核酸的结构与功能

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,目录,单击此处编辑母版标题样式,*,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,目录,重点、难点：,基本概念,:,核苷酸,DNA,、,RNA, Tm,等,DNA,双螺旋结构模型的要点；,mRNA,、,tRNA,、,rRNA,的结构特点及功能；,DNA,变性与复性等核酸重要的理化性质及其应用。,第二章,核酸的结构与功能,1869 Miescher,isolated DNA for the first time.,确定了生物遗传的物质基础是,DNA,核 酸,(nucleic acid),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。,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,携带遗传信息，并通过复制传递给下一代。,是,DNA,转录的产物，参与遗传信息的复制与表达。某些病毒,RNA,也可作为遗传信息的载体,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,核酸的基本结构单位是核苷酸,核酸,在核酸酶的作用下水解成,核苷酸。,核苷酸由碱基、戊糖、磷酸组成,核苷酸,由碱基,(base),、戊糖,(pentose),和磷酸,3,种成分以共价键依次连接而成。,核酸的化学组成,元素组成,C,、,H,、,O,、,N,、,P,（,9,%,10%,）,分子组成,碱基,(base),：嘌呤碱，嘧啶碱,戊糖,(pentose),：核糖，脱氧核糖,磷酸,(phosphate),核酸,(,DNA,和,RNA,),核苷酸,核苷和脱氧核苷,磷酸,戊糖,碱基,嘌呤,嘧啶,核糖,脱氧核糖,核酸组成,分子组成,碱基,(base),：嘌呤碱，嘧啶碱,戊糖,(ribose),：核糖，脱氧核糖,磷酸,(phosphate),一、,核苷酸,是构成核酸的基本组成单位,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,仅存在于,DNA,中,碱基,嘌呤,(purine,，,Pu),腺嘌呤,(adenine, A),鸟嘌呤,(guanine, G),嘧啶,(pyrimidine,，,Py),胞嘧啶,(cytosine, C),尿嘧啶,(uracil, U),胸腺嘧啶,(thymine, T),戊糖,（构成,RNA,）,1,2,3,4,5,核糖,(ribose),（构成,DNA,）,脱氧核糖,(deoxyribose),嘌呤,N,-9,或,嘧啶,N,-1,与核糖,C-1,通过,-,N,-,糖苷键,相连形成,核苷,(ribonucleoside),。,核苷,N,N,N,N,9,N,H,2,O,O,H,O,H,H,H,H,C,H,2,O,H,H,1,2,糖苷键,1,1,AR, GR, UR, CR,脱氧核苷,嘌呤,N-9,或,嘧啶,N-1,与脱氧核糖,C-1,通过,-N-,糖苷键,相连形成,脱氧核苷,(deoxyribonucleoside),。,1,1,H,dAR, dGR, dTR, dCR,“,稀有核苷,”,是由,“,稀有碱基,”,所生成的核苷。,假尿苷（,）,1,C5-,糖苷键,1,C5,核苷或脱氧核苷与磷酸通过,酯键,结合构成,核苷酸,(ribonucleotide),或,脱氧核苷酸,(deoxyribonucleotide),。,核苷酸,(ribonucleotide),AMP, GMP, UMP, CMP,N,N,N,N,9,N,H,2,O,O,H,O,H,H,H,H,C,H,2,H,1,2,O,P,O,-,H,O,O,糖苷键,酯键,脱氧核苷酸：,dAMP, dGMP, dTMP, dCMP,多磷酸核苷酸,环化核苷酸：,cAMP,、,cGMP,，,是细胞信号转导中的第二信使。,cAMP,核苷酸衍生物,体内重要的核苷酸衍生物,含核苷酸的生物活性物质：,NAD,+,、,NADP,+,、,CoA-SH,、,FAD,等都含有,AMP,NADP,+,NAD,+,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,。,5,-,末,端,3,-,末,端,C,G,A,磷酸二酯键,磷酸二酯键,交替的,磷酸,基团,和戊糖,构成了,DNA,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。,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,。,5,端,3,端,C,G,A,四、核酸的一级结构是核苷酸的排列顺序,A,G,P,5,P,T,P,G,P,C,P,T,P,OH 3,书写方法：,5,p,A,p,C,p,T,p,G,p,C,p,T,-,OH,3,5,A C T G C T,3,核酸分子的大小常用碱基,(base,或,kilobase),数目来表示。,小的核酸片段,(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,原核生物（以大肠杆菌为例）,真核生物（以小鼠肝为例）,小亚基,30S,40S,rRNA,16S,1542,个核苷酸,18S,1874,个核苷酸,蛋白质,21,种,占总重量的,40%,33,种,占总重量的,50%,大亚基,50S,60S,rRNA,23S,5S,2940,个核苷酸,120,个核苷酸,28S,5.85S,5S,4718,个核苷酸,160,个核苷酸,120,个核苷酸,蛋白质,31,种,占总重量的,30%,49,种,占总重量的,35%,大肠杆菌的核蛋白体,18,S,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),。,snmRNAs,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),。,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,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,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,260,= 1.0,相当于,50,g/ml,双链,DNA(,dsDNA),40,g/ml,单链,DNA (ssDNA or RNA),20,g/ml,寡核苷酸,确定样品中核酸的纯度,纯,DNA: A,260,/A,280,= 1.8,纯,RNA: A,260,/A,280,= 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。,常见因素,：,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。,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,变性后理化性质变化：,OD,260,增高,粘度下降,比旋度下降,浮力密度升高,酸碱滴定曲线改变,生物活性丧失,增色效应,(hyperchromic effect),：,DNA,变性时其溶液,OD,260,增高,的现象。,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。,Hypochromism,：,A decrease in the absorbance coefficient as DNA renatures from the single-stranded to the double-stranded form.,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。,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。,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,思考题：,名词解释：,Tm,、,ribozyme,、,增色效应,、,核酸分子杂交,核酸分子杂交,(hybridization),：热变性的经缓慢冷却过程中，具有碱基序列部分互补的不同的之间或与之间形成杂化双链的现象,试比较蛋白质与核酸的异同,?,简述,tRNA,二级结构的特点？,DNA,双螺旋结构模型的要点是什么？,请简要回答,DNA,与,RNA,组成上的异同,