生物化学-第八版-第二章-核酸的结构与功能.ppt

目录目录生物化学与分子生物学生物化学与分子生物学目录目录第二章第二章核酸的结构和功能核酸的结构和功能Structure and Function of Nucleic Acid核核 酸酸(nucleic acid)是以核苷酸为基本组成单位的生物大是以核苷酸为基本组成单位的生物大分子，携带和传递遗传信息。分子，携带和传递遗传信息。目录目录l1868年年 Fridrich Miescher 从脓细胞中提取核素。从脓细胞中提取核素。l1944年年 Avery等人证实等人证实DNA是遗传物质。是遗传物质。l1953年年 Watson和和Crick发现发现DNA的双螺旋结构。的双螺旋结构。l1968年年 Nirenberg发现遗传密码。发现遗传密码。l1975年年 Temin和和Baltimore发发现逆转录酶。现逆转录酶。l1981年年 Gilbert和和Sanger建建立立DNA测序方法。测序方法。l1985年年 Mullis发明发明PCR技术。技术。l1990年年 美国启动人类基因组计划美国启动人类基因组计划(HGP)。l1994年年 中国人类基因组计划启动。中国人类基因组计划启动。l2001年年 美英等国完成人类基因组计划。美英等国完成人类基因组计划。n核酸研究的发展简史核酸研究的发展简史n核酸的分类及分布核酸的分类及分布 存在存在于细胞核和于细胞核和线粒体线粒体 分布于细胞核、细胞质、分布于细胞核、细胞质、线粒体线粒体(deoxyribonucleic acid,DNA)(ribonucleic acid,RNA)脱氧核糖核酸脱氧核糖核酸 核糖核酸核糖核酸携带遗传信息，并通过复制传递携带遗传信息，并通过复制传递给下一代。给下一代。是是DNADNA转录的产物，参与遗传信转录的产物，参与遗传信息的复制与表达。某些病毒息的复制与表达。某些病毒RNARNA也可作为遗传信息的载体也可作为遗传信息的载体第一节第一节核酸的化学组成以及一级结构核酸的化学组成以及一级结构The Chemical Component and Primary Structure of Nucleic Acid目录目录核酸核酸(DNA和和RNA)核苷酸核苷酸核苷和脱氧核苷核苷和脱氧核苷磷酸磷酸戊糖戊糖碱基碱基嘌呤嘌呤嘧啶嘧啶核糖核糖脱氧核糖脱氧核糖n核酸组成核酸组成 DNA的组成单位是脱氧核糖核苷酸（的组成单位是脱氧核糖核苷酸（deoxyribonucleotide）RNA的组成单位是核糖核苷酸（的组成单位是核糖核苷酸（ribonucleotide）。）。n分子组成分子组成碱基碱基(base)：嘌呤碱，嘧啶碱：嘌呤碱，嘧啶碱戊糖戊糖(ribose)：核糖，脱氧核糖：核糖，脱氧核糖磷酸磷酸(phosphate)一、核苷酸是构成核酸的基本组成单位一、核苷酸是构成核酸的基本组成单位目录目录碱基碱基(base)是含氮的杂环化合物。是含氮的杂环化合物。碱基碱基嘌呤嘌呤嘧啶嘧啶腺嘌呤腺嘌呤鸟嘌呤鸟嘌呤尿嘧啶尿嘧啶胸腺嘧啶胸腺嘧啶胞嘧啶胞嘧啶存在于存在于DNA和和RNA中中仅存在于仅存在于RNA中中仅存在于仅存在于DNA中中n碱基碱基嘌呤嘌呤(purine，Pu)腺嘌呤腺嘌呤(adenine,A)鸟嘌呤鸟嘌呤(guanine,G)嘧啶嘧啶(pyrimidine，Py)胞嘧啶胞嘧啶(cytosine,C)尿嘧啶尿嘧啶(uracil,U)胸腺嘧啶胸腺嘧啶(thymine,T)目录目录n碱基的互变异构体碱基的互变异构体 n戊糖戊糖（构成（构成RNA）12345-D-核糖核糖(ribose)（构成（构成DNA）-D-2脱氧核糖脱氧核糖(deoxyribose)目录目录n脱氧核苷脱氧核苷嘌呤嘌呤N-9 与脱氧核糖与脱氧核糖C-1 通过通过-N-糖苷键糖苷键相连相连形成形成脱氧核苷脱氧核苷(deoxyribonucleoside)。目录目录 嘧啶嘧啶N-1-1与核糖与核糖C-1C-1 通过通过-N-糖苷键糖苷键相连形相连形成成核苷核苷(ribonucleoside)。n核苷核苷NNNN9NH2OOHOHHHHCH2OHH12糖苷键糖苷键目录目录核苷或脱氧核苷与磷酸通过核苷或脱氧核苷与磷酸通过酯键酯键结合构成结合构成核苷酸核苷酸(ribonucleotide)或或脱氧核苷酸脱氧核苷酸(deoxyribonucleotide)。n核苷酸核苷酸(ribonucleotide)NNNN9NH2OO HO HHHHCH2H1 2OPO-HOO糖苷键糖苷键酯键酯键目录目录n多磷酸核苷酸多磷酸核苷酸环化核苷酸：环化核苷酸：cAMP、cGMP，是细胞信是细胞信号转导中的第二信使。号转导中的第二信使。cAMPn核苷酸衍生物核苷酸衍生物目录目录生物氧化体系的重要成分，在传递质子或电子的生物氧化体系的重要成分，在传递质子或电子的过程中具有重要的作用。过程中具有重要的作用。烟酰胺腺嘌呤二核苷酸，烟酰胺腺嘌呤二核苷酸，nicotinamide adenine dinucleotide,NAD+），），目录目录n 构成构成RNA的碱基、核苷以及核苷酸的碱基、核苷以及核苷酸碱基碱基 核苷核苷 核苷酸核苷酸A 腺苷腺苷adenosine 腺苷一磷酸腺苷一磷酸adenosine monophosphate,AMPG 鸟苷鸟苷guanosine 鸟苷一磷酸鸟苷一磷酸guanosine monophosphate,GMPC 胞苷胞苷cytidine 胞苷一磷酸胞苷一磷酸cytidine monophosphate,CMPU 尿苷尿苷uridine 尿苷一磷酸尿苷一磷酸uridine monophosphate,UMP目录目录n 构成构成DNA的碱基、核苷、核苷酸的碱基、核苷、核苷酸碱基碱基 脱氧核苷脱氧核苷脱氧核苷酸脱氧核苷酸A脱氧腺苷脱氧腺苷 deoxyadenosine脱氧腺苷一磷酸脱氧腺苷一磷酸deoxyadenosine monophosphate,dAMPG脱氧鸟苷脱氧鸟苷deoxyguanosine脱氧鸟苷一磷酸脱氧鸟苷一磷酸deoxyguanosine monophosphate,dGMPC脱氧胞苷脱氧胞苷deoxycytidine脱氧胞苷一磷酸脱氧胞苷一磷酸deoxycytidine monophosphate,dCMPT脱氧胸苷脱氧胸苷deoxythymidine或或thymidine脱氧胸苷一磷酸脱氧胸苷一磷酸deoxythymidine monophosphate,dTMP二、二、DNA是脱氧核苷酸通过是脱氧核苷酸通过3,5-磷酸二磷酸二酯键连接形成的大分子酯键连接形成的大分子一一个个脱脱氧氧核核苷苷酸酸3 3 的的羟羟基基与与另另一一个个核核苷苷酸酸5 5 的的-磷磷酸酸基基团团缩缩合合形形成成磷磷酸酸二二酯酯键键(phosphodiester bond)。多多个个脱脱氧氧核核苷苷酸酸通通过过磷磷酸酸二二酯酯键键构构成成了了具具有有方方向向性性的的线线性性分分子子，称称为为多多聚聚脱脱氧氧核核苷苷酸酸(polydeoxynucleotide)，即即DNA链链。目录目录5-末末端端3-末末端端CGA磷酸二酯键磷酸二酯键磷酸二酯键磷酸二酯键目录目录交交替替的的磷磷酸酸基基团团和和戊戊糖糖 构构 成成 了了 DNA的的 骨骨 架架 (backbone)。DNA链的方向是链的方向是5 5 3 3 目录目录三、三、RNA也是具有也是具有3,5-磷酸二酯磷酸二酯键的线性大分子键的线性大分子RNA也也是是多多个个核核苷苷酸酸分分子子通通过过3,5-磷磷酸酸二二酯酯键键连连接接形形成成的的线线性性大大分分子子，也也具具有有5 3 方向性方向性;RNA的戊糖是核糖；的戊糖是核糖；RNA的嘧啶是胞嘧啶和尿嘧啶。的嘧啶是胞嘧啶和尿嘧啶。构构成成RNA的的四四种种基基本本核核苷苷酸酸是是AMP、GMP、CMP和和UMP。n定义定义核核酸酸中中核核苷苷酸酸的的排排列顺序。列顺序。由由于于核核苷苷酸酸间间的的差差异异主主要要是是碱碱基基不不同同，所所以也称为以也称为碱基序列碱基序列。5 5 端端3 3 端端CGA四、核酸的一级结构是四、核酸的一级结构是核苷酸的排列顺序核苷酸的排列顺序目录目录A G P5 P T PG PC PT P OH 3 n核酸的一级结构核酸的一级结构5 pApCpTpGpCpT-OH 3 5 A C T G C T 3 A C T G C T单单链链DNA和和RNA分分子子的的大大小小常常用用核核苷苷酸酸数数目目（nucleotide，nt）表表示示；双双链链核核酸酸分分子子的的大大小常用碱基小常用碱基(base或或kilobase)数目来表示。数目来表示。小小的的核核酸酸片片段段(80)。rRNA与与 核核 糖糖 体体 蛋蛋 白白 结结 合合 组组 成成 核核 糖糖 体体(ribosome)，为蛋白质的合成提供场所。，为蛋白质的合成提供场所。三、以三、以rRNA为组分的核糖体是蛋白为组分的核糖体是蛋白质合成的场所质合成的场所目录目录n核糖体的组成核糖体的组成原核生物（以大肠杆菌为例）原核生物（以大肠杆菌为例）真核生物（以小鼠肝为例）真核生物（以小鼠肝为例）小亚基小亚基30S40SrRNA16S1542个核苷酸个核苷酸18S1874个核苷酸个核苷酸蛋白质蛋白质21种种占总重量的占总重量的40%33种种占总重量的占总重量的50%大亚基大亚基50S60SrRNA23S5S2940个核苷酸个核苷酸120个核苷酸个核苷酸28S5.85S5S4718个核苷酸个核苷酸160个核苷酸个核苷酸120个核苷酸个核苷酸蛋白质蛋白质31种种占总重量的占总重量的30%49种种占总重量的占总重量的35%目录目录n大肠杆菌的核蛋白体大肠杆菌的核蛋白体目录目录n1818S rRNA的二级结构的二级结构目录目录四、四、其他非编码其他非编码RNA参与基因表达的调控参与基因表达的调控长长 链链 非非 编编 码码 RNA（long non-coding RNA,lncRNA）n非编码非编码RNA（Non-coding RNA,ncRNA）不编码蛋白质但具有重要生物学功能的不编码蛋白质但具有重要生物学功能的RNA分子。分子。短短链链（小小）非非编编码码RNA（small non-coding RNA,sncRNA）目录目录n ncRNA 功能功能 参与转录调控、参与转录调控、RNA的剪切和修饰、的剪切和修饰、mRNA的稳定和翻译调控、蛋白质的稳定和转运、染色的稳定和翻译调控、蛋白质的稳定和转运、染色体的形成和结构稳定等细胞重要功能体的形成和结构稳定等细胞重要功能 n lncRNA 功能功能 lncRNA在结构上类似于在结构上类似于mRNA，但序列中不存在，但序列中不存在开放读框。许多已知的开放读框。许多已知的lncRNAs由由RNA聚合酶聚合酶转录并转录并经可变剪切形成，通常被多聚腺苷酸化。经可变剪切形成，通常被多聚腺苷酸化。lncRNA具有具有复杂的生物学功能，并与一些疾病的发病机制密切相关。复杂的生物学功能，并与一些疾病的发病机制密切相关。有的有的lncRNA能使基因沉默，有的则激活基因的表达。能使基因沉默，有的则激活基因的表达。l核内小核内小RNAl核仁小核仁小RNAl胞质小胞质小RNAl催化性小催化性小RNAl小干涉小干涉 RNA l微微 RNAn短链非编码短链非编码RNA亦称为非编码小亦称为非编码小RNA（small non-messenger RNA）目录目录核内小核内小RNA（small nuclear RNA,snRNA）位于细胞核）位于细胞核内。内。snRNA有有5种，分别称为种，分别称为U1、U2、U4、U5、U6，它们与多种蛋白形成复合体，参与真核细胞它们与多种蛋白形成复合体，参与真核细胞hnRNA的内的内含子加工剪接（第十六章）。含子加工剪接（第十六章）。核仁小核仁小RNA（small nucleolar RNA,snoRNA）：定位于）：定位于核仁，主要参与核仁，主要参与rRNA的加工和修饰，如的加工和修饰，如rRNA中核糖中核糖C-2 的甲基化修饰。的甲基化修饰。胞质小胞质小RNA（small cytoplasmic RNA,scRNA）：存在）：存在于细胞质中，参与形成信号识别颗粒，引导含有信号肽于细胞质中，参与形成信号识别颗粒，引导含有信号肽的蛋白质进入内质网定位合成（第十七章）。的蛋白质进入内质网定位合成（第十七章）。目录目录催催化化性性小小RNA亦亦被被称称为为核核酶酶（ribozyme）。是是细细胞胞内内具具有有催催化化功功能能的的一一类类小小分分子子RNA，具具有有催催化化特特定定RNA降降解解的活性，在的活性，在RNA的剪接修饰中具有重要作用。的剪接修饰中具有重要作用。小小干干扰扰RNA（small interfering RNA，siRNA）是是生生物物宿宿主主对对于于外外源源侵侵入入基基因因表表达达的的双双链链RNA进进行行切切割割所所产产生生的的具具有有特特定定长长度度（2123 bp）和和特特定定序序列列的的小小片片段段RNA。这这些些siRNA可可以以单单链链形形式式与与外外源源基基因因表表达达的的mRNA相结合，并诱导相应相结合，并诱导相应mRNA降解。降解。目录目录n微微RNA（microRNAs,miRNAs）是一类长度为是一类长度为22nt左右的内源性左右的内源性sncRNA。miRNAs主要是通过结合主要是通过结合mRNA而选择性调控而选择性调控基因的表达。基因的表达。目录目录n原核生物基因表达的特异性原核生物基因表达的特异性五、核酸在真核细胞和原核细胞中五、核酸在真核细胞和原核细胞中表现出不同的时空特性表现出不同的时空特性目录目录n真核生物基因表达的特异性真核生物基因表达的特异性核酸的理化性质核酸的理化性质The Physical and Chemical Characters of Nucleic Acid第四节第四节核酸在波长核酸在波长 260nm 处有强烈的吸收，是处有强烈的吸收，是由由碱基的共轭双键碱基的共轭双键所决定的。这一特性常用作所决定的。这一特性常用作核酸的定性和定量分析。核酸的定性和定量分析。一、核酸分子具有强烈的紫外吸收一、核酸分子具有强烈的紫外吸收n碱基的紫外吸收光谱碱基的紫外吸收光谱DNA或或RNA的定量的定量A260=1.0 相当于相当于 50g/ml 双链双链DNA(dsDNA)40g/ml 单链单链DNA(ssDNA or RNA)20g/ml 寡核苷酸寡核苷酸确定样品中核酸的纯度确定样品中核酸的纯度 纯纯 DNA:A260/A280=1.8纯纯 RNA:A260/A280=2.0n紫外吸收的应用紫外吸收的应用二、二、DNA变性是双链解离为单链的过程变性是双链解离为单链的过程某些理化因素导致某些理化因素导致DNA双链互补碱基双链互补碱基对之间的氢键发生断裂，对之间的氢键发生断裂，DNA双链解离为双链解离为单链单链的过程。的过程。n定义定义DNA变性的本质是双链间氢键的断裂。变性的本质是双链间氢键的断裂。目录目录部分解链部分解链双链双链DNAnDNA的变性的变性nDNA的变性的变性n部分变性部分变性DNA的电镜图像的电镜图像增增色色效效应应(hyperchromic effect)：DNA变变性性时其溶液时其溶液OD260增高增高的现象。的现象。nDNA解链时的解链时的紫紫外吸收变化外吸收变化nDNA的解的解链链曲线曲线连连续续加加热热DNA的的过过程程中中以以温温度度相相对对于于A260值值作作图图，所所得得的的曲线称为曲线称为解链曲线解链曲线。解解链链过过程程中中，紫紫外外吸吸光光度度的的变变化化达达到到最最大大变变化化值值的的一一半半时时所所对对应应的温度。的温度。解链温度解链温度(melting temperature，Tm)G+C 含量越高，解链温度就越高。含量越高，解链温度就越高。n解链解链曲线曲线的变化的变化三、变性的核酸可以复性或形成杂交双链三、变性的核酸可以复性或形成杂交双链当当变变性性条条件件缓缓慢慢地地除除去去后后，两两条条解解离离的的互互补补链链可可重重新新配配对对，恢恢复复原原来来的的双双螺螺旋旋结结构构，这这一一现现象称为象称为DNA复性复性(renaturation)。减色效应：减色效应：DNA复性时，其溶液复性时，其溶液OD260降低。降低。热热变变性性的的DNA经经缓缓慢慢冷冷却却后后即即可可复复性性，这这一一过程称为过程称为退火退火(annealing)。不不同同种种类类的的DNA单单链链分分子子或或RNA分分子子放放在在同同一一溶溶液液中中，只只要要两两种种单单链链分分子子之之间间存存在在着着一一定定程程度度的的碱碱基基配配对对关关系系，在在适适宜宜的的条条件件可可以以在在不不同同的分子间形成的分子间形成杂化双链杂化双链(heteroduplex)。这这种种杂杂化化双双链链可可以以在在不不同同的的DNA与与DNA之之间间形形成成，也也可可以以在在DNA和和RNA分分子子间间或或者者RNA与与RNA分子间形成。这种现象称为分子间形成。这种现象称为核酸分子杂交核酸分子杂交。n核酸分子杂交核酸分子杂交(hybridization)n核酸分子复性和杂交核酸分子复性和杂交研究研究DNA分子中某一种基因的位置。分子中某一种基因的位置。监定两种核酸分子间的序列相似性。监定两种核酸分子间的序列相似性。检测靶基因在待检样品中存在与否。检测靶基因在待检样品中存在与否。n核酸分子杂交的应用核酸分子杂交的应用第五节第五节 核酸酶核酸酶 Nuclease依据底物不同分类依据底物不同分类DNA酶酶(deoxyribonuclease,DNase)：专一降解专一降解DNA。RNA酶酶(ribonuclease,RNase)：专一降解专一降解RNA。依据对底物作用方式不同依据对底物作用方式不同核酸内切酶：核酸内切酶：在在DNA或或RNA分子内部切断磷酸分子内部切断磷酸二酯键二酯键。核酸外切酶：核酸外切酶：水解核酸分子链末端的磷酸二酯键水解核酸分子链末端的磷酸二酯键。有有53或或35核酸外切酶。核酸外切酶。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。5533外切位点外切位点外切位点外切位点内切位点内切位点内切位点内切位点参与参与DNA的合成、修复以及的合成、修复以及RNA的剪接。的剪接。清清除除多多余余的的、结结构构和和功功能能异异常常的的核核酸酸，以以及及侵入细胞的外源性核酸。侵入细胞的外源性核酸。降解食物中的核酸。降解食物中的核酸。体外重组体外重组DNA技术中的重要工具酶技术中的重要工具酶。n核酸酶的功能核酸酶的功能