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1、第二章核酸的结构和功能,STRUCTURE AND FUNCTION OF NUCLEIC ACID,核 酸(nucleic acid),是以核苷酸为基本组成单位，携带和传递遗传信息并指导蛋白质生物合成的生物大分子。,核酸的研究历史 1868年，瑞士外科医生Fridrich Miescher从脓细胞核中分离到核酸样物质。1944年，Oswald Avery通过肺炎双球菌转化实验证实了DNA是遗传的物质基础。1953年 Watson和Crick提出DNA双螺旋结构模型 1981年 Gilbert和Sanger建立DNA 测序方法1985年 Mullis发明PCR 技术2001年 美、英等国完成人
2、类基因组计划基本框架,核酸的分类及分布,存在于细胞核和线粒体,分布于细胞核、细胞质、线粒体,(deoxyribonucleic acid,DNA),(ribonucleic acid,RNA),脱氧核糖核酸,核糖核酸,第一节核酸的化学组成及其一级结构The Chemical Component and Primary Structure of Nucleic Acid,核酸组成,一、核苷酸是构成核酸的基本组成单位,元素组成C、H、O、N、P（910%）,碱基(base)是含氮的杂环化合物。,碱基,嘌呤,嘧啶,腺嘌呤,鸟嘌呤,尿嘧啶,胸腺嘧啶,胞嘧啶,存在于DNA和RNA中,仅存在于RNA中,仅
3、存在于DNA中,碱基,嘧 啶(pyrimidine),碱 基,胞嘧啶（2-氧，4-氨基嘧 啶）Cytosine(C),酮式,烯醇式,尿嘧啶（2，4-二氧嘧啶）Uracil(U),胸腺嘧啶（5-甲基尿嘧啶）Thymine(T),嘌 呤(purine),腺嘌呤（6-氨基嘌呤）Adenine(A),鸟嘌呤（2-氨基6-氧嘌呤）Guanine(G),碱基的互变异构体,1.在DNA和RNA中都有胞嘧啶（C），胸腺嘧啶(T)一般只出现在DNA分子中，尿嘧啶(U)则只出现于RNA分子中。,注意,2.存在酮式-烯醇式，氨基-亚氨基异构,3.嘌呤、嘧啶环上由于有共轭双键，在 260nm波长附近对紫外光有较强的吸
4、收。,戊糖,DNA和RNA的分子组成比较,核糖核苷：AR,GR,UR,CR脱氧核糖核苷：dAR,dGR,dTR,dCR,连接方式是嘌呤环上的N-9或嘧啶环上的N-1与糖的C-1糖苷键相连。,腺嘌呤核苷（腺苷）,胞嘧啶脱氧核苷（脱氧胞苷）,顺式和反式核苷:碱基在核苷上的位置不同，核苷又可分为顺式和反式两种构象.,连接方式是戊糖的游离羟基（主要C-5）与磷酸发生酯化反应,碱基不同,核糖核苷酸：AMP,GMP,UMP,CMP脱氧核糖核苷酸：dAMP,dGMP,dTMP,dCMP,磷酸集团数目不同：NMP（nucleoside monophosphate)NDP(nucleoside diphosph
5、ate)NTP(nucleoside triphosphate),体内重要的游离核苷酸及其衍生物,含核苷酸的生物活性物质：NAD+、NADP+、CoA-SH、FAD 等都含有 AMP,能量的载体:ATP,环化核苷酸:cAMP，cGMP,ATP,cAMP,二、DNA是脱氧核苷酸通过3,5-磷酸二酯键连接形成的大分子,一个脱氧核苷酸3的羟基与另一个核苷酸5的-磷酸基团缩合形成磷酸二酯键(phosphodiester bond)。多个脱氧核苷酸通过磷酸二酯键构成了具有方向性的线性分子，称为多聚脱氧核苷酸(polydeoxynucleotide)，即DNA链。,C,G,A,交替的磷酸基团和戊糖构成了D
6、NA的骨架(backbone)。,DNA链的方向是5 3,三、RNA也是具有3,5-磷酸二酯键的线性大分子,RNA也是多个核苷酸分子通过酯化反应形成的线性大分子，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。,四、核酸的一级结构是核苷酸的排列顺序,定义核酸中核苷酸的排列顺序。由于核苷酸间的差异主要是碱基不同，所以也称为碱基序列。,连接键：磷酸二酯键,核酸的书写方向：53。,5末端的磷酸基团,3，5-磷酸二酯键,3末端羟基,书写方法,5 pApCpTpGpCpT-OH 3,5 A C T G C T 3,目 录,核酸分子大小的表示方法,单链DNA和RNA：碱基数目（base
7、或kb）双链DNA和RNA：碱基对数目（bp或kbp）50bp:寡核苷酸,核酸与蛋白质比较比较项目 蛋白质 核酸组成单位 氨基酸 核苷酸连接方式 肽键 磷酸二酯键一级结构 氨基酸排列顺序 碱基排列顺序空间结构 二、三、四级 双螺旋 超螺旋主要功能 所有生命活动 遗传信息的传递和表达,第二节DNA的空间结构与功能Dimensional Structure and Function of DNA,DNA的空间结构又分为二级结构(secondary structure)和高级结构。,DNA的空间结构(spatial structure),构成DNA的所有原子在三维空间具有确定的相对位置关系。,一、D
8、NA的二级结构是双螺旋结构,（一）DNA双螺旋结构的研究背景,目 录,两条多聚核苷酸链在空间的走向呈反向平行(anti-parallel)。两条链围绕着同一个螺旋轴形成右手螺旋(right-handed)的结构。双螺旋结构的直径为2.37nm，螺距为3.54nm。脱氧核糖和磷酸基团组成的亲水性骨架位于双螺旋结构的外侧，疏水的碱基位于内侧。双螺旋结构的表面形成了一个大沟(major groove)和一个小沟(minor groove)。,（二）DNA双螺旋结构模型要点,1.DNA是反向平行、右手螺旋的双链结构,亲水性的骨架位于双链的外侧。疏水性的碱基位于双链的内侧。,骨架与碱基,2.DNA双链之
9、间形成了互补碱基对,碱基配对关系称为互补碱基对(complementary base pair)。A=T,GCDNA的两条链则互为互补链(complementary strand)。碱基对平面与螺旋轴垂直。,碱基互补配对:鸟嘌呤/胞嘧啶,碱基互补配对:腺嘌呤/胸腺嘧啶,大沟与小沟,相邻两个碱基对会有重叠，产生了疏水性的碱基堆积力(base stacking interaction)。维持DNA纵向结构的稳定性碱基之间形成的氢键维系DNA横向结构的稳定性。,3.疏水作用力和氢键共同维系着DNA双螺旋结构的稳定。,碱基堆积作用力,（三）DNA双螺旋结构的多样性,DNA的右手螺旋并不是自然界DNA唯
10、一存在的方式。右手螺旋结构是在生理盐水溶液中提取的DNA的结构，目前将这种结构称为B-DNA。1979年，Alexander Rich发现了左手螺旋，称为Z-DNA，另外也有A-DNA的存在。,目 录,B型：低盐高湿度92%）A型：高盐低湿度（75%）11对碱基，大沟较深，小沟较浅Z型：左手螺旋12对碱基大沟消失小沟变浅比较细长,三种DNA构型的比较,（四）DNA的多链螺旋结构,在酸性的溶液中，胞嘧啶的N-3原子被质子化，可与鸟嘌呤的N-7原子形成氢键；同时，胞嘧啶的N-4的氢原子也可与鸟嘌呤的O-6形成氢键，这种氢键被称为Hoogsteen氢键。,Hoogsteen氢键,Hoogsteen氢
11、键，不破坏Watson-Crick氢键，由此形成了CGC的三链结构(triplex)。,三链结构,鸟嘌呤之间通过Hoogsteen氢键形成特殊的四链结构(tetraplex)。,四链结构,真核生物DNA3-末端是富含GT的多次重复序列，因而自身形成了折叠的四链结构。,二、DNA的高级结构是超螺旋结构,超螺旋结构(superhelix 或supercoil)DNA双螺旋链再盘绕即形成超螺旋结构。,正超螺旋(positive supercoil)盘绕方向与DNA双螺旋方同相同。,负超螺旋(negative supercoil)盘绕方向与DNA双螺旋方向相反。,（一）原核生物DNA的环状超螺旋结构,
12、原核生物DNA多为环状，以负超螺旋的形式存在，平均每200碱基就有一个超螺旋形成。,DNA超螺旋结构的电镜图象,（二）真核生物DNA的高度有序和高度致密的结构,真核生物DNA以非常有序的形式存在于细胞核内。在细胞周期的大部分时间里，DNA以松散的染色质(chromatin)形式存在，在细胞分裂期，则形成高度致密的染色体(chromosome)。,DNA染色质呈现出的串珠样结构。染色质的基本单位是核小体(nucleosome)。,DNA染色质的电镜图像,DNA：约200bp 组蛋白：H1H2A，H2BH3H4,核小体的组成,核小体串珠样的结构,双链DNA的折叠和组装,DNA经过多次折叠，被压缩了
13、800010000倍，组装在直径只有为数微米的细胞核内。,真核生物的染色体,DNA的基本功能是以基因的形式荷载遗传信息，并作为基因复制和转录的模板。它是生命遗传的物质基础，也是个体生命活动的信息基础。,基因从结构上定义，是指DNA分子中的特定区段，其中的核苷酸排列顺序决定了基因的功能。,三、DNA是遗传信息的物质基础,第三节 RNA的结构与功能,Structure and Function of RNA,RNA与蛋白质共同负责基因的表达和表达过程的调控。RNA通常以单链的形式存在，但有复杂的局部二级结构或三级结构。RNA比DNA小的多。RNA的种类、大小和结构远比DNA表现出多样性。,RNA的
14、种类、分布、功能,信使RNA(messenger RNA,mRNA)是合成蛋白质的模板。不均一核RNA(hnRNA)含有内含子(intron)和外显子(exon)。外显子是氨基酸的编码序列，而内含子是非编码序列。hnRNA经过剪切后成为成熟的mRNA。,一、mRNA是蛋白质合成中的模板,内含子(intron),mRNA成熟过程,外显子(exon),从AUG 开始，每三个核苷酸为一组编码了一个氨基酸，称为三联体密码(codon)。成熟的mRNA由氨基酸编码区和非编码区构成。5-末端的帽子(cap)结构和3-末端的多聚A尾(poly-A tail)结构。,成熟的真核生物mRNA,帽子结构:m7Gp
15、ppNm,（一）大部分真核细胞mRNA的5末端都以7-甲基鸟嘌呤-三磷酸核苷为起始结构,mRNA的帽结构可以与帽结合蛋白(cap binding protein，CBP)结合。,加帽过程,真核生物的mRNA 的3-末端转录后加上一段长短不一的聚腺苷酸。,（二）在真核生物mRNA的3末端有多聚腺苷酸结构,加尾过程,mRNA核内向胞质的转位mRNA的稳定性维系翻译起始的调控,帽子结构和多聚A尾的功能,（三）mRNA依照自身的碱基顺序指导蛋白质氨基酸顺序的合成,从mRNA分子5末端起的第一个AUG开始，每3个核苷酸为一组称为密码子(codon)或三联体密码(triplet code)。,AUG被称为
16、起始密码子；决定肽链终止的密码子则称为终止密码子。,位于起始密码子和终止密码子之间的核苷酸序列称为开放阅读框(open reading frame,ORF)，决定了多肽链的氨基酸序列。,（四）真核生物mRNA的成熟过程是hnRNA的剪接过程,卵清蛋白mRNA的成熟,转运RNA(transfer RNA,tRNA)在蛋白质合成过程中作为各种氨基酸的载体,将氨基酸转呈给mRNA。由7495核苷酸组成；占细胞总RNA的15%；具有很好的稳定性。,二、tRNA是蛋白质合成中的氨基酸载体,（一）tRNA中含有多种稀有碱基,tRNA具有局部的茎环(stem-loop)结构或发卡(hairpin)结构。,（
17、二）tRNA具有茎环结构,tRNA的二级结构三叶草形,氨基酸臂DHU环反密码环TC环附加叉,tRNA的倒L三级结构,tRNA的3-末端都是以CCA结尾。3-末端的A与氨基酸共价连结，tRNA成为了氨基酸的载体。不同的tRNA可以结合不同的氨基酸。,（三）tRNA的3-末端连接氨基酸,tRNA的反密码子环上有一个由三个核苷酸构成的反密码子(anticodon)。tRNA上的反密码子依照碱基互补的原则识别mRNA上的密码子。,（四）tRNA的反密码子识别mRNA的密码子,*tRNA的功能活化、搬运氨基酸到核糖体，参与蛋白质的翻译。,核蛋白体RNA(ribosomal RNA，rRNA)是细胞内含量
18、最多的RNA(80)。rRNA与核蛋白体蛋白结合组成核蛋白体(ribosome)，为蛋白质的合成提供场所。,三、以rRNA为组分的核蛋白体是蛋白质合成的场所,核蛋白体的组成,大肠杆菌的核蛋白体,18S rRNA的二级结构,蛋白质合成时形成的复合体,RNA组学是研究细胞内snmRNA的种类、结构和功能。同一生物体内不同种类的细胞、同一细胞在不同时空状态下snmRNAs表达谱的变化，以及与功能之间的关系。,四、snmRNA参与了基因表达的调控,细胞的不同部位存在的许多其他种类的小分子RNA，统称为非mRNA小RNA(small non-messenger RNAs,snmRNAs)。,snmRNA
19、s,核内小RNA核仁小RNA胞质小RNA催化性小RNA小片段干涉 RNA,参与hnRNA的加工剪接,snmRNAs的种类,snmRNAs的功能,核酶,某些小RNA分子具有催化特定RNA降解的活性，这种具有催化作用的小RNA亦被称为核酶(ribozyme)或催化性RNA(catalytic RNA)。,siRNA是生物宿主对外源侵入的基因表达的双链RNA进行切割所产生的特定长度和特定核酸序列的小片段RNA。siRNA可以与外源基因表达的mRNA相结合，并诱发这些mRNA的降解。基于此机理，人们发明了RNA干扰(RNA interference，RNAi)技术。,小片段干扰RNA,原核生物基因表达
20、的特异性,五、核酸在真核细胞和原核细胞中表现了不同的时空特性,真核生物基因表达的特异性,核酸的理化性质The Physical and Chemical Characters of Nucleic Acid,第四节,核酸的酸碱及溶解度性质核酸为多元酸，具有较强的酸性。核酸的高分子性质粘度：DNARNA dsDNA ssDNA沉降行为:不同构象的核酸分子的沉降的速率有很大差异，这是超速离心法提取和纯化核酸的理论基础。,核酸在波长 260nm 处有强烈的吸收，是由碱基的共轭双键所决定的。这一特性常用作核酸的定性和定量分析。,一、核酸分子具有强烈的紫外吸收,碱基的紫外吸收光谱,DNA或RNA的定量A
21、260=1.0 相当于 50g/ml 双链DNA(dsDNA)40g/ml 单链DNA(ssDNA or RNA)20g/ml 寡核苷酸确定样品中核酸的纯度 纯 DNA:A260/A280=1.8纯 RNA:A260/A280=2.0,紫外吸收的应用,二、DNA变性是双链解离为单链的过程,在某些理化因素作用下，DNA双链互补碱基对之间的氢键发生断裂，DNA双链解开成两条单链的过程。,定义,DNA变性的本质是双链间氢键的断裂。,协同性的DNA解链,高温或极端的pH,DNA的变性,部分变性DNA的电镜图像,增色效应(hyperchromic effect)：DNA变性时其溶液OD260增高的现象。
22、,DNA解链时的紫外吸收变化,DNA的解链曲线,连续加热DNA的过程中以温度相对于A260值作图，所得的曲线称为解链曲线。,解链过程中，紫外吸光度的变化达到最大变化值的一半时所对应的温度。,解链温度(melting temperature，Tm),G+C 含量越高，解链温度就越高。,解链曲线的变化,三、变性的核酸可以复性或形成杂交双链,当变性条件缓慢地除去后，两条解离的互补链可重新配对，恢复原来的双螺旋结构，这一现象称为DNA复性(renaturation)。,减色效应：DNA复性时，其溶液OD260降低。,热变性的DNA经缓慢冷却后即可复性，这一过程称为退火(annealing)。,不同种类
23、的DNA单链分子或RNA分子放在同一溶液中，只要两种单链分子之间存在着一定程度的碱基配对关系，在适宜的条件可以在不同的分子间形成杂化双链(heteroduplex)。这种杂化双链可以在不同的DNA与DNA之间形成，也可以在DNA和RNA分子间或者RNA与RNA分子间形成。这种现象称为核酸分子杂交。,核酸分子杂交(hybridization),核酸分子杂交,研究DNA分子中某一种基因的位置。鉴定两种核酸分子间的序列相似性。检测某些专一序列在待检样品中存在与否。,核酸分子杂交的应用,第五节 核酸酶 Nuclease,依据底物不同分类DNA酶(deoxyribonuclease,DNase)：专一降
24、解DNA。RNA酶(ribonuclease,RNase)：专一降解RNA。依据切割部位不同核酸内切酶：分为限制性核酸内切酶和非特异性限制性核酸内切酶。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。,5,5,3,3,外切位点,外切位点,内切位点,内切位点,参与DNA的合成、修复以及RNA的剪接。清除多余的、结构和功能异常的核酸，以及侵入细胞的外源性核酸。降解食物中的核酸。体外重组DNA技术中的重要工具酶。,核酸酶的功能,复习思考题,1、蛋白质的pI2、肽键 3、什么是蛋白质的变性作用？有那些特征？通常是由哪些因素造成的？4、试述蛋白质一二三四级结构的概念、特点及维持其稳定的化学键。,
