生物化學課件核酸的結構和功能

第二章

核酸的結構和功能StructureandFunctionofNucleicAcid張思zhangsi@核酸(nucleicacid)

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。一、核酸的發(fā)現(xiàn)和研究工作進展1868年FridrichMiescher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1965年Nirenberg發(fā)現(xiàn)遺傳密碼1970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基本框架二、核酸的分類及分布90%以上分布于細胞核，其余分布于核外如線粒體，葉綠體，質粒等。分布于胞核、胞液。(deoxyribonucleicacid,DNA)(ribonucleicacid,RNA)脫氧核糖核酸

核糖核酸攜帶遺傳信息，決定細胞和個體的基因型(genotype)。參與細胞內DNA遺傳信息的表達。某些病毒RNA也可作為遺傳信息的載體。第一節(jié)核酸的化學組成及其一級結構TheChemicalComponentandPrimaryStructureofNucleicAcid一、核苷酸是構成核酸的基本組成單位1.元素組成C、H、O、N、P（9~10%）2.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堿基(base)是含氮的雜環(huán)化合物。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DNA中堿基嘌呤(purine)腺嘌呤(adenine,A)鳥嘌呤(guanine,G)堿基嘧啶(pyrimidine)胞嘧啶(cytosine,C)尿嘧啶(uracil,U)胸腺嘧啶(thymine,T)

堿基的互變異構受介質pH影響

Purine和pyrimidine構成核酸分子DNA和RNA都含有2種嘌呤：A,GDNA和RNA也含有同1種嘧啶:CTinDNAUinRNA少數(shù)情況例外戊糖（構成RNA）1′2′3′4′5′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β-N-糖苷鍵相連形成脫氧核苷(deoxyribonucleoside)。

嘌呤N-9或嘧啶N-1與核糖C-1通過β-N-糖苷鍵相連形成核苷(ribonucleoside)。核苷NNNN9NH2OOHOHHHHCH2OHH1'2'糖苷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)。核苷酸(ribonucleotide)NNNN9NH2OOHOHHHHCH2H1'2'OPO-HOO糖苷鍵酯鍵

電腦模型圖簡化式酯鍵糖苷鍵磷酸的數(shù)量環(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α-磷酸基團縮合形成磷酸二酯鍵(phosphodiesterbond)。

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)。DNA鏈的方向是5

→3DNA和RNA的大小單鏈DNA,RNA:核苷酸（nucleotide,nt)雙鏈DNA:堿基對（basepair,bp)或kbOligonucleotideVSpolynucleotide<50bpOligonucleotide>50bppolynucleotide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AGP5PTPGPCPTPOH3書寫方法：5pApGpTpGpCpT-OH

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AGTGCT

3核酸與蛋白質的比較proteinnucleicacid組成單位氨基酸核苷酸組成單位種類205連接方式肽鍵磷酸二酯鍵一級結構氨基酸序列堿基序列空間結構二，三，四級結構二級結構和高級結構功能執(zhí)行者信息儲存第二節(jié)DNA的空間結構與功能DimensionalStructureandFunctionofDNA一、DNA的二級結構——雙螺旋結構（一）DNA雙螺旋結構的研究背景和歷史意義

堿基組成分析Chargaff規(guī)則：[A]=

[T][G]

[C]

堿基的理化數(shù)據(jù)分析A-T、G-C以氫鍵配對較合理DNA纖維的X-線衍射圖譜分析目錄（二）DNA雙螺旋結構模型要點（Watson,Crick,1953）兩條相互平行但走向相反的脫氧多核苷酸鏈組成。右手螺旋方式。螺旋直徑為2.4nm，形成大溝(majorgroove)及小溝(minorgroove)相間。目錄（二）DNA雙螺旋結構模型要點

（Watson,Crick,1953）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，內側外側基團不同，螺旋一圈螺距3.6nm，一圈10.5對堿基。氫鍵和堿基堆積力。堿基互補配對

TAGC1,63,42,3,42,1,6（三）DNA雙螺旋結構的多樣性目錄B-A型DNAB型DNAZ型DNA旋向螺距(nm)堿基數(shù)（每圈）螺旋直徑（nm）骨架走行存在條件A型右手2.3112.6平滑體外脫水B型右手3.410.52.0平滑DNA生理條件Z型左手4.5121.8鋸齒型CG序列三種DNA構型的比較（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。Hoogsteen氫鍵Hoogsteen氫鍵，不破壞Watson-Crick氫鍵，由此形成了C＋GC的三鏈結構(triplex)。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的超螺旋結構及其在染色質中的組裝（一）DNA的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(positivesupercoil)盤繞方向與DNA雙螺旋方同相同負超螺旋(negativesupercoil)盤繞方向與DNA雙螺旋方向相反原核生物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。DNA超螺旋結構的電鏡圖象（一）DNA在真核生物細胞核內的組裝真核生物染色體由DNA和蛋白質構成，其基本單位是核小體(nucleosome)。核小體的組成DNA：約210bp組蛋白：H1H2A，H2BH3H4DNA：約150bp

,1.75圈

組蛋白：H2A，H2BH3H4核小體的組成（核心顆粒）60bpDNA染色質呈現(xiàn)出的串珠樣結構。染色質的基本單位是核小體(nucleosome)。DNA染色質的電鏡圖像（二）真核生物DNA的高度有序和高度致密的結構真核生物DNA以非常有序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)形式存在，在細胞分裂期，則形成高度致密的染色體(chromosome)。雙鏈DNA的折疊和組裝DNA經過多次折疊，被壓縮了8000～10000倍，組裝在直徑只有為數(shù)微米的細胞核內。真核生物的染色體意義DNA超螺旋結構整體或局部的拓撲學變化及其調控對于DNA復制和RNA轉錄過程具有關鍵作用。三、DNA的功能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?；驈慕Y構上定義，是指DNA分子中的特定區(qū)段，其中的核苷酸排列順序決定了基因的功能。第三節(jié)

RNA的結構與功能StructureandFunctionofRNARNA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比DNA小的多。RNA的種類、大小和結構遠比DNA表現(xiàn)出多樣性。RNA總量多于DNARNA的種類、分布、功能mRNA豐度最小種類最多壽命最短信使RNA(messengerRNA,mRNA)是合成蛋白質的模板。不均一核RNA(hnRNA)含有內含子(intron)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。hnRNA經過剪切后成為成熟的mRNA。一、mRNA是蛋白質合成中的模板hnRNA內含子(intron)mRNAmRNA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(lián)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-Atail)結構。成熟的真核生物mRNA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(capbindingprotein，CBP)結合。polyA-tail(多聚腺苷酸尾）

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eIF4A帽結合蛋白（CBPs)polyA結合蛋白(PAB)*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轉運mRNAhnRNA翻譯蛋白真核細胞*

tRNA的一級結構特點3′末端為—CCA-OH5′末端大多數(shù)為G含10~20%稀有堿基，如DHU二、轉運RNA的結構與功能轉運RNA(transferRNA,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74～95核苷酸組成；占細胞總RNA的15%；具有很好的穩(wěn)定性。tRNA是蛋白質合成中的氨基酸載體

稀有堿基*tRNA的二級結構——三葉草形

氨基酸臂

DHU環(huán)反密碼環(huán)額外環(huán)

TΨC環(huán)氨基酸臂額外環(huán)*tRNA的三級結構——倒L形*tRNA的功能活化、搬運氨基酸到核糖體，參與蛋白質的翻譯。TΨC環(huán)DHU環(huán)核蛋白體RNA(ribosomalRNA，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的種類（根據(jù)沉降系數(shù)）真核生物5SrRNA28SrRNA5.8SrRNA18SrRNA原核生物5SrRNA23SrRNA16SrRNA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%四、其他小分子RNA及RNA組學除了上述三種RNA外，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(smallnon-messengerRNAs,snmRNAs)。

snmRNAssnmRNAs的種類核內小RNA核仁小RNA胞質小RNA催化性小RNA小片段干涉RNA

snmRNAs的功能參與hnRNA和rRNA的加工和轉運。核內小RNA真核生物細胞核中RNA的加工。參與信使RNA前體（pre-mRNA）的剪接，使后者成為成熟mRNA小核仁RNA（SmallnucleolarRNAs；snoRNAs）:是一類小型RNA分子，可引導核糖體RNA（rRNA）或其他RNA的化學修飾（如甲基化）作用胞質小RNA形成信號識別顆粒，引導蛋白質進入內質網核酶某些小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(ribozyme)或催化性RNA(catalyticRNA)。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?；诖藱C理，人們發(fā)明了RNA干擾(RNAinterference，RNAi)技術。微RNA（microRNA)小片段干擾RNA(SiRNA)RNA組學研究細胞中snmRNAs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snmRNAs的表達具有時間和空間特異性。RNA組學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核酸和蛋白質的比較核酸的理化性質ThePhysicalandChemicalCharactersofNucleicAcid第四節(jié)目錄核酸在波長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1.DNA或RNA的定量OD260=1.0相當于50μg/ml雙鏈DNA40μg/ml單鏈DNA（或RNA）20μg/ml寡核苷酸2.判斷核酸樣品的純度DNA純品:OD260/OD280=1.8RNA純品:OD260/OD280=2.0OD260的應用目錄二、DNA的變性(denaturation)定義：在某些理化因素作用下，DNA雙鏈解開成兩條單鏈的過程。方法：過量酸，堿，加熱，變性試劑如尿素、酰胺以及某些有機溶劑如乙醇、丙酮等。變性后其它理化性質變化：OD260增高 粘度下降比旋度下降 浮力密度升高酸堿滴定曲線改變 生物活性喪失目錄DNA變性的本質是雙鏈間氫鍵的斷裂例：變性引起紫外吸收值的改變DNA的紫外吸收光譜增色效應：DNA變性時其溶液OD260增高的現(xiàn)象。目錄熱變性解鏈曲線：如果在連續(xù)加熱DNA的過程中以溫度對A260（absorbance，A，A260代表溶液在260nm處的吸光率）值作圖，所得的曲線稱為解鏈曲線。目錄Tm：變性是在一個相當窄的溫度范圍內完成，在這一范圍內，紫外光吸收變化值達到最大變化值的50%時的溫度稱為DNA的解鏈溫度，又稱融解溫度(meltingtemperature,Tm)。目錄三、DNA的復性與分子雜交

DNA復性(renaturation)的定義在適當條件下，變性DNA的兩條互補鏈可恢復天然的雙螺旋構象，這一現(xiàn)象稱為復性。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)。目錄在DNA變性后的復性過程中，如果將不同種類的DNA單鏈分子或RNA分子放在同一溶液中，只要兩