第三章核酸的結構與功能

1、第三章第三章核酸的結構與核酸的結構與功能功能Nucleic Acid structure and Function 什么是核酸什么是核酸?核酸是遺傳信息物質核酸是遺傳信息物質核酸的結構與功能核酸的結構與功能遺 傳 信 息 的 存 儲 和 攜 帶 者脫 氧 核 糖 核 酸遺 傳 信 息 表 達核 糖 核 酸核 酸DNA(deoxyribonucleic acid) RNA(ribonucleic acid)nucleic acidvDNA（deoxyribonucleic acid)vRNA(ribonucleic acid)核酸研究的歷史核酸研究的歷史v1869年，瑞士科學家年，瑞士科學家Mi

2、escher在外科在外科繃帶上得到一種含磷酸很高的酸性化繃帶上得到一種含磷酸很高的酸性化合物。合物。 因因 存在存在 于于 核核 中，中， 故命名為故命名為“核質核質” (nuclein)。v1889年，年，Altmann制備了不含蛋白質制備了不含蛋白質的核酸制品，首先使用了的核酸制品，首先使用了核酸核酸(nucleic acid)這個名稱。這個名稱。核酸研究的歷史核酸研究的歷史v19281932年，確立了核酸在生命現(xiàn)象年，確立了核酸在生命現(xiàn)象中的地位。中的地位。v1944年，年，轉化作用轉化作用的發(fā)現(xiàn)，證實：的發(fā)現(xiàn)，證實： 核酸核酸 遺傳物質遺傳物質 v1953年，年，Waston和和Cri

3、ck建立了建立了雙螺旋雙螺旋模型，這是核酸發(fā)展史上的重要里程碑。模型，這是核酸發(fā)展史上的重要里程碑。核酸研究的歷史核酸研究的歷史v早期的研究早期的研究僅將核酸看僅將核酸看成是細胞中成是細胞中的一種成分，的一種成分，后逐步證明后逐步證明核酸中含有核酸中含有戊糖，磷酸戊糖，磷酸和堿基，是和堿基，是一種線狀聚一種線狀聚合物。合物。DNA is the carrier of genetic information核核 苷苷 酸酸 的的 結結 構構 左左 邊邊 是是 電電 腦腦 模模 型型 ， 右右 邊邊 是是 簡簡 化化 的的 表表 示示 法法酯鍵糖苷鍵Ribose and Deoxyribose第一

4、節(jié)第一節(jié) 核酸的化學核酸的化學組成組成第一節(jié)第一節(jié) 核酸的化學組成核酸的化學組成 堿基堿基 水解水解 完全水解完全水解核酸核酸 單核苷酸單核苷酸 戊糖戊糖 磷酸磷酸核酸的化學組成核酸的化學組成Nucleic acid nucleotide phosphate + nucleoside base + pentose purine 、pyrimidineDNARNAdeoxyribonucleotideribonucleotidedeoxyribonucleosideribonucleosidedeoxyriboseriboseThe structure of base嘌呤嘧碇核酸中的堿基是含氮雜

5、環(huán)化合物：核酸中的堿基是含氮雜環(huán)化合物： 堿基的互變異構堿基的互變異構v酮式烯醇 C=O C-OH N Nv氨基亞氨基 C-NH2 C=NH2 + +HN HNv 受介質pH影響 堿基的共軛雙鍵堿基的共軛雙鍵v260nm波長的波長的紫外吸紫外吸收強。收強。v核酸測核酸測定的基定的基礎。礎。Ribose and Deoxyribosepentose核苷是堿基與戊糖以糖苷鍵相連核苷是堿基與戊糖以糖苷鍵相連接形成的化合物：接形成的化合物：核苷核苷 核苷或脫氧核苷與磷酸通過酯鍵相連接分別構成核苷或脫氧核苷與磷酸通過酯鍵相連接分別構成 核苷酸或脫氧核苷酸核苷酸或脫氧核苷酸按組成分類：按組成分類：含有含有

6、1個磷酸基團的核苷酸稱為核苷一磷酸（個磷酸基團的核苷酸稱為核苷一磷酸（NMP），如），如CMP含有含有2個磷酸基團的核苷酸稱為核苷二磷酸（個磷酸基團的核苷酸稱為核苷二磷酸（NDP），如），如GDP含有含有3個磷酸基團的核苷酸稱為核苷三磷酸（個磷酸基團的核苷酸稱為核苷三磷酸（NTP），如），如ATP核苷酸核苷酸核苷酸核苷酸v許多單核苷酸在體內具有許多重要的生理功能許多單核苷酸在體內具有許多重要的生理功能v ATP是體內能量的直接來源和利用形式。是體內能量的直接來源和利用形式。v 腺苷酸是腺苷酸是NAD、FAD、輔酶輔酶A等的組成成分。等的組成成分。v cAMP與與cGMP是細胞內信號轉導過程中重

7、要的調是細胞內信號轉導過程中重要的調節(jié)因子節(jié)因子。核苷酸的連接方式核苷酸的連接方式Adenosine ADP ATPAMP第二節(jié)第二節(jié)核酸核酸的一級結構的一級結構核苷酸的連接核苷酸的連接(連接酶)DNA的一級結構是通過的一級結構是通過3,5-磷酸二酯鍵構成一磷酸二酯鍵構成一個沒有分支的線性大分子，其兩個末端分別是個沒有分支的線性大分子，其兩個末端分別是5-末端（游離磷酸基）和末端（游離磷酸基）和3-末端（游離羥基）。是末端（游離羥基）。是指指DNA分子中核苷酸的排列順序。分子中核苷酸的排列順序。由于脫氧核苷酸之間的差別僅是其堿基的不同，所由于脫氧核苷酸之間的差別僅是其堿基的不同，所以以DNA分

8、子堿基的排列順序就代表了核苷酸的排列分子堿基的排列順序就代表了核苷酸的排列順序。順序。DNA的一級結構的一級結構53DNA的的一級結構一級結構核酸的書寫方法核酸的書寫方法v5：左側（上）：左側（上） 3：右側（下）：右側（下）vAUGGC和和AGUGC的堿基組成相同，的堿基組成相同，但表示二段不同的核酸序列。但表示二段不同的核酸序列。第三節(jié)第三節(jié) DNA的空間結構的空間結構與功能與功能Chargaff 規(guī)則規(guī)則v腺嘌呤與胸腺嘧啶的摩爾數(shù)相等，鳥嘌腺嘌呤與胸腺嘧啶的摩爾數(shù)相等，鳥嘌呤與胞嘧啶的摩爾數(shù)相等，呤與胞嘧啶的摩爾數(shù)相等， 即：即： A=T，G=Cv不同生物種屬的不同生物種屬的DNA,其堿

9、基組成不同其堿基組成不同v同一個體不同器官、不同組織的同一個體不同器官、不同組織的DNA具具有相同的堿基組成。有相同的堿基組成。v提示：提示： A與與T，G與與C之間可能以互補的之間可能以互補的方式存在。方式存在。DNA的雙螺旋結構的雙螺旋結構 DNA的雙螺旋結構的雙螺旋結構vDNA分子由兩條脫氧核糖核酸作骨架的分子由兩條脫氧核糖核酸作骨架的雙鏈雙鏈組成，以組成，以右手螺旋右手螺旋方式盤旋方式盤旋v糖磷酸骨架均位于外側，糖磷酸骨架均位于外側，堿基在內側堿基在內側堿基平面之間距離為堿基平面之間距離為0.34nm。螺旋一周螺旋一周為為10堿基對，螺距為堿基對，螺距為3.4nm。v雙螺旋的兩條鏈是雙

10、螺旋的兩條鏈是反方向平行反方向平行的。的。v堿基配對堿基配對：G = C A = T。v穩(wěn)定力：互補穩(wěn)定力：互補堿基之間的堿基之間的氫鍵氫鍵 疏水性疏水性堆積力堆積力-堿基堆積力堿基堆積力B型型-DNADNA的三級結構的三級結構v原核生物原核生物和真核生物線粒體、葉綠體中和真核生物線粒體、葉綠體中的的DNA是是共價封閉的共價封閉的環(huán)狀雙螺旋，環(huán)狀雙螺旋，再形成超螺再形成超螺旋。旋。環(huán)狀雙螺旋環(huán)狀雙螺旋超螺旋超螺旋DNA的三級結構的三級結構v真核生物中真核生物中DNA的三級結構與蛋白質有關。的三級結構與蛋白質有關。v和和DNA結合的蛋白質有組蛋白和非組蛋白。結合的蛋白質有組蛋白和非組蛋白。v組蛋

11、白組蛋白H2A、H2B、H3和和H4各兩個分子形各兩個分子形成八聚體，被兩圈成八聚體，被兩圈140-145堿基對的堿基對的DNA所圍繞。形成核小體。所圍繞。形成核小體。vH1位于核小體之間的連接區(qū)，組成串珠狀位于核小體之間的連接區(qū)，組成串珠狀結構結構。DNA的三級結構的三級結構核小體核小體 DNA的功能的功能v基因：就是基因：就是DNA大分子的一個片段，有復制、大分子的一個片段，有復制、轉錄等主要功能，是生物遺傳繁殖的物質基轉錄等主要功能，是生物遺傳繁殖的物質基礎。礎。vDNA的功能：作為生物遺傳信息復制的模版的功能：作為生物遺傳信息復制的模版和基因轉錄的模版。和基因轉錄的模版。v一個生物體的

12、全部基因序列稱為基因組。一個生物體的全部基因序列稱為基因組。v DNA功能是儲存遺傳信息，保證每一種生功能是儲存遺傳信息，保證每一種生物機體合成它們獨特的蛋白質和物機體合成它們獨特的蛋白質和RNA，使機體使機體按一定時間和空間順序來合成細胞成分。按一定時間和空間順序來合成細胞成分。v DNA is the storehouse,or cellular library that contains the information required to build a cell or organism.v 生物體內生物體內DNA的大小的大小分子量堿基對(kb)最 簡 單 的 微生物SV40 病毒3

13、1065噬菌體3.410750細菌大腸桿菌2.21094600哺乳動物小鼠1.51012230 萬人1.81012280 萬第四節(jié)第四節(jié) RNA的空間結構的空間結構與功能與功能結構：結構：RNA由一條多核苷酸鏈組成，經卷曲盤由一條多核苷酸鏈組成，經卷曲盤繞可形成局部雙螺旋二級結構和三級結構繞可形成局部雙螺旋二級結構和三級結構RNA的結構和功能的結構和功能參與參與hnRNA的剪接轉的剪接轉運運snRNA小核小核RNA成熟成熟mRNA的前體的前體hnRNA不均一核不均一核RNA轉運氨基酸轉運氨基酸mt tRNAtRNA轉運轉運RNA蛋白質合成的模板蛋白質合成的模板mt mRNAmRNA信使信使RN

14、A核蛋白體的組成成分核蛋白體的組成成分mt rRNArRNA核蛋白體核蛋白體RNA功功 能能 線粒體線粒體細胞核與胞液細胞核與胞液動物細胞內主要動物細胞內主要RNA的分布與功能的分布與功能蛋白質合成的場所蛋白質合成的場所一、信使一、信使RNA（ mRNA）傳遞傳遞DNA遺傳信息的遺傳信息的RNA稱為信使稱為信使RNA（mRNA）。）。細胞核內初合成的細胞核內初合成的mRNA前體是不均一核前體是不均一核RNA（hnRNA），），經剪接生成成熟的經剪接生成成熟的mRNA。去掉內含子（去掉內含子（intron）轉錄后產轉錄后產物，留下外顯子（物，留下外顯子（extron）轉錄后產物，轉錄后產物，重新

15、連在一起。重新連在一起。mRNA的結構特點：的結構特點：v大多數(shù)真核大多數(shù)真核mRNA的的5-端在轉錄后均加上一個帽端在轉錄后均加上一個帽子結構。子結構。mRNA的帽子結構可保護的帽子結構可保護mRNA免受核酸酶從免受核酸酶從5端的降解作用，并在翻譯起始中起重要作用。端的降解作用，并在翻譯起始中起重要作用。v絕大多數(shù)真核絕大多數(shù)真核mRNA的的3-端有端有200多個腺苷酸殘多個腺苷酸殘基的尾巴（基的尾巴（Poly A），），其作用在于增加其作用在于增加mRNA的穩(wěn)定性的穩(wěn)定性和維持其翻譯活動。和維持其翻譯活動。m7GpppGmRNA的功能的功能v mRNA的功能是把核內的功能是把核內DNA的堿

16、基順序（即的堿基順序（即遺傳信息）按照堿基互補原則，抄錄并轉移遺傳信息）按照堿基互補原則，抄錄并轉移到細胞質，決定蛋白質合成過程中的氨基酸到細胞質，決定蛋白質合成過程中的氨基酸排列順序。排列順序。 mRNA通過三個核苷酸聯(lián)成的密通過三個核苷酸聯(lián)成的密碼子編碼氨基酸。碼子編碼氨基酸。二、轉運二、轉運RNA（ tRNA）tRNA的結構特點：的結構特點：tRNA分子中含有較多的稀有堿基：分子中含有較多的稀有堿基：DHU、和和mG、 mA等等所有的所有的tRNA均是線性多核苷酸鏈，局部片斷由于堿均是線性多核苷酸鏈，局部片斷由于堿基互補而形成局部雙螺旋區(qū)，而非互補區(qū)則形成環(huán)基互補而形成局部雙螺旋區(qū)，而非

17、互補區(qū)則形成環(huán)狀結構。整個狀結構。整個tRNA的二級結構呈現(xiàn)三葉草結構的二級結構呈現(xiàn)三葉草結構tRNA中的中的3個環(huán)分別是個環(huán)分別是DHU環(huán)、環(huán)、TC環(huán)和反密碼環(huán)環(huán)和反密碼環(huán)tRNA的三級結構呈現(xiàn)倒的三級結構呈現(xiàn)倒L型，一端為氨基酸臂，另型，一端為氨基酸臂，另一端為反密碼子一端為反密碼子tRNA的功能的功能v其功能是攜帶蛋白質合成所需的氨基酸，并其功能是攜帶蛋白質合成所需的氨基酸，并按按mRNA上的密碼順序上的密碼順序“ 對號入座對號入座”地將其地將其轉運到轉運到mRNA分子上。分子上。tRNA的三葉草結構的三葉草結構tRNA的三級結構的三級結構vtRNA的三級結的三級結構構 均呈均呈倒倒L字

18、母字母形形，其，其3末端末端含含CAA-OH的氨的氨基酸臂位于一端，基酸臂位于一端，反密碼環(huán)位于另反密碼環(huán)位于另一端。一端。 vtRNA的三級結的三級結構的穩(wěn)定力是核構的穩(wěn)定力是核苷酸之間的各種苷酸之間的各種氫鍵。氫鍵。三、核蛋白體三、核蛋白體RNA( rRNA)rRNA與蛋白質結合形成的核蛋白是細胞內蛋白質合成的場所。與蛋白質結合形成的核蛋白是細胞內蛋白質合成的場所。rRNA 分子大小不均一，真核細胞的分子大小不均一，真核細胞的rRNA有有4種，其沉降系數(shù)分種，其沉降系數(shù)分別為別為28S、58S、5S和和18S。大約與大約與70種蛋白質結合而存在于的核種蛋白質結合而存在于的核蛋白體的大小亞基

19、中蛋白體的大小亞基中rRNA的二級結構為莖環(huán)樣結構。的二級結構為莖環(huán)樣結構。四、核酶四、核酶(ribozyme)vrRNA前體的自我剪接是由內含子催化的，其前體的自我剪接是由內含子催化的，其本質是本質是RNA。具有酶的催化活力的具有酶的催化活力的RNA就稱就稱為為核酶核酶，核酶的發(fā)現(xiàn)改變了酶都是蛋白質的，核酶的發(fā)現(xiàn)改變了酶都是蛋白質的傳統(tǒng)概念。傳統(tǒng)概念。第五節(jié)第五節(jié)核酸的理化性質核酸的理化性質及其應用及其應用核酸的一般性質核酸的一般性質 核酸分子通常表現(xiàn)為較強的酸性。核酸分子通常表現(xiàn)為較強的酸性。 由于由于DNA分子細長，其在溶液中的粘度很高；分子細長，其在溶液中的粘度很高；RNA分子比分子比

20、DNA短，在短，在溶液中的粘度低于溶液中的粘度低于DNA。 核酸的紫外線吸收核酸的紫外線吸收 核酸分子中的堿基都含有共軛雙鍵，在核酸分子中的堿基都含有共軛雙鍵，在260nm波長處有最大紫外光吸波長處有最大紫外光吸收。收。 蛋白質在蛋白質在280nm波長處有最大吸收，所以可利用溶液波長處有最大吸收，所以可利用溶液260nm和和280nm處吸收光度（處吸收光度（A）的比值來估計核酸的純度。的比值來估計核酸的純度。DNA的理化性質及其應用的理化性質及其應用v變性變性v復性復性v增色效應增色效應v減色效應減色效應v解鏈溫度解鏈溫度v雜交雜交v探針探針DNA的理化性質及其應用的理化性質及其應用v變性變性

21、v復性復性v增色效應增色效應v減色效應減色效應v解鏈溫度解鏈溫度v雜交雜交v探針探針核酸的變性與復性核酸的變性與復性（一）（一）變性變性DNA變性變性是指在某些因素的作用下，維系是指在某些因素的作用下，維系DNA雙螺旋的次雙螺旋的次級鍵發(fā)生斷裂，雙螺旋級鍵發(fā)生斷裂，雙螺旋DNA分子被解開成單鏈的過程。分子被解開成單鏈的過程。 引起引起DNA變性的因素有加熱和化學物質的作用。變性的因素有加熱和化學物質的作用。 變性可使其粘度下降和紫外吸收值的改變等。變性可使其粘度下降和紫外吸收值的改變等。2增色效應和解鏈溫度（增色效應和解鏈溫度（Tm）。）。3GC含量越高，含量越高，Tm值越大；值越大；AT含量

22、越高，含量越高，Tm越值小。越值小。（二）復性（二）復性1解開的兩條鏈重新締合形成雙解開的兩條鏈重新締合形成雙螺旋，稱為螺旋，稱為DNA的復性或退火的復性或退火。2退火溫度：比退火溫度：比Tm低低25。變性和復性變性和復性v雙鏈分開和重新形成雙鏈這樣的過程稱為變雙鏈分開和重新形成雙鏈這樣的過程稱為變性和復性。性和復性。v破壞氫鍵形成的因素都可能使破壞氫鍵形成的因素都可能使DNA變性，如變性，如過量的酸、堿或加熱。過量的酸、堿或加熱。變性與復性變性與復性增色效應和減色效應增色效應和減色效應vOD260 : 單核苷酸單核苷酸單鏈單鏈DNA雙鏈雙鏈DNAvDNA變性時，溶液的變性時，溶液的OD260

23、增高，稱為增高，稱為增色效應增色效應。v在解鏈曲線中的中點稱為中點解鏈溫度，或在解鏈曲線中的中點稱為中點解鏈溫度，或解鏈溫解鏈溫度度(Tm)。v變性和復性是可逆的，熱變性的變性和復性是可逆的，熱變性的DNA經緩慢冷卻后經緩慢冷卻后即可復性，故復性也稱為即可復性，故復性也稱為退火退火(annealing)雜交雜交v雜交：不同的雜交：不同的DNA鏈放在同一溶液中作變性鏈放在同一溶液中作變性處理，或把單鏈處理，或把單鏈DNA和和RNA放在一起，局部放在一起，局部的堿基配對，就可以形成局部雙鏈。這一過的堿基配對，就可以形成局部雙鏈。這一過程稱為雜交。程稱為雜交。v雜交的應用。雜交的應用。 核酸分子雜交核酸分子雜交是根據(jù)兩條核酸單鏈在一定條件下可是根據(jù)兩條核酸單鏈在一定條件下可按堿基互補原則退火形成雙鏈的原理，用已知的單鏈核按堿基互補原則退火形成雙鏈的原理，用已知的單鏈核苷酸片段作為探針檢測樣本中是否存在與其互補的同源苷酸片段作為探針檢測樣本中是否存在與其互補的同源核酸序列的方法。核酸序列的方法。 常用的核酸分子雜交方法：常用的核酸