02NucleicAcids.pptx

Chapter 2 Structure and Function of Nucleic Acid核酸核酸是以是以单单核苷酸核苷酸为基本组成单位的为基本组成单位的一类一类大分大分子酸性子酸性物质物质，其功能是携带和传递遗传信息。，其功能是携带和传递遗传信息。包括包括核糖核酸核糖核酸（ribonucleic acid,RNA）和和脱氧核糖核酸脱氧核糖核酸（deoxyribonucleic acid,DNA）两大类。）两大类。Whats nucleic acid?核酸的分类及分布核酸的分类及分布 90%90%以以上上分分布布于于细细胞胞核核，其其余余分分布布于于核外核外如线粒体，叶绿体，质粒等。如线粒体，叶绿体，质粒等。分布于胞核、胞液。分布于胞核、胞液。(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，决定细胞和个携带遗传信息，决定细胞和个体的基因型体的基因型(genotype)。参与细胞内参与细胞内DNA遗传信息的表遗传信息的表达。某些病毒达。某些病毒RNA也可作为遗也可作为遗传信息的载体。传信息的载体。核酸的化学组成及一级结构核酸的化学组成及一级结构DNA的空间结构与功能的空间结构与功能RNARNA的结构与功能的结构与功能核酸的理化性质核酸的理化性质Section 1 The Chemical Component and Primary Structure of Nucleic Acid核酸的化学组成核酸的化学组成 1.元素组成元素组成C、H、O、N、P（910%）2.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)1.嘧啶嘧啶(pyrimidine)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)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 2.嘌呤嘌呤(purine)腺嘌呤腺嘌呤(adenine,A)鸟嘌呤鸟嘌呤(guanine,G)3.3.戊糖与核苷戊糖与核苷（构成（构成RNA）12345核糖核糖(ribose)（构成（构成DNA）脱氧核糖脱氧核糖(deoxyribose)H（1 1）戊糖）戊糖(pentose)(pentose)：（2）核苷）核苷(nucleoside)：核苷核苷是由戊糖与含氮碱基经脱水缩合而生成是由戊糖与含氮碱基经脱水缩合而生成的化合物。的化合物。在大多数情况下，核苷是由核糖或脱氧核糖在大多数情况下，核苷是由核糖或脱氧核糖的的C1-羟基羟基与与嘧啶碱嘧啶碱N1或或嘌呤碱嘌呤碱N9的氢的氢原子原子进行缩合，故生成的化学键称为进行缩合，故生成的化学键称为，N-糖苷键糖苷键。核苷：核苷：AR,GR,UR,CR脱氧核苷：脱氧核苷：dAR,dGR,dTR,dCR腺苷腺苷(AR)脱氧胞苷脱氧胞苷(dCR)1,N9-糖苷键糖苷键 1,N1-糖苷糖苷键键1 1 N9N1OH “稀有核苷稀有核苷”是由是由“稀有碱基稀有碱基”所生成的核所生成的核苷。苷。4、核苷酸的结构与命名、核苷酸的结构与命名核苷酸核苷酸(nucleotide)是由核苷与磷酸经脱水缩合是由核苷与磷酸经脱水缩合后生成的磷酸酯类化合物，包括后生成的磷酸酯类化合物，包括核糖核苷酸核糖核苷酸和和脱氧核糖核苷酸脱氧核糖核苷酸两大类。两大类。最常见的核苷酸是最常见的核苷酸是5-核苷酸核苷酸（5 常被省略）常被省略），即由核糖或脱氧核糖的，即由核糖或脱氧核糖的C5 上的游离上的游离OH与与磷酸酯化而成。磷酸酯化而成。5 -核苷酸的分子结构核苷酸的分子结构 5-核苷酸又可按其在核苷酸又可按其在5 位缩合的磷酸基的多少，位缩合的磷酸基的多少，分为一磷酸核苷（核苷酸）、二磷酸核苷和三磷酸核苷。分为一磷酸核苷（核苷酸）、二磷酸核苷和三磷酸核苷。环核苷酸的分子结构环核苷酸的分子结构环一磷酸腺苷环一磷酸腺苷 环一磷酸鸟苷环一磷酸鸟苷 核苷酸的命名及缩写符号核苷酸的命名及缩写符号脱氧脱氧碱基碱基磷酸基数目磷酸基数目磷酸磷酸dAMPGDTTCU二、核酸的一级结构是核苷酸的排列顺序二、核酸的一级结构是核苷酸的排列顺序 一分子核苷酸的一分子核苷酸的3-位羟基与另一分位羟基与另一分子核苷酸的子核苷酸的5-位磷酸基通过脱水可形位磷酸基通过脱水可形成成3,5-磷酸二酯键磷酸二酯键，从而将两分子，从而将两分子核苷酸连接起来。核苷酸连接起来。3,5-3,5-磷酸二酯键的形成磷酸二酯键的形成多核苷酸链多核苷酸链核核酸酸就就是是由由许许多多核核苷苷酸酸单单位位通通过过3,5-磷磷酸酸二二酯酯键键连连接接起起来来形形成成的的不不含含侧侧链的长链状化合物。链的长链状化合物。核核酸酸是是具具有有方方向向性性的的长长链链状状化化合合物物，多多核核苷苷酸酸链链的的两两端端，一一端端称称为为5-端端，另一端称为另一端称为3-端。端。55端端3端端CGADNA分子主要由分子主要由dAMP、dGMP、dCMP和和dTMP四种脱氧核糖核苷酸所组成。四种脱氧核糖核苷酸所组成。DNA的一级结构的一级结构就是指就是指DNA分子中脱氧核糖核分子中脱氧核糖核苷酸的排列顺序及连接方式苷酸的排列顺序及连接方式(3,5-磷酸二酯键磷酸二酯键)。RNA分子主要由分子主要由AMP，GMP，CMP，UMP四种四种核糖核苷酸组成。核糖核苷酸组成。RNA的一级结构的一级结构就是指就是指RNA分子中核糖核苷酸的分子中核糖核苷酸的排列顺序及连接方式。排列顺序及连接方式。DNA的一级结构：的一级结构：5-AGTCCATG-3 AGTCCATG 3-TCAGGTAC-5 RNA的一级结构：的一级结构：5-AGUCCAUG-3 AGUCCAUG 核酸一级结构的表示方法核酸一级结构的表示方法DNADNA与与RNARNA的区别的区别 DNARNA戊糖戊糖脱氧脱氧核糖核糖核糖核糖碱基碱基A、G、C、TA、G、C、U核苷酸核苷酸dAMP、dGMP、dCMP、dTMPAMP、GMP、CMP、UMP部位部位细胞核和线粒体细胞核和线粒体细胞质、细胞核和线粒体细胞质、细胞核和线粒体功能功能携带遗传信息，决定着携带遗传信息，决定着细胞和个体的遗传型细胞和个体的遗传型参与遗传信息的复制与表参与遗传信息的复制与表达达 Section 2 Dimensional Structure and Function of DNA一、一、DNADNA的二级结构是的二级结构是双螺旋结构双螺旋结构DNA双螺旋结构是双螺旋结构是DNA二级结构的一二级结构的一种重要形式，它是种重要形式，它是Watson和和Crick两位两位科学家于科学家于1953年提年提出来的一种结构模型出来的一种结构模型（获（获1962年度诺贝年度诺贝尔奖）。尔奖）。JamesWatson(L)andFrancisCrick(R),andthemodeltheybuiltofthestructureofDNAChargaff Chargaff 规则规则19501953，Chargaff研究小组对研究小组对DNA的的化学组成进行了分析研究，发现：化学组成进行了分析研究，发现：DNA碱基组成有物种差异，且物种亲缘关系碱基组成有物种差异，且物种亲缘关系越远，差异越大；越远，差异越大；相同物种，不同组织器官中相同物种，不同组织器官中DNA碱基组成相碱基组成相同，而且不因年龄、环境及营养而改变；同，而且不因年龄、环境及营养而改变；DNA分子中四种碱基的摩尔百分比具有一定分子中四种碱基的摩尔百分比具有一定的规律性，即的规律性，即A=T、G=C、A+G=T+C。这一这一规律被称为规律被称为Chargaff规则。规则。（二）（二）DNADNA双螺旋结构模型的要点：双螺旋结构模型的要点：目目前前已已知知DNA双双螺螺旋旋结结构构可可分分为为A、B、C、D及及Z型型等等数数种种，除除Z型型为为左左手手双双螺螺旋旋外外，其其余余均均为为 右右 手手 双双 螺螺 旋旋。Watson和和Crick 模型结构为模型结构为B型型。B B型型DNADNA双螺旋结构模式图双螺旋结构模式图B B型双螺旋型双螺旋DNADNA的结构特征的结构特征 碱碱基基配配对对及及氢氢键键形形成成1.为为右手、反平行双螺旋右手、反平行双螺旋；2.2.主链位于螺旋外侧，碱基位于内侧主链位于螺旋外侧，碱基位于内侧；3.3.两两条条链链间间存存在在碱碱基基互互补补：A A与与T T或或G G与与C C配配对对形形成成氢氢键键，称称为为碱碱基基互互补补原原则则（A A与与T T为为两两个个氢氢键键，G G与与C C为为三三个氢键）；个氢键）；4.4.螺螺旋旋的的稳稳定定因因素素为为氢氢键键（横横向向）和和疏疏水水性性的的碱碱基基堆积力（纵向），堆积力（纵向），后者更为重要。后者更为重要。5.5.螺旋的螺旋的螺距为螺距为3.54nm3.54nm，直径为，直径为2.37nm2.37nm。B型双螺旋型双螺旋DNA的结构特点的结构特点：除除B B构象构象之外，之外，DNADNA的二级结构的二级结构还包括右手双螺还包括右手双螺旋结构的旋结构的A A构象构象、C C构象构象和和D D构象构象等等多种构象，以及多种构象，以及左手双螺旋结构左手双螺旋结构的的Z Z构象构象。(三三)DNA)DNA双螺旋结构的多态性双螺旋结构的多态性二、二、DNADNA的超螺旋结构的超螺旋结构及其在染色质中的组装及其在染色质中的组装超螺旋结构超螺旋结构(superhelix 或或supercoil)DNA双螺旋链再盘绕即形成超螺旋结构。双螺旋链再盘绕即形成超螺旋结构。正超螺旋正超螺旋(positive supercoil)盘绕方向与盘绕方向与DNA双螺旋方同相同。双螺旋方同相同。负超螺旋负超螺旋(negative supercoil)盘绕方向与盘绕方向与DNA双螺旋方向相反。双螺旋方向相反。绝绝大大多多数数原原核核生生物物的的DNA都都是是共共价价封封闭闭的的环环状状双双螺螺旋旋。如如果果再再进进一一步步盘盘绕绕则则形形成成麻麻花花状状的的超超螺旋结构。螺旋结构。（一）原核生物（一）原核生物DNADNA的高级结构：的高级结构：（二）（二）DNADNA在真核生物细胞核内的组装在真核生物细胞核内的组装在在真真核核生生物物中中，双双螺螺旋旋的的DNA分分子子围围绕绕一一蛋蛋白白质质八八聚聚体体进进行行盘盘绕绕，从从而而形形成成特特殊殊的的串串珠珠状状结结构构，称称 为为 核核 小小 体体(nucleosome)。核核小小体体是是染染色色体体的的基基本组成单位。本组成单位。核小体的结构核小体的结构核小体的组成核小体的组成：DNA：约约200bp 组蛋白：组蛋白：H1、H2A，H2B、H3、H4核核小小体体、染染色色质质与与染染色色体体三、DNADNA是遗传信息的物质基础是遗传信息的物质基础DNADNA的基本功能是的基本功能是作为作为遗传信息的载遗传信息的载体体，为生物遗传信，为生物遗传信息复制以及基因信息复制以及基因信息的转录提供模板。息的转录提供模板。DNADNA分子中具有特定生物学功能的片段称为分子中具有特定生物学功能的片段称为基因（基因（genegene）。一个生物体的全部一个生物体的全部DNADNA序列称为序列称为基因组基因组（genomegenome）。基因组的大小与生物的复杂性有关，如病毒基因组的大小与生物的复杂性有关，如病毒SV40SV40的基因组大小为的基因组大小为5.1105.1103 3bpbp，大肠杆菌为，大肠杆菌为5.7105.7106 6bpbp，人为，人为3.2103.2109 9bpbp。Section 3 Structure and Function of RNARNA通常以单链形式存在，但也可形成局部的双螺通常以单链形式存在，但也可形成局部的双螺旋结构。旋结构。RNA分子的种类较多，分子大小变化较大，功能多分子的种类较多，分子大小变化较大，功能多样化。样化。主要的主要的RNA种类有：种类有：rRNA、mRNA、tRNA、HnRNA、SnRNA、SnoRNA、ScRNA等。等。RNARNA的种类、分布与功能的种类、分布与功能一、一、mRNAmRNA是蛋白质合成的模板是蛋白质合成的模板mRNA为单链核酸，在各种为单链核酸，在各种RNA分子中，其分子中，其含量最少，含量最少，但总类最多，半衰期最短。但总类最多，半衰期最短。mRNA可形成局部双螺旋结构的二级结构。可形成局部双螺旋结构的二级结构。mRNA在真核生物中的初级产物称为在真核生物中的初级产物称为HnRNA。hnRNA 内含子内含子(intron)编码编码序列序列mRNA 外显子外显子(exon)编码编码序列序列大多数真核成熟的大多数真核成熟的mRNA分子具有典型的分子具有典型的5-端的端的7-甲基鸟苷三磷酸（甲基鸟苷三磷酸（m7GTP）帽子帽子结构和结构和3-端的端的多聚腺苷酸多聚腺苷酸(polyA)尾巴结构。尾巴结构。真核生物真核生物mRNA 5mRNA 5-端帽子结构端帽子结构m7GTP真核生物真核生物mRNA 3mRNA 3-端的端的polyApolyA结构结构1.mRNA核内向胞质的转位核内向胞质的转位2.mRNA的稳定性维系的稳定性维系3.翻译起始的调控翻译起始的调控 帽子结构和帽子结构和多聚多聚A A尾的功能尾的功能mRNA的的功功能能是是把把核核内内DNA的的碱碱基基顺顺序序（遗遗传传信信息息）严严格格按按照照碱碱基基配配对对的的原原则则转转录录到到胞胞质质，为为蛋蛋白白质质的的合成提供合成提供模板模板(templet)。mRNA分分子子中中每每三三个个相相邻邻的的核核苷苷酸酸组组成成一一组组，在在蛋蛋白白质质翻翻译译合合成成时时代代表表一一个个特特定定的的氨氨基基酸酸，这这种种核核苷苷酸三联体称为酸三联体称为遗传密码（遗传密码（coden)。二、二、tRNAtRNA是蛋白质合成的氨基酸载体是蛋白质合成的氨基酸载体tRNA是是分子最小分子最小，但含有，但含有稀有碱基最多稀有碱基最多（包括（包括DHU、假尿嘧啶核苷、甲基化嘌呤等）的、假尿嘧啶核苷、甲基化嘌呤等）的RNA，其稀有碱基的含量可多达其稀有碱基的含量可多达20%。tRNA是是保守性最强保守性最强的的RNA。tRNA是单链核酸，但其分子中的某些局部也可形是单链核酸，但其分子中的某些局部也可形成成双螺旋双螺旋结构。结构。（一）（一）tRNAtRNA的二级结构：的二级结构：tRNAtRNA的二级结构由于局部双螺旋的形成而呈现的二级结构由于局部双螺旋的形成而呈现“三叶草三叶草”形，故称为形，故称为“三叶草三叶草”结构结构。tRNAtRNA的的“三叶草三叶草”形结构包括：形结构包括：氨基酸臂、氨基酸臂、DHUDHU臂、反密码臂、可变臂臂、反密码臂、可变臂和和TCTC臂臂五部分。五部分。tRNAtRNA的功能是的功能是携带氨基酸携带氨基酸。携带氨基酸携带氨基酸辨认并结合氨基酰辨认并结合氨基酰tRNA合成酶合成酶识别识别mRNA上的密码上的密码识别并结合识别并结合核蛋白体核蛋白体氨基酸臂氨基酸臂DHU臂臂反密码臂反密码臂可变臂可变臂T C臂臂（二）（二）tRNAtRNA的三级结构（倒的三级结构（倒L L型）：型）：三、以三、以rRNArRNA为组份的核糖体是蛋白质合为组份的核糖体是蛋白质合成的场所成的场所rRNA是细胞中是细胞中含量最多含量最多的的RNA，占总，占总量的量的80%。rRNA与蛋白质一起构成核与蛋白质一起构成核蛋白体，作为蛋白质生物合成的场所。蛋白体，作为蛋白质生物合成的场所。四、四、snmRNAsnmRNA参与基因表达调控参与基因表达调控 细胞内不同部位存在的其他种类的小分子细胞内不同部位存在的其他种类的小分子RNARNA统称为统称为非非mRNAmRNA小小RNARNA（snmRNAsnmRNA）。RNARNA组学组学主要研究细胞中主要研究细胞中snmRNAsnmRNA的种类、的种类、结构与功能。结构与功能。snmRNAs的的功能功能参与参与hnRNA和和rRNA的加工和转运。的加工和转运。某些小分子某些小分子RNARNA具有催化特定具有催化特定RNARNA降解降解的活性，这种具有催化作用的小的活性，这种具有催化作用的小RNARNA被被称为称为核酶（核酶（ribozymeribozyme）。T.CechT.Cech和和S.Altman S.Altman 由于这一发现荣获由于这一发现荣获19891989年年NobelNobel奖。奖。siRNAsiRNA是宿主对外源基因所表达的双链是宿主对外源基因所表达的双链RNARNA进行切割后产生的特定片段的小分子进行切割后产生的特定片段的小分子RNARNA。由于发现了由于发现了siRNAsiRNA 现象和发展了现象和发展了RNAiRNAi技技术，术，A.FireA.Fire和和C.Mello C.Mello 荣获荣获20062006年年NobelNobel生理与医学奖。生理与医学奖。Section 4 The Physical and Chemical Characters of Nucleic Acid核酸除具有酸性；核酸除具有酸性；粘度大外，能吸收粘度大外，能吸收紫外光，最大吸收紫外光，最大吸收峰为峰为260nm。故常用紫外分光光故常用紫外分光光度法测定核酸的含度法测定核酸的含量。量。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二、二、DNADNA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在在理理化化因因素素作作用用下下，DNA双双螺螺旋旋的的两两条条互互补补链链松松散散而而分分开开成成为为单单链链，从从而而导导致致DNA的的理理化化性性质质及及生生物物学学性性质质发发生生改改变变，这这种种现现象象称称为为DNA的变性的变性(denaturation)。引引起起DNA变变性性的的因因素素主主要要有有：高高温温，强强酸酸强碱，强碱，有机溶剂等。有机溶剂等。增色效应增色效应(hyperchromic effect)：指指DNA变性变性后对后对260nm紫外光的光吸收度增加的现象；紫外光的光吸收度增加的现象；旋光性下降；旋光性下降；粘度降低；粘度降低；生物学功能丧失或改变。生物学功能丧失或改变。DNADNA变性后的性质改变：变性后的性质改变：加加热热DNA溶溶液液，使使其其对对260nm紫紫外外光光的的吸吸收收度度突突然然增增加加，达达到到其其最最大大值值一一半半时时的的温温度度，就就是是DNA的的变变性性温温度度（融融解解温温度度，melting temperature,Tm）。DNADNA的变性温度的变性温度Tm的的高高低低与与DNA分分子子中中G+C的的含含量量有有关关，G+C的含量越高，则的含量越高，则Tm越高越高。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将热变性后的将热变性后的DNA溶液缓慢冷却，在低于变性溶液缓慢冷却，在低于变性温度约温度约2530的条件下保温一段时间（的条件下保温一段时间（退火退火annealing），则变性的两条单链），则变性的两条单链DNA可以重新可以重新互补而形成原来的双螺旋结构并恢复原有的性互补而形成原来的双螺旋结构并恢复原有的性质。质。将变性将变性DNA经退火处理，使其重新形成双螺旋经退火处理，使其重新形成双螺旋结构的过程，称为结构的过程，称为DNA的复性的复性。两条来源不同的单链核酸（两条来源不同的单链核酸（DNA或或RNA），只要），只要它们有大致相同的互补碱基顺序，经退火处理即可它们有大致相同的互补碱基顺序，经退火处理即可复性，形成新的杂种双螺旋，这一现象称为复性，形成新的杂种双螺旋，这一现象称为核酸的核酸的分子杂交分子杂交(hybridization)。核酸杂交可以是核酸杂交可以是DNA-DNA，也可以是，也可以是DNA-RNA杂交。杂交。DNA-DNA杂交双链分子杂交双链分子变性变性 复性复性 不同来源的不同来源的DNA分子分子DNA-DNADNA-DNA杂交示意图杂交示意图DNA-RNADNA-RNA杂交示意图杂交示意图具有具有5-C-G-G-T-A-3 顺序的单链顺序的单链DNA片段能与下列哪种片段能与下列哪种RNA片段杂交？片段杂交？A.5-G-C-C-A-T-3B.5-G-C-C-A-U-3C.5-U-A-C-C-G-3D.5-T-A-G-G-C-3E.5-T-U-C-C-G-3 Section 5 Nuclease凡是能水解核酸的酶都称为凡是能水解核酸的酶都称为核酸酶核酸酶(nuclease)(nuclease)。凡能从多核苷酸链的末端开始水解核酸的酶称为凡能从多核苷酸链的末端开始水解核酸的酶称为核酸外切酶核酸外切酶；凡能从多核苷酸链中间开始水解核；凡能从多核苷酸链中间开始水解核酸的酶称为酸的酶称为核酸内切酶核酸内切酶。能识别特定的核苷酸顺序，并从特定位点水解核能识别特定的核苷酸顺序，并从特定位点水解核酸的内切酶称为酸的内切酶称为限制性核酸内切酶（限制酶，限制性核酸内切酶（限制酶，restriction enzymerestriction enzyme）。