生物化学与分子生物学课件：02核酸的结构与功能

1、生物化学与分子生物学,第二章核酸的结构和功能,Structure and Function of Nucleic Acid,核 酸(nucleic acid),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。,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 Gilbert和Sanger建立DNA测序方法。 1985年 Mullis发明PC

2、R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,(deoxyribonucleic acid, DNA),(ribonucleic acid, RNA),脱氧核糖核酸,核糖核酸,第一节 核酸的化学组成以及一级结构The Chemical Component and Primary Structure of Nucleic Acid,核酸组成,DNA的组成单位是脱氧核糖核苷酸（deoxyribonucleotide）

3、RNA的组成单位是核糖核苷酸（ribonucleotide）。,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),碱基的互变异构体,戊糖,脱氧核苷,嘌呤N-9 与脱氧核糖C-1通过-N-糖苷键相连形成脱氧核苷(deoxyri

4、bonucleoside)。,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,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),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,生物氧化体系的重要成分，在传递质子或电子的过程中具有重要的作用。,烟酰胺腺嘌呤二核苷酸，nicotin

5、amide adenine dinucleotide, NAD+），,构成RNA的碱基、核苷以及核苷酸,构成DNA的碱基、核苷、核苷酸,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(phosphodiester bond)。 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5 3,三、RNA也是具有3, 5-磷酸二酯键的线性大分子,RN

6、A也是多个核苷酸分子通过3,5-磷酸二酯键连接形成的线性大分子，也具有53方向性; RNA的戊糖是核糖； RNA的嘧啶是胞嘧啶和尿嘧啶。 构成RNA的四种基本核苷酸是AMP、GMP、CMP和UMP。,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,核酸的一级结构,5 pApCpTpGpCpT-OH 3,5 A C T G C T 3,A C T G C T,单链DNA和RNA分子的大小常用核苷酸数目（nucleotide，nt）表示；双链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(

7、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Dimensional Structure and Function of DNA,DNA的空间结构又分为二级结构(secondary structure)和高级结构。,DNA的空间结构(spatial structure),构成DNA的所有原子在三维空间的相对位置关系。,一、DNA的二级结构是双螺旋结构,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 对于一特定组织的DNA，其碱基组分不随年龄、营养状态和环境而变化

8、 A = T，G = C,Chargaff 规则,（一）DNA双螺旋结构的实验基础,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(double helix)模型。,两条多聚核苷酸链在空间的走向呈反向平行(anti-parallel)。两条链中一条链的53方向是自上而下，而另一条链的53方向是自下而上。 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2.37nm，螺距为3.54nm。,（二） DNA双螺旋结构模型要点,1.DNA由两条多聚脱氧核苷酸链组成,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

9、内侧。 双螺旋结构的表面形成了一个大沟(major groove)和一个小沟(minor groove)。,2. 核糖与磷酸位于外侧,DNA双螺旋结构的示意图,DNA双螺旋结构的俯视图,3. DNA双链之间形成了互补碱基对,碱基配对关系称为互补碱基对(complementary base pair)。 DNA的两条链则互为互补链(complementary strand)。 碱基对平面与螺旋轴垂直。,碱基互补配对: 鸟嘌呤/胞嘧啶,碱基互补配对: 腺嘌呤/胸腺嘧啶,大沟与小沟,相邻两个碱基对会有重叠，产生了疏水性的碱基堆积力(base stacking interaction)。 碱基堆积力和

10、互补碱基对的氢键共同维系着DNA结构的稳定。,4. 碱基对的疏水作用力和氢键共同维持着DNA双螺旋结构的稳定,碱基堆积作用力,（三）DNA双螺旋结构的多样性,（四）DNA的多链结构,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8个Hoogsteen氢键形成特殊的四链结构(tetraplex)。,四链结构,真核生物

11、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(positive supercoil) 盘绕方向与DNA双螺旋方同相同。,负超螺旋(negative supercoil) 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多为环状的双螺旋分子 ，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。,（二）真核生物DNA以核小体为单位形成高度有序致密结构,真核生物DNA以非常有序的形式存在于

12、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200bp 组蛋白：H1 H2A，H2B H3 H4,核小体的组成,核小体串珠样的结构,双链DNA的折叠和组装,DNA经过多次折叠，被压缩了800010000倍，组装在直径只有数微米的细胞核内。,真核生物的染色体,两个功能区：,端粒(telomeres):染色体末端膨大的粒状结构，由染色体末端DNA（端粒DNA）与DNA结合

13、蛋白构成。与染色体结构的稳定性、完整性以及衰老和肿瘤的发生发展相关。 着丝粒（centromere）:两个染色单体的连接位点，富含A、T序列。细胞分裂时，着丝粒可分开使染色体均等有序地进入子代细胞。,DNA是生物遗传信息的载体，并为基因复制和转录提供了模板。它是生命遗传的物质基础，也是个体生命活动的信息基础。 基因是携带遗传信息的DNA片段，它们的序列信息意义及其在DNA整个分子上的排布特点将在第十三章详述。 DNA具有高度稳定性的特点，用来保持生物体系遗传的相对稳定性。同时，DNA又表现出高度复杂性的特点，它可以发生各种重组和突变，适应环境的变迁，为自然选择提供机会。,三、DNA是遗传信息的

14、物质基础,第三节 RNA的结构与功能,Structure and Function of RNA,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。,动物细胞内主要的RNA种类及功能,信使RNA(messenger RNA, mRNA)是细胞内合成蛋白质的模板。 生物体内mRNA的丰度最小、种类最多、大小也各不相同、寿命最短。 mRNA的初级产物为不均一核RNA(hnRNA)，含有内含子(intron)和外显子(exon)。 hnRNA经过剪切后成为成熟的m

15、RNA。,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),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-A tail)结构。,成熟的真核生物mRNA,帽子结构:m7GpppNm,1. 真核生物mRNA的5-端有特殊帽结构,mRNA的帽结构可以与帽结合蛋白(cap binding protein，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。,2. 真核生物mRNA的3末端有多聚腺苷酸尾,mRNA的多聚A尾在细胞内与poly(A)结合蛋白（poly(A

16、)-binding protein，PABP）结合存在。,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,3. mRNA碱基序列决定蛋白质的氨基酸序列,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) 。,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(open reading frame, ORF)，决定了多肽链的氨基酸序列 。,在mRNA的开放读框的两侧，为非翻译序列（untranslated region，UTR），即5-UTR和3-UTR。,转运RNA(transfer RNA, tRNA)在蛋白质

17、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,1. tRNA中含有多种稀有碱基,稀有碱基（rare base）是指除A、G、C、U外的一些碱基。,tRNA具有局部的茎环(stem-loop)结构或发卡(hairpin)结构。,2. tRNA含有茎环结构,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的倒L三级结构,tRNA的3-末端为CCA结尾。 3-末端的A与氨基酸以酯键相连生成氨基酰-tRNA 。 不同的tRNA结合不同的

18、氨基酸。,3. tRNA的3-末端连接氨基酸,tRNA的反密码子环上有反密码子(anticodon)。 tRNA上的反密码子通过碱基互补识别mRNA上的密码子。,4. tRNA的反密码子识别mRNA的密码子,核糖体RNA(ribosomal RNA，rRNA)是细胞内含量最多的RNA(80)。 rRNA与核糖体蛋白结合组成核糖体(ribosome)，为蛋白质的合成提供场所。,三、以rRNA为组分的核糖体是蛋白质合成的场所,核糖体的组成,大肠杆菌的核蛋白体,18S rRNA的二级结构,四、其他非编码RNA参与基因表达的调控,长链非编码RNA（long non-coding RNA, lncRNA

19、）,非编码RNA（ Non-coding RNA, ncRNA）,不编码蛋白质但具有重要生物学功能的RNA分子。,短链（小）非编码RNA（small non-coding RNA, sncRNA）,ncRNA 功能,参与转录调控、RNA的剪切和修饰、mRNA的稳定和翻译调控、蛋白质的稳定和转运、染色体的形成和结构稳定等细胞重要功能,lncRNA 功能,lncRNA在结构上类似于mRNA，但序列中不存在开放读框。许多已知的lncRNAs由RNA聚合酶转录并经可变剪切形成，通常被多聚腺苷酸化。lncRNA具有复杂的生物学功能，并与一些疾病的发病机制密切相关。有的lncRNA能使基因沉默，有的则激活

20、基因的表达。,核内小RNA 核仁小RNA 胞质小RNA 催化性小RNA 小干涉 RNA 微 RNA,短链非编码RNA亦称为非编码小RNA（small non-messenger RNA）,核内小RNA（small nuclear RNA, snRNA）位于细胞核内。snRNA有5种，分别称为U1、U2、U4、U5、U6，它们与多种蛋白形成复合体，参与真核细胞hnRNA的内含子加工剪接（第十六章）。 核仁小RNA（small nucleolar RNA, snoRNA）：定位于核仁，主要参与rRNA的加工和修饰，如rRNA中核糖C-2的甲基化修饰。 胞质小RNA（small cytoplasmi

21、c RNA, scRNA）：存在于细胞质中，参与形成信号识别颗粒，引导含有信号肽的蛋白质进入内质网定位合成（第十七章）。,催化性小RNA亦被称为核酶（ribozyme）。是细胞内具有催化功能的一类小分子RNA，具有催化特定RNA降解的活性，在RNA的剪接修饰中具有重要作用。 小干扰RNA（small interfering RNA，siRNA）是生物宿主对于外源侵入基因表达的双链RNA进行切割所产生的具有特定长度（2123 bp）和特定序列的小片段RNA。这些siRNA可以单链形式与外源基因表达的mRNA相结合，并诱导相应mRNA降解。,微RNA（microRNAs, miRNAs ）,是一类

22、长度为22nt左右的内源性sncRNA。miRNAs主要是通过结合mRNA而选择性调控基因的表达。,原核生物基因表达的特异性,五、核酸在真核细胞和原核细胞中表现出不同的时空特性,真核生物基因表达的特异性,核酸的理化性质 The Physical and Chemical Characters of Nucleic Acid,第四节,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

23、链DNA (ssDNA or RNA) 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,某些理化因素导致DNA双链互补碱基对之间的氢键发生断裂，DNA双链解离为单链的过程。,定义,DNA变性的本质是双链间氢键的断裂。,部分解链,双链DNA,DNA的变性,DNA的变性,部分变性DNA的电镜图像,增色效应(hyperchromic effect)：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