分组成锤头结构。头结构。 (三)核酶研究的意义 核酶的发现，对中心法则作了重要补充；是对核酶的发现，对中心法则作了重要补充；是对传统酶学的挑战；利用核酶的结构设计合成人传统酶学的挑战；利用核酶的结构设计合成人工核酶工核酶 。 第30页/共45页 核酸是含磷酸和碱基的两性电解质，通常表现为较强的酸性。可用电泳和离子交换分离纯化核酸。 在碱性条件下，RNA不稳定，可在室温下水解。利用这个性质可以测定RNA的碱基组成，也可清除DNA溶液中混杂的RNA。 核酸是线性的大分子，其在溶液中的粘度很高。RNA分子比DNA短，在溶液中的粘度低于DNA。一、核酸的一般性质第31页/共45页二、紫外吸

22、收 (一) 由于嘌呤和嘧啶中含有共轭双键，核酸在260nm处有最大吸收峰。第32页/共45页1. DNA或或RNA的定量的定量OD260=1.0相当于：相当于：50g/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 = 2.0(二) OD260的应用第33页/共45页三、DNA的变性与复性(一一)变性变性 (denaturation)1.定义 在某些理化因素作用下，DNA双链解开成两条单链的过程。本质是双链间氢键的断裂。3

23、.变性后其他理化性质变化 OD260增高 浮力密度升高 粘度下降 酸碱滴定曲线改变 比旋度下降 生物活性丧失(1)理化性质变化2.因素 强酸，强碱，高温，高压，变性试剂如尿素以及某些有机溶剂如乙醇等。第34页/共45页(2)增色效应： DNA变性时其溶液OD260增高的现象。DNA的紫外吸收光谱的紫外吸收光谱200 250 260 3001.51.00.5变性状态变性状态天然状态天然状态第35页/共45页(3)Tm：紫外光吸收值达到最大值的50%时的温度称为DNA的解链温度，又称融解温度(melting temperature, Tm)。其大小与G+C含量成正比。 解链曲线：在连续加热DNA的

24、过程中以温度为横坐标，以吸光度A260为纵坐标作图，所得的曲线称为解链曲线。76 80 84 88 92 96 100 OD2600.700.650.600.550.50Tm第36页/共45页(二)复性 1.DNA复性复性(renaturation)的定义的定义(3)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。(1)当变性因素去除后，变性当变性因素去除后，变性DNA的两条互补链的两条互补链可恢复天然的双螺旋构象，这一现象称为复性。可恢复天然的双螺旋构象，这一现象称为复性。(2)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，这一过程称为退火一过

25、程称为退火(annealing) 。第37页/共45页1.在DNA复性过程中，将不同种类的DNA单链分子或RNA分子置同一溶液中，就可以形成杂化双链(heteroduplex)。2.杂化双链可以在不同的DNA与DNA之间形成，也可在DNA和RNA分子间或者RNA与RNA分子间形成。这种现象称为核酸分子杂交。(三)核酸分子杂交(hybridization) 3.核酸分子杂交的应用 （1）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 （2）确定两种核酸分子间的序列相似性）确定两种核酸分子间的序列相似性 （3）检测待检样品中是否存在某些专一序列）检测待检样品中是否存在某些专一序列 （

26、4）该方法是基因芯片技术的基础）该方法是基因芯片技术的基础 第38页/共45页三、核酸的分类及分布 90%以以上分布于细胞核，其余分布于上分布于细胞核，其余分布于核外核外如线粒体，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。(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，决定细胞和个体的基携带遗传信息，决定细胞和个体的基因型因型(genotype)。 参与细胞内参与细胞内DNA遗传信息的表达。某遗传信息的表达。某些病毒些病毒RNA也可作为遗传信息的载

27、体。也可作为遗传信息的载体。第39页/共45页一、化学组成 (一一) 元素组成元素组成 组成核酸的主要元素：组成核酸的主要元素：C、H、O、N、P（9%10%）(二二) 分子组成分子组成1.碱基碱基(base) 嘌呤碱，嘧啶碱嘌呤碱，嘧啶碱2.戊糖戊糖(ribose) 核糖，脱氧核糖核糖，脱氧核糖3.磷酸磷酸(phosphate)稀有碱基：如次黄嘌呤、二氢尿嘧啶等。第40页/共45页2.戊 糖（构成（构成RNA）12345核糖核糖(ribose)（构成（构成DNA）脱氧核糖脱氧核糖(deoxyribose)OHOCH2OHOHOHOHOCH2OHOH第41页/共45页二、DNA的空间结构与功能(一) DNA的二级结构 1. 定义 即平行反向的右手双螺旋结构。Watson, Crick于于1953提出。提出。2. 研究背景(1) 碱基组成分析碱基组成分析Chargaff 规则：规则：A = TG C(2)碱基的理化数据分析A-T、G-C以氢键配对较合理(3)X-线衍射图谱分析 第42页/共45页RNA的种的种类、分布、功能类、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