CH核酸的結(jié)構(gòu)與功能課件

1、本章組成L1 核酸的化學(xué)組成及一級結(jié)構(gòu)L2 DNA的結(jié)構(gòu)與功能L3 RNA的結(jié)構(gòu)與功能L4 核酸的理化性質(zhì)L5 常用的核酸分離純化技術(shù)本章組成L1 核酸的化學(xué)組成及一級結(jié)構(gòu)重點(diǎn)、難點(diǎn)：基本概念:核苷酸 ,DNA、RNA, Tm等 DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型的要點(diǎn)；mRNA、tRNA、rRNA的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及功能； DNA變性與復(fù)性等核酸重要的理化性質(zhì)及其應(yīng)用。重點(diǎn)、難點(diǎn)：1869 Miescher isolated DNA for the first time. 確定了生物遺傳的物質(zhì)基礎(chǔ)是DNA 核 酸(nucleic acid) 是以核苷酸為基本組成單位的生物大分子，攜帶和傳遞遺傳信息。1869 Mi

2、escher isolated DNA for核酸的元素組成特點(diǎn): 一般不含有S元素。含P元素較多且恒定,可用于測定核酸含量。核酸的元素組成特點(diǎn): 一般不含有S元素。第一節(jié)核酸的化學(xué)組成及其一級結(jié)構(gòu)The Chemical Components and Primary Structure of Nucleic Acid第一節(jié)存在于細(xì)胞核和線粒體分布于細(xì)胞核、細(xì)胞質(zhì)、線粒體(deoxyribonucleic acid, DNA)(ribonucleic acid, RNA)脫氧核糖核酸 核糖核酸攜帶遺傳信息，并通過復(fù)制傳遞給下一代。是DNA轉(zhuǎn)錄的產(chǎn)物，參與遺傳信息的復(fù)制與表達(dá)。某些病毒RNA也可

3、作為遺傳信息的載體一、核酸可以分為核糖核酸及脫氧核糖核苷酸存在于細(xì)胞核和線粒體分布于細(xì)胞核、細(xì)胞質(zhì)、線粒體(deoxy二、核苷酸是構(gòu)成核酸的基本組成單位二、核苷酸是構(gòu)成核酸的基本組成單位核酸(DNA和RNA)核苷酸核苷和脫氧核苷磷酸戊糖堿基嘌呤嘧啶核糖脫氧核糖核酸組成 核酸(DNA和RNA)核苷酸核苷和脫氧核苷磷酸戊糖堿基嘌呤嘧堿基(base)是含氮的雜環(huán)化合物。堿基嘌呤嘧啶腺嘌呤鳥嘌呤尿嘧啶胸腺嘧啶胞嘧啶存在于DNA和RNA中僅存在于RNA中僅存在于DNA中（一）堿基堿基(base)是含氮的雜環(huán)化合物。堿基嘌呤嘧啶腺嘌呤鳥嘌呤1、嘌呤(purine，Pu) 腺嘌呤(adenine, A)鳥嘌

4、呤(guanine, G)1、嘌呤(purine，Pu) 腺嘌呤(adenine,2、嘧啶(pyrimidine，Py)胞嘧啶(cytosine, C)尿嘧啶(uracil, U)胸腺嘧啶(thymine, T)2、嘧啶(pyrimidine，Py)胞嘧啶(cytosin3、“稀有堿基”（tRNA中最多）5mC3、“稀有堿基”（tRNA中最多）5mC（二）戊糖（構(gòu)成RNA）12345核糖(ribose)（構(gòu)成DNA）脫氧核糖(deoxyribose)（二）戊糖（構(gòu)成RNA）12345核糖(ribos 嘌呤N-9或嘧啶N-1與核糖C-1通過-N-糖苷鍵相連形成核苷(ribonucleoside)

5、。（三）核苷NNNN9NH2OOHOHHHHCH2OHH12糖苷鍵11 AR, GR, UR, CR 嘌呤N-9或嘧啶N-1與核糖C-1通過-N-糖苷鍵相連脫氧核苷11HdAR, dGR, dTR, dCR嘌呤N-9 或嘧啶N-1與脫氧核糖C-1通過-N-糖苷鍵相連形成脫氧核苷(deoxyribonucleoside)。脫氧核苷11HdAR, dGR, dTR, dCR嘌呤N-核苷或脫氧核苷與磷酸通過酯鍵結(jié)合構(gòu)成核苷酸(ribonucleotide)或脫氧核苷酸(deoxyribonucleotide)。（四）核苷酸(ribonucleotide) 1、核糖核苷酸： AMP, GMP, UMP

6、, CMP2、脫氧核苷酸：dAMP, dGMP, dTMP, dCMP NNNN9NH2OOHOHHHHCH2H12OPO-HOO糖苷鍵酯鍵核苷或脫氧核苷與磷酸通過酯鍵結(jié)合構(gòu)成核苷酸(ribonucl3、多磷酸核苷酸3、多磷酸核苷酸環(huán)化核苷酸：cAMP、cGMP，是細(xì)胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo)中的第二信使。cAMP4、核苷酸衍生物環(huán)化核苷酸：cAMP、cGMP，是細(xì)胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo)中的第二信使。三、核苷酸通過3,5-磷酸二酯鍵連接形成的大分子一個核苷酸或脫氧核苷酸的3的羥基與另一個核苷酸或脫氧核苷酸5的-磷酸基團(tuán)縮合形成磷酸二酯鍵(phosphodiester bond)。 多個核苷酸或脫氧核苷酸通過磷酸二酯鍵構(gòu)成

7、了具有方向性的線性分子，稱為多聚核苷酸或多聚脫氧核苷酸，即RNA鏈或DNA鏈。三、核苷酸通過3,5-磷酸二酯鍵連接形成的大分子一個核苷交替的磷酸基團(tuán)和戊糖構(gòu)成了RNA/DNA的骨架 (backbone)。核苷酸鏈的方向是5 3交替的磷酸基團(tuán)和戊糖構(gòu)成了RNA/DNA的骨架 (backb定義核酸中核苷酸的排列順序。由于核苷酸間的差異主要是堿基不同，所以也稱為堿基序列。5端3端CGA四、核酸的一級結(jié)構(gòu)是核苷酸的排列順序定義5端3端CGA四、核酸的一級結(jié)構(gòu)是核苷酸的排列順序A G P5 P T PG PC PT P OH 3 書寫方法5-pApCpTpGpCpT-OH 3 5-A C T G C T

8、-3A G P5 P T PG PC PT P 第二節(jié)DNA的結(jié)構(gòu)與功能Dimensional Structure and Function of DNA第二節(jié)DNA的空間結(jié)構(gòu)又分為二級結(jié)構(gòu)(secondary structure)和高級結(jié)構(gòu)。DNA的空間結(jié)構(gòu)(spatial structure)構(gòu)成DNA的所有原子在三維空間具有確定的相對位置關(guān)系。DNA的空間結(jié)構(gòu)又分為二級結(jié)構(gòu)(secondary stru一、DNA的二級結(jié)構(gòu)是雙螺旋結(jié)構(gòu)Watson and Crick: 1953年提出雙螺旋結(jié)構(gòu)模型, The Nobel Prize in Physiology or Medicine 19

9、62。一、DNA的二級結(jié)構(gòu)是雙螺旋結(jié)構(gòu)Watson and CriDouble helix：The natural coiled conformation of two complementary, antiparallel DNA chains by the formation of A-T and G-C base pairs. Double helix：The natural coile不同生物種屬的DNA的堿基組成不同同一個體的不同器官或組織的DNA堿基組成相同。A = T，G = CChargaff 規(guī)則（一）DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的研究背景獲得了高質(zhì)量的DNA分子的X射線衍射照片。提出了

10、DNA分子雙螺旋結(jié)構(gòu)(double helix)模型。不同生物種屬的DNA的堿基組成不同Chargaff 規(guī)則（一（二） DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型要點(diǎn)（B型）（二） DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型要點(diǎn)（B型）兩條多聚核苷酸鏈在空間的走向呈反向平行(anti-parallel)。兩條鏈圍繞著同一個螺旋軸形成右手螺旋(right-handed)的結(jié)構(gòu)。雙螺旋結(jié)構(gòu)的直徑為2nm，螺距為3. 4nm。脫氧核糖和磷酸基團(tuán)組成的親水性骨架位于雙螺旋結(jié)構(gòu)的外側(cè)，疏水的堿基位于內(nèi)側(cè)。雙螺旋結(jié)構(gòu)的表面形成了一個大溝(major groove)和一個小溝(minor groove)。 1. DNA是反向平行、右手螺旋的雙鏈結(jié)構(gòu)

11、兩條多聚核苷酸鏈在空間的走向呈反向平行(anti-paralCH核酸的結(jié)構(gòu)與功能2. DNA雙鏈之間形成了互補(bǔ)堿基對堿基配對關(guān)系稱為互補(bǔ)堿基對(complementary base pair)。DNA的兩條鏈則互為互補(bǔ)鏈(complementary strand)。堿基對平面與螺旋軸垂直。2. DNA雙鏈之間形成了互補(bǔ)堿基對堿基配對關(guān)系稱為互補(bǔ)堿基相鄰兩個堿基對會有重疊，產(chǎn)生了疏水性的堿基堆積力(base stacking interaction)。堿基堆積力和互補(bǔ)堿基對的氫鍵共同維系著DNA結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。3. 疏水作用力和氫鍵共同維系著DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。堿基堆積作用力相鄰兩個堿基對會有重

12、疊，產(chǎn)生了疏水性的堿基堆積力(base Z（三）DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的多樣性Z（三）DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的多樣性二、DNA的三級結(jié)構(gòu)是超螺旋結(jié)構(gòu)超螺旋結(jié)構(gòu)(superhelix 或supercoil)DNA雙螺旋鏈再盤繞即形成超螺旋結(jié)構(gòu)。 正超螺旋(positive supercoil)盤繞方向與DNA雙螺旋方同相同。 負(fù)超螺旋(negative supercoil)盤繞方向與DNA雙螺旋方向相反。 二、DNA的三級結(jié)構(gòu)是超螺旋結(jié)構(gòu)超螺旋結(jié)構(gòu)(superhel（一）原核生物DNA的閉合環(huán)狀超螺旋結(jié)構(gòu)原核生物DNA多為環(huán)狀，以負(fù)超螺旋的形式存在，平均每200堿基就有一個超螺旋形成。（一）原核生物DNA的

13、閉合環(huán)狀超螺旋結(jié)構(gòu)原核生物DNA多為環(huán)DNA超螺旋結(jié)構(gòu)的電鏡圖象DNA超螺旋結(jié)構(gòu)的電鏡圖象右旋，再右旋右旋后，左旋右旋，再右旋右旋后，左旋CH核酸的結(jié)構(gòu)與功能（二）真核生物DNA的高度有序、高度致密真核生物DNA以非常有序的形式存在于細(xì)胞核內(nèi)。在細(xì)胞周期的大部分時間里，DNA以松散的染色質(zhì)(chromatin)形式存在，在細(xì)胞分裂期，則形成高度致密的染色體(chromosome)。 （二）真核生物DNA的高度有序、高度致密真核生物DNA以非常DNA染色質(zhì)呈現(xiàn)出的串珠樣結(jié)構(gòu)。染色質(zhì)的基本單位是核小體(nucleosome)。DNA染色質(zhì)的電鏡圖像DNA染色質(zhì)呈現(xiàn)出的串珠樣結(jié)構(gòu)。DNA染色質(zhì)的電鏡

14、圖像DNA：約200bp 組蛋白：H1 H2A，H2B H3 H4核小體的組成核小體：是真核生物染色體的基本結(jié)構(gòu)單元。 核心顆粒核小體 連接區(qū)DNA：約200bp 核小體的組成核小體：是真核生物核小體串珠樣的結(jié)構(gòu)core particles Particles resulting from micrococcal nuclease digestion of nucleosomes, consisting of 140-bp DNA and the histone octamer of a nucleosome.核小體串珠樣的結(jié)構(gòu)core particles Partic真核生物的染色體8000

15、-10000倍真核生物的染色體8000-10000倍DNA的基本功能是以基因的形式負(fù)載遺傳信息，并作為基因復(fù)制和轉(zhuǎn)錄的模板。它是生命遺傳的物質(zhì)基礎(chǔ)，也是個體生命活動的信息基礎(chǔ)?；驈慕Y(jié)構(gòu)上定義，是指DNA分子中的特定區(qū)段，其中的核苷酸排列順序決定了基因的功能。 三、DNA是遺傳信息的物質(zhì)基礎(chǔ)DNA的基本功能是以基因的形式負(fù)載遺傳信息，并作為基因復(fù)制和兩種最重要的生物大分子比較 項 目 蛋 白 質(zhì)核 酸組成單位 氨基酸核苷酸種 類 20種A、C 、G 、T (DNA) A、C 、G 、U (RNA)連接方式 肽鍵磷酸二酯鍵一級結(jié)構(gòu) AA排列順序堿基序列空間結(jié)構(gòu) 二、三、四級結(jié)構(gòu) 雙螺旋、超螺旋、

16、蛋白 -核酸非共價結(jié)合功 能 生命活動直接執(zhí)行者 遺傳信息貯存、傳代、 表達(dá),決定蛋白結(jié)構(gòu)兩種最重要的生物大分子比較 項 目 蛋 白 質(zhì)核第三節(jié) RNA的結(jié)構(gòu)與功能Structure and Function of RNA第三節(jié) RNA的結(jié)構(gòu)與功能Structure and FDNA并非是蛋白質(zhì)的直接合成模板, DNA首先需要轉(zhuǎn)錄成為RNA（細(xì)胞核），再由指導(dǎo)合成蛋白（細(xì)胞質(zhì)）。RNA通常以單鏈的形式存在，但有復(fù)雜的局部二級結(jié)構(gòu)或三級結(jié)構(gòu)。RNA比DNA小的多。RNA的種類、大小和結(jié)構(gòu)遠(yuǎn)比DNA表現(xiàn)出多樣性。DNA并非是蛋白質(zhì)的直接合成模板, DNA首先需要轉(zhuǎn)錄成為RRNA的種類、分布、功能R

17、NA的種類、分布、功能細(xì)胞質(zhì)中含量最少，約占。種類最多，一個基因往往有一種甚至多種mRNA。一級結(jié)構(gòu)差異很大。一、mRNA是蛋白質(zhì)合成中的模板1、mRNA的特點(diǎn)：細(xì)胞質(zhì)中含量最少，約占。一、mRNA是蛋白質(zhì)合成中的模板hnRNA 內(nèi)含子(intron)mRNA 2、mRNA成熟過程： 外顯子(exon)卵清蛋白mRNA的成熟hnRNA 內(nèi)含子mRNA 2、mRNA成熟過程： 成熟的mRNA由氨基酸編碼區(qū)和非編碼區(qū)構(gòu)成。 5-末端的帽子(cap)結(jié)構(gòu)和3-末端的多聚A尾(poly-A tail)結(jié)構(gòu)。 從AUG 開始，每三個核苷酸為一組編碼了一個氨基酸，稱為三聯(lián)體密碼(codon)。3、成熟的真

18、核生物mRNA成熟的mRNA由氨基酸編碼區(qū)和非編碼區(qū)構(gòu)成。 3、成熟的真核帽子結(jié)構(gòu): m7GpppNmmRNA的帽結(jié)構(gòu)可以與帽結(jié)合蛋白(cap binding protein，CBP)結(jié)合。 帽子結(jié)構(gòu): m7GpppNmmRNA的帽結(jié)構(gòu)可以與帽結(jié)合蛋白真核生物的mRNA 的3-末端轉(zhuǎn)錄后加上一段長短不一的聚腺苷酸。Poly （A）尾巴AAAAAAAAAAAAAAAAA真核生物的mRNA 的3-末端轉(zhuǎn)錄后加上一段長短不一的聚腺mRNA核內(nèi)向胞質(zhì)的轉(zhuǎn)位mRNA的穩(wěn)定性維系翻譯起始的調(diào)控 帽子結(jié)構(gòu)和多聚A尾的功能mRNA核內(nèi)向胞質(zhì)的轉(zhuǎn)位帽子結(jié)構(gòu)和多聚A尾的功能4、 mRNA依照自身的堿基順序指導(dǎo)蛋白

19、質(zhì)氨基酸順序的合成從mRNA分子5末端起的第一個AUG開始，每3個核苷酸為一組稱為密碼子(codon)或三聯(lián)體密碼(triplet code)。 AUG被稱為起始密碼子；決定肽鏈終止的密碼子則稱為終止密碼子。位于起始密碼子和終止密碼子之間的核苷酸序列稱為開放閱讀框(open reading frame, ORF)，決定了多肽鏈的氨基酸序列 。4、 mRNA依照自身的堿基順序指導(dǎo)蛋白質(zhì)氨基酸順序的合轉(zhuǎn)運(yùn)RNA(transfer RNA, tRNA)在蛋白質(zhì)合成過程中作為各種氨基酸的載體, 將氨基酸轉(zhuǎn)呈給mRNA。由70120核苷酸組成；占細(xì)胞總RNA的15%；具有很好的穩(wěn)定性。二、tRNA是蛋白

20、質(zhì)合成中的氨基酸載體轉(zhuǎn)運(yùn)RNA(transfer RNA, tRNA)在蛋白質(zhì)合（一）tRNA中含有多種稀有堿基（一）tRNA中含有多種稀有堿基* tRNA的一級結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 含 1020% 稀有堿基（最多），如 DHU 3末端為 - CCA-OH 5末端大多數(shù)為G 具有 TC * tRNA的一級結(jié)構(gòu)特點(diǎn)tRNA具有局部的莖環(huán)(stem-loop)結(jié)構(gòu)或發(fā)卡(hairpin)結(jié)構(gòu)。（二）tRNA具有莖環(huán)結(jié)構(gòu)tRNA的二級結(jié)構(gòu)三葉草形氨基酸臂DHU環(huán)反密碼環(huán)TC環(huán)附加叉tRNA具有局部的莖環(huán)(stem-loop)結(jié)構(gòu)或發(fā)卡(hatRNA的二級結(jié)構(gòu)主要特征：1.三環(huán)四臂（部分還有額外環(huán)）2.氨基酸臂3

21、端有CCA-OH的共有結(jié)構(gòu)3.D環(huán)上有二氫尿嘧啶（D）4.反密碼環(huán)上的反密碼子與mRNA相互作用5.可變環(huán)上的核苷酸數(shù)目可以變動6.TC環(huán)含有T和7.含有修飾堿基和不變核苷酸t(yī)RNA的二級結(jié)構(gòu)主要特征：1.三環(huán)四臂（部分還有額外環(huán)）CH核酸的結(jié)構(gòu)與功能tRNA的倒L三級結(jié)構(gòu)tRNA的倒L三級結(jié)構(gòu)核蛋白體RNA(ribosomal RNA，rRNA)是細(xì)胞內(nèi)含量最多的RNA(80)。rRNA與核蛋白體蛋白結(jié)合組成核蛋白體(ribosome)，為蛋白質(zhì)的合成提供場所。三、以rRNA為組分的核蛋白體是蛋白質(zhì)合成的場所核蛋白體RNA(ribosomal RNA，rRNA)是細(xì)胞核蛋白體的組成原核生物（

22、以大腸桿菌為例）真核生物（以小鼠肝為例）小亞基30S40SrRNA16S1542個核苷酸18S1874個核苷酸蛋白質(zhì)21種占總重量的40%33種占總重量的50%大亞基50S60SrRNA23S5S2940個核苷酸120個核苷酸28S5.85S5S4718個核苷酸160個核苷酸120個核苷酸蛋白質(zhì)31種占總重量的30%49種占總重量的35%核蛋白體的組成原核生物（以大腸桿菌為例）真核生物（以小鼠肝為18S rRNA的二級結(jié)構(gòu)18S rRNA的二級結(jié)構(gòu)四、小分子RNA參與了基因表達(dá)的調(diào)控細(xì)胞的不同部位存在的許多其他種類的小分子RNA，統(tǒng)稱為非編碼小RNA(small non-messenger R

23、NAs, snmRNAs),其功能是調(diào)節(jié)基因表達(dá)。 snmRNAs四、小分子RNA參與了基因表達(dá)的調(diào)控細(xì)胞的不同部位存在的許多核酶某些小RNA分子具有催化特定RNA降解的活性，這種具有催化作用的小RNA亦被稱為核酶(ribozyme)或催化性RNA (catalytic RNA)。 核酶某些小RNA分子具有催化特定RNA降解的活性，這種具有催RNA具有酶活性的發(fā)現(xiàn)Sidney Altman，Thomas R. Cech （1939-） （1947-） The Nobel Prize in Chemistry 1989 for their discovery of catalytic prope

24、rties of RNA RNA具有酶活性的發(fā)現(xiàn)Sidney Altman，Thoma核酸的理化性質(zhì)The Physical and Chemical Characters of Nucleic Acid第四節(jié)核酸的理化性質(zhì)第四節(jié)一、核酸是具有很強(qiáng)酸性的生物大分子核酸的酸堿及溶解度性質(zhì)核酸為多元酸，具有較強(qiáng)的酸性。核酸的高分子性質(zhì)一、核酸是具有很強(qiáng)酸性的生物大分子核酸的酸堿及溶解度性質(zhì)核酸在波長 260nm 處有強(qiáng)烈的吸收，是由堿基的共軛雙鍵所決定的。這一特性常用作核酸的定性和定量分析。二、核酸分子具有強(qiáng)烈的紫外吸收核酸在波長 260nm 處有強(qiáng)烈的吸收，是由堿基的共軛雙鍵所堿基的紫外吸收光譜

25、堿基的紫外吸收光譜三、DNA變性是雙鏈解離為單鏈的過程在某些理化因素作用下，DNA雙鏈解開成兩條單鏈的過程，其本質(zhì)是雙鏈間氫鍵的斷裂。定義常見因素： 過量酸，堿，加熱，變性試劑如尿素、酰胺以及某些有機(jī)溶劑如乙醇、丙酮等。三、DNA變性是雙鏈解離為單鏈的過程在某些理化因素作用下，D協(xié)同性的DNA解鏈高溫或極端的pHDNA的變性協(xié)同性的DNA解鏈高溫或極端的pHDNA的變性部分變性DNA的電鏡圖像變性后理化性質(zhì)變化：OD260增高粘度下降比旋度下降浮力密度升高酸堿滴定曲線改變生物活性喪失部分變性DNA的電鏡圖像變性后理化性質(zhì)變化：OD260增高增色效應(yīng)(hyperchromic effect)：DNA變性時其溶液OD260增高的現(xiàn)象。DNA解鏈時的紫外吸收變化增色效應(yīng)(hy