第二章 核酸的结构与功能

1、核酸的结构和 功能,Structure and Function of Nucleic Acid,- 第 二 章 -,01. 核酸的化学组成及其一级结构,02. DNA的空间结构与功能,03. DNA的结构与功能,04. 核 酸 的 理 化 性 质,05. 核 酸 酶（Nuclease）, 1868年 Fridrich Miescher 从脓细胞中提取核素。 1944年 Avery等人证实DNA是遗传物质。 1953年 Watson和Crick发现DNA的双螺旋结构。 1968年 Nirenberg发现遗传密码。 1975年 Temin和Baltimore发现逆转录酶。 1981年 Gilbe

2、rt和Sanger建立DNA测序方法。 1985年 Mullis发明PCR技术。 1990年 美国启动人类基因组计划(HGP)。 1994年 中国人类基因组计划启动。 2001年 美英等国完成人类基因组计划。,核酸研究的发展简史,核酸(nucleic acid),以核苷酸为基本组成单位 生物大分子 储存、携带和传递遗传信息,核酸的分类、分布及作用：,01,核酸的化学组成及其一级结构,The Chemical Component and Primary Structure of Nucleic Acid,一、核苷酸是构成核酸的基本组成单位,元素组成:,C、H、O、N、P（9%10%）,核酸组成,

3、核酸 (DNA和RNA),核苷酸,磷酸,核苷和脱氧核苷,戊糖,碱基,核糖,脱氧核糖,嘌呤,嘧啶,（一）碱 基,嘌呤(purine),嘧啶(pyrimidine),对碱基的说明：, 碱基原子编号：1、2通常嘌呤9位N、嘧 啶1位N和戊糖的C-1形成N-C糖苷键。 碱基260mn的紫外吸收性质。 碱基酮式烯醇式、氨基亚氨基的互变。 DNA中：A、G、C、T。 RNA中：A、G、C、U。 还有稀有碱基。,（二）2种戊糖,（RNA成分）,核糖(ribose),（DNA成分）,脱氧核糖(deoxyribose),原子编号：1 、2,（三）核苷(ribonucleoside),碱基,核苷,嘌呤9位N/嘧啶

4、1位N与糖1C形成糖苷键,核糖,核苷 脱氧核苷,种类及名称：,（四） 核苷酸(ribonucleotide),结构举例,核苷酸的结构：,核苷/脱氧核苷,磷酸酯键,磷酸,常见碱基部分可为5种碱基的一种,酸的部分可为一磷酸、二磷酸、三磷酸或环磷酸中的一种,核糖部分可为核糖或脱氧核糖,核苷酸种类和名称：,核苷酸衍生物,核苷酸的主要功能：,小结：两类核酸的基本组成单位,小结：两类核酸的基本组成,RNA,DNA,AMP GMP CMP UMP,dAMP dGMP dCMP dTMP,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(phosphodiester bond)。,多个脱氧

5、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。,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,三、RNA也是具有3,5-磷酸二酯键的线性大分子,01,02,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的嘧啶是胞嘧啶和尿嘧啶。,03,连接键：,3，5 磷酸二酯键,方向性：,53,定义：,核酸中核苷酸的排列顺序/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,5 pApCpTpGpCpT-OH 3,5 A C T G C T 3,简化：,再简

6、化：,碱基数目表示,base、 kilobase、用于单链DNA或RNA,核酸分子大小表示法：,碱基对数目,base pair(bp), kilobase pair(kbp)用于双链DNA或RNA,小的核酸片断（小于50bp）称寡核苷酸,02,DNA的空间结构与功能,Dimensional Structure and Function of DNA,一、DNA的二级结构,double helix,（一）DNA双螺旋结构的研究背景,Chargaff 规则的碱基组成分析,A = T ；G =C,碱基的理化数据分析,Chargaff s rule,1、A与T的摩尔数、G与C的摩尔数总是相等； 2、不

7、同生物种属的DNA碱基组成不同； 3、同一个体的不同组织、器官的DNA碱基组成相同。,（二）B-DNA(Watson-Crick)结构要点：,先分析结构图,双股链、反平行、右螺旋、大小沟。 直径2。37nm 、3.54nm螺距（0.3410.5）。,Double heli外观：,主链磷酸戊糖、螺旋外侧、戊糖平面平行假想轴。 侧链内侧碱基互补、碱基平面垂直假象轴。,主、侧链：,横向氢键AT两条、GC三条， 纵向碱基堆砌力更重要,稳定因素：,B-DNA结构要点：,B-DNA不是DNA的唯一结构,（三）DNA双螺旋结构的多样性,三链结构,Hoogsteen氢键, 在酸性的溶液中，胞嘧啶的N-3原子被

8、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的氢原子也可与鸟嘌呤的O-6形成氢键，这种氢键被称为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)。,（四）DNA的多链螺旋结构,二、DNA的高级结构是超螺旋结构,正超螺旋,盘绕方向与DNA双螺旋方同相同,负超螺旋,DNA双螺旋链再盘绕即形成超螺旋结构,盘绕方向与DNA双螺旋方向相反 自然界闭合双链多数是负超螺旋。,（一）原核生物DNA的环状超螺旋结构,大多原核生物的DNA是共价封闭的环形DNA双螺旋，在细胞内进一步盘绕成类核。,环状和超螺旋DNA结

9、构示意图,（二）真核生物DNA的高度有序和高度致密的结构,核小体(nucleosome),核小体结构图,由DNA和蛋白质构成 是真核生物染色体的基本单位,核小体的构成,核心颗粒,连接区,核心组蛋白：,组蛋白八聚体H2A、H2B、H3 、H4各2分子,DNA双螺旋分子(140bp)在核心组蛋白缠绕 1.75圈,DNA（60bp）,组蛋白H1,一个遗传体系所有基因总和的一整套遗传信息,以基因的形式储存、携带和传递遗传信息,基因：,基因组：,三、DNA的功能,03,DNA的结构与功能,Structure and Function of RNA,RNA特点：,RNA通常以单链的形式存在，但有复杂的局部

10、二级结构或三级结构,RNA的种类、大小和结构远比DNA表现出多样性,RNA的种类、分布、功能,核细胞和胞液,蛋白质合成模板,mt mRNA,信使RNA,mRNA,核蛋白体组分,mt rRNA,rRNA,核蛋白体RNA,功能,线粒体,运转RNA,核内不均一RNA,核内小RNA,核仁小RNA,胞浆小RNA,tRNA,HnRNA,SnRNA,SnoRNA,ScRNA/7SL-RNA,mt tRNA,运转氨基酸,成熟的mRNA的前体,参与HnRNA的剪切，运转,rRNA的加工，修饰,蛋白质内质网定位合成的信号识别体的组分,一、mRNA是蛋白质合成中的模板,1. 哺乳类动物mRNA结构示意图：,5,3,

11、m7Gppp,AAAAn,2. 真核细胞mRNA结构特点：,5帽子结构:,m7Gpppm2Npm2Np,3末端多聚A尾polyA,编码区hnRNA剪掉内含子， 外显子拼接。,3. mRNA的功能,DNA（遗传信息）,蛋白质,(氨基酸序列),把DNA的遗传信息，转录成mRNA的密码、 指导蛋白质合成的氨基酸排列顺序。,mRNA（密码载体）,1. tRNA的二级结构三叶草形,二、tRNA是蛋白质合成中的氨基酸载体,2. tRNA的三级结构 倒L形,3.tRNA的功能：,把活化的aa搬运到核糖体，tRNA的反密码子与mRNA的密码子特异性结合，使氨基酸对号入座。,三、以rRNA为组分的核蛋白体是蛋白

12、质合成的场所,rRNA的结构,rRNA的种类,rRNA的功能,多个茎环结构,参与组成核蛋白体， 为蛋白质生物合成的场所,局部双链,tRNA,rRNA,mRNA,三叶草形、倒L形 含稀有碱基多 反密码子 CCAOH 3,呈花状,5m7GpppNm、 3 polyA 编码序列,单链,局部双链,蛋白质合成的模板,搬运活化的aa 到核糖体,组成核蛋白体,分子大小不一, 量10%,代谢快,分子量小120碱基 稳定,分子大120碱基 量 80%,稳定,三种RNA内容小结,结构,功能,四、snmRNA参与了基因表达的调控,核酶:,某些小RNA分子具有催化特定RNA降解的活性，这种具有催化作用的小RNA亦被称

13、为核酶(ribozyme)或催化性RNA(catalytic RNA)。,参与hnRNA和rRNA的加工、转运及表达调控,snmRNAs 的功能:,RNA组学,研究细胞中snmRNAs的种类、结构和功能,同一生物体内不同种类的细胞、同一细胞在不同时间、不同状态下snmRNAs的表达具有时间和空间特异性,04,核 酸 的 理 化 性 质,The Physical and Chemical Characters of Nucleic Acid,核酸是酸性较强的多元酸,DNA是线性高分子粘度极大、RNA粘度较小,DNA在机械力作用下易断裂,溶液中的核酸在离心力作用下下,核酸的260nm紫外吸收核酸分

14、子中的嘌呤、嘧啶含有共轭双键的缘故,一、核酸分子具有强烈的紫外吸收,1. DNA或RNA的定量: OD260=1.0相当于 50g/ml双链DNA 40g/ml单链DNA（或RNA） 20g/ml寡核苷酸,2.判断核酸样品的纯度： DNA纯品 OD260/OD280 = 1.8 RNA纯品 OD260/OD280 = 2.0,二、DNA变性是双链解离为单链的过程, DNA变性的图示：,定义：,理化因素，DNA双链间氢键断裂，成两条单链。, DNA热变性：,融解温度,Tm(melting temperature),特点 :,骤然、突发式,Tm与G+C含量成正比, 增（高）色效应：,DNA变性时其

15、溶液OD260增高的现象,三、变性的核酸可以复性或形成杂交双链,1.DNA复性(renaturation)/退火(annealing),DNA复性：,在适当条件下，变性DNA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。,退火(annealing)：,热变性的DNA经缓慢冷却后即可复性。,复性的条件, 只有温度缓慢下降才可以复性 一般认为，比Tm低25是复性的最佳条件。,2.减（低）色效应：,DNA复性时，其溶液OD260降低。,3.核酸分子杂交(hybridization),定义,核酸分子 杂交：,不同来源的核酸 同一体系中变性、复性处理 核酸单链间有一定程度碱基互补则能形成杂化双链,01,02,03,04,研究DNA分子中某一种基因的位置,是基因芯片技术的基础,鉴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是否存在,核酸分子杂交的应用：,05,核 酸 酶（Nuclease）,指所有可以水解核酸的酶,根据底物不同分类：,根据切割部位不同分类：,DNA酶(deoxyribonuclease, DNase) RNA酶 (ribonuclea