核酸的结构与功能

1、重点、难点：基本概念:核苷酸,DNA、RNA,Tm等DNA双螺旋结构模型的要点；mRNA、tRNA、rRNA的结构特点及功能；DNA变性与复性等核酸重要的理化性质及其应用。,第二章核酸的结构与功能,1869MiescherisolatedDNAforthefirsttime.确定了生物遗传的物质基础是DNA,核酸(nucleicacid),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。,核酸的分类及分布,存在于细胞核和线粒体,分布于细胞核、细胞质、线粒体,(deoxyribonucleicacid,DNA),(ribonucleicacid,RNA),脱氧核糖核酸,核糖核酸,第一节

2、核酸的化学组成及其一级结构TheChemicalComponentandPrimaryStructureofNucleicAcid,核酸的基本结构单位是核苷酸,核酸在核酸酶的作用下水解成核苷酸。,核苷酸由碱基、戊糖、磷酸组成,核苷酸由碱基(base)、戊糖(pentose)和磷酸3种成分以共价键依次连接而成。,核酸的化学组成,元素组成C、H、O、N、P（9%10%）,分子组成,碱基(base)：嘌呤碱，嘧啶碱戊糖(pentose)：核糖，脱氧核糖磷酸(phosphate),核酸组成,一、核苷酸是构成核酸的基本组成单位,碱基(base)是含氮的杂环化合物。,碱基,嘌呤,嘧啶,腺嘌呤,鸟嘌呤,尿嘧

3、啶,胸腺嘧啶,胞嘧啶,存在于DNA和RNA中,仅存在于RNA中,仅存在于DNA中,碱基,嘌呤(purine，Pu),腺嘌呤(adenine,A),鸟嘌呤(guanine,G),嘧啶(pyrimidine，Py),胞嘧啶(cytosine,C),尿嘧啶(uracil,U),胸腺嘧啶(thymine,T),戊糖,嘌呤N-9或嘧啶N-1与核糖C-1通过-N-糖苷键相连形成核苷(ribonucleoside)。,核苷,N,N,N,N,9,N,H,2,O,O,H,O,H,H,H,H,C,H,2,O,H,H,1,2,糖苷键,AR,GR,UR,CR,脱氧核苷,嘌呤N-9或嘧啶N-1与脱氧核糖C-1通过-N-

4、糖苷键相连形成脱氧核苷(deoxyribonucleoside)。,H,dAR,dGR,dTR,dCR,“稀有核苷”是由“稀有碱基”所生成的核苷。,假尿苷（）1,C5-糖苷键,1,C5,核苷或脱氧核苷与磷酸通过酯键结合构成核苷酸(ribonucleotide)或脱氧核苷酸(deoxyribonucleotide)。,核苷酸(ribonucleotide)AMP,GMP,UMP,CMP,脱氧核苷酸：dAMP,dGMP,dTMP,dCMP,多磷酸核苷酸,环化核苷酸：cAMP、cGMP，是细胞信号转导中的第二信使。,cAMP,核苷酸衍生物,体内重要的核苷酸衍生物,含核苷酸的生物活性物质：NAD+、N

5、ADP+、CoA-SH、FAD等都含有AMP,二、DNA是脱氧核苷酸通过3,5-磷酸二酯键连接形成的大分子,一个脱氧核苷酸3的羟基与另一个核苷酸5的-磷酸基团缩合形成磷酸二酯键(phosphodiesterbond)。多个脱氧核苷酸通过磷酸二酯键构成了具有方向性的线性分子，称为多聚脱氧核苷酸(polydeoxynucleotide)，即DNA链。,C,G,A,交替的磷酸基团和戊糖构成了DNA的骨架(backbone)。,DNA链的方向是53,三、RNA也是具有3,5-磷酸二酯键的线性大分子,RNA也是多个核苷酸分子通过酯化反应形成的线性大分子，并且具有方向性；,RNA的戊糖是核糖；RNA的嘧啶

6、是胞嘧啶和尿嘧啶。,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，所以也称为碱基序列。,四、核酸的一级结构是核苷酸的排列顺序,书写方法：,5pApCpTpGpCpT-OH3,5ACTGCT3,核酸分子的大小常用碱基(base或kilobase)数目来表示。小的核酸片段(50bp)常被称为寡核苷酸(oligonucleotide)。自然界中的DNA和RNA的长度可以高达几十万个碱基。,第二节DNA的空间结构与功能DimensionalStructureandFunctionofDNA,DNA的空间结构又分为二级结构(secondarystructure)和高级结构。,DNA的空间

7、结构(spatialstructure),构成DNA的所有原子在三维空间具有确定的相对位置关系。,doublehelix：Thenaturalcoiledconformationoftwocomplementary,antiparallelDNAchainsbytheformationofA-TandG-Cbasepairs.,一、DNA的二级结构是双螺旋结构,WatsonandCrick:1953年提出双螺旋结构模型,TheNobelPrizeinPhysiologyorMedicine1962,不同生物种属的DNA的碱基组成不同同一个体的不同器官或组织的DNA碱基组成相同。A=T，G=C,

8、Chargaff规则,（一）DNA双螺旋结构的研究背景,获得了高质量的DNA分子的X射线衍射照片。,提出了DNA分子双螺旋结构(doublehelix)模型。,不同生物来源DNA碱基组分和相对比例,1953年由Wilkins研究小组的RosalindFranklin获得了高质量的X线衍射照片，显示出DNA是螺旋形分子，从密度上也提示了DNA为双链分子。,RosalindFranklin,WatsonandCricks1953NaturepaperproposingadoublehelixstructureforDNAStructureforDeoxyriboseNucleicAcid2Apri

9、l1953MOLECULARSTRUCTUREOFNUCLEICACIDS,两条多聚核苷酸链在空间的走向呈反向平行(anti-parallel)。两条链围绕着同一个螺旋轴形成右手螺旋(right-handed)的结构。双螺旋结构的直径为2nm，螺距为3.4nm。脱氧核糖和磷酸基团组成的亲水性骨架位于双螺旋结构的外侧，疏水的碱基位于内侧。双螺旋结构的表面形成了一个大沟(majorgroove)和一个小沟(minorgroove)。,（二）DNA双螺旋结构模型要点,1.DNA是反向平行、右手螺旋的双链结构,DNA二级结构,B-DNAhelix：Aright-handeddoublehelixwit

10、hthefollowingcharacteristics:thetwostrandsareantiparallel;thebasesareinsidethehelixandthephosphatesanddeoxyribosesugarsareontheoutside;adenineformshydrogenbondswiththymine,andguanineformsthemwithcytosine;thebasesineachpairarecoplanar;thereare10.4residuesperturn,withapitchof35.,大沟与小沟,2.DNA双链之间形成了互补碱基

11、对,碱基配对关系称为互补碱基对(complementarybasepair)。DNA的两条链则互为互补链(complementarystrand)。碱基对平面与螺旋轴垂直。,相邻两个碱基对会有重叠，产生了疏水性的碱基堆积力(basestackinginteraction)。碱基堆积力和互补碱基对的氢键共同维系着DNA结构的稳定。,3.疏水作用力和氢键共同维系着DNA双螺旋结构的稳定。,碱基堆积作用力,Z,（三）DNA双螺旋结构的多样性,三种DNA构型的比较,（四）DNA的多链螺旋结构,在酸性的溶液中，胞嘧啶的N-3原子被质子化，可与鸟嘌呤的N-7原子形成氢键；同时，胞嘧啶的N-4的氢原子也可与

12、鸟嘌呤的O-6形成氢键，这种氢键被称为Hoogsteen氢键。,Hoogsteen氢键,Hoogsteen氢键，不破坏Watson-Crick氢键，由此形成了CGC的三链结构(triplex)。,三链结构,鸟嘌呤之间通过Hoogsteen氢键形成特殊的四链结构(tetraplex)。,四链结构,真核生物DNA3-末端是富含GT的多次重复序列，因而自身形成了折叠的四链结构。,二、DNA的高级结构是超螺旋结构,超螺旋结构(superhelix或supercoil)DNA双螺旋链再盘绕即形成超螺旋结构。,正超螺旋(positivesupercoil)盘绕方向与DNA双螺旋方同相同。,负超螺旋(neg

13、ativesupercoil)盘绕方向与DNA双螺旋方向相反。,（一）原核生物DNA的环状超螺旋结构,原核生物DNA多为环状，以负超螺旋的形式存在，平均每200碱基就有一个超螺旋形成。,DNA超螺旋结构的电镜图象,右旋，再右旋,右旋后，左旋,（二）真核生物DNA的高度有序和高度致密的结构,真核生物DNA以非常有序的形式存在于细胞核内。在细胞周期的大部分时间里，DNA以松散的染色质(chromatin)形式存在，在细胞分裂期，则形成高度致密的染色体(chromosome)。,DNA染色质呈现出的串珠样结构。染色质的基本单位是核小体(nucleosome)。,DNA染色质的电镜图像,DNA：约20

14、0bp组蛋白：H1H2A，H2BH3H4,核小体的组成,核心颗粒核小体连接区,核小体：是真核生物染色体的基本结构单元。,核小体串珠样的结构,coreparticlesParticlesresultingfrommicrococcalnucleasedigestionofnucleosomes,consistingof140-bpDNAandthehistoneoctamerofanucleosome.,真核生物的染色体,细胞凋亡时，DNA发生核小体间的断裂，结果产生含有不同数量的核小体片段，每个核小体片段都是200bp的整数倍，琼脂糖凝胶电泳时，形成梯状条带。,结肠癌的凋亡细胞电泳照片,小鼠胸

15、腺细胞凋亡照片,DNA的基本功能是以基因的形式荷载遗传信息，并作为基因复制和转录的模板。它是生命遗传的物质基础，也是个体生命活动的信息基础。,基因从结构上定义，是指DNA分子中的特定区段，其中的核苷酸排列顺序决定了基因的功能。,三、DNA是遗传信息的物质基础,两种最重要的生物大分子比较,第三节RNA的结构与功能,StructureandFunctionofRNA,RNA与蛋白质共同负责基因的表达和表达过程的调控。RNA通常以单链的形式存在，但有复杂的局部二级结构或三级结构。RNA比DNA小的多。RNA的种类、大小和结构远比DNA表现出多样性。,RNA的二、三级结构。(a)茎-环状结构，发夹样结

16、构；(b)“假结”样结构,RNA的种类、分布、功能,信使RNA(messengerRNA,mRNA)是合成蛋白质的模板。不均一核RNA(hnRNA)含有内含子(intron)和外显子(exon)。外显子是氨基酸的编码序列，而内含子是非编码序列。hnRNA经过剪切后成为成熟的mRNA。,一、mRNA是蛋白质合成中的模板,内含子(intron),mRNA成熟过程,外显子(exon),从AUG开始，每三个核苷酸为一组编码了一个氨基酸，称为三联体密码(codon)。成熟的mRNA由氨基酸编码区和非编码区构成。5-末端的帽子(cap)结构和3-末端的多聚A尾(poly-Atail)结构。,成熟的真核生物

17、mRNA,帽子结构:m7GpppNm,（一）大部分真核细胞mRNA的5末端都以7-甲基鸟嘌呤-三磷酸核苷为起始结构,mRNA的帽结构可以与帽结合蛋白(capbindingprotein，CBP)结合。,真核生物的mRNA的3-末端转录后加上一段长短不一的聚腺苷酸。,（二）在真核生物mRNA的3末端有多聚腺苷酸结构,mRNA核内向胞质的转位mRNA的稳定性维系翻译起始的调控,帽子结构和多聚A尾的功能,（三）mRNA依照自身的碱基顺序指导蛋白质氨基酸顺序的合成,从mRNA分子5末端起的第一个AUG开始，每3个核苷酸为一组称为密码子(codon)或三联体密码(tripletcode)。,AUG被称为

18、起始密码子；决定肽链终止的密码子则称为终止密码子。,位于起始密码子和终止密码子之间的核苷酸序列称为开放阅读框(openreadingframe,ORF)，决定了多肽链的氨基酸序列。,（四）mRNA的成熟过程是hnRNA的剪接过程,卵清蛋白mRNA的成熟,转运RNA(transferRNA,tRNA)在蛋白质合成过程中作为各种氨基酸的载体,将氨基酸转呈给mRNA。由7495核苷酸组成；占细胞总RNA的15%；具有很好的稳定性。,二、tRNA是蛋白质合成中的氨基酸载体,（一）tRNA中含有多种稀有碱基,*tRNA的一级结构特点含1020%稀有碱基，如DHU3末端为CCA-OH5末端大多数为G具有T

19、C,tRNA具有局部的茎环(stem-loop)结构或发卡(hairpin)结构。,（二）tRNA具有茎环结构,tRNA的二级结构三叶草形,氨基酸臂DHU环反密码环TC环附加叉,tRNA的二级结构主要特征：,1.三环四臂2.氨基酸臂3端有CCA-OH的共有结构3.D环上有二氢尿嘧啶（D）4.反密码环上的反密码子与mRNA相互作用5.可变环上的核苷酸数目可以变动6.TC环含有T和7.含有修饰碱基和不变核苷酸Anticodon：Three-nucleotidesequenceoftRNAthatbase-pairswithacodoninmRNA.,tRNA的倒L三级结构,tRNA的3-末端都是以

20、CCA结尾。3-末端的A与氨基酸共价连结，tRNA成为了氨基酸的载体。不同的tRNA可以结合不同的氨基酸。,（三）tRNA的3-末端连接氨基酸,tRNA的反密码子环上有一个由三个核苷酸构成的反密码子(anticodon)。tRNA上的反密码子依照碱基互补的原则识别mRNA上的密码子。,（四）tRNA的反密码子识别mRNA的密码子,核蛋白体RNA(ribosomalRNA，rRNA)是细胞内含量最多的RNA(80)。rRNA与核蛋白体蛋白结合组成核蛋白体(ribosome)，为蛋白质的合成提供场所。,三、以rRNA为组分的核蛋白体是蛋白质合成的场所,核蛋白体的组成,大肠杆菌的核蛋白体,18SrR

21、NA的二级结构,蛋白质合成时形成的复合体,RNA组学是研究细胞内snmRNA的种类、结构和功能。同一生物体内不同种类的细胞、同一细胞在不同时空状态下snmRNAs表达谱的变化，以及与功能之间的关系。,四、snmRNA参与了基因表达的调控,细胞的不同部位存在的许多其他种类的小分子RNA，统称为非mRNA小RNA(smallnon-messengerRNAs,snmRNAs)。,snmRNAs,核内小RNA核仁小RNA胞质小RNA催化性小RNA小片段干涉RNA,参与hnRNA的加工剪接,snmRNAs的种类,snmRNAs的功能,核酶,某些小RNA分子具有催化特定RNA降解的活性，这种具有催化作用

22、的小RNA亦被称为核酶(ribozyme)或催化性RNA(catalyticRNA)。,RNA具有酶活性的发现,SidneyAltman，ThomasR.Cech（1939-）（1947-）TheNobelPrizeinChemistry1989fortheirdiscoveryofcatalyticpropertiesofRNA,siRNA是生物宿主对外源侵入的基因表达的双链RNA进行切割所产生的特定长度和特定核酸序列的小片段RNA。siRNA可以与外源基因表达的mRNA相结合，并诱发这些mRNA的降解。基于此机理，人们发明了RNA干扰(RNAinterference，RNAi)技术。,小片

23、段干扰RNA,核酸的理化性质ThePhysicalandChemicalCharactersofNucleicAcid,第四节,核酸的酸碱及溶解度性质核酸为多元酸，具有较强的酸性。核酸的高分子性质粘度：DNARNAdsDNAssDNA沉降行为:不同构象的核酸分子的沉降的速率有很大差异，这是超速离心法提取和纯化核酸的理论基础。,核酸在波长260nm处有强烈的吸收，是由碱基的共轭双键所决定的。这一特性常用作核酸的定性和定量分析。,一、核酸分子具有强烈的紫外吸收,碱基的紫外吸收光谱,DNA或RNA的定量A260=1.0相当于50g/ml双链DNA(dsDNA)40g/ml单链DNA(ssDNAorR

24、NA)20g/ml寡核苷酸确定样品中核酸的纯度纯DNA:A260/A280=1.8纯RNA:A260/A280=2.0,紫外吸收的应用,二、DNA变性是双链解离为单链的过程,在某些理化因素作用下，DNA双链解开成两条单链的过程。,定义,DNA变性的本质是双链间氢键的断裂。,常见因素：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。,协同性的DNA解链,高温或极端的pH,DNA的变性,部分变性DNA的电镜图像,变性后理化性质变化：,OD260增高粘度下降比旋度下降浮力密度升高酸碱滴定曲线改变生物活性丧失,增色效应(hyperchromiceffect)：DNA变性时其溶液OD260增高的现象。,DNA解链时的紫外吸收变化,DNA的解链曲线,连续加热DNA的过程中以温度相对于A260值作图，所得的曲线称为解链曲线。,解链过程中，紫外吸光度的变化达到最大变化值的一半时所对应的温度。,解链温度(meltingtemperature，Tm),G+C含量越高，解链温度就越高。,解链曲线的变化,三、变性的核酸可以复性或形成杂交双链,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，这一现象称为DNA复性(renaturation)。,减色效应：DNA复性时，其溶液OD260降低。Hypoc