第1章核酸的结构与功能.ppt

第一章、核酸的结构与功能 （nucleic acid）1本章内容提要：n第一节、核酸的发现与研究简史n第二节、核酸的种类、分布及功能n第三节、核酸的组成、结构＊n第四节、核酸的理化性质＊2第一节、核酸的发现与研究简史n1868年，瑞士的外科医生Friedrich Miescher从脓细胞中发现了DNAn1944 年， O. Avery 通过肺炎双球菌转化实验证明DNA是遗传物质n1953年， Watson-Crick提出DNA双螺旋结构模型，为分子生物学的发展史奠定了基础n2000年，人类基因组计划（HGP）基本完成：返回3第二节、核酸的种类、分布及功能一、核酸的种类n脱氧核糖核酸（deoxyribonucleic acid，DNA）和核糖核酸（ribonucleic acid， RNA）两大类8nDNA：含有D-2-脱氧核糖；通常为双链结构，使DNA分子稳定；是主要的遗传物质，通过复制而将遗传信息由亲代传给子代nRNA：含有D-核糖；通常为单链结构（某些病毒为双链RNA）；与遗传信息的表达有关9㈠、DNA的种类n1、线型双链DNA：真核生物染色体DNA、某些病毒DNA n2、环状双链DNA：原核生物染色体DNA、质粒DNA、真核生物细胞器DNA、某些病毒DNA 。

n3、线型单链DNA：某些病毒DNA，如：小鼠微小病毒n4、环状单链DNA：某些病毒DNA，如：丝杆噬菌体fd10㈡、RNA的种类1、信使RNA （ mRNA）n占细胞总RNA的3%~5%左右，含量最少；代谢活跃在蛋白质的生物合成中起模板作用2、转运RNA (tRNA) n占细胞总RNA的15%左右；细胞中最小的一种RNA分子在蛋白质的生物合成中起携带氨基酸和解译的作用123、核糖体RNA (ribosome RNA ，rRNA) n占细胞中总RNA80%左右，含量最大 在蛋白质合成中起催化作用，催化肽键的形成（可以说，核糖体是一种核酶，蛋白质只是维持rRNA构象）⑴原核细胞中rRNA有三种，分别是：16SrRNA（小亚基），23SrRNA、5SrRNA（大亚基） ；⑵高等真核细胞中rRNA有四种，分别是： 18SrRNA （小亚基）， 28SrRNA、5.8SrRNA、5SrRNA （大亚基） 13二、核酸的分布n1、DNA的分布n核（ 98 %） ；浆（ 2 %）n原核细胞：核区；细胞质n真核细胞：细胞核；线粒体、叶绿体等细胞器n2、RNA的分布n核（%） <10；浆（%） >90n3、病毒或只含DNA，或只含RNA。

14三、核酸的生物功能1、ＤＮＡ是主要的遗传物质2、RNA功能的多样性n控制蛋白质合成；n作用于RNA转录后加工与修饰；n基因表达与细胞功能的调控；n催化作用；n遗传信息的加工与进化；n在RNA病毒中是遗传信息的一级载体返回15第三节、核酸的组成、结构1617一、核苷酸n包括核糖核苷酸（ RNA的结构单位）和脱氧核糖核苷酸（ DNA的结构单位）n细胞内还有各种游离的核苷酸和核苷酸衍生物，它们有重要的生理功能n如：FAD、CoA、NAD+、NADP+、腺苷钴胺素……18（一）碱基（base）1、嘧啶碱(pyrimidine base)n嘧啶的衍生物n核酸中常见的嘧啶：胞嘧啶(cytosine,C) 、尿嘧啶(uracil,U) （ RNA ）、胸腺嘧啶(thymine,T) （ DNA ）n胸腺嘧啶在tRNA中也有少量存在2、嘌呤碱(purine base)n嘌呤的衍生物n核酸中常见的嘌呤：鸟嘌呤(guanine,G)、腺嘌呤(adenine,A)192-氧,4-氨基嘧啶5-甲基尿嘧啶2,4-二氧嘧啶6-氨基嘌呤2-氨基,6-氧嘌呤20n核酸中五种碱基中的酮基和氨基，均位于碱基环中氮原子的邻位，可以发生酮式一烯醇式或氨基、亚氨基之间的结构互变，书写时用任何一种皆可。

213、稀有碱基（minorbase）（1）稀有碱基：又称修饰碱基（modified base），稀有的微量碱基衍生物2）稀有碱基种类极多，大多数都是甲基化（m）碱基n修饰基团在碱基上的写在碱基符号左边，修饰基团在核糖上的写在碱基符号右边，修饰基团的位置写在右上角，数目写在右下角3）稀有碱基在各种类型核酸中的分布不均一，在tRNA中含量较高（可高达10%）22（二）核苷n1.核苷：由戊糖与碱基以糖苷键连接而成，是一种糖苷n2.通常是戊糖的C1′与嘧啶碱的N1或嘌呤碱的N9相连接糖苷键为C—N键，为N-糖苷键（核酸中均为β-糖苷键）n3.包括核糖核苷和脱氧核糖核苷24n4.糖环中的碳原子标号右上角加撇，而碱基中原子的标号不加撇n5、稀有核苷包括修饰核苷和异构化核苷n核糖也能被修饰，主要是甲基化；n稀有核苷主要在RNA中；n假尿苷：核糖的C1′与尿嘧啶的C5相连25（三）核苷酸1.核糖核苷的糖环上有3个自由羟基，能形成3种不同的核苷酸；n脱氧核糖核苷的糖环上有2个自由羟基，只能形成2种不同的核苷酸；n生物体内游离存在的核苷酸多是5′-核苷酸2627282.多磷酸核苷酸n⑴种类： 5′-二磷酸核苷（ 5′- NDP）、 5′ -三磷酸核苷（ 5′- NTP）n⑵功能：核酸合成的前体；重要的辅酶和能量载体。

293、环化核苷酸n⑴重要的有：cAMP、cGMPn⑵功能：细胞功能的调节因子和信号分子30cAMP的产生31二、核酸的共价结构n核酸的共价结构：即核酸的一级结构，指核酸的核苷酸序列一）核酸中核苷酸的连接方式n3‘,5’—磷酸二酯键n书写顺序：5‘ 3’32n核酸共价结构的表示方法：n竖线式表达法：用竖线代表戊糖，字母代表碱基；P代表磷酸基团n文字表示法：P在碱基左侧，表示P在C5’位置上， P在碱基右侧，表示P与C3’相连，书写顺序5’ 3’5’ pCpApG 3’33(二)DNA的一级结构nDNA的一级结构：构成DNA的脱氧核苷酸按照一定的排列顺序，通过3‘,5’—磷酸二酯键相连形成的线形结构也称为碱基的排列顺序34（三）RNA的一级结构1、tRNA的一级结构n3′端皆为CpCpAOH352、mRNA的一级结构（1）原核细胞：多顺反子（cistron），即一条mRNA链上有多个编码区，5′端和3′端各有一段非翻译区（untranslated region，UTR）n顺反子：基因功能的单位；编码一条多肽链的一段染色体；一种结构基因36（2）真核生物的mRNA的结构特点⑴单顺反子。

⑵ 5′端有帽子结构：由甲基化鸟苷经焦磷酸与mRNA的的5′末端核苷酸相连，形成5’，5’-三磷酸连接图）n三种类型：m7G5’PPP5’Np； m7G5’PPP5’NmpNp； m7G5’PPP5’NmpNmpNp三种n作用：抗5′核酸外切酶的降解作用；在蛋白质合成过程中，有助于核糖体对mRNA的识别与结合，使翻译得以正确起始 ⑶ 3′端有poly（A）：3’端大约20~250的聚腺苷酸，可能与mRNA从细胞核到细胞质的运输有关3739三、DNA的高级结构（一） Chargaff规则n关于DNA碱基组成的规律，包括：n1.A=T；n2.G=C；n3.含氨基的碱基（A+C）=含酮基的碱基（G+T）n4.A+G=C+Tn暗示了A与T， G与C相互配对的可能性nDNA碱基组成具有生物种的特异性40（二）DNA的二级结构1、双螺旋结构模型--Watson-Crick，1953：n两条平行多脱氧核苷链以相反方向围绕同一轴盘绕；两条链都是右手螺旋（图）n两条链配对偏向一侧，形成一条大沟和一条小沟（图） n碱基在螺旋内，其平面与中心轴垂直；磷酸与核糖在外，由3′，5′-磷酸二酯键连接，糖环平面与中心轴平行（图）。

n螺旋平均直径为2nm，碱基对的堆积距离为0.34nm，每10个核苷酸形成螺旋的一转（图）n两条链由碱基对之间的氢键相连，在空间上可能的碱基对只有A与T（两个氢键）以及G与C（三个氢键）（图） 412、其他nDNA能以多种不同的构象存在n1.B-DNA： Watson-Crick双螺旋，比较接近细胞正常状态下DNA存在的构象n2. A-DNA：比较粗短，碱基倾角大一些，大沟深度明显超过小沟n3. Z-DNA：细长，大沟平坦，磷酸和糖骨架呈Z字型；左手DNA螺旋图）nDNA的变构效应可能与基因表达的调节有关46483、特殊的DNA二级结构(1) 回文结构n回文结构也称反向重复（inverted repeats）49(2) 发夹形和十字形50(3) H-DNA-三链螺旋514、维持DNA二级结构的作用力n氢键n虽然它只是一种作用较弱的次级键，但当DNA分子中氢键数量众多，仍可产生足够的能量来维持DNA分子结构稳定性n碱基堆积力n碱基堆积力实质是疏水相互作用和范德华力它对维持DNA的二级结构起主要作用52（三） DNA的三级结构n1、DNA三级结构： DNA分子（双螺旋）通过扭曲和折叠所形成的特定构象。

n2.超螺旋(superhelix) ：环状双链DNA或两端固定的线形双链DNA进一步缠绕时形成的结构； DNA三级结构的一种形式；具有更致密的结构53n⑴负超螺旋（negative superhelix） ：向DNA双螺旋的相反方向缠绕而成的超螺旋，又称松弛缠绕；天然的超螺旋DNA均为负超螺旋；可使其二级结构处于松散状态，使分子内部张力减少，利于DNA复制、转录和基因重组n⑵正超螺旋（positive superhelix） ：向DNA双螺旋的相同方向缠绕而成的超螺旋，又称紧密缠绕；使分子内部张力加大，旋得更紧54（四）DNA与蛋白质复合物的结构n生物体内的核酸通常都与蛋白质结合形成复合物，以核蛋白的形式存在如：病毒、真核生物的染色体55真核生物染色体的结构n基本单位——核小体（nucleosome):由DNA和组蛋白核心构成；n组蛋白：H2A、H2B、H3、H4、 H1n核心由H2A、H2B、H3、H4各两个组成八聚体；nDNA以左手螺旋在组蛋白核心上盘绕1.8圈，共146bp，n核小体之间有连接DNA和组蛋白H1连接呈串珠状结构图）56四、RNA的高级结构nRNA通常是单链线形分子，但可自身回折形成局部双螺旋（二级结构），进而折叠（三级结构）。

除tRNA外，几乎所有RNA都与蛋白质形成核蛋白复合物（四级结构）nRNA二级结构：单链RNA自行盘绕形成局部双螺旋的多“茎”多“环”结构螺旋部分称为“茎”或“臂”；非螺旋部分称为“环”；在螺旋区，A与U配对，G与C配对图）58（一）tRNA的高级结构1、tRNA的二级结构（1）形状：三叶草形2）组成：4臂4环组成n4臂：氨基酸接受臂、反密码臂、二氢尿嘧啶臂、TΨC臂n4环：反密码环（次黄嘌呤I核苷酸常出现于反密码子中）、二氢尿嘧啶环、TΨC环和额外环（大小不同， tRNA分类的重要指标）（图）60n（1）氨基酸臂：富含鸟嘌呤，末端为CCA，接受活化的氨基酸n（2）二氢尿嘧啶环：由8~12个核苷酸组成，具有两个二氢尿嘧啶，故得名n（3）反密码环：由7个核苷酸组成环中部为反密码子，由3个碱基组成次黄嘌呤核苷酸（I）常出现于反密码环中n（4）额外环：有3~18个核苷酸组成不同的tRNA有不同大小的额外环，故可作为tRNA分类指标n（5）TψC环：由7个核苷酸组成几乎所有tRNA在此环中都含有TψC622、tRNA的三级结构n倒“L”形，所有的tRNA折叠后形成大小相似及三维构象相似的三级结构。

63（二）rRNA的高级结构大肠杆菌16SrRNA和5SrRNA的二级结构返回64第四节、核酸的理化性质一、核酸的水解（一）核酸的酸解n糖苷键和磷酸酯键都能被酸水解；65n糖苷键比磷酸酯键更易被酸水解；n嘌呤碱的糖苷键比嘧啶碱的糖苷键对酸更不稳定；n对酸最不稳定的是嘌呤与脱氧核糖之间的糖苷键如：nDNA在pH1.6于37℃对水透析，可完全除去嘌呤碱，得到无嘌呤酸（apurinic acid）66（二）碱水解n1、RNA的磷酸酯键易被碱水解，产生核苷酸n原因： RNA的核糖上有2`-OH羟基，在碱作用下形成磷酸三酯；磷酸三酯极不稳定，随即水解，产生核苷2`，3`-环磷酸酯；环磷酸酯继续水解，产生2`-核苷酸和3`-核苷酸图）n2、 DNA的磷酸酯键不易被碱水解， DNA一般对碱稳定67（三）酶水解1、水解核酸的酶（1）磷酸二酯酶：非特异性水解磷酸二酯键的酶n催化寡核苷酸及多核苷酸中双重酯化的磷酸分子进行水解的酶类如：3`，5`-cAMP磷酸二酯酶2）核酸酶（nuclease）：专一水解核酸的磷酸二酯酶69二、核酸的酸碱性质n核酸的磷酸基具有酸性，碱基具有碱性，因此，核酸具有两性电离的性质，为两性电解质。

n核酸中磷酸基的酸性大于碱基的碱性，其等电点偏酸性DNA的pI约为4~5，RNA的pI约为2.0~2.5，在pH7~8电泳时泳向正极70三、核酸的紫外吸收（一）核酸的紫外吸收特性n嘌呤碱和嘧啶碱具有共轭双键，使碱基、核苷、核苷酸和核酸在240~290nm的紫外波段有一强烈的吸收峰，最大吸收值在260nm附近71（二）核酸的紫外吸收特性的应用1. 作为定量测定核酸的方法2. 鉴定核酸样品的纯度A260/A280比值：纯DNA=1.8；纯RNA=2.0；样品中含有杂蛋白， A260/A280比值明显降低3.可判断核酸是否发生变性或降解①增色效应（hyperchromic effect）：当核酸变性或降解时，其紫外线吸收强度显著增高②减色效应（hypochromic effect）：变性的核酸在一定条件下恢复原有性质时，其紫外线吸收强度又可回复到原有水平n双螺旋结构使碱基对的π电子云发生重叠，减少了对紫外光的吸收72四、核酸的变性、复性和杂交（一）核酸的变性(denaturation)1、核酸的变性：核酸双链螺旋区的氢键断裂，变成单链，不涉及共价键的断裂n与核酸的降解区别开2、引起核酸变性的因素n加热、强酸、强碱、有机试剂（尿素、甲醛、甲醇、乙醇、甲酰胺等）或射线等一切可以破坏核酸分子氢键的处理，都可使核酸变性。

3、变性DNA的特征n紫外吸收增强；粘度降低；浮力密度升高；比旋下降；生物功能减小或消失等734、DNA的热变性nDNA热变性是在一个很窄的温度范围内发生的nDNA的融解温度(Tm)：或称熔点，在核酸加热变性过程中，核酸分子内50%的双螺旋结构被破坏时的温度，又称为核酸的解链温度即在260nm下光吸收达到最大光吸收一半是的温度）nDNA的Tm值一般在82~95℃之间74n与Tm值有关的因素n① G＋C所占总碱基数的百分比——成正相关n经验公式： Tm=69.3＋0.41(G+C)%n或（G+C）%=（ Tm-69.3）×2.44n②离子强度n溶液的离子强度较低时，Tm值较低，融点范围也较宽因此，DNA制剂不应保存在离子强度过低的溶液中 n③均一性n均质DNA：热变性温度范围较小；n异质DNA：热变性温度范围较宽755. RNA的变性n转变不如DNA明显，随着温度的升高， RNA 中双链部分的碱基堆积会逐渐减少，吸光值逐渐地、不规则地增大； nTm值较低76（二）核酸的复性1、DNA的复性：变性因素解除后，因变性而分开的DNA两条单链即可再聚合成原来的双螺旋，其原有的性质，可得到部分恢复。

772、DNA的复性主要制约因素（1）降温速度n复性时温度下降必须是一缓慢过程，若在超过Tm的温度下迅速冷却至低温，复性几乎是不可能的n退火(annealing)：热变性DNA一般经缓慢冷却后即可复性，此过程称之为~2）DNA浓度——浓度较高时，易于复性3）DNA片段的大小——DNA片段越大，复性越慢4）基因组大小——具有很多重复序列的DNA，复性较快78（三）核酸的杂交n1.核酸的杂交（hybridization）：不同来源的核酸变性后，合并在一处进行复性；这时，只要这些核酸分子的核苷酸序列含有可以形成碱基互补配对的片段，复性也会发生于不同来源的核酸链之间，即形成所谓的杂化双链n杂交可以发生于DNA与DNA之间，也可以发生于RNA与RNA之间和DNA与RNA之间返回79。