第二章核酸的結(jié)構(gòu)與功能

1、目錄目錄目錄目錄第二章第二章核酸的結(jié)構(gòu)和功能核酸的結(jié)構(gòu)和功能Structure and Function of Nucleic Acid核核 酸酸(nucleic acid) 是以核苷酸為基本組成單位的生物大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。分子，攜帶和傳遞遺傳信息。目錄目錄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等人證實等人證實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的雙螺旋結(jié)構(gòu)。的雙螺旋結(jié)構(gòu)。l1968年年 Nirenberg發(fā)現(xiàn)遺傳密碼。發(fā)

2、現(xiàn)遺傳密碼。l1975年年 Temin和和Baltimore發(fā)發(fā)現(xiàn)逆轉(zhuǎn)錄酶。現(xiàn)逆轉(zhuǎn)錄酶。l1981年年 Gilbert和和Sanger建建立立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計劃美國啟動人類基因組計劃(HGP)。l1994年年 中國人類基因組計劃啟動。中國人類基因組計劃啟動。l2001年年 美英等國完成人類基因組計劃。美英等國完成人類基因組計劃。n核酸研究的發(fā)展簡史核酸研究的發(fā)展簡史n核酸的分類及分布核酸的分類及分布 存在存在于細(xì)胞核和于細(xì)胞核和線粒體線粒體 分布于細(xì)胞核、細(xì)胞質(zhì)、分布于細(xì)胞核、細(xì)胞質(zhì)、線粒體線粒

3、體(deoxyribonucleic 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，并通過復(fù)制傳遞攜帶遺傳信息，并通過復(fù)制傳遞給下一代。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)組成以及一級結(jié)構(gòu)核酸的化學(xué)組成以及一級結(jié)構(gòu)The Chemical Component and Primary Structure of Nucleic Acid目錄目錄核酸核酸 ( (DNA

4、和和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（deoxyribonucleotide）RNA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)成核酸的基本組成單位一、核苷酸是構(gòu)成核酸的基本組成單位目錄目錄堿基堿基(base)是含氮的雜環(huán)化合

5、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DNA和和RNA中中僅存在于僅存在于RNA中中僅存在于僅存在于DNA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(uracil, U)NHNHOO胸腺嘧啶胸腺嘧啶(thymine, T)NHNHOOCH3目錄目錄n堿基

6、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RNA）1 2 3 4 5 OHOCH2OHOHOH-D-核糖核糖(ribose)（構(gòu)成（構(gòu)成DNA）OHOCH2OHOH-D-2脫氧核糖脫氧核糖(deoxyribose)目錄目錄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 通過通過-N-糖苷鍵糖苷鍵相連相連形成形成脫氧核苷脫氧核苷(deoxyribonucleoside)。目錄目錄 嘧啶嘧啶N-1 -1與核糖與核糖C-1C-1 通過通過 - -N- -糖苷鍵糖苷鍵相連形成相連形成

7、核苷核苷(ribonucleoside)。n核苷核苷NNNN9NH2OOHOHHHHCH2OHH12糖苷鍵糖苷鍵目錄目錄核苷或脫氧核苷與磷酸通過核苷或脫氧核苷與磷酸通過酯鍵酯鍵結(jié)合構(gòu)成結(jié)合構(gòu)成核苷酸核苷酸(ribonucleotide)或或脫氧核苷酸脫氧核苷酸(deoxyribonucleotide)。n核苷酸核苷酸(ribonucleotide)NNNN9NH2OO HO HHHHCH2H1 2OPO- -HOO糖苷鍵糖苷鍵酯鍵酯鍵目錄目錄n多磷酸核苷酸多磷酸核苷酸環(huán)化核苷酸：環(huán)化核苷酸：cAMP、cGMP，是細(xì)胞信，是細(xì)胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo)中的第二信使。號轉(zhuǎn)導(dǎo)中的第二信使。NOCH2OOHONNNN

8、H2POOHcAMPn核苷酸衍生物核苷酸衍生物目錄目錄生物氧化體系的重要成分，在傳遞質(zhì)子或電子的生物氧化體系的重要成分，在傳遞質(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+），），目錄目錄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adenosine monophosphate, AMPG 鳥苷鳥苷guanosine 鳥苷一磷酸鳥苷一磷酸guanosine mon

9、ophosphate, 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, UMP目錄目錄n 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, dAMPG脫氧鳥苷脫氧鳥苷deoxyguanosine脫氧鳥苷一磷酸脫氧鳥苷一磷酸deoxyguanosine mon

10、ophosphate, 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是脫氧核苷酸通過是脫氧核苷酸通過3 ,5 -磷酸二酯鍵磷酸二酯鍵連接形成的大分子連接形成的大分子一個脫氧核苷酸一個脫氧核苷酸3 3 的的羥基羥基與另一個核苷酸與另一個核苷酸5 5 的的 - - 磷 酸磷 酸 基 團(tuán) 縮 合 形 成基 團(tuán) 縮 合 形 成

11、 磷 酸 二 酯 鍵磷 酸 二 酯 鍵(phosphodiester bond)。 多個脫氧核苷酸通過磷酸二酯鍵構(gòu)成了多個脫氧核苷酸通過磷酸二酯鍵構(gòu)成了具有具有方向性方向性的線性分子，稱為的線性分子，稱為多聚脫氧核苷多聚脫氧核苷酸酸(polydeoxynucleotide)，即即DNA鏈鏈。目錄目錄5-末端末端3-末端末端CGA磷酸二酯鍵磷酸二酯鍵磷酸二酯鍵磷酸二酯鍵目錄目錄交替的磷酸基團(tuán)和戊交替的磷酸基團(tuán)和戊糖構(gòu)成了糖構(gòu)成了DNA的骨架的骨架 (backbone)。DNA鏈的方向是鏈的方向是5 5 3 3 目錄目錄三、三、RNA也是具有也是具有3 , 5 -磷酸二酯鍵磷酸二酯鍵的線性大分子的

12、線性大分子 RNA也是多個核苷酸分子通過也是多個核苷酸分子通過3 ,5 -磷酸二酯磷酸二酯鍵連接鍵連接形成的線性大分子，也具有形成的線性大分子，也具有5 3 方方向性向性; ; 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的四種基本核苷酸是的四種基本核苷酸是AMP、GMP、CMP和和UMP。n定義定義核酸中核苷酸的排核酸中核苷酸的排列順序。列順序。由于核苷酸間的差由于核苷酸間的差異主要是堿基不同，所異主要是堿基不同，所以也稱為以也稱為堿基序列堿基序列。5 5 端端3 3 端端CGA四、核酸的一級結(jié)構(gòu)是四、核酸的一級結(jié)構(gòu)是核苷酸的排列

13、順序核苷酸的排列順序目錄目錄A G P5 P T PG PC PT P OH 3 n核酸的一級結(jié)構(gòu)核酸的一級結(jié)構(gòu)5 pApCpTpGpCpT-OH 3 5 A C T G C T 3 A C T G C T 單鏈單鏈DNA和和RNA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（nucleotide，nt）表示；雙鏈核酸分子的大表示；雙鏈核酸分子的大小常用堿基小常用堿基(base或或kilobase)數(shù)目來表示。數(shù)目來表示。 小的核酸片段小的核酸片段(80)。r R N A 與 核 糖 體 蛋 白 結(jié) 合 組 成與 核 糖 體 蛋 白 結(jié) 合 組 成 核 糖 體核 糖 體(ribosome)

14、，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)合成的場所目錄目錄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個核苷酸個核苷酸18S1874個核苷酸個核苷酸蛋白質(zhì)蛋白質(zhì)21種種占總重量的占總重量的40%33種種占總重量的占總重量的50%大亞基大亞基50S60SrRNA23S5S2940個核苷酸個核苷酸120個核苷酸個核苷酸28S5.85S5S4718個核苷酸個核苷酸160個核苷酸個核苷酸12

15、0個核苷酸個核苷酸蛋白質(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%目錄目錄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目錄目錄n1818S rRNA的二級結(jié)構(gòu)的二級結(jié)構(gòu)目錄目錄四、四、其他非編碼其他非編碼RNA參與基因表達(dá)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RNA（long non-coding RNA, lncRNA）n非編碼非編碼RNA（ Non-coding RNA, ncR

16、NA）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RNA分子。分子。 短鏈（?。┓蔷幋a短鏈（小）非編碼RNA（small non-coding RNA, sncRNA）目錄目錄n ncRNA 功能功能 參與轉(zhuǎn)錄調(diào)控、參與轉(zhuǎn)錄調(diào)控、RNA的剪切和修飾、的剪切和修飾、mRNA的穩(wěn)定和翻譯調(diào)控、蛋白質(zhì)的穩(wěn)定和轉(zhuǎn)運、染色的穩(wěn)定和翻譯調(diào)控、蛋白質(zhì)的穩(wěn)定和轉(zhuǎn)運、染色體的形成和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定等細(xì)胞重要功能體的形成和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定等細(xì)胞重要功能 n lncRNA 功能功能 lncRNA在結(jié)構(gòu)上類似于在結(jié)構(gòu)上類似于mRNA，但序列中不存在，但序列中不存在開放讀框。許多已知的開放讀框。許多已知的lnc

17、RNAs由由RNA聚合酶聚合酶轉(zhuǎn)錄并轉(zhuǎn)錄并經(jīng)可變剪切形成，通常被多聚腺苷酸化。經(jīng)可變剪切形成，通常被多聚腺苷酸化。lncRNA具有具有復(fù)雜的生物學(xué)功能，并與一些疾病的發(fā)病機(jī)制密切相關(guān)。復(fù)雜的生物學(xué)功能，并與一些疾病的發(fā)病機(jī)制密切相關(guān)。有的有的lncRNA能使基因沉默，有的則激活基因的表達(dá)。能使基因沉默，有的則激活基因的表達(dá)。 l核內(nèi)小核內(nèi)小RNAl核仁小核仁小RNAl胞質(zhì)小胞質(zhì)小RNAl催化性小催化性小RNAl小干涉小干涉 RNA l微微 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RNA（small non-messenger RNA） 目錄目錄 核內(nèi)小核內(nèi)小RNA（sma

18、ll 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，它們與多種蛋白形成復(fù)合體，參與真核細(xì)胞它們與多種蛋白形成復(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RNA（small nucleolar RNA, snoRNA）：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RNA（small cytoplasmic RNA, scRNA）：存在）：

19、存在于細(xì)胞質(zhì)中，參與形成信號識別顆粒，引導(dǎo)含有信號肽于細(xì)胞質(zhì)中，參與形成信號識別顆粒，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）。 目錄目錄 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RNA（small 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

20、達(dá)的雙鏈RNA進(jìn)行切割所產(chǎn)生進(jìn)行切割所產(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可以單鏈形式與外源基因表達(dá)的可以單鏈形式與外源基因表達(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。 目錄目錄n微微RNA（microRNAs, miRNAs ）是一類長度為是一類長度為22nt左右的內(nèi)源性左右的內(nèi)源性sncRNA。miRNAs主要是通過結(jié)合主要是通過結(jié)合mRNA而選擇性調(diào)控而選擇性調(diào)控基因的表達(dá)?；虻谋磉_(dá)。 目錄目錄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

21、酸在真核細(xì)胞和原核細(xì)胞中表現(xiàn)出不同的時空特性表現(xiàn)出不同的時空特性目錄目錄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 Characters of Nucleic Acid第四節(jié)第四節(jié)核酸在波長核酸在波長 260nm 處有強烈的吸收，是處有強烈的吸收，是由由堿基的共軛雙鍵堿基的共軛雙鍵所決定的。這一特性常用作所決定的。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、核酸分子具有強烈的紫外吸收一、核酸分子具有強烈的紫外吸收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 =

22、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: A260/A280 = 2.0n紫外吸收的應(yīng)用紫外吸收的應(yīng)用二、二、DNA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因素導(dǎo)致某些理化因素導(dǎo)致DNA雙鏈互補堿基雙鏈互補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單鏈的過程。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

23、鏈間氫鍵的斷裂。目錄目錄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變性變性時其溶液時其溶液OD260增高增高的現(xiàn)象。的現(xiàn)象。nDNA解鏈時的紫外吸收變化解鏈時的紫外吸收變化nDNA的解鏈曲線的解鏈曲線連續(xù)加熱連續(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，所得的曲線稱為曲線稱為解鏈曲線解鏈曲線。 解鏈過程中，紫外解鏈過程中，紫外吸光度的變化達(dá)到最大吸光度的變化達(dá)到最大變化值的一半時所對應(yīng)變化值的一半時所對應(yīng)的溫度。的溫度。

24、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)性或形成雜交雙鏈三、變性的核酸可以復(fù)性或形成雜交雙鏈當(dāng)變性條件緩慢地除去后，兩條解離的互補鏈當(dāng)變性條件緩慢地除去后，兩條解離的互補鏈可重新配對，恢復(fù)原來的雙螺旋結(jié)構(gòu)，這一現(xiàn)可重新配對，恢復(fù)原來的雙螺旋結(jié)構(gòu)，這一現(xiàn)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，其溶液復(fù)性時，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，這一過程稱為過程稱為退火退火(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，只要兩種單鏈分子之間存在著一定程溶液中，只要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