人衛(wèi)8版-核酸的結(jié)構(gòu)與功能ppt課件

1、第二章第二章核酸的構(gòu)造和功能核酸的構(gòu)造和功能Structure and Function of Nucleic Acid核核 酸酸(nucleic acid) 是以核苷酸為根本組成單位的生物大是以核苷酸為根本組成單位的生物大分子，攜帶和傳送遺傳信息。分子，攜帶和傳送遺傳信息。l1868年年 Fridrich Miescher 從膿細(xì)胞中提取核素。從膿細(xì)胞中提取核素。 l1944年年 Avery等人證明等人證明DNA是遺傳物質(zhì)。是遺傳物質(zhì)。l1953年年 Watson和和Crick發(fā)現(xiàn)發(fā)現(xiàn)DNA的雙螺旋構(gòu)造。的雙螺旋構(gòu)造。l1968年年 Nirenberg發(fā)現(xiàn)遺傳密碼。發(fā)現(xiàn)遺傳密碼。l1975年

2、年 Temin和和Baltimore發(fā)現(xiàn)逆轉(zhuǎn)錄酶。發(fā)現(xiàn)逆轉(zhuǎn)錄酶。l1981年年 Gilbert和和Sanger建立建立DNA測序方法。測序方法。l1985年年 Mullis發(fā)明發(fā)明PCR技術(shù)。技術(shù)。l1990年年 美國啟動人類基因組方案美國啟動人類基因組方案(HGP)。l1994年年 中國人類基因組方案啟動。中國人類基因組方案啟動。l2019年年 美英等國完成人類基因組方案。美英等國完成人類基因組方案。n核酸研討的開展簡史核酸研討的開展簡史n核酸的分類及分布核酸的分類及分布 存在于細(xì)胞核和線粒體存在于細(xì)胞核和線粒體 分布于細(xì)胞核、細(xì)胞質(zhì)、線粒體分布于細(xì)胞核、細(xì)胞質(zhì)、線粒體(deoxyribon

3、ucleic acid, DNA)(ribonucleic acid, RNA)脫氧核糖核酸脫氧核糖核酸 核糖核酸核糖核酸攜帶遺傳信息，并經(jīng)過復(fù)制傳送攜帶遺傳信息，并經(jīng)過復(fù)制傳送給下一代。給下一代。是是DNADNA轉(zhuǎn)錄的產(chǎn)物，參與遺傳信轉(zhuǎn)錄的產(chǎn)物，參與遺傳信息的復(fù)制與表達(dá)。某些病毒息的復(fù)制與表達(dá)。某些病毒RNARNA也可作為遺傳信息的載體也可作為遺傳信息的載體第一節(jié)第一節(jié)核酸的化學(xué)組成以及一級構(gòu)造核酸的化學(xué)組成以及一級構(gòu)造The Chemical Component and The Chemical Component and Primary Structure of Primary Stru

4、cture of Nucleic AcidNucleic Acid核酸核酸 (DNA(DNA和和RNA)RNA)核苷酸核苷酸核苷和脫氧核苷核苷和脫氧核苷磷酸磷酸戊糖戊糖堿基堿基嘌呤嘌呤嘧啶嘧啶核糖核糖脫氧核糖脫氧核糖n核酸組成核酸組成 DNA的組成單位是脫氧核糖核苷酸的組成單位是脫氧核糖核苷酸deoxyribonucleotideRNA的組成單位是核糖核苷酸的組成單位是核糖核苷酸ribonucleotide。n分子組成分子組成堿基堿基(base)：嘌呤堿，嘧啶堿：嘌呤堿，嘧啶堿戊糖戊糖(ribose)：核糖，脫氧核糖：核糖，脫氧核糖磷酸磷酸(phosphate)一、核苷酸是構(gòu)成核酸的根本組成單

5、位一、核苷酸是構(gòu)成核酸的根本組成單位堿基堿基(base)是含氮的雜環(huán)化合物。是含氮的雜環(huán)化合物。堿基堿基嘌呤嘌呤嘧啶嘧啶腺嘌呤腺嘌呤鳥嘌呤鳥嘌呤尿嘧啶尿嘧啶胸腺嘧啶胸腺嘧啶胞嘧啶胞嘧啶存在于存在于DNADNA和和RNARNA中中僅存在于僅存在于RNARNA中中僅存在于僅存在于DNADNA中中n堿基堿基嘌呤嘌呤(purine，Pu) NNNHN123456789NNNHNNH2腺嘌呤腺嘌呤(adenine, A)NNHNHNNH2O鳥嘌呤鳥嘌呤(guanine, G)NNH132456嘧啶嘧啶(pyrimidine，Py)胞嘧啶胞嘧啶(cytosine, C)NNHNH2O尿嘧啶尿嘧啶(urac

6、il, U)NHNHOO胸腺嘧啶胸腺嘧啶(thymine, T)NHNHOOCH3n堿基的互變異構(gòu)體堿基的互變異構(gòu)體 HNHNCNH2+O+HNNH2NNH2亞氨式氨式+ H+NCOHNCO- -+ H+酮式烯醇式n戊糖戊糖構(gòu)成構(gòu)成RNA12345OHOCH2OHOHOH-D-核糖核糖(ribose)構(gòu)成構(gòu)成DNAOHOCH2OHOH-D-2脫氧核糖脫氧核糖(deoxyribose)n脫氧核苷脫氧核苷嘌呤嘌呤N-9 與脫氧核糖與脫氧核糖C-1經(jīng)過經(jīng)過-N-糖苷鍵相連糖苷鍵相連構(gòu)成脫氧核苷構(gòu)成脫氧核苷(deoxyribonucleoside)。 嘧啶嘧啶N-1N-1與核糖與核糖C-1C-1經(jīng)過經(jīng)

7、過-N-N-糖苷鍵相連構(gòu)糖苷鍵相連構(gòu)成核苷成核苷(ribonucleoside)(ribonucleoside)。n核苷核苷NNNN9NH2OOHOHHHHCH2OHH12糖苷鍵糖苷鍵核苷或脫氧核苷與磷酸經(jīng)過酯鍵結(jié)合構(gòu)成核苷酸核苷或脫氧核苷與磷酸經(jīng)過酯鍵結(jié)合構(gòu)成核苷酸(ribonucleotide)(ribonucleotide)或脫氧核苷酸或脫氧核苷酸(deoxyribonucleotide)(deoxyribonucleotide)。n核苷酸核苷酸(ribonucleotide)NNNN9NH2OO HO HHHHCH2H1 2OPO- -HOO糖苷鍵糖苷鍵酯鍵酯鍵n多磷酸核苷酸多磷酸核苷

8、酸環(huán)化核苷酸：環(huán)化核苷酸：cAMPcAMP、cGMPcGMP，是細(xì)胞信號，是細(xì)胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo)中的第二信使。轉(zhuǎn)導(dǎo)中的第二信使。NOCH2OOHONNNNH2POOHcAMPn核苷酸衍生物核苷酸衍生物生物氧化體系的重要成分，在傳送質(zhì)子或電子的生物氧化體系的重要成分，在傳送質(zhì)子或電子的過程中具有重要的作用。過程中具有重要的作用。煙酰胺腺嘌呤二核苷酸，煙酰胺腺嘌呤二核苷酸，nicotinamide adenine dinucleotide, NAD+，n 構(gòu)成構(gòu)成RNA的堿基、核苷以及核苷酸的堿基、核苷以及核苷酸堿基堿基 核苷核苷 核苷酸核苷酸A 腺苷腺苷adenosine 腺苷一磷酸腺苷一磷酸adeno

9、sine monophosphate, AMPG 鳥苷鳥苷guanosine 鳥苷一磷酸鳥苷一磷酸guanosine monophosphate, GMPC 胞苷胞苷cytidine 胞苷一磷酸胞苷一磷酸cytidine monophosphate, CMPU 尿苷尿苷uridine 尿苷一磷酸尿苷一磷酸uridine monophosphate, UMPn 構(gòu)成構(gòu)成DNA的堿基、核苷、核苷酸的堿基、核苷、核苷酸堿基堿基 脫氧核苷脫氧核苷脫氧核苷酸脫氧核苷酸A脫氧腺苷脫氧腺苷 deoxyadenosine脫氧腺苷一磷酸脫氧腺苷一磷酸deoxyadenosine monophosphate, d

10、AMPG脫氧鳥苷脫氧鳥苷deoxyguanosine脫氧鳥苷一磷酸脫氧鳥苷一磷酸deoxyguanosine monophosphate, dGMPC脫氧胞苷脫氧胞苷deoxycytidine脫氧胞苷一磷酸脫氧胞苷一磷酸deoxycytidine monophosphate, dCMPT脫氧胸苷脫氧胸苷deoxythymidine或或thymidine脫氧胸苷一磷酸脫氧胸苷一磷酸deoxythymidine monophosphate, dTMP二、二、DNA是脫氧核苷酸經(jīng)過是脫氧核苷酸經(jīng)過3,5-磷酸二磷酸二酯鍵銜接構(gòu)成的大分子酯鍵銜接構(gòu)成的大分子一個(gè)脫氧核苷酸一個(gè)脫氧核苷酸3 3的羥基與另

11、一個(gè)核苷的羥基與另一個(gè)核苷酸酸5 5的的-磷酸基團(tuán)縮合構(gòu)成磷酸二酯鍵磷酸基團(tuán)縮合構(gòu)成磷酸二酯鍵(phosphodiester bond)(phosphodiester bond)。 多個(gè)脫氧核苷酸經(jīng)過磷酸二酯鍵構(gòu)成了多個(gè)脫氧核苷酸經(jīng)過磷酸二酯鍵構(gòu)成了具有方向性的線性分子，稱為多聚脫氧核苷具有方向性的線性分子，稱為多聚脫氧核苷酸酸(polydeoxynucleotide)(polydeoxynucleotide)，即，即DNADNA鏈。鏈。5-末端3-末端CGA磷酸二酯鍵磷酸二酯鍵磷酸二酯鍵磷酸二酯鍵交替的磷酸基團(tuán)和戊交替的磷酸基團(tuán)和戊糖構(gòu)成了糖構(gòu)成了DNADNA的骨架的骨架 (backbone

12、)(backbone)。DNA鏈的方向是鏈的方向是5 3三、三、RNA也是具有也是具有3, 5-磷酸二酯磷酸二酯鍵的線性大分子鍵的線性大分子 RNA也是多個(gè)核苷酸分子經(jīng)過也是多個(gè)核苷酸分子經(jīng)過3,5-磷酸磷酸二酯鍵銜接構(gòu)成的線性大分子，也具有二酯鍵銜接構(gòu)成的線性大分子，也具有53方向性方向性; RNA的戊糖是核糖；的戊糖是核糖； RNA的嘧啶是胞嘧啶和尿嘧啶。的嘧啶是胞嘧啶和尿嘧啶。 構(gòu)成構(gòu)成RNA的四種根本核苷酸是的四種根本核苷酸是AMP、GMP、CMP和和UMP。n定義定義n核酸中核苷酸的陳列順核酸中核苷酸的陳列順序。序。n由于核苷酸間的差別主由于核苷酸間的差別主要是堿基不同，所以也要是堿

13、基不同，所以也稱為堿基序列。稱為堿基序列。5 5端端3 3端端CGA四、核酸的一級構(gòu)造是四、核酸的一級構(gòu)造是核苷酸的陳列順序核苷酸的陳列順序A G P5 P T PG PC PT P OH 3 n核酸的一級構(gòu)造核酸的一級構(gòu)造5 pApCpTpGpCpT-OH 3 5 A C T G C T 3A C T G C T 單鏈單鏈DNADNA和和RNARNA分子的大小常用核苷酸數(shù)目分子的大小常用核苷酸數(shù)目nucleotidenucleotide，ntnt表示；雙鏈核酸分子的大小表示；雙鏈核酸分子的大小常用堿基常用堿基(base(base或或kilobase)kilobase)數(shù)目來表示。數(shù)目來表示。

14、 小的核酸片段小的核酸片段(50bp)(80)。r R N A 與 核 糖 體 蛋 白 結(jié) 合 組 成 核 糖 體與 核 糖 體 蛋 白 結(jié) 合 組 成 核 糖 體(ribosome)，為蛋白質(zhì)的合成提供場所。，為蛋白質(zhì)的合成提供場所。三、以三、以rRNA為組分的核糖體是蛋白為組分的核糖體是蛋白質(zhì)合成的場所質(zhì)合成的場所n核糖體的組成核糖體的組成原核生物（以大腸桿菌為例）原核生物（以大腸桿菌為例）真核生物（以小鼠肝為例）真核生物（以小鼠肝為例）小亞基小亞基30S40SrRNA16S1542個(gè)核苷酸個(gè)核苷酸18S1874個(gè)核苷酸個(gè)核苷酸蛋白質(zhì)蛋白質(zhì)21種種占總重量的占總重量的40%33種種占總重量

15、的占總重量的50%大亞基大亞基50S60SrRNA23S5S2940個(gè)核苷酸個(gè)核苷酸120個(gè)核苷酸個(gè)核苷酸28S5.85S5S4718個(gè)核苷酸個(gè)核苷酸160個(gè)核苷酸個(gè)核苷酸120個(gè)核苷酸個(gè)核苷酸蛋白質(zhì)蛋白質(zhì)31種種占總重量的占總重量的30%49種種占總重量的占總重量的35%70S ribosome50S large subunit23S rRNA5S rRNA31 proteins16S rRNA21 proteins30S small subunitn大腸桿菌的核蛋白體大腸桿菌的核蛋白體n18S rRNA18S rRNA的二級構(gòu)造的二級構(gòu)造四、其他非編碼四、其他非編碼RNARNA參與基因表達(dá)

16、的調(diào)控參與基因表達(dá)的調(diào)控長鏈非編碼長鏈非編碼RNAlong non-coding RNA, lncRNAn非編碼非編碼RNA Non-coding RNA, ncRNA不編碼蛋白質(zhì)但具有重要生物學(xué)功能的不編碼蛋白質(zhì)但具有重要生物學(xué)功能的RNARNA分子。分子。 短鏈小非編碼短鏈小非編碼RNARNAsmall non-coding RNA, small non-coding RNA, sncRNAsncRNAn ncRNA 功能功能 參與轉(zhuǎn)錄調(diào)控、參與轉(zhuǎn)錄調(diào)控、RNARNA的剪切和修飾、的剪切和修飾、mRNAmRNA的穩(wěn)定和翻譯調(diào)控、蛋白質(zhì)的穩(wěn)定和轉(zhuǎn)運(yùn)、染色的穩(wěn)定和翻譯調(diào)控、蛋白質(zhì)的穩(wěn)定和轉(zhuǎn)運(yùn)、

17、染色體的構(gòu)成和構(gòu)造穩(wěn)定等細(xì)胞重要功能體的構(gòu)成和構(gòu)造穩(wěn)定等細(xì)胞重要功能 n lncRNA 功能功能 lncRNA在構(gòu)造上類似于在構(gòu)造上類似于mRNA，但序列中不存在，但序列中不存在開放讀框。許多知的開放讀框。許多知的lncRNAs由由RNA聚合酶聚合酶轉(zhuǎn)錄并經(jīng)轉(zhuǎn)錄并經(jīng)可變剪切構(gòu)成，通常被多聚腺苷酸化?？勺兗羟袠?gòu)成，通常被多聚腺苷酸化。lncRNA具有復(fù)具有復(fù)雜的生物學(xué)功能，并與一些疾病的發(fā)病機(jī)制親密相關(guān)。雜的生物學(xué)功能，并與一些疾病的發(fā)病機(jī)制親密相關(guān)。有的有的lncRNA能使基因沉默，有的那么激活基因的表達(dá)。能使基因沉默，有的那么激活基因的表達(dá)。 l核內(nèi)小核內(nèi)小RNARNAl核仁小核仁小RNAR

18、NAl胞質(zhì)小胞質(zhì)小RNARNAl催化性小催化性小RNARNAl小干涉小干涉 RNA RNA l微微 RNA RNAn短鏈非編碼短鏈非編碼RNA亦稱為非編碼小亦稱為非編碼小RNAsmall non-messenger RNA 核內(nèi)小核內(nèi)小RNAsmall nuclear RNA, snRNA位于細(xì)胞核位于細(xì)胞核內(nèi)。內(nèi)。snRNA有有5種，分別稱為種，分別稱為U1、U2、U4、U5、U6，它們與多種蛋白構(gòu)成復(fù)合體，參與真核細(xì)胞它們與多種蛋白構(gòu)成復(fù)合體，參與真核細(xì)胞hnRNA的內(nèi)的內(nèi)含子加工剪接第十六章。含子加工剪接第十六章。 核仁小核仁小RNAsmall nucleolar RNA, snoRNA

19、：定位于：定位于核仁，主要參與核仁，主要參與rRNA的加工和修飾，如的加工和修飾，如rRNA中核糖中核糖C-2的甲基化修飾。的甲基化修飾。 胞質(zhì)小胞質(zhì)小RNAsmall cytoplasmic RNA, scRNA：存在：存在于細(xì)胞質(zhì)中，參與構(gòu)成信號識別顆粒，引導(dǎo)含有信號肽于細(xì)胞質(zhì)中，參與構(gòu)成信號識別顆粒，引導(dǎo)含有信號肽的蛋白質(zhì)進(jìn)入內(nèi)質(zhì)網(wǎng)定位合成第十七章。的蛋白質(zhì)進(jìn)入內(nèi)質(zhì)網(wǎng)定位合成第十七章。 催化性小催化性小RNA亦被稱為核酶亦被稱為核酶ribozyme。是細(xì)胞內(nèi)具。是細(xì)胞內(nèi)具有催化功能的一類小分子有催化功能的一類小分子RNA，具有催化特定，具有催化特定RNA降解降解的活性，在的活性，在RNA

20、的剪接修飾中具有重要作用。的剪接修飾中具有重要作用。 小干擾小干擾RNAsmall interfering RNA，siRNA是生物是生物宿主對于外源侵入基因表達(dá)的雙鏈宿主對于外源侵入基因表達(dá)的雙鏈RNA進(jìn)展切割所產(chǎn)生進(jìn)展切割所產(chǎn)生的具有特定長度的具有特定長度2123 bp和特定序列的小片段和特定序列的小片段RNA。這些。這些siRNA可以單鏈方式與外源基因表達(dá)的可以單鏈方式與外源基因表達(dá)的mRNA相結(jié)合，并誘導(dǎo)相應(yīng)相結(jié)合，并誘導(dǎo)相應(yīng)mRNA降解。降解。 n微微RNARNAmicroRNAs, miRNAs microRNAs, miRNAs 是一類長度為是一類長度為22nt22nt左右的內(nèi)源

21、性左右的內(nèi)源性sncRNAsncRNA。miRNAsmiRNAs主要是經(jīng)過結(jié)合主要是經(jīng)過結(jié)合mRNAmRNA而選擇性調(diào)控基而選擇性調(diào)控基因的表達(dá)。因的表達(dá)。 n原核生物基因表達(dá)的特異性原核生物基因表達(dá)的特異性五、核酸在真核細(xì)胞和原核細(xì)胞中五、核酸在真核細(xì)胞和原核細(xì)胞中表現(xiàn)出不同的時(shí)空特性表現(xiàn)出不同的時(shí)空特性n真核生物基因表達(dá)的特異性真核生物基因表達(dá)的特異性核酸的理化性質(zhì)核酸的理化性質(zhì)The Physical and Chemical The Physical and Chemical Characters of Nucleic Characters of Nucleic AcidAcid第四節(jié)

22、第四節(jié)核酸在波長核酸在波長 260nm 處有劇烈的吸收，是處有劇烈的吸收，是由堿基的共軛雙鍵所決議的。這一特性常用作由堿基的共軛雙鍵所決議的。這一特性常用作核酸的定性和定量分析。核酸的定性和定量分析。一、核酸分子具有劇烈的紫外吸收一、核酸分子具有劇烈的紫外吸收n堿基的紫外吸收光譜堿基的紫外吸收光譜DNA或或RNA的定量的定量A260 = 1.0 相當(dāng)于相當(dāng)于 50g/ml 雙鏈雙鏈DNA(dsDNA)40g/ml 單鏈單鏈DNA (ssDNA or RNA)20g/ml 寡核苷酸寡核苷酸確定樣品中核酸的純度確定樣品中核酸的純度 純純 DNA: A260/A280 = 1.8純純 RNA: A2

23、60/A280 = 2.0n紫外吸收的運(yùn)用紫外吸收的運(yùn)用二、二、DNADNA變性是雙鏈解離為單鏈的過程變性是雙鏈解離為單鏈的過程某些理化要素導(dǎo)致某些理化要素導(dǎo)致DNA雙鏈互補(bǔ)堿基雙鏈互補(bǔ)堿基對之間的氫鍵發(fā)生斷裂，對之間的氫鍵發(fā)生斷裂，DNA雙鏈解離為雙鏈解離為單鏈的過程。單鏈的過程。 n定義定義DNA變性的本質(zhì)是雙鏈間氫鍵的斷裂。變性的本質(zhì)是雙鏈間氫鍵的斷裂。部分解鏈部分解鏈雙鏈雙鏈DNAnDNA的變性的變性nDNA的變性的變性n部分變性部分變性DNA的電鏡圖像的電鏡圖像增色效應(yīng)增色效應(yīng)(hyperchromic effect)：DNA變性變性時(shí)其溶液時(shí)其溶液OD260增高的景象。增高的景象。

24、nDNA解鏈時(shí)的紫外吸收變化解鏈時(shí)的紫外吸收變化nDNA的解鏈曲線的解鏈曲線延續(xù)加熱延續(xù)加熱DNA的的過程中以溫度相對于過程中以溫度相對于A260值作圖，所得的值作圖，所得的曲線稱為解鏈曲線。曲線稱為解鏈曲線。 解鏈過程中，紫外解鏈過程中，紫外吸光度的變化到達(dá)最大吸光度的變化到達(dá)最大變化值的一半時(shí)所對應(yīng)變化值的一半時(shí)所對應(yīng)的溫度。的溫度。解鏈溫度解鏈溫度(melting temperature，Tm) G+C 含量越高，解鏈溫度就越高。含量越高，解鏈溫度就越高。n解鏈曲線的變化解鏈曲線的變化三、變性的核酸可以復(fù)性或構(gòu)成雜交雙鏈三、變性的核酸可以復(fù)性或構(gòu)成雜交雙鏈當(dāng)變性條件緩慢地除去后，兩條解離

25、的互補(bǔ)鏈當(dāng)變性條件緩慢地除去后，兩條解離的互補(bǔ)鏈可重新配對，恢復(fù)原來的雙螺旋構(gòu)造，這一景可重新配對，恢復(fù)原來的雙螺旋構(gòu)造，這一景象稱為象稱為DNA復(fù)性復(fù)性(renaturation) 。減色效應(yīng)：減色效應(yīng)：DNA復(fù)性時(shí)，其溶液復(fù)性時(shí)，其溶液OD260降低。降低。熱變性的熱變性的DNA經(jīng)緩慢冷卻后即可復(fù)性，這一經(jīng)緩慢冷卻后即可復(fù)性，這一過程稱為退火過程稱為退火(annealing) 。 不同種類的不同種類的DNA單鏈分子或單鏈分子或RNA分子放在同一分子放在同一溶液中，只需兩種單鏈分子之間存在著一定程溶液中，只需兩種單鏈分子之間存在著一定程度的堿基配對關(guān)系，在適宜的條件可以在不同度的堿基配對關(guān)系，在