dd核苷酸與核酸

1、1discovering nucleic acid 18691869年，瑞士科學家年，瑞士科學家MiescherMiescher在外科繃帶上得到在外科繃帶上得到一種含磷酸很高的酸性化合物，命名為一種含磷酸很高的酸性化合物，命名為“核質核質”。 18891889年，年，AltmannAltmann制備了不含蛋白質的核酸制品，制備了不含蛋白質的核酸制品，首先使用了核酸這個名稱。首先使用了核酸這個名稱。 1928192819321932年，確立了核酸在生命現象中的地位。年，確立了核酸在生命現象中的地位。 19531953年，年，WastonWaston和和CrickCrick建立了雙螺旋模型，這建立

2、了雙螺旋模型，這是核酸發(fā)展史上的重要里程碑。是核酸發(fā)展史上的重要里程碑。2Discovery of nucleic acidl1869年年 Fridrich Miescher從膿細胞中提取從膿細胞中提取到一種富含磷元素的酸性物質，因存在于細胞核中故稱為到一種富含磷元素的酸性物質，因存在于細胞核中故稱為“核素核素”nuclein, 20年后正式命名為核酸年后正式命名為核酸nucleic acids。l早期的研究僅將核酸看成是細胞中的一般化學成分，逐步早期的研究僅將核酸看成是細胞中的一般化學成分，逐步證明核酸是一種線狀聚合物。證明核酸是一種線狀聚合物。l1944年年 Avery等人等人證實證實DN

3、A是遺傳物質是遺傳物質3Chemical composition element:C、H、O、N、P（9%10%） Molecule: base：purin ，pyridine pentose：ribose，deoxylribose phosphate4Overview of nucleic acid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56-氨基嘌呤 2-氨基-6-酮基嘌呤62，4-二酮基嘧啶75-甲基尿嘧啶82-酮基-4-氨基嘧啶9Ribose and Deoxyribose10Features in ribose 共同點： 大多是呋喃糖 與堿基連接都是-構型，C-1位

4、的構型為-羥基； 不同點： RNA是D-核糖，DNA是D-2-脫氧核糖 種類 4種， 部分RNA還有D-2-O-甲基核糖 還發(fā)現有幾個己糖 如RNA中有甘露糖、半乳糖 ，DNA中有葡萄糖。11bases嘌呤嘧碇12Nucleoside13Nucleotide腺嘌呤脫氧核苷一磷酸 dAMP14Levels of phosphate15Important derivativesl NAD+、NADP+、CoA-SH、FAD lNMP，NDP，NTP16Cyclic nucleotidelcAMPlcGMP1718Primary structureThe sequence of nucleotide

5、The sequence of the base。19Two kinds of nucleic acids 核糖核酸 脫氧核糖核酸 RNA DNA 單鏈多聚核糖核苷酸 單鏈或雙鏈多聚脫氧核糖核酸 組成成分核糖 組成成分脫氧核糖 功能 功能20Waston和CrickDNA double helix model Chargaff rules：A = TG CDNA纖維的X-線衍射圖譜分析 212223Hydrogen bonds in base pair forming2425 不同類型的DNA雙螺旋結構 2627超螺旋結構(superhelix 或supercoil)DNA雙螺旋鏈再盤繞即形成

6、超螺旋結構。 正超螺旋(positive supercoil)盤繞方向與DNA雙螺旋方同相同 負超螺旋(negative supercoil)盤繞方向與DNA雙螺旋方向相反 28DNA DNA superhelix 原核生物的原核生物的DNADNA可以形成超螺旋。可以形成超螺旋。 真核生物中真核生物中DNADNA的三級結構與蛋白質有關。的三級結構與蛋白質有關。 和和DNADNA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。 組蛋白組蛋白H2AH2A、H2BH2B、H3H3和和H4H4各兩個分子形成八聚體，被兩圈各兩個分子形成八聚體，被兩圈140140-145-145堿基對的堿

7、基對的DNADNA所圍繞。形成核小體。所圍繞。形成核小體。 H1H1位于核小體之間的連接區(qū)，組成串珠狀結構。位于核小體之間的連接區(qū)，組成串珠狀結構。29Circular DNA30nucleosomenucleosome Consists ofDNA： 200bp Histones：H1H2A，H2BH3H431三、三、 DNA DNA functionsfunctions GeneGene：A unit or a fragment in DNA molecules, which is able to be A unit or a fragment in DNA molecules, whic

8、h is able to be replicated and transcripted. replicated and transcripted. G Gene acts as a genetic basic unit.ene acts as a genetic basic unit.是生物遺傳繁殖的物質基礎。是生物遺傳繁殖的物質基礎。32DNADNA functionsfunctionsDNA and gene carry genetic information as its basic function. The DNA and gene carry genetic information

9、 as its basic function. The sequence in its molecule can be used as template for replication sequence in its molecule can be used as template for replication and transcription.and transcription. DNA is genetic material and therefore varies individually. DNA is genetic material and therefore varies i

10、ndividually. 33RNA34General features in structure 組成組成RNARNA分子的分子的4 4種核苷酸種核苷酸A A、G G、C C、U;U; 核糖核糖2 2位都有羥基位都有羥基; ; 一般分子較小，核苷酸數目變異多，一般分子較小，核苷酸數目變異多，70-70-幾千個，人的幾千個，人的DNA 280DNA 280萬萬kb;kb; 大多數大多數RNARNA分子都成線狀單鏈，局部單鏈折疊形成雙螺旋，類似于分子都成線狀單鏈，局部單鏈折疊形成雙螺旋，類似于A-DNAA-DNA雙螺雙螺旋，形成發(fā)夾結構，三葉草結構；旋，形成發(fā)夾結構，三葉草結構； 總量多于總量多

11、于DNADNA，哺乳細胞，哺乳細胞RNA10pg,RNA10pg,而而DNADNA至多至多6.38pg6.38pg。35General features 相同點相同點 4 4種核苷酸也通過種核苷酸也通過3 3，5 5- -磷酸二酯鍵相連接磷酸二酯鍵相連接36General features in function 遺傳信息的傳遞體遺傳信息的傳遞體 也是遺傳信息的儲存體也是遺傳信息的儲存體 遠古時生命可能起源于遠古時生命可能起源于RNA,RNA,因為因為RNARNA可以自身復制；可以自身復制； RNARNA還具有某些蛋白質的功能還具有某些蛋白質的功能 參與基因的調控。參與基因的調控。37Capp

12、ing Type 0：m7G5ppp5Np Type 1：m7G5ppp5NmpNp Type 2：m7G5ppp5NmpNmpNp38帽子結構功能帽子結構功能 保護保護mRNAmRNA不被核酸外切酶水解不被核酸外切酶水解 與核糖體識別結合，與翻譯起始相關與核糖體識別結合，與翻譯起始相關39帽子結構功能帽子結構功能mRNA的帽結構可以與一類稱為帽結合蛋白（cap binding proteins, CBPs）的分子結合。這種mRNA和CBPs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)定性的維持等均有重要作用。402、Poly A tail 大

13、多數真核mRNA的3末端有一個20-200腺苷酸聚合區(qū)，稱為多聚A (polyA)尾部結構。41多聚A尾功能 與與mRNAmRNA壽命有關，使其保持相對穩(wěn)定性壽命有關，使其保持相對穩(wěn)定性 Poly(A)在細胞內與Poly(A)結合蛋白（PABP)相結合而存在，每1020個堿基結合一個PABP單體。 所以，真核細胞的mRNA的3 -端實際上是一個Poly(A)和蛋白質多聚體形成的復合物。423、Other features There are modified bases in the molecules.There are modified bases in the molecules.主主要

14、是甲基化要是甲基化 mm6 6A A The molecule contains both coding and none The molecule contains both coding and none coding regions.coding regions.可有編碼區(qū)和非編碼區(qū)可有編碼區(qū)和非編碼區(qū)43hnRNA是成熟是成熟mRNA的前體的前體 (不均一核不均一核RNA)hnRNA成熟成熟mRNA的前體的前體, 有內含子序列有內含子序列 intron Exon44mRNAmRNA functionsfunctions triplet code 三聯體密碼或密碼子(codon)。 op

15、en reading frame，ORF:由AUG及其后的連續(xù)三聯體密碼(無終止信號)組成的核苷酸序列稱為開放閱讀框，是多肽鏈的編碼序列。 CDS45tRNAtRNA structural featuresstructural featuresSmall single chain molecule consisting of 70-90 nt；containing 1020% rare bases，如，如 DHU，mG, mA甲基化使分子疏水甲基化使分子疏水 T C ；3末端為末端為 CCA-OH，為氨基酸臂；，為氨基酸臂； 5末端總是磷酸化，大多數為末端總是磷酸化，大多數為pG； 分子中大約

16、半數堿基相互配對，成雙螺旋，構成三葉分子中大約半數堿基相互配對，成雙螺旋，構成三葉草結構草結構46tRNAtRNA secondary stucturesecondary stucture D D環(huán)：含有環(huán)：含有2 2個二氫尿嘧啶修飾堿基個二氫尿嘧啶修飾堿基 不同長度的堿基形成的不同長度的堿基形成的D D環(huán)可適合不環(huán)可適合不 同的氨基酰同的氨基酰tRNAtRNA T Tc c環(huán)：處在環(huán)：處在54-5654-56位，位， 與與rRNArRNA結合，結合， 維持維持tRNAtRNA的高級結構起作用；的高級結構起作用； 反密碼子環(huán)：一般由反密碼子環(huán)：一般由7 7個堿基組成，個堿基組成， 中間中間3

17、3各構成反密碼子各構成反密碼子47tRNAtRNA三級結構特點三級結構特點 一端是一端是CCA, CCA, 另一端是反密碼子環(huán)；另一端是反密碼子環(huán)； D D環(huán)和環(huán)和T T c c環(huán)處在環(huán)處在L L的轉角上，空間位置上比較接近。的轉角上，空間位置上比較接近。48t tRNARNA functionsfunctions 活化、搬運氨基酸到核糖體，參與蛋白質的翻譯。 起始tRNA 延長tRNA 校正tRNA，結構基因發(fā)生變異時，可使第二次變異消除。49rRNA structure All rRNAs consist of both large and small All rRNAs consist

18、of both large and small subunits as they work. subunits as they work. ProProeukaryote : :原核細胞原核細胞 70S70S 大大 50S: 23S +5S + 3150S: 23S +5S + 31種蛋白質種蛋白質 小小 30S: 16S + 2130S: 16S + 21種蛋白質種蛋白質 Eukaryote: 80S80S 大大 60S: 28S +5.8S +5S +4960S: 28S +5.8S +5S +49種蛋白質種蛋白質 小小 40S: 18S +3340S: 18S +33種蛋白質種蛋白質 5

19、051rRNA function52rRNArRNA functionfunction 原核細胞原核細胞 16S rRNA 316S rRNA 3端有一保守序列端有一保守序列 ACCUCCACCUCC與與mRNAmRNA的翻譯起始區(qū)相互補，是的翻譯起始區(qū)相互補，是mRNAmRNA的識別結合點。的識別結合點。 5SrRNA 5SrRNA 第第40-5040-50位之間有位之間有 5 5CGAAC3CGAAC3與與tRNA T tRNA T c c環(huán)中的環(huán)中的5 5GT GT CG3CG3識識別別53Other RNA molecules 核內小核內小RNAsnRNA參與參與hnRNA的剪接、轉運

20、的剪接、轉運 U含量高，約含量高，約100-200堿基堿基 5種種 U1, U2, U4, U5, U6 核仁小核仁小RNAsnoRNArRNA的加工和修飾的加工和修飾 胞質小胞質小RNAscRNA 蛋白質內質網定位合成信等蛋白質內質網定位合成信等 與蛋白質組成信號肽識別顆粒與蛋白質組成信號肽識別顆粒催化性小催化性小RNAsi RNAmiRNA54（一）snRNAsnRNAsnRNA長度（長度（ntnt） 剪接剪接hnRNAhnRNA的靶位點的靶位點U U1 1U U2 2U U4 4U U5 5 U U6 6U U7 716516518918914514511511510610663635

21、5 - -端端 內含子腺苷酸分支點內含子腺苷酸分支點 5 5 端，補充分支點端，補充分支點轉酯化反應，轉酯化反應，3 3 剪接點，剪接點，使外顯子連接使外顯子連接轉酯化反應轉酯化反應組蛋白組蛋白H H3 3前體的前體的mRNA3mRNA3 末端裂解末端裂解55（二）catalytic RNA involved in RNA splicing 核酶(ribozyme)或催化性RNA (catalytic RNA) 。56其他小分子RNA（三）核仁小RNA參與rRNA中核苷酸殘基的修飾（四）interference RNA regulation post transcription（五）micro

22、RNA regulation of protein expression57RNA組學研究細胞中RNAs的種類、結構和功能。同一生物體內不同種類的細胞、同一細胞在不同時間、不同狀態(tài)下RNAs的表達具有時間和空間特異性。 RNA組學58第四節(jié)第四節(jié) DNADNA的理化性質及其應用的理化性質及其應用 變性變性 復性復性 增色效應增色效應 減色效應減色效應 解鏈溫度解鏈溫度 雜交雜交 探針探針59核酸是兩性化合物核酸是兩性化合物 互變異構 堿基在體液環(huán)境中以堿性解離為主 核酸分子是酸性化合物酮式烯醇氨基亞氨基60共軛雙鍵共軛雙鍵 260260nmnm波長的紫外吸收強。波長的紫外吸收強。核酸的紫外吸收

23、（核酸的紫外吸收（A260） 單核苷酸單核苷酸 ssDNA（或（或RNA） dsDNA611. quantificationA260=1.0相當于50g/ml雙鏈DNA40g/ml單鏈DNA（或RNA）20g/ml寡核苷酸2. Judgement of the purityDNA: A260/A280 = 1.8RNA: A260/A280 = 2.0A260 Application62Denaturation 雙鏈分開和重新形成雙鏈這樣的過程稱為變性和復性。雙鏈分開和重新形成雙鏈這樣的過程稱為變性和復性。 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DNADNA變性，如過量的酸、堿或

24、加熱。變性，如過量的酸、堿或加熱。63The process of denaturation64Hyper- and hypo-chromic effects 單核苷酸單核苷酸單鏈單鏈DNADNA雙鏈雙鏈DNADNA DNADNA變性，使溶液變性，使溶液A260A260增高，稱為增色效應。增高，稱為增色效應。 在解鏈曲線中的中點稱為中點解鏈溫度，或解鏈溫度在解鏈曲線中的中點稱為中點解鏈溫度，或解鏈溫度( (Tm)Tm)。 變性和復性是可逆的。變性和復性是可逆的。65melting temperature, Tmmelting temperature, Tm TmTm：變性是在一個相當窄的溫度范

25、圍內完成，在這一范圍內，紫外光吸收值達到最大值的變性是在一個相當窄的溫度范圍內完成，在這一范圍內，紫外光吸收值達到最大值的50%50%時的溫度稱時的溫度稱為為DNADNA的解鏈溫度，又稱融解溫度的解鏈溫度，又稱融解溫度( (影響因素影響因素： 1 1DNADNA均一性決定熔解溫度范圍大小；均一性決定熔解溫度范圍大??； 2 2G-CG-C堿基對含量決定熔解溫度高低；堿基對含量決定熔解溫度高低； 3 3介質中的離子強度影響變性。介質中的離子強度影響變性。6667DNA renaturation DNA Recovery of the double helix structure.復性。 The p

26、rocess of DNA renaturation after heated denaturation. 退火(annealing) 。 減色效應 Hypochromic affect DNA復性時，其溶液A260降低。68hybridizationhybridization 雜交：不同的雜交：不同的DNADNA鏈放在同一溶液中作變性處理，或把單鏈鏈放在同一溶液中作變性處理，或把單鏈DNADNA和和RNARNA放在一起，放在一起，局部的堿基配對，就可以形成局部雙鏈，局部的堿基配對，就可以形成局部雙鏈，在不同的分子間形成雜在不同的分子間形成雜化雙鏈（化雙鏈（heteroduplex）。）。 這

27、種雜化雙鏈可以在不同的這種雜化雙鏈可以在不同的DNADNA與與DNADNA之間之間形成，也可以在形成，也可以在DNADNA和和RNARNA分子之間或者分子之間或者RNARNA和和RNARNA分子之間形成。分子之間形成。這一過程稱為這一過程稱為核酸分子核酸分子雜交雜交。69Probe 探針：探針：a kind of technology used for detection and probing certain nucleotide sequence. Labeled single oligonucleotide chain70Nuclease digests nucleic acids.DNA酶(deoxyribonuclease, DNase)：專一降解DNA。RNA酶 (ribonuclease, RNase)：專一降解RNA。71 Nuclease核酸內切酶：核酸內切酶：分為限制性核酸內切酶和非分為限制性核酸內切酶和非特異性限制性核酸內切酶。特異性限制性核酸內切酶。核酸外切酶：核酸外切酶：5 3 或或3 5 核酸外切酶。核酸外切