分子生物學第三章核酸的結構與功能課件

1、第二章核酸的結構與功能Structure and Function of Nucleic Acid核酸的發(fā)現和研究工作進展 1868年 Fridrich Miescher從膿細胞中提取“核素” 1944年 Avery等人證實DNA是遺傳物質1953年 Watson和Crick發(fā)現DNA的雙螺旋結構1968年 Nirenberg發(fā)現遺傳密碼1975年 Temin和Baltimore發(fā)現逆轉錄酶1981年 Gilbert和Sanger建立DNA 測序方法1985年 Mullis發(fā)明PCR 技術1990年 美國啟動人類基因組計劃(HGP) 1994年 中國人類基因組計劃啟動2001年 美、英等國完成

2、人類基因組計劃基本框架核 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。DNA（Deoxyribonucleic acid)脫氧核糖核酸RNA（Ribonucleic acid) 核糖核酸 核酸分類和分布 脫氧核糖核酸（deoxyribonucleic acid, DNA）:遺傳信息的貯存和攜帶者，生物的主要遺傳物質。在真核細胞中，DNA主要集中在細胞核內，線粒體和葉綠體中均有各自的DNA。原核細胞沒有明顯的細胞核結構，DNA存在于稱為類核的結構區(qū)。每個原核細胞只有一個染色體，每個染色體含一個雙鏈環(huán)狀DNA。 核糖核酸（ribonucleic aci

3、d, RNA）：主要參與遺傳信息的傳遞和表達過程，細胞內的RNA主要存在于細胞質中，少量存在于細胞核中，病毒中RNA本身就是遺傳信息的儲存者。另外在植物中還發(fā)現了一類比病毒還小得多的侵染性致病因子稱為類病毒，它是不含蛋白質的游離的RNA分子，還發(fā)現有些RNA具生物催化作用（ribozyme）。第一節(jié)核酸的化學組成及一級結構The Chemical Component and Primary Structure of Nucleic Acid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 分子組成堿基(base)：嘌呤堿，嘧啶堿戊糖(ribose)：核糖，脫氧

4、核糖磷酸(phosphate)核苷酸是構成核酸的基本組成單位DNA的基本組成單位是脫氧核糖核苷酸 。RNA的基本組成單位是核糖核苷酸 。（二）戊糖（構成RNA）12345核糖(ribose)（構成DNA）脫氧核糖(deoxyribose)H脫氧核苷嘌呤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)。（三）核苷(ribonucleoside) 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)。核苷NNNN9NH2OOHOHHHHCH2OHH12糖苷鍵核 苷 酸 的 結 構 左 邊 是 電

5、 腦 模 型 ， 右 邊 是 簡 化 的 表 示 法酯鍵糖苷鍵多磷酸核苷酸環(huán)化核苷酸：cAMP、cGMP，是細胞信號轉導中的第二信使。cAMP核苷酸衍生物許多單核苷酸在體內具有許多重要的生理功ATP是體內能量的直接來源和利用形式。 腺苷酸是NAD、FAD、輔酶A等的組成成分。 cAMP與cGMP是細胞內信號轉導過程中重要的調節(jié)因子。二、DNA是脫氧核苷酸通過3,5-磷酸二酯鍵連接形成的大分子一個脫氧核苷酸3的羥基與另一個核苷酸5的-磷酸基團縮合形成磷酸二酯鍵(phosphodiester bond)。 多個脫氧核苷酸通過磷酸二酯鍵構成了具有方向性的線性分子，稱為多聚脫氧核苷酸(polydeox

6、ynucleotide)，即DNA鏈。5-末端3-末端CGA磷酸二酯鍵磷酸二酯鍵交替的磷酸基團和戊糖構成了DNA的骨架 (backbone)。DNA鏈的方向：5 3三、RNA也是具有3,5-磷酸二酯鍵的線性大分子RNA也是多個核苷酸分子通過酯化反應形成的線性大分子，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。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、核酸的一級結構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 3D

7、NA的空間結構又分為二級結構(secondary structure)和高級結構。DNA的空間結構(spatial structure)構成DNA的所有原子在三維空間具有確定的相對位置關系。一、DNA的二級結構是雙螺旋結構不同生物種屬的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雙螺旋結構的研究背景獲得了高質量的DNA分子的X射線衍射照片。提出了DNA分子雙螺旋結構(double helix)模型。AGCTA/TG/CG+C嘌呤/嘧啶大腸桿菌26.024.925.223.91.090.9950.11.04結核桿菌15

8、.134.935.414.61.030.9970.31.00酵母31.718.317.432.60.971.0535.71.00牛29.021.221.228.71.011.0042.41.01豬29.820.720.729.11.021.0041.41.01人30.419.919.930.11.011.0039.81.01不同生物來源DNA堿基組分和相對比例（二） DNA雙螺旋結構模型要點 （Watson, Crick, 1953）DNA分子由兩條相互平行但走向相反的脫氧多核苷酸鏈組成，兩鏈以-脫氧核糖-磷酸-為骨架，以右手螺旋方式繞同一公共軸盤。螺旋直徑為2nm，形成大溝(major gr

9、oove)及小溝(minor groove)相間。堿基垂直螺旋軸居雙螺旋內側，與對側堿基形成氫鍵配對（互補配對形式：A=T; GC） 。相鄰堿基平面距離0.34nm，螺旋一圈螺距3.4nm，一圈10對堿基。堿基平面與縱軸垂直，糖環(huán)平面與縱軸平行氫鍵維持雙鏈橫向穩(wěn)定性，堿基堆積力維持雙鏈縱向穩(wěn)定性。親水性的骨架位于雙鏈的外側。 疏水性的堿基位于雙鏈的內側。骨架與堿基堿基互補配對:提供雙螺旋橫向力量鳥嘌呤/胞嘧啶堿基互補配對: 腺嘌呤/胸腺嘧啶3,41,6堿基堆積作用力：提供雙螺旋縱向力量(三)DNA雙螺旋結構的多樣性、可變性DNA雙螺旋的不同構象三種DNA雙螺旋構象比較A B Z外型 粗短 適中

10、 細長螺旋方向 右手 右手 左手螺旋直徑 2.55nm 2.37nm 1.84nm堿基直升 0.23nm 0.34nm 0.38nm堿基夾角 32.70 34.60 60.00每圈堿基數 11 10.4 12軸心與堿基對關系2.46nm 3.32nm 4.56nm堿基傾角 190 10 90糖苷鍵構象 反式 反式 C、T反式，G順式大溝 很窄很深 很寬較深 平坦小溝 很寬、淺 窄、深 較窄很深（四）DNA的多鏈螺旋結構在酸性的溶液中，胞嘧啶的N-3原子被質子化，可與鳥嘌呤的N-7原子形成氫鍵；同時，胞嘧啶的N-4的氫原子也可與鳥嘌呤的O-6形成氫鍵，這種氫鍵被稱為Hoogsteen氫鍵。 Ho

11、ogsteen氫鍵Hoogsteen氫鍵，不破壞Watson-Crick氫鍵，由此形成了CGC的三鏈結構(triplex)。DNA分子內的三鏈結構 多聚嘌呤多聚嘧啶DNA分子間的三鏈結構DNA三鏈間的堿基配對T-A-TC-G-C三鏈結構鳥嘌呤之間通過Hoogsteen氫鍵形成特殊的四鏈結構(tetraplex)。四鏈結構真核生物DNA3-末端是富含GT的多次重復序列，因而自身形成了折疊的四鏈結構。二、DNA的高級結構是超螺旋結構超螺旋結構(superhelix 或supercoil)DNA雙螺旋鏈再盤繞即形成超螺旋結構。 正超螺旋(positive supercoil)盤繞方向與DNA雙螺旋方

12、同相同。 負超螺旋(negative supercoil)盤繞方向與DNA雙螺旋方向相反。 螺旋和超螺旋電話線螺旋超螺旋（一）原核生物DNA的環(huán)狀超螺旋結構原核生物DNA多為環(huán)狀，以負超螺旋的形式存在，平均每200堿基就有一個超螺旋形成。L=25,T=25,W=0松弛環(huán)形1152010523L=23,T=23,W=0解鏈環(huán)形15101520231510152025L=23,T=25,W=2負超螺旋121482316131510152023右手旋轉擰松兩匝后的線形DNADNA超螺旋的形成超螺旋的拓撲學公式：L=T+W或=+DNA超螺旋結構的電鏡圖象（二）真核生物DNA的高度有序和高度致密的結構真

13、核生物DNA以高度有序和高度致密的形式存在于細胞核內。在細胞周期的大部分時間里，DNA以松散的染色質(chromatin)形式分布于細胞核（常染色質，異染色質）在細胞分裂期，則形成高度致密的染色體(chromosome)。 染色體的基本結構為核小體真核生物中DNA的三級結構與蛋白質有關。和DNA結合的蛋白質有組蛋白和非組蛋白。組蛋白H2A、H2B、H3和H4各兩個分子8個亞基形成八聚體（組蛋白核心），DNA雙鏈螺旋繞在八聚體上，被1.8圈140-145堿基對的DNA所圍繞。核心顆粒。H1位于核小體之間的連接區(qū)，組成串珠狀結構，60-65堿基對。DNA：約200bp 組蛋白：H1H2A，H2BH

14、3H4核小體的組成組蛋白與DNA的結合核小體核小體的構成核心顆粒 連接區(qū) 核心組蛋白：組蛋白八聚體H2A、H2B、H3 、H4各2分子DNA雙螺旋分子(140bp)在核心組蛋白纏繞 1.75圈DNA（60bp） 組蛋白H1 連接核心顆粒 DNA在真核生物細胞核內的組裝:核小體串珠樣的結構DNA染色質呈現出的串珠樣結構。DNA染色質的電鏡圖像雙鏈DNA的折疊和組裝DNA經過多次折疊，被壓縮了800010000倍，組裝在直徑只有為數微米的細胞核內。核小體的折疊及染色體組裝2nm11nm30nm300nm1400nm700nm逐級盤曲折疊真核生物染色體DNA組裝不同層次的結構DNA （2nm）核小體

15、鏈（ 11nm，每個核小體200bp）纖絲（ 30nm，每圈6個核小體）突環(huán)（ 150nm，每個突環(huán)大約75000bp）玫瑰花結（ 300nm ，6個突環(huán)）螺旋圈（ 700nm，每圈30個玫瑰花）染色體（ 1400nm， 每個染色體含10個玫瑰花200bp）真核生物的染色體DNA的基本功能是以基因的形式荷載遺傳信息，并作為基因復制和轉錄的模板。它是生命遺傳的物質基礎，也是個體生命活動的信息基礎?；騁ene: 從結構上定義是指DNA分子中的特定區(qū)段，其中的核苷酸序列決定了該基因表達產物的特性，決定了基因的功能。 三、DNA是遺傳信息的物質基礎基因組Genome: 細胞中全部遺傳信息，包含DNA

16、全部序列及其表達。第三節(jié) RNA的結構與功能Structure and Function of RNARNA與蛋白質共同負責基因的表達和表達過程的調控。RNA通常以單鏈的形式存在，但有復雜的局部二級結構或三級結構。RNA分子較小，核苷酸數目變異多，70-幾千個，人的DNA 280萬kb。RNA總量多于DNA，其種類、大小和結構遠比DNA表現出多樣性。哺乳細胞RNA 10pg，而DNA至多6.38 pg，RNA的種類、分布、功能信使RNA(messenger RNA, mRNA)是合成蛋白質的模板。 不均一核RNA(hnRNA) 經過剪切后成為成熟的mRNA。 hnRNA含有內含子(intron

17、)和外顯子(exon)。 外顯子是氨基酸的編碼序列，而內含子是非編碼序列。 mRNA依照自身的堿基順序指導蛋白質氨基酸順序的合成。一、mRNA是蛋白質合成中的模板* mRNA結構特點1. 大多數真核mRNA的5末端均在轉錄后加上一個7-甲基鳥苷，同時第一個核苷酸的C2也是甲基化，形成帽子結構：m7GpppNm-。2. 大多數真核mRNA的3末端有一個多聚腺苷酸(polyA)結構，稱為多聚A尾。* mRNA的功能 把DNA所攜帶的遺傳信息，按堿基互補配對原則，抄錄并傳送至核糖體，用以決定其合成蛋白質的氨基酸排列順序。DNAmRNA蛋白轉錄翻譯原核細胞 細胞質細胞核DNA內含子外顯子轉錄轉錄后剪接

18、轉運mRNAhnRNA翻譯蛋白真核細胞 hnRNA 內含子(intron)mRNA mRNA成熟過程 外顯子(exon)從AUG 開始，每三個核苷酸為一組編碼了一個氨基酸，稱為三聯體密碼(codon)。成熟的mRNA由氨基酸編碼區(qū)和非編碼區(qū)構成。 5-末端的帽子(cap)結構和3-末端的多聚A尾(poly-A tail)結構。 成熟的真核生物mRNA帽子結構帽子結構:m7GpppNm（一）大部分真核細胞mRNA的5末端都以7-甲基鳥嘌呤-三磷酸核苷為起始結構 mRNA的帽結構可以與帽結合蛋白(cap binding protein，CBP)結合。 加帽過程帽子結構的功能 ：由于甲基化，保護mR

19、NA不被核酸外切酶水解。與核糖體識別，參與翻譯起始相關mRNA的帽結構可以與帽結合蛋白(cap binding protein，CBP)結合。這種復合物對于mRNA從細胞核向細胞質的轉運與核蛋白體的結合，與翻譯起始因子的結合以及mRNA 穩(wěn)定性均有重要作用。真核生物的mRNA 的3-末端轉錄后加上的一段長短不一（80-250）的核苷酸聚合區(qū)。（二）在真核生物mRNA的3末端有多聚腺苷酸結構 (Poly A tail)PolyA與mRNA的表達與穩(wěn)定有重要關系。加尾過程穩(wěn)定mRNAThe poly(A)與蛋白質相結合（PABP） The poly(A) 的每10-20堿基1個PABP單體。多聚A

20、尾的功能 ：mRNA核內向胞質的轉位mRNA的穩(wěn)定性維系翻譯起始的調控 帽子結構和多聚A尾的功能轉運RNA(transfer RNA, tRNA)在蛋白質合成過程中作為各種氨基酸的載體, 將氨基酸轉呈給mRNA。由7495核苷酸組成；占細胞總RNA的15%；具有很好的穩(wěn)定性。二、tRNA是蛋白質合成中的氨基酸載體（一）tRNA中含有多種稀有堿基tRNA具有局部的莖環(huán)(stem-loop)結構或發(fā)卡(hairpin)結構。（二）tRNA具有莖環(huán)結構tRNA的二級結構三葉草形氨基酸臂DHU環(huán)反密碼環(huán)TC環(huán)附加叉tRNA的倒L三級結構tRNA的三級結構的穩(wěn)定力是核苷酸之間的各種氫鍵。tRNA的3-末

21、端都是以CCA-OH結尾。3-末端的A與氨基酸共價連結，tRNA成為了氨基酸的載體。不同的tRNA可以結合不同的氨基酸。 （三）tRNA的3-末端連接氨基酸t(yī)RNA的反密碼子環(huán)上有一個由三個核苷酸構成的反密碼子(anticodon)。tRNA上的反密碼子依照堿基互補的原則識別mRNA上的密碼子。（四）tRNA的反密碼子識別mRNA的密碼子核蛋白體RNA(ribosomal RNA，rRNA)是細胞內含量最多的RNA(80)。rRNA與核蛋白體蛋白結合組成核蛋白體(ribosome)，為蛋白質的合成提供場所。三、以rRNA為組分的核蛋白體是蛋白質合成的場所 rRNA的分子結構特征：單鏈，螺旋化程

22、度較tRNA低 與蛋白質組成核糖體后方能發(fā)揮其功能5sRNA的二級結構核蛋白體的組成原核生物（以大腸桿菌為例）真核生物（以小鼠肝為例）小亞基30S40SrRNA16S1542個核苷酸18S1874個核苷酸蛋白質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31種占總重量的30%49種占總重量的35% rRNA 分子大小不均一，真核細胞的rRNA有4種，其沉降系數分別為28S、58S、5S和18S。大約與70種蛋白質結合而存在于的核蛋白體的大小亞基中。rRNA的二

23、級結構為莖環(huán)樣結構。18S rRNA的二級結構蛋白質合成時形成的復合體RNA組學是研究細胞內snmRNA的種類、結構和功能。同一生物體內不同種類的細胞、同一細胞在不同時空狀態(tài)下snmRNAs表達譜的變化，以及與功能之間的關系。 四、其他非編碼RNA參與基因表達的調控細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mRNA小RNA(small non-messenger RNAs, snmRNAs)。 ncRNAs核內小RNA核仁小RNA胞質小RNA催化性小RNA小片段干涉 RNA 參與hnRNA的加工剪接snmRNAs的種類snmRNAs的功能siRNA是生物宿主對外源侵入的基因表達的

24、雙鏈RNA進行切割所產生的特定長度和特定核酸序列的小片段RNA。siRNA可以與外源基因表達的mRNA相結合，并誘發(fā)這些mRNA的降解。 基于此機理，人們發(fā)明了RNA干擾(RNA interference，RNAi)技術。小片段干擾RNA原核生物基因表達的特異性五、核酸在真核細胞和原核細胞中表現了不同的時空特性真核生物基因表達的特異性局部雙鏈tRNArRNAmRNA三葉草形、倒L形含稀有堿基多反密碼子CCAOH 3呈花狀5m7GpppNm、3 polyA編碼序列單鏈局部雙鏈結構蛋白質合成的模板搬運活化的aa到核糖體組成核蛋白體分子大小不一,量 80%,穩(wěn)定三種RNA內容小結功能核酸的理化性質T

25、he Physical and Chemical Characters of Nucleic Acid第四節(jié)核酸的酸堿及溶解度性質核酸為多元酸，具有較強的酸性。核酸的高分子性質粘度：DNARNA dsDNA ssDNA沉降行為:不同構象的核酸分子的沉降的速率有很大差異，這是超速離心法提取和純化核酸的理論基礎。酸性化合物 兩性解離，但酸性強 電泳行為泳向正極（pH7-8） 二、高分子性質 粘度 DNARNA 超離心沉降 凝膠過濾 分子大小單位：分子量（道爾頓，D）、堿基對數目（bp）、離心沉降常數（S） 沉淀行為加鹽（中和電荷）；乙醇核酸在波長 260nm 處有強烈的吸收，是由堿基的共軛雙鍵所決

26、定的。這一特性常用作核酸的定性和定量分析。一、核酸分子具有強烈的紫外吸收堿基的紫外吸收光譜DNA或RNA的定量A260 = 1.0 相當于 50g/ml 雙鏈DNA(dsDNA)40g/ml 單鏈DNA (ssDNA or RNA)20g/ml 寡核苷酸確定樣品中核酸的純度 純 DNA: A260/A280 = 1.8純 RNA: A260/A280 = 2.0紫外吸收的應用二、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。定義DNA變性的本質是雙鏈間氫鍵的斷裂。變性的因素： 如過量的酸、堿；加熱，熱變性；尿素變性；甲醛使RNA變性。協同性的DNA解鏈高溫或極端的pHDNA的變性部分變性DNA的電鏡圖像增色效應(hyperchromic effect)：DNA變性時其溶液OD260增高的現象。DNA解鏈時的紫外吸收變化DNA的解鏈曲線連續(xù)加熱DNA的過程中以溫度相對于A260值作圖，所得的曲線稱為解鏈曲線。 解鏈過程中，紫外吸光度的變化達到最大變化值的一半時所對應的溫度。解鏈溫度(melting temperature，Tm)G+C 含量越高，解鏈溫度就越高。解鏈曲線的變化三、變性的核酸可以復性或形成雜交雙鏈當變