生物化學核酸的結構與功能課件

1、主 要 內 容第一節(jié) 核酸的化學組成及其一級結構第二節(jié) DNA的空間結構與功能第三節(jié) RNA的結構與功能第四節(jié) 核酸的理化性質第五節(jié) 核酸酶2學習指導重點： 1. 核酸的化學組成； 2. DNA的一級結構與二級結構； 3. RNA的主要類型及功能； 4. 核酸的理化性質。難點： 1. 真核生物染色體的結構. 2. 核酸的理化性質。進展： 1. 核酶的發(fā)現(xiàn)及其重要的生物學意義. 11:43:27第一節(jié)核酸的化學組成及其一級結構The Chemical Component and Primary Structure of Nucleic Acid核 酸(nucleic acid) 是以核苷酸為基本

2、組成單位的生物大分子，攜帶和傳遞遺傳信息。核酸是遺傳信息的載體(Appendix 1：)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(xiàn)DNA的雙螺旋結構。1968年 Nirenberg發(fā)現(xiàn)遺傳密碼。1975年 Temin和Baltimore發(fā)現(xiàn)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 美英等國完成人類基因組計劃。核酸研究的發(fā)

3、展簡史核酸的分類及分布存在于細胞核和線粒體 分布于細胞核、細胞質、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，并通過復制傳遞給下一代。是DNA轉錄的產物，參與遺傳信息的復制與表達。某些病毒RNA也可作為遺傳信息的載體一、核酸分子（DNA和RNA）的化學組成 Nucleic Acid (NA) Polynucleotide chain (poly Nt)Nucleotide (Nt) basic unitMono-phosphate (Mp)Nucleoside (Ns)Deoxy-ribose

4、( Ribose )BasePurin (pu) Pyrimidine (py)Adenine (A) Thymine (T) Guanine (G) Uracil (U) Cytosine (C) DNA與RNA結構相似，但在組成成份上略有不同。核酸（DNA和RNA）是一種線性多聚核苷酸，它的基本結構單元是核苷酸。核酸核苷酸磷酸（脫氧）核苷戊糖堿基脫氧核糖（核糖）嘌呤嘧啶分子組成堿基(base)：嘌呤堿，嘧啶堿戊糖(ribose)：核糖，脫氧核糖磷酸(phosphate)核苷酸是構成核酸的基本組成單位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D

5、NA中堿基(base)是含氮的雜環(huán)化合物。堿基嘌呤(purine，Pu) 腺嘌呤(adenine, A)鳥嘌呤(guanine, G)嘧啶(pyrimidine，Py)胞嘧啶(cytosine, C)尿嘧啶(uracil, U)胸腺嘧啶(thymine, T)僅存在于RNA中僅存在于DNA中D-2-脫氧核糖D-核糖脫氧核糖(deoxyribose)（構成DNA）核糖(ribose)（構成RNA）戊糖嘌呤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(deoxy)ribonucleoside（脫氧）核苷NNNN9NH2O(O)HOHHHHCH2OHH12糖苷鍵核苷

6、酸(ribonucleotide)NNNN9NH2OOHOHHHHCH2H12OPO-HOO糖苷鍵酯鍵核苷或脫氧核苷與磷酸通過酯鍵結合構成核苷酸(ribonucleotide)或脫氧核苷酸(deoxyribonucleotide)核苷或脫氧核苷與磷酸通過酯鍵結合構成核苷酸(ribonucleotide)或脫氧核苷酸(deoxyribonucleotide)。核苷酸(ribonucleotide)NNNN9NH2OOHOHHHHCH2H12OPO-HOO糖苷鍵酯鍵多磷酸核苷酸環(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Adenine Nucleotides A

7、re Components of Many Enzyme CofactorsCoenzyme A (CoA) functions in acyl group transfer reactions.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(polydeoxynucleotide)，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

8、)。DNA鏈的方向是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DNA一級結構：核苷酸排列順序組成：4種dNMP（ dAMP，dGMP，dCMP，dTMP ）連接方式：3,5-磷酸二酯鍵連接5-ACGTA-3,ACGTA, 或5 pApCpGpTpA-OH 3形態(tài)： 4種dNMP排列為特定的多核苷酸長鏈書寫方法：核酸分子大小表示：堿基

9、(base或kilobase)數目。小的核酸片段(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%大腸桿菌的核蛋白體18S rRNA的二級結構蛋

10、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、snmRNA參與了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)。 snmRNAs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(

11、ribozyme)或催化性RNA(catalytic RNA)。 siRNA是生物宿主對外源侵入的基因表達的雙鏈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(xiàn)了不同的時空特性真核生物基因表達的特異性小 結DNA為雙鏈結構，RNA的結構以單鏈為主。DNA的二級結構為雙螺旋結構。mRNA、tRNA、rRNA結構特點與功能。 核酸的理化性質The Physi

12、cal 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。可用電泳或離子交換（色譜）進行分離核酸的高分子性質粘度：DNARNA dsDNA ssDNA線性大分子（粘度高, 抗剪切力差）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。核酸的一般理化性質（在中性溶液中帶負電荷），核酸在波長 260nm 處有強烈的吸收，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。一、核酸分子具有強烈的紫外吸收以A260/A280進行定性、定量DNA和RNA溶液中加入溴

13、化乙錠(EB)，在紫外下發(fā)出熒光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。協(xié)同性的DNA解鏈高溫或極端的pHDNA的變性核酸變性與蛋白質變性的本質一樣，只涉及自身空間結構的變化，而不改變本身一級結構。部分變

14、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(xiàn)象。DNA解鏈時的紫外吸收變化Thermal denaturation of double-stranded DNA and RNA.Increases: 2540%.Increases: 1.1%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Tm vs GC ContentFo

15、rmula for Evaluation GC% of DNA:（G+C）%=(Tm-69.3)X2.44Marmur-Doty formula（馬默多蒂關系式） 60 70 80 90 100 110G + C (% of total nucleotides)Tm (oC)100806040200Formula for Evaluation GC% of DNA:（G+C）%=(Tm-69.3)X2.44Marmur-Doty formula（馬默多蒂關系式） 69.3Tm vs GC Content三、變性的核酸可以復性或形成雜交雙鏈當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

16、原來的雙螺旋結構，這一現(xiàn)象稱為DNA復性(renaturation) 。減色效應：DNA復性時，其溶液OD260降低。熱變性的DNA經緩慢冷卻后即可復性，這一過程稱為退火(annealing) 。減色效應hypochromic effectRenaturation of DNA by fast and slow cooling.將熱變性的DNA驟然冷卻至低溫時，DNA不可能復性。變性的DNA緩慢冷卻時可復性，因此又稱為“退火”。 退火溫度Tm25一般地, DNA復性最優(yōu)溫度為：Tm -25Nucleation 成核現(xiàn)象, 晶核形成不同種類的DNA單鏈分子或RNA分子放在同一溶液中，只要兩種單鏈

17、分子之間存在著一定程度的堿基配對關系，在適宜的條件可以在不同的分子間形成雜化雙鏈(heteroduplex)。這種雜化雙鏈可以在不同的DNA與DNA之間形成，也可以在DNA和RNA分子間或者RNA與RNA分子間形成。這種現(xiàn)象稱為核酸分子雜交。核酸分子雜交(hybridization) 核酸分子雜交The double-stranded nucleic acid produced by hybridization is called a hybrid（雜交體）.Nucleic Acids from Different Species Can Form HybridsHybrid 雜交體hybri

18、d duplex 雜化雙鏈研究DNA分子中某一種基因的位置。監(jiān)定兩種核酸分子間的序列相似性。檢測某些專一序列在待檢樣品中存在與否。Probe technique are accessible for diagnosis of hereditary diseases and investigation of tumors.核酸分子雜交的應用第五節(jié) 核酸酶 Nuclease依據底物不同分類DNA酶(deoxyribonuclease, DNase)：專一降解DNA。RNA酶 (ribonuclease, RNase)：專一降解RNA。依據切割部位不同核酸內切酶：分為限制性核酸內切酶和非特異性限制性

19、核酸內切酶。核酸外切酶：53或35核酸外切酶。核酸酶是指所有可以水解核酸的酶。5533外切位點外切位點內切位點內切位點參與DNA的合成、修復以及RNA的剪接。清除多余的、結構和功能異常的核酸，以及侵入細胞的外源性核酸。 降解食物中的核酸。體外重組DNA技術中的重要工具酶 。核酸酶的功能*核酶（ribozyme） 核 酶催化性DNA (DNAzyme) 人工合成的寡聚脫氧核苷酸片段，也能序列特異性降解RNA。 催化性RNA (ribozyme) 作為序列特異性的核酸內切酶降解mRNA。 本章總結核酸包括DNA和RNA。DNA攜帶遺傳信息，RNA參與遺傳信息的復制與表達。核酸的基本組成單位是核苷酸

20、。核酸的基本結構。DNA為雙鏈結構，RNA的結構以單鏈為主。DNA的二級結構為雙螺旋結構。mRNA、tRNA、rRNA結構特點與功能。DNA的理化性質。 思考題核酸分子的化學組成 ？DNA與RNA結構化學組成上的主要區(qū)別是什么？DNA 的一級結構、二級結構及高級結構的定義？多聚核苷酸是通過什么方式將核苷酸相連而成的鏈狀聚合物？DNA雙螺旋結構的要點？（作業(yè)）影響雙螺旋結構穩(wěn)定性的主要因素 ？三種主要的RNA及其功能?DNA變性、核酸分子雜交，DNA的Tm值與其所含的G+C比例的關系？核酶的本質是什么？DNA 是主要的遺傳物質RNA 也是遺傳物質-煙草花葉病毒（tobacco mosaic virus,TMV） Protein? Prion?蛋白質可以自我復制？可以遺傳？DNA 是遺傳物質(Appendix 1：)證明DNA 是遺傳物質的兩大經典實驗：實驗一：1944 年，Avery的經典試驗證明細菌的遺傳物質為DNA實驗二：1952 年，Hershey和Chase的經典試驗證