生化--核酸結(jié)構(gòu)與功能

1、 1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。二、核酸的分類(lèi)及分布二、核酸的分類(lèi)及分布 90%90%以上分布于細(xì)胞核，其余分布于以上分布于細(xì)胞核，其余分布于核外核外如線(xiàn)粒體，葉綠體，質(zhì)粒等。如線(xiàn)粒體，葉綠體，質(zhì)粒等。分布于胞核、胞液。分布于胞核、胞液。( DNA)( 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，決定細(xì)胞和個(gè)攜帶遺傳信息，決定細(xì)胞和個(gè)體的基因型體的基因型(genotype)。參與細(xì)胞內(nèi)參與細(xì)胞內(nèi)DNA遺傳信息的表遺傳信息的表達(dá)。某些病毒達(dá)。某些病毒

2、RNA也可作為遺也可作為遺傳信息的載體。傳信息的載體。第一節(jié)第一節(jié)核酸的化學(xué)組成及一級(jí)結(jié)構(gòu)核酸的化學(xué)組成及一級(jí)結(jié)構(gòu)The Chemical Component and Primary Structure of Nucleic Acid一、核酸的化學(xué)組成一、核酸的化學(xué)組成 1. 元素組成元素組成C、H、O、N、P2. 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)嘌呤嘌呤(purine) NNNHN123456789NNNHNNH2腺嘌呤腺嘌呤(adenine, A)NNHNHNNH

3、2O鳥(niǎo)嘌呤鳥(niǎo)嘌呤(guanine, G)堿堿 基基NNH132456嘧啶嘧啶(pyrimidine)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)NHNHOOCH3PentoseNucleosideNucleotide二、核酸的一級(jí)結(jié)構(gòu)二、核酸的一級(jí)結(jié)構(gòu)定義定義核酸中核苷酸的排列順核酸中核苷酸的排列順序序, ,也稱(chēng)為也稱(chēng)為堿基序列堿基序列。55端端3端端CGAA G P5 P T PG PC PT P OH 3 書(shū)寫(xiě)方法書(shū)寫(xiě)方法5 pApCpTpGpCpT-OH 3 5 A C T G C T 3 第二

4、節(jié)第二節(jié)DNA的空間結(jié)構(gòu)與功能的空間結(jié)構(gòu)與功能Dimensional Structure and Function of DNA一、一、 DNA的二級(jí)結(jié)構(gòu)的二級(jí)結(jié)構(gòu)雙螺旋結(jié)構(gòu)雙螺旋結(jié)構(gòu)WATSONCRICK（一）（一）DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的研究背景雙螺旋結(jié)構(gòu)的研究背景 堿基組成分析堿基組成分析Chargaff 規(guī)則：規(guī)則：A = TG C 堿基的理化數(shù)據(jù)分析堿基的理化數(shù)據(jù)分析A-T、G-C以以氫鍵氫鍵配對(duì)較合理配對(duì)較合理 DNA纖維的纖維的X-線(xiàn)衍射圖譜分析線(xiàn)衍射圖譜分析 （二）（二） DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型要點(diǎn)雙螺旋結(jié)構(gòu)模型要點(diǎn) （Watson, Crick, 1953）uDNADNA分子由兩條分

5、子由兩條相互平行但相互平行但走向相反走向相反的脫氧多核苷酸鏈的脫氧多核苷酸鏈組成，以組成，以右手螺旋右手螺旋方式繞同方式繞同一公共軸盤(pán)。螺旋直徑為一公共軸盤(pán)。螺旋直徑為2.372.37nm。u堿基垂直螺旋軸居雙螺旋內(nèi)堿基垂直螺旋軸居雙螺旋內(nèi)側(cè)，與對(duì)側(cè)堿基形成側(cè)，與對(duì)側(cè)堿基形成氫鍵配氫鍵配對(duì)對(duì)（互補(bǔ)配對(duì)形式：（互補(bǔ)配對(duì)形式：A=T; G C） 。u相鄰堿基平面距離相鄰堿基平面距離0.34nm，螺旋一圈螺距螺旋一圈螺距3.54nm，一圈，一圈10.5對(duì)堿基。對(duì)堿基。（二）（二） DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型要點(diǎn)雙螺旋結(jié)構(gòu)模型要點(diǎn) （Watson, Crick, 1953）u氫鍵氫鍵維持雙鏈橫向穩(wěn)定性，維持

6、雙鏈橫向穩(wěn)定性，堿基堆積力堿基堆積力維持雙鏈縱向穩(wěn)維持雙鏈縱向穩(wěn)定性。定性。（二）（二） DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型要點(diǎn)雙螺旋結(jié)構(gòu)模型要點(diǎn) （Watson, Crick, 1953）（三）（三）DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的多樣性雙螺旋結(jié)構(gòu)的多樣性二、二、DNA的超螺旋結(jié)構(gòu)及其在染色質(zhì)的超螺旋結(jié)構(gòu)及其在染色質(zhì)中的組裝中的組裝（一）（一）DNA的超螺旋結(jié)構(gòu)的超螺旋結(jié)構(gòu)超螺旋結(jié)構(gòu)超螺旋結(jié)構(gòu)DNA雙螺旋鏈再盤(pán)繞形成超螺旋結(jié)構(gòu)。雙螺旋鏈再盤(pán)繞形成超螺旋結(jié)構(gòu)。 正超螺旋正超螺旋 盤(pán)繞方向與盤(pán)繞方向與DNA雙螺旋方同相同雙螺旋方同相同 負(fù)超螺旋負(fù)超螺旋 盤(pán)繞方向與盤(pán)繞方向與DNA雙螺旋方向相反雙螺旋方向相反 （二）原核生物

7、（二）原核生物DNA的高級(jí)結(jié)構(gòu)的高級(jí)結(jié)構(gòu)（三）（三）DNA在真核生物細(xì)胞核內(nèi)的組裝在真核生物細(xì)胞核內(nèi)的組裝真核生物染色體由真核生物染色體由DNA和蛋白質(zhì)構(gòu)成，和蛋白質(zhì)構(gòu)成，其基本單位是其基本單位是 核小體核小體(nucleosome)。核小體的組成核小體的組成DNA：約約200bp 組蛋白：組蛋白：H1H2A，H2BH3H4三、三、DNA的功能的功能DNA的基本功能是以的基本功能是以基因基因的形式荷載遺的形式荷載遺傳信息，并作為基因復(fù)制和轉(zhuǎn)錄的模板。傳信息，并作為基因復(fù)制和轉(zhuǎn)錄的模板。是生命是生命遺傳的物質(zhì)基礎(chǔ)遺傳的物質(zhì)基礎(chǔ)，也是個(gè)體生命，也是個(gè)體生命活動(dòng)的信息基礎(chǔ)?；顒?dòng)的信息基礎(chǔ)。基因基因:

8、 指指DNA分子中的特定區(qū)段，其中分子中的特定區(qū)段，其中的核苷酸排列順序決定了基因的功能。的核苷酸排列順序決定了基因的功能?；蚪M基因組 第三節(jié)第三節(jié) RNA的結(jié)構(gòu)與功能的結(jié)構(gòu)與功能Structure and Function of RNARNA的種類(lèi)、分布、功能的種類(lèi)、分布、功能核蛋白體核蛋白體RNA信使信使RNA轉(zhuǎn)運(yùn)轉(zhuǎn)運(yùn)RNA核內(nèi)不均一核內(nèi)不均一RNA核內(nèi)小核內(nèi)小RNA胞漿小胞漿小RNA 細(xì)胞核和胞液細(xì)胞核和胞液線(xiàn)粒體線(xiàn)粒體功功能能rRNAmRNA mt rRNAtRNAmt mRNAmt tRNAHnRNASnRNASnoRNAscRNA/7SL-RNA 核蛋白體組分核蛋白體組分蛋白質(zhì)合

9、成模板蛋白質(zhì)合成模板轉(zhuǎn)運(yùn)氨基酸轉(zhuǎn)運(yùn)氨基酸成熟成熟mRNA的前體的前體參與參與hnRNA的剪接、轉(zhuǎn)運(yùn)的剪接、轉(zhuǎn)運(yùn)rRNA的加工、修飾的加工、修飾蛋白質(zhì)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)定位合成蛋白質(zhì)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)定位合成的信號(hào)識(shí)別體的組分的信號(hào)識(shí)別體的組分核仁小核仁小RNA核蛋白體核蛋白體RNA信使信使RNA轉(zhuǎn)運(yùn)轉(zhuǎn)運(yùn)RNA核內(nèi)不均一核內(nèi)不均一RNA核內(nèi)小核內(nèi)小RNA胞漿小胞漿小RNA 細(xì)胞核和胞液細(xì)胞核和胞液線(xiàn)粒體線(xiàn)粒體功功能能rRNAmRNA mt rRNAtRNAmt mRNAmt tRNAHnRNASnRNASnoRNAscRNA/7SL-RNA 核蛋白體組分核蛋白體組分蛋白質(zhì)合成模板蛋白質(zhì)合成模板轉(zhuǎn)運(yùn)氨基酸轉(zhuǎn)運(yùn)氨基酸成熟成

10、熟mRNA的前體的前體參與參與hnRNA的剪接、轉(zhuǎn)運(yùn)的剪接、轉(zhuǎn)運(yùn)rRNA的加工、修飾的加工、修飾蛋白質(zhì)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)定位合成蛋白質(zhì)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)定位合成的信號(hào)識(shí)別體的組分的信號(hào)識(shí)別體的組分核仁小核仁小RNA一一 、信使、信使RNA的結(jié)構(gòu)與功能的結(jié)構(gòu)與功能hnRNA 內(nèi)含子內(nèi)含子( (intron) )mRNA * mRNA成熟過(guò)程成熟過(guò)程 外顯外顯子子( (exon) )* * mRNA結(jié)構(gòu)特點(diǎn)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)1. 大多數(shù)真核大多數(shù)真核mRNA的的5 末端均在轉(zhuǎn)錄后加上末端均在轉(zhuǎn)錄后加上一個(gè)一個(gè)7-甲基鳥(niǎo)苷，同時(shí)第一個(gè)核苷酸的甲基鳥(niǎo)苷，同時(shí)第一個(gè)核苷酸的C 2也也是甲基化，形成帽子結(jié)構(gòu)：是甲基化，形成帽子結(jié)構(gòu)：m7G

11、pppNm-。2. 大多數(shù)真核大多數(shù)真核mRNA的的3 末端有一個(gè)多聚腺苷酸末端有一個(gè)多聚腺苷酸(polyA)結(jié)構(gòu)，稱(chēng)為多聚結(jié)構(gòu)，稱(chēng)為多聚A尾。尾。帽子結(jié)構(gòu)帽子結(jié)構(gòu)mRNA核內(nèi)向胞質(zhì)的轉(zhuǎn)位核內(nèi)向胞質(zhì)的轉(zhuǎn)位mRNA的穩(wěn)定性維系的穩(wěn)定性維系翻譯起始的調(diào)控翻譯起始的調(diào)控 帽子結(jié)構(gòu)和多聚帽子結(jié)構(gòu)和多聚A尾的功能尾的功能DNAmRNA蛋白蛋白轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)錄翻譯翻譯* mRNA的功能的功能 把把DNA所攜帶的遺所攜帶的遺傳信息，按堿基互補(bǔ)配傳信息，按堿基互補(bǔ)配對(duì)原則，抄錄并傳送至對(duì)原則，抄錄并傳送至核糖體，用以決定其合核糖體，用以決定其合成蛋白質(zhì)的氨基酸排列成蛋白質(zhì)的氨基酸排列順序。順序。* tRNA的一級(jí)結(jié)構(gòu)

12、特點(diǎn)的一級(jí)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)核苷酸殘基數(shù)在核苷酸殘基數(shù)在6090之間；之間；含含 1020% 稀有堿基，如稀有堿基，如 DHU 3末端為末端為 CCA-OH 5末端大多數(shù)為末端大多數(shù)為pG二、轉(zhuǎn)運(yùn)二、轉(zhuǎn)運(yùn)RNA的結(jié)構(gòu)與功能的結(jié)構(gòu)與功能 稀有堿基稀有堿基 * tRNA的二級(jí)結(jié)構(gòu)的二級(jí)結(jié)構(gòu)三葉草形三葉草形 氨基酸臂氨基酸臂 DHU環(huán)環(huán) 反密碼環(huán)反密碼環(huán) 額外環(huán)額外環(huán) TC環(huán)環(huán)* tRNA的三級(jí)結(jié)構(gòu)的三級(jí)結(jié)構(gòu) 倒倒L形形* tRNA的功能的功能活化、搬運(yùn)氨基活化、搬運(yùn)氨基酸到核糖體，參與蛋酸到核糖體，參與蛋白質(zhì)的翻譯。白質(zhì)的翻譯。* rRNA的結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)三、核蛋白體三、核蛋白體RNA的結(jié)構(gòu)與功能的結(jié)構(gòu)與功能*

13、 rRNA的功能的功能參與組成核蛋白參與組成核蛋白體，作為蛋白質(zhì)生物體，作為蛋白質(zhì)生物合成的場(chǎng)所。合成的場(chǎng)所。* rRNA的種類(lèi)（根據(jù)沉降系數(shù)）的種類(lèi)（根據(jù)沉降系數(shù)）真核生物真核生物5S rRNA28S rRNA5.8S rRNA18S rRNA原核生物原核生物5S rRNA23S rRNA16S rRNA四四 、其他非編碼、其他非編碼RNA除了上述三種除了上述三種RNA外，細(xì)胞的不同部位外，細(xì)胞的不同部位存在的許多其他種類(lèi)的小分子存在的許多其他種類(lèi)的小分子RNA，統(tǒng)稱(chēng)為，統(tǒng)稱(chēng)為非編碼非編碼RNA(non-coding RNAs, nmRNAs)。 ncRNAs核核 酸酸 的的 理理 化化 性

14、性 質(zhì)質(zhì)The Physical and Chemical Characters of Nucleic Acid第第 四四 節(jié)節(jié)一一.核酸的紫外吸收核酸的紫外吸收1. DNA或或RNA的定量的定量OD260=1.0相當(dāng)于相當(dāng)于50 g/ml雙鏈雙鏈DNA40g/ml單鏈單鏈DNA（或（或RNA）20g/ml寡核苷酸寡核苷酸2.判斷核酸樣品的純度判斷核酸樣品的純度DNA純品純品: OD260/OD280 = 1.8RNA純品純品: OD260/OD280 = 2.0OD260的應(yīng)用的應(yīng)用二、二、DNA的變性的變性(denaturation)定義定義：在某些理化因素作用下，在某些理化因素作用下，D

15、NA雙鏈解開(kāi)雙鏈解開(kāi)成兩條單鏈的過(guò)程。成兩條單鏈的過(guò)程。理化因素：理化因素：過(guò)量酸，堿，加熱，變性試劑如尿素過(guò)量酸，堿，加熱，變性試劑如尿素以及某些有機(jī)溶劑如乙醇、丙酮等。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：變性后其它理化性質(zhì)變化：OD260增高增高粘度下降粘度下降比旋度下降比旋度下降浮力密度升高浮力密度升高酸堿滴定曲線(xiàn)改變酸堿滴定曲線(xiàn)改變生物活性喪失生物活性喪失DNADNA變性的本質(zhì)是雙鏈間氫鍵的斷裂變性的本質(zhì)是雙鏈間氫鍵的斷裂例：變性引起紫外吸收值的改變例：變性引起紫外吸收值的改變DNA的紫外吸收光譜的紫外吸收光譜增色效應(yīng)：增色效應(yīng)：DNA變性時(shí)其溶液變性時(shí)其溶液OD2

16、60增高的現(xiàn)象。增高的現(xiàn)象。 Tm：紫外光吸收值紫外光吸收值達(dá) 到 最 大 變 化 值 的達(dá) 到 最 大 變 化 值 的5 0 % 時(shí) 的 溫 度 稱(chēng) 為時(shí) 的 溫 度 稱(chēng) 為DNA的解鏈溫度，又的解鏈溫度，又稱(chēng)融解溫度稱(chēng)融解溫度(Tm)。其。其大小與大小與G+C含量成正含量成正比。比。三、三、DNA的復(fù)性與分子雜交的復(fù)性與分子雜交 DNA復(fù)性復(fù)性(renaturation) 在適當(dāng)條件下，變性在適當(dāng)條件下，變性DNADNA的兩條互補(bǔ)鏈可恢復(fù)天然的雙螺旋構(gòu)象，稱(chēng)的兩條互補(bǔ)鏈可恢復(fù)天然的雙螺旋構(gòu)象，稱(chēng)為為復(fù)性復(fù)性。減色效應(yīng)減色效應(yīng)DNA復(fù)性時(shí)，其溶液復(fù)性時(shí)，其溶液OD260降低。降低。熱變性的熱

17、變性的DNA經(jīng)緩慢冷卻后即可復(fù)性，經(jīng)緩慢冷卻后即可復(fù)性，稱(chēng)為稱(chēng)為退火退火(annealing) 。在在DNA變性后的復(fù)性過(guò)程中，將不同種變性后的復(fù)性過(guò)程中，將不同種類(lèi)的類(lèi)的DNA單鏈分子或單鏈分子或RNA分子放在同一溶液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中，只要兩種單鏈分子之間存在著一定程度的堿基配對(duì)關(guān)系，在適宜的條件（溫度及離的堿基配對(duì)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子強(qiáng)度）下，就可以在不同的分子間形成雜雜化雙鏈化雙鏈(heteroduplex)。核酸分子雜交核酸分子雜交(hybridization) DNA-DNA雜交雙鏈分子雜交雙鏈分子

18、變性變性 復(fù)性復(fù)性 不同來(lái)源的不同來(lái)源的DNA分子分子核酸分子雜交的應(yīng)用核酸分子雜交的應(yīng)用研究研究DNA分子中某一種基因的位置分子中某一種基因的位置測(cè)定兩種核酸分子間的序列相似性測(cè)定兩種核酸分子間的序列相似性檢測(cè)某些專(zhuān)一序列在待檢樣品中存在與否檢測(cè)某些專(zhuān)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)是基因芯片技術(shù)的基礎(chǔ) 第第 五五 節(jié)節(jié) 核核 酸酸 酶酶 Nuclease核酸酶核酸酶是指所有可以水解核酸的酶是指所有可以水解核酸的酶依據(jù)底物不同分類(lèi)依據(jù)底物不同分類(lèi) DNA酶酶(DNase)：專(zhuān)一降解專(zhuān)一降解DNA。 RNA酶酶 (RNase)：專(zhuān)一降解專(zhuān)一降解RNA。依據(jù)切割部位不同依據(jù)切割部位不同 核酸內(nèi)切酶：核酸內(nèi)切酶：分為限制性核酸內(nèi)切酶和非特異性分為限制性核酸內(nèi)切酶和非特異性限制性核酸內(nèi)切酶。限制性核酸內(nèi)切酶。 核酸外切酶：核酸外切酶：5 3 或或3 5 核酸外切酶。核酸外切酶。u 參與參與DNADNA的合成與修復(fù)及的合成與修復(fù)及RNARNA合成后的剪接等重要合成后的剪接等重要基因復(fù)制和基因表達(dá)過(guò)程基因復(fù)制和基因表達(dá)