核酸的结构与功能培训课件

目录目录1869 MiescherisolatedDNAforthefirsttime.确定了生物确定了生物遗传的物的物质基基础是是DNAn核核 酸酸(nucleic acid)是以是以核苷酸核苷酸为基本组成单位的生物大分子，为基本组成单位的生物大分子，携带和传递遗传信息。携带和传递遗传信息。1核酸的结构与功能7/2/2024n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，参与遗传信息转录的产物，参与遗传信息的复制与表达。某些病毒的复制与表达。某些病毒RNARNA也可也可作为遗传信息的载体作为遗传信息的载体2核酸的结构与功能7/2/2024第一节第一节核酸的化学组成及其一级结构核酸的化学组成及其一级结构The Chemical Component and Primary Structure of Nucleic Acid3核酸的结构与功能7/2/2024目录目录核酸的基本结构单位是核苷酸核酸的基本结构单位是核苷酸核酸核酸在核酸酶的作用下水解成在核酸酶的作用下水解成核苷酸。核苷酸。核苷酸由碱基、戊糖、磷酸组成核苷酸由碱基、戊糖、磷酸组成核苷酸核苷酸由碱基由碱基(base)、戊糖、戊糖(pentose)和磷和磷酸酸3种成分以共价键依次连接而成。种成分以共价键依次连接而成。4核酸的结构与功能7/2/2024目录目录核酸的化学组成核酸的化学组成 元素组成元素组成C、H、O、N、P（9%10%）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(pentose)：核糖，脱氧核糖：核糖，脱氧核糖 磷酸磷酸(phosphate)5核酸的结构与功能7/2/2024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 6核酸的结构与功能7/2/2024n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、一、核苷酸核苷酸是构成核酸的基本组成单位是构成核酸的基本组成单位7核酸的结构与功能7/2/2024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8核酸的结构与功能7/2/2024嘌呤嘌呤(purine，Pu)腺嘌呤腺嘌呤(adenine,A)鸟嘌呤鸟嘌呤(guanine,G)9核酸的结构与功能7/2/2024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)10核酸的结构与功能7/2/2024n戊糖戊糖（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)11核酸的结构与功能7/2/2024目录目录嘌呤嘌呤N-9-9或或嘧啶嘧啶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成相连形成核苷核苷(ribonucleoside)。n核苷核苷NNNN9NH2OOHOHHHHCH2OHH12糖苷键糖苷键11 AR,GR,UR,CR12核酸的结构与功能7/2/2024目录目录n脱氧核苷脱氧核苷嘌呤嘌呤N-9 或或嘧啶嘧啶N-1与脱氧核糖与脱氧核糖C-1 通过通过-N-糖苷键糖苷键相连形成相连形成脱氧核苷脱氧核苷(deoxyribonucleoside)。11HdAR,dGR,dTR,dCR13核酸的结构与功能7/2/2024目录目录l“稀有核苷稀有核苷”是由是由“稀有碱基稀有碱基”所生成的核苷。所生成的核苷。假尿苷（假尿苷（）1,C5-糖苷键糖苷键1C514核酸的结构与功能7/2/2024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)AMP,GMP,UMP,CMPNNNN9NH2OO HO HHHHCH2H1 2OPO-HOO糖苷键糖苷键酯键酯键脱氧核苷酸：脱氧核苷酸：dAMP,dGMP,dTMP,dCMP 15核酸的结构与功能7/2/2024目录目录n多磷酸核苷酸多磷酸核苷酸16核酸的结构与功能7/2/2024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17核酸的结构与功能7/2/2024目录目录体内重要的核苷酸衍生物体内重要的核苷酸衍生物l含核苷酸的生物活性物质：含核苷酸的生物活性物质：NAD+、NADP+、CoA-SH、FAD 等都含有等都含有 AMPNADP+NAD+18核酸的结构与功能7/2/2024二、二、DNA是脱氧核苷酸通过是脱氧核苷酸通过3,5-磷酸二酯键磷酸二酯键连接形成的大分子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。19核酸的结构与功能7/2/2024目录目录5-末端末端3-末端末端CGA磷酸二酯键磷酸二酯键磷酸二酯键磷酸二酯键20核酸的结构与功能7/2/2024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 21核酸的结构与功能7/2/2024目录目录三、三、RNA也是具有也是具有3,5-磷酸二酯键的磷酸二酯键的线性大分子线性大分子RNA也也是是多多个个核核苷苷酸酸分分子子通通过过酯酯化化反反应应形形成的线性大分子，并且具有方向性；成的线性大分子，并且具有方向性；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。22核酸的结构与功能7/2/2024n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。55端端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23核酸的结构与功能7/2/2024A G P5 P T PG PC PT P OH 3 n书写方法：书写方法：5 pApCpTpGpCpT-OH 3 5 A C T G C T 3 24核酸的结构与功能7/2/2024核核酸酸分分子子的的大大小小常常用用碱碱基基(base或或kilobase)数数目目来表示。来表示。小小的的核核酸酸片片段段(80)。rRNA与与核核蛋蛋白白体体蛋蛋白白结结合合组组成成核核蛋蛋白白体体(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为组分的核蛋白体是为组分的核蛋白体是蛋白质合成的场所蛋白质合成的场所79核酸的结构与功能7/2/2024目录目录n核蛋白体的组成核蛋白体的组成原核生物（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%80核酸的结构与功能7/2/2024目录目录n大肠杆菌的核蛋白体大肠杆菌的核蛋白体81核酸的结构与功能7/2/2024目录目录n1818S rRNA的二级结构的二级结构82核酸的结构与功能7/2/2024目录目录n蛋白质合成时形成的复合体蛋白质合成时形成的复合体83核酸的结构与功能7/2/2024目录目录RNA组组学学是是研研究究细细胞胞内内snmRNA的的种种类类、结结构构和和功功能能。同同一一生生物物体体内内不不同同种种类类的的细细胞胞、同同一一细细胞胞在在不不同同时时空空状状态态下下snmRNAs表表达达谱谱的变化，以及与功能之间的关系。的变化，以及与功能之间的关系。四、四、snmRNA参与了基因表达的调控参与了基因表达的调控细细胞胞的的不不同同部部位位存存在在的的许许多多其其他他种种类类的的小小分分子子RNA，统统称称为为非非mRNA小小RNA(small non-messenger RNAs,snmRNAs)。nsnmRNAs84核酸的结构与功能7/2/2024l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小片段干涉小片段干涉 RNA 参与参与hnRNA的加工剪接的加工剪接nsnmRNAs的的种类种类nsnmRNAs的的功能功能85核酸的结构与功能7/2/2024目录目录n核酶核酶某某些些小小RNA分分子子具具有有催催化化特特定定RNA降降解解的的活活性性，这这种种具具有有催催化化作作用用的的小小RNARNA亦亦被被称称为为核核酶酶(ribozyme)或或催催化化性性RNA(catalytic RNA)。86核酸的结构与功能7/2/2024目录目录RNA具有酶活性的发现Sidney Altman，Thomas R.Cech （1939-）（1947-）The Nobel Prize in Chemistry 1989 for their discovery of catalytic properties of RNA 87核酸的结构与功能7/2/2024目录目录siRNA是是生生物物宿宿主主对对外外源源侵侵入入的的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特特定定长长度度和和特特定定核核酸序列的小片段酸序列的小片段RNA。siRNA可可以以与与外外源源基基因因表表达达的的mRNA相相结结合合，并诱发这些并诱发这些mRNA的降解。的降解。基基于于此此机机理理，人人们们发发明明了了RNA干干扰扰(RNA interference，RNAi)技术。技术。n小片段干扰小片段干扰RNA88核酸的结构与功能7/2/2024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89核酸的结构与功能7/2/2024核酸的酸碱及溶解度性质核酸的酸碱及溶解度性质l核酸为多元酸，具有较强的酸性。核酸为多元酸，具有较强的酸性。核酸的高分子性质核酸的高分子性质l粘度：粘度：DNARNA dsDNA ssDNAl沉沉降降行行为为:不不同同构构象象的的核核酸酸分分子子的的沉沉降降的的速速率率有有很很大大差差异异，这这是是超超速速离离心心法法提提取取和和纯化核酸的理论基础。纯化核酸的理论基础。90核酸的结构与功能7/2/2024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91核酸的结构与功能7/2/2024n碱基的紫外吸收光谱碱基的紫外吸收光谱92核酸的结构与功能7/2/2024DNA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93核酸的结构与功能7/2/2024二、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某些理化因素作用下，在某些理化因素作用下，DNA双链解双链解开成两条单链开成两条单链的过程。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。常见因素常见因素：过量酸，碱，加热，变性试剂如尿素、过量酸，碱，加热，变性试剂如尿素、酰胺以及某些有机溶剂如乙醇、丙酮等。酰胺以及某些有机溶剂如乙醇、丙酮等。94核酸的结构与功能7/2/2024协同性的协同性的DNA解链解链高温或极端的高温或极端的pHnDNA的变性的变性95核酸的结构与功能7/2/2024n部分变性部分变性DNA的电镜图像的电镜图像变性后理化性质变化：变性后理化性质变化：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碱滴定曲线改变酸碱滴定曲线改变生物活性丧失生物活性丧失96核酸的结构与功能7/2/2024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97核酸的结构与功能7/2/2024nDNA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)98核酸的结构与功能7/2/2024G+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99核酸的结构与功能7/2/2024三、变性的核酸可以复性或形成三、变性的核酸可以复性或形成杂交双链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。Hypochromism：AdecreaseintheabsorbancecoefficientasDNArenaturesfromthesingle-strandedtothedouble-strandedform.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)。100核酸的结构与功能7/2/2024目录目录101核酸的结构与功能7/2/2024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。这种现象称为核酸分子杂交。分子间形成。这种现象称为核酸分子杂交。n核酸分子杂交核酸分子杂交(hybridization)102核酸的结构与功能7/2/2024n核酸分子杂交核酸分子杂交103核酸的结构与功能7/2/2024目录目录104核酸的结构与功能7/2/2024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。检测某些专一序列在待检样品中存在与否。检测某些专一序列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105核酸的结构与功能7/2/2024第五节第五节 核酸酶核酸酶 Nuclease106核酸的结构与功能7/2/2024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。依据切割部位不同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。性限制性核酸内切酶。核酸外切酶：核酸外切酶：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。107核酸的结构与功能7/2/20245533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108核酸的结构与功能7/2/2024参与参与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109核酸的结构与功能7/2/2024目录目录思考题：思考题：名词解释：名词解释：Tm、ribozyme、增色效应增色效应、核酸分子杂交核酸分子杂交核酸分子杂交核酸分子杂交(hybridization)：热变性的：热变性的经缓慢冷却过程中，具有碱基序列部分互经缓慢冷却过程中，具有碱基序列部分互补的不同的之间或与之补的不同的之间或与之间形成杂化双链的现象间形成杂化双链的现象试比较蛋白质与核酸的异同试比较蛋白质与核酸的异同?简述简述tRNA二级结构的特点？二级结构的特点？DNA双螺旋结构模型的要点是什么？双螺旋结构模型的要点是什么？请简要回答请简要回答DNA与与RNA组成上的异同组成上的异同110核酸的结构与功能7/2/2024