查錫良生物化學(xué)核酸的結(jié)構(gòu)和功能

查錫良生物化學(xué)核酸的結(jié)構(gòu)和功能第1頁/共77頁核酸(nucleicacid)

是以單核苷酸為基本組成單位的生物大分子，功能是攜帶和傳遞遺傳信息。第2頁/共77頁一、核酸的發(fā)現(xiàn)和研究工作進(jìn)展1868年FridrichMiescher從膿細(xì)胞中提取“核素”

1944年

Avery等人證實(shí)DNA是遺傳物質(zhì)1953年

Watson和Crick發(fā)現(xiàn)DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)1968年Nirenberg發(fā)現(xiàn)遺傳密碼1975年Temin和Baltimore發(fā)現(xiàn)逆轉(zhuǎn)錄酶1981年Gilbert和Sanger建立DNA測序方法1985年Mullis發(fā)明PCR技術(shù)1990年美國啟動(dòng)人類基因組計(jì)劃(HGP)

1994年中國人類基因組計(jì)劃啟動(dòng)2001年美、英等國完成人類基因組計(jì)劃基本框架第3頁/共77頁二、核酸的分類及分布90%以上分布于細(xì)胞核，其余分布于核外如線粒體，葉綠體，質(zhì)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(xì)胞和個(gè)體的基因型(genotype)。參與細(xì)胞內(nèi)DNA遺傳信息的表達(dá)。某些病毒RNA也可作為遺傳信息的載體。第4頁/共77頁第一節(jié)核酸的化學(xué)組成及其一級結(jié)構(gòu)TheChemicalComponentandPrimaryStructureofNucleicAcid第5頁/共77頁核酸的化學(xué)組成1.元素組成C、H、O、N、P特點(diǎn):P/核酸=9%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)第6頁/共77頁嘌呤(purine)腺嘌呤(adenine,A)鳥嘌呤(guanine,G)堿基第7頁/共77頁嘧啶(pyrimidine)胞嘧啶(cytosine,C)尿嘧啶(uracil,U)胸腺嘧啶(thymine,T)第8頁/共77頁戊糖（構(gòu)成RNA）1′2′3′4′5′核糖(ribose)（構(gòu)成DNA）脫氧核糖(deoxyribose)第9頁/共77頁核苷：AR,GR,UR,CR脫氧核苷：dAR,dGR,dTR,dCR一、核苷酸的結(jié)構(gòu)1.核苷(ribonucleoside)的形成堿基和核糖（脫氧核糖）通過糖苷鍵連接形成核苷（脫氧核苷）。1′1第10頁/共77頁核苷酸：AMP,GMP,UMP,CMP脫氧核苷酸：dAMP,dGMP,dTMP,dCMP

2.核苷酸(ribonucleotide)的結(jié)構(gòu)與命名核苷（脫氧核苷）和磷酸以磷酸酯鍵連接形成核苷酸（脫氧核苷酸）。

第11頁/共77頁體內(nèi)重要的游離核苷酸及其衍生物含核苷酸的生物活性物質(zhì)：NAD+、NADP+、CoA-SH、FAD

等都含有

AMP

多磷酸核苷酸：NMP，NDP，NTP

環(huán)化核苷酸:cAMP，cGMPAMPADPATPcAMPNADP+NAD+第12頁/共77頁5′端3′端3.核苷酸的連接核苷酸之間以磷酸二酯鍵連接形成多核苷酸鏈，即核酸。CGA第13頁/共77頁二、核酸的一級結(jié)構(gòu)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第14頁/共77頁AGP5PTPGPCPTPOH3書寫方法5pApCpTpGpCpT-OH

35

ACTGCT

3目錄第15頁/共77頁第二節(jié)DNA的空間結(jié)構(gòu)與功能DimensionalStructureandFunctionofDNA第16頁/共77頁DNA的二級結(jié)構(gòu)-雙螺旋結(jié)構(gòu)DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的研究背景和歷史意義DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型要點(diǎn)DNA的超螺旋結(jié)構(gòu)及其在染色質(zhì)中的組裝DNA的超螺旋結(jié)構(gòu)原核生物DNA的高級結(jié)構(gòu)DNA在真核生物細(xì)胞核內(nèi)的組裝DNA的功能第17頁/共77頁一、DNA的二級結(jié)構(gòu)——雙螺旋結(jié)構(gòu)第18頁/共77頁（一）DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的研究背景

堿基組成分析Chargaff規(guī)則：[A]=

[T],[G]=

[C].A+G=T+C.種不同DNA組成不同.同一個(gè)體的不同細(xì)胞DNA相同.

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第19頁/共77頁（二）DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型要點(diǎn)（Watson,Crick,1953）DNA分子由兩條相互平行但走向相反的脫氧多核苷酸鏈組成，兩鏈以-脫氧核糖-磷酸-為骨架，以右手螺旋方式繞同一公共軸盤。螺旋直徑為2nm，形成大溝(majorgroove)及小溝(minorgroove)相間。目錄第20頁/共77頁堿基垂直螺旋軸居雙螺旋內(nèi)側(cè)，與對側(cè)堿基形成氫鍵配對（互補(bǔ)配對形式：A=T;GC）。相鄰堿基平面距離0.34nm，螺旋一圈螺距3.4nm，一圈10對堿基。目錄第21頁/共77頁堿基互補(bǔ)配對TAGC第22頁/共77頁氫鍵維持雙鏈橫向穩(wěn)定性，堿基堆積力維持雙鏈縱向穩(wěn)定性。目錄第23頁/共77頁（三）DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的多樣性目錄第24頁/共77頁二、DNA的超螺旋結(jié)構(gòu)及其在染色質(zhì)中的組裝（一）DNA的超螺旋結(jié)構(gòu)超螺旋結(jié)構(gòu)(superhelix或supercoil)DNA雙螺旋鏈再盤繞即形成超螺旋結(jié)構(gòu)。正超螺旋(positivesupercoil)盤繞方向與DNA雙螺旋方同相同負(fù)超螺旋(negativesupercoil)盤繞方向與DNA雙螺旋方向相反第25頁/共77頁意義DNA超螺旋結(jié)構(gòu)整體或局部的拓?fù)鋵W(xué)變化及其調(diào)控對于DNA復(fù)制和RNA轉(zhuǎn)錄過程具有關(guān)鍵作用。第26頁/共77頁（二）原核生物DNA的高級結(jié)構(gòu)環(huán)狀ＤＮＡ第27頁/共77頁（三）DNA在真核生物細(xì)胞核內(nèi)的組裝真核生物染色體由DNA和蛋白質(zhì)構(gòu)成，其基本單位是核小體(nucleosome)。核小體的組成DNA：約200bp組蛋白：H1H2A，H2BH3H4第28頁/共77頁第29頁/共77頁第30頁/共77頁三、DNA的功能DNA的基本功能：復(fù)制和轉(zhuǎn)錄的模板．是以基因的形式荷載遺傳信息，它是生命遺傳的物質(zhì)基礎(chǔ)，也是個(gè)體生命活動(dòng)的信息基礎(chǔ)。基因：DNA的功能區(qū)段?；蚪M：全部基因序列．第31頁/共77頁第三節(jié)

RNA的結(jié)構(gòu)與功能StructureandFunctionofRNA第32頁/共77頁RNA的種類、分布、功能第33頁/共77頁一、信使RNA的結(jié)構(gòu)與功能hnRNA內(nèi)含子(intron)mRNA*mRNA成熟過程

外顯子(exon)目錄第34頁/共77頁*mRNA結(jié)構(gòu)特點(diǎn)1.帽：大多數(shù)真核mRNA的5′末端均在轉(zhuǎn)錄后加上一個(gè)7-甲基鳥苷，同時(shí)第一個(gè)核苷酸的C′2也是甲基化，形成帽子結(jié)構(gòu)：m7GpppNm-。尾：大多數(shù)真核mRNA的3′末端有一個(gè)多聚腺苷酸(polyA)結(jié)構(gòu)，稱為多聚A尾。編碼區(qū)：核苷酸殘基第35頁/共77頁帽子結(jié)構(gòu)第36頁/共77頁mRNA核內(nèi)向胞質(zhì)的轉(zhuǎn)位mRNA的穩(wěn)定性維系翻譯起始的調(diào)控帽子結(jié)構(gòu)和多聚A尾的功能第37頁/共77頁*mRNA的功能把DNA所攜帶的遺傳信息，按堿基互補(bǔ)配對原則，抄錄并傳送至核糖體，用以決定其合成蛋白質(zhì)的氨基酸排列順序。DNAmRNA蛋白轉(zhuǎn)錄翻譯原核細(xì)胞細(xì)胞質(zhì)細(xì)胞核DNA內(nèi)含子外顯子轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)錄后剪接轉(zhuǎn)運(yùn)mRNAhnRNA翻譯蛋白真核細(xì)胞第38頁/共77頁tRNA的一級結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分子量小，稀有堿基多．含10~20%稀有堿基，如DHU3′末端為—CCA-OH5′末端大多數(shù)為G

具有TC二、轉(zhuǎn)運(yùn)RNA的結(jié)構(gòu)與功能第39頁/共77頁N,N二甲基鳥嘌呤N6-異戊烯腺嘌呤雙氫尿嘧啶4-巰尿嘧啶

稀有堿基第40頁/共77頁tRNA的二級結(jié)構(gòu)——三葉草形四臂三環(huán):

氨基酸臂

DHU(臂)環(huán)反密碼(臂)環(huán)額外環(huán)(可變臂)TΨC(臂)環(huán)氨基酸臂額外環(huán)第41頁/共77頁*tRNA的三級結(jié)構(gòu)——倒L形*tRNA的功能活化、搬運(yùn)氨基酸到核糖體，參與蛋白質(zhì)的翻譯。第42頁/共77頁*rRNA的含量多

rRNA的結(jié)構(gòu)三、核蛋白體RNA的結(jié)構(gòu)與功能*rRNA的功能參與組成核蛋白體，作為蛋白質(zhì)生物合成的場所。第43頁/共77頁*rRNA的種類（根據(jù)沉降系數(shù)）真核生物5SrRNA28SrRNA5.8SrRNA18SrRNA原核生物5SrRNA23SrRNA16SrRNA第44頁/共77頁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(gè)核苷酸18S1874個(gè)核苷酸蛋白質(zhì)21種占總重量的40%33種占總重量的50%大亞基50S60SrRNA23S5S2940個(gè)核苷酸120個(gè)核苷酸28S5.85S5S4718個(gè)核苷酸160個(gè)核苷酸120個(gè)核苷酸蛋白質(zhì)31種占總重量的30%49種占總重量的35%第45頁/共77頁四、其他小分子RNA及RNA組學(xué)除了上述三種RNA外，細(xì)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)。

snmRNAs第46頁/共77頁snmRNAs的種類核內(nèi)小RNA核仁小RNA胞質(zhì)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(zhuǎn)運(yùn)。第47頁/共77頁RNA組學(xué)研究細(xì)胞中snmRNAs的種類、結(jié)構(gòu)和功能。同一生物體內(nèi)不同種類的細(xì)胞、同一細(xì)胞在不同時(shí)間、不同狀態(tài)下snmRNAs的表達(dá)具有時(shí)間和空間特異性。RNA組學(xué)第48頁/共77頁核酸的理化性質(zhì)ThePhysicalandChemicalCharactersofNucleicAcid第四節(jié)目錄第49頁/共77頁兩性電離紫外吸收變性復(fù)性分子雜交第50頁/共77頁++++++++帶正電荷的核酸－－－－－－－－帶負(fù)電荷的核酸兼性離子酸堿一．兩性電離第51頁/共77頁二．紫外吸收第52頁/共77頁1.DNA或RNA的定量OD260=1.0相當(dāng)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(yīng)用目錄第53頁/共77頁三、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(jī)溶劑如乙醇、丙酮等。變性后其它理化性質(zhì)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 生物活性喪失目錄第54頁/共77頁DNA變性的本質(zhì)是雙鏈間氫鍵的斷裂第55頁/共77頁例：變性引起紫外吸收值的改變DNA的紫外吸收光譜增色效應(yīng)：DNA變性時(shí)其溶液OD260增高的現(xiàn)象。目錄第56頁/共77頁熱變性解鏈曲線：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。目錄第57頁/共77頁Tm：變性是在一個(gè)相當(dāng)窄的溫度范圍內(nèi)完成，在這一范圍內(nèi)，紫外光吸收值達(dá)到最大值的50%時(shí)的溫度稱為DNA的解鏈溫度，又稱融解溫度(meltingtemperature,Tm)。其大小與G+C含量成正比。目錄第58頁/共77頁四、DNA的復(fù)性

DNA復(fù)性(renaturation)的定義在適當(dāng)條件下，變性DNA的兩條互補(bǔ)鏈可恢復(fù)天然的雙螺旋構(gòu)象，這一現(xiàn)象稱為復(fù)性。減色效應(yīng)DNA復(fù)性時(shí)，其溶液OD260降低。熱變性的DNA經(jīng)緩慢冷卻后即可復(fù)性，這一過程稱為退火(annealing)。目錄第59頁/共77頁在DNA變性后的復(fù)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（溫度及離子強(qiáng)度）下，就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。五．核酸分子雜交(hybridization)第60頁/共77頁第61頁/共77頁DNA-DNA雜交雙鏈分子變性復(fù)性不同來源的DNA分子第62頁/共77頁第63頁/共77頁核酸分子雜交的應(yīng)用研究DNA分子中某一種基因的位置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是基因芯片技術(shù)的基礎(chǔ)第64頁/共77頁第五節(jié)

核酸酶

Nuclease第65頁/共77頁核酸酶是指所有可以水解核酸的酶依據(jù)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(jù)切割部位不同核酸內(nèi)切酶：分為限制性核酸內(nèi)切酶和非特異性限制性核酸內(nèi)切酶。核酸外切酶：5′→3′或3′→5′核酸外切酶。第66頁/共77頁參與DNA的合成與修復(fù)及RNA合成后的剪接等重要基因復(fù)制和基因表達(dá)過程負(fù)責(zé)清除多余的、結(jié)構(gòu)和功能異常的核酸，同時(shí)也可以清除侵入細(xì)胞的外源性核酸在消化液中降解食物中的核酸以利吸收體外重組DNA技術(shù)中的重要工具酶生物體內(nèi)的核酸酶負(fù)責(zé)細(xì)胞內(nèi)外催化核酸的降解

核酸酶的功能第67頁/共77頁

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(nèi)切酶降解mRNA。第68頁/共77頁總結(jié):思路:核酸----功能、組成、結(jié)構(gòu)、性質(zhì)、代謝、調(diào)節(jié)、應(yīng)用。功能：遺傳信息的攜帶和傳遞。DNA：復(fù)制與轉(zhuǎn)錄的模板。RNA：mRNA:翻譯的模板，

tRNA：轉(zhuǎn)運(yùn)AA，

rRNA：蛋白合成場所，組成：元素組成：C、H、O、N、P，元素組成特點(diǎn)：P/核酸=9%第69頁/共77頁基本單位組成：單核苷酸種類:核苷酸、脫氧核苷酸通式:堿基-戊糖-磷酸性質(zhì):兩性電解.紫外吸收

.顯色反應(yīng)連接方式:3’5’-磷酸二酯鍵連接結(jié)果:核酸鏈DNA與RNA區(qū)別：堿基戊糖ＤＮＡＡＧＣＴ脫氧核糖ＲＮＡＡＧＣＵ核糖第70頁/共77頁結(jié)構(gòu):一級結(jié)構(gòu):

定義：單核苷酸排列順序。書寫方向：５，３，真核mRNA一級結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：含量少,

帽（m7GpppNm）,尾(polyA)

tRNA的一級結(jié)構(gòu)特點(diǎn):

分子量小，稀有堿基多．3′

—CCA-OHrRNA的一級結(jié)構(gòu)特點(diǎn):

含量多空間結(jié)構(gòu)：二級結(jié)構(gòu)三（超）級結(jié)構(gòu)

DNA雙螺旋超螺旋

tRNA三葉草倒L形

第71頁/共77頁DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：兩條反向平行脫氧多核