生物化學(xué)第02章核酸的結(jié)構(gòu)與功能

1、第第2 2章章核酸的結(jié)構(gòu)與功能核酸的結(jié)構(gòu)與功能Structure and Function of Nucleic Acidn核核 酸酸(nucleic acid) 是以核苷酸為基本組成單位的生物大是以核苷酸為基本組成單位的生物大分子，攜帶和傳遞遺傳信息。分子，攜帶和傳遞遺傳信息。l1868年年 Fridrich Miescher 從膿細(xì)胞中提取核素。從膿細(xì)胞中提取核素。 l1944年年 Avery等人證實(shí)等人證實(shí)DNA是遺傳物質(zhì)。是遺傳物質(zhì)。l1953年年 Watson和和Crick發(fā)現(xiàn)發(fā)現(xiàn)DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)。的雙螺旋結(jié)構(gòu)。l1968年年 Nirenberg發(fā)現(xiàn)遺傳密碼。發(fā)現(xiàn)遺傳密碼。l197

2、5年年 Temin和和Baltimore發(fā)現(xiàn)逆轉(zhuǎn)錄酶。發(fā)現(xiàn)逆轉(zhuǎn)錄酶。l1981年年 Gilbert和和Sanger建立建立DNA測(cè)序方法。測(cè)序方法。l1985年年 Mullis發(fā)明發(fā)明PCR技術(shù)。技術(shù)。l1990年年 美國(guó)啟動(dòng)人類(lèi)基因組計(jì)劃美國(guó)啟動(dòng)人類(lèi)基因組計(jì)劃(HGP)。l1994年年 中國(guó)人類(lèi)基因組計(jì)劃啟動(dòng)。中國(guó)人類(lèi)基因組計(jì)劃啟動(dòng)。l2001年年 美英等國(guó)完成人類(lèi)基因組計(jì)劃。美英等國(guó)完成人類(lèi)基因組計(jì)劃。n核酸研究的發(fā)展簡(jiǎn)史核酸研究的發(fā)展簡(jiǎn)史n核酸的分類(lèi)及分布核酸的分類(lèi)及分布存在于細(xì)胞核和線粒體存在于細(xì)胞核和線粒體 分布于細(xì)胞核、細(xì)胞質(zhì)、線粒體分布于細(xì)胞核、細(xì)胞質(zhì)、線粒體(deoxyribo

3、nucleic acid, DNA)(ribonucleic acid, RNA)脫氧核糖核酸脫氧核糖核酸 核糖核酸核糖核酸攜帶遺傳信息，并通過(guò)復(fù)制傳遞攜帶遺傳信息，并通過(guò)復(fù)制傳遞給下一代。給下一代。是是DNADNA轉(zhuǎn)錄的產(chǎn)物，參與遺傳信轉(zhuǎn)錄的產(chǎn)物，參與遺傳信息的復(fù)制與表達(dá)。某些病毒息的復(fù)制與表達(dá)。某些病毒RNARNA也可作為遺傳信息的載體也可作為遺傳信息的載體第一節(jié)第一節(jié)核酸的化學(xué)組成及其一級(jí)結(jié)構(gòu)核酸的化學(xué)組成及其一級(jí)結(jié)構(gòu)The Chemical Component and Primary Structure of Nucleic Acid1. 1.元素組成元素組成C C、H H、O O、N

4、 N、P, P,其中其中P P是核酸的特征元素。是核酸的特征元素。一般一般DNADNA含磷含磷9.2%9.2%，RNARNA含磷含磷9.2%9.2%。核酸核酸 ( (DNA和和RNA) )核苷酸核苷酸核苷和脫氧核苷核苷和脫氧核苷磷酸磷酸戊糖戊糖堿基堿基嘌呤嘌呤嘧啶嘧啶核糖核糖脫氧核糖脫氧核糖2.2.核酸的分子組成核酸的分子組成 n分子組成分子組成堿基堿基(base)：嘌呤堿，嘧啶堿：嘌呤堿，嘧啶堿戊糖戊糖(ribose)：核糖，脫氧核糖：核糖，脫氧核糖磷酸磷酸(phosphate)一、核苷酸是構(gòu)成核酸的基本組成單位一、核苷酸是構(gòu)成核酸的基本組成單位n戊糖戊糖（構(gòu)成（構(gòu)成RNA）1 2 3 4

5、5 OHOCH2OHOHOH核糖核糖(ribose)（構(gòu)成（構(gòu)成DNA）OHOCH2OHOH脫氧核糖脫氧核糖(deoxyribose)堿基堿基(base)是含氮的雜環(huán)化合物。是含氮的雜環(huán)化合物。堿基堿基嘌呤嘌呤嘧啶嘧啶腺嘌呤腺嘌呤鳥(niǎo)嘌呤鳥(niǎo)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中中僅存在于僅存在于RNA中中僅存在于僅存在于DNA中中n堿基堿基嘌呤嘌呤(purine，Pu) NNNHN123456789NNNHNNH2腺嘌呤腺嘌呤(adenine, A)NNHNHNNH2O鳥(niǎo)嘌呤鳥(niǎo)嘌呤(guanine, G)NNH132456嘧啶嘧啶(pyrimidine，Py)

6、胞嘧啶胞嘧啶(cytosine, C)NNHNH2O尿嘧啶尿嘧啶(uracil, U)NHNHOO胸腺嘧啶胸腺嘧啶(thymine, T)NHNHOOCH3n堿基的互變異構(gòu)體堿基的互變異構(gòu)體 HNHNCNH2+O+HNNH2NNH2亞氨式氨式+ H+NCOHNCO- -+ H+酮式烯醇式n脫氧核苷脫氧核苷嘌呤嘌呤N-9 或或嘧啶嘧啶N-1與脫氧核糖與脫氧核糖C-1 通過(guò)通過(guò)-N-糖糖苷鍵苷鍵相連形成相連形成脫氧核苷脫氧核苷(deoxyribonucleoside)。 嘌呤嘌呤N-9 -9或或嘧啶嘧啶N-1 -1與核糖與核糖C-1C-1 通過(guò)通過(guò)-N- -糖苷糖苷鍵鍵相連形成相連形成核苷核苷(r

7、ibonucleoside)。n核苷核苷NNNN9NH2OOHOHHHHCH2OHH12糖苷鍵糖苷鍵核苷或脫氧核苷與磷酸通過(guò)核苷或脫氧核苷與磷酸通過(guò)酯鍵酯鍵結(jié)合構(gòu)成結(jié)合構(gòu)成核苷酸核苷酸(ribonucleotide)或或脫氧核苷酸脫氧核苷酸(deoxyribonucleotide)。n核苷酸核苷酸(ribonucleotide)NNNN9NH2OO HO HHHHCH2H1 2OPO- -HOO糖苷鍵糖苷鍵酯鍵酯鍵POOOHOHOCH2OHOHNNNH2OOHOCH2OHOHNNNH2O核苷酸：核苷酸：AMP, GMP, UMP, CMP脫氧核苷酸：脫氧核苷酸：dAMP, dGMP, dTMP

8、, dCMP 2. 核苷酸核苷酸(ribonucleotide)的結(jié)構(gòu)與命名的結(jié)構(gòu)與命名核苷（脫氧核苷）和磷酸以核苷（脫氧核苷）和磷酸以磷酸酯鍵磷酸酯鍵連接形成核苷酸（脫氧核苷酸）。連接形成核苷酸（脫氧核苷酸）。 體內(nèi)重要的游離核苷酸及其衍生物體內(nèi)重要的游離核苷酸及其衍生物 含核苷酸的生物活性物質(zhì)：含核苷酸的生物活性物質(zhì)： NAD+、NADP+、CoA-SH、FAD 等都含有等都含有 AMPl 多磷酸核苷酸：多磷酸核苷酸：NMP，NDP，NTPl 環(huán)化核苷酸環(huán)化核苷酸: : cAMP，cGMPNOCH2OOHOHNNNNH2POOHOHNOCH2OOHOHNNNNH2POOHOPOOHOHNO

9、CH2OOHOHNNNNH2POOHOPOOHOPOOHOHNOCH2OOHONNNNH2POOHNADP+NAD+環(huán)化核苷酸：環(huán)化核苷酸：cAMP、cGMP，是細(xì)胞信，是細(xì)胞信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)中的第二信使。號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)中的第二信使。NOCH2OOHONNNNH2POOHcAMP二、二、DNA是脫氧核苷酸通過(guò)是脫氧核苷酸通過(guò)3,5-磷酸二酯磷酸二酯鍵連接形成的大分子鍵連接形成的大分子一個(gè)脫氧核苷酸一個(gè)脫氧核苷酸3 3 的的羥基羥基與另一個(gè)核苷酸與另一個(gè)核苷酸5 5 的的 - - 磷 酸磷 酸 基 團(tuán) 縮 合 形 成基 團(tuán) 縮 合 形 成 磷 酸 二 酯 鍵磷 酸 二 酯 鍵(phosphodiester bo

10、nd)。 多個(gè)脫氧核苷酸通過(guò)磷酸二酯鍵構(gòu)成了多個(gè)脫氧核苷酸通過(guò)磷酸二酯鍵構(gòu)成了具有具有方向性方向性的線性分子，稱為的線性分子，稱為多聚脫氧核苷多聚脫氧核苷酸酸(polydeoxynucleotide)，即即DNA鏈鏈。5-末端末端3-末端末端CGA磷酸二酯鍵磷酸二酯鍵磷酸二酯鍵磷酸二酯鍵交替的磷酸基團(tuán)和戊交替的磷酸基團(tuán)和戊糖構(gòu)成了糖構(gòu)成了DNA的骨架的骨架 (backbone)。堿基相當(dāng)于側(cè)鏈。堿基相當(dāng)于側(cè)鏈。DNA鏈的方向是鏈的方向是5 5 3 3 ，與核酸的合成方向一致。與核酸的合成方向一致。二、核酸的一級(jí)結(jié)構(gòu)二、核酸的一級(jí)結(jié)構(gòu)核酸中核苷酸的排列順核酸中核苷酸的排列順序。由于核苷酸間的差序

11、。由于核苷酸間的差異主要是堿基不同，所異主要是堿基不同，所以也稱為以也稱為堿基序列堿基序列。55端端3端端CGA骨架為磷酸骨架為磷酸+戊糖戊糖堿基為側(cè)鏈堿基為側(cè)鏈方向性：方向性：5 3A G P5 P T PG PC PT P OH 3 n書(shū)寫(xiě)方法：書(shū)寫(xiě)方法：5 pApCpTpGpCpT-OH 3 5 A C T G C T 3 核酸分子的大小常用堿基核酸分子的大小常用堿基(base或或kilobase)數(shù)目數(shù)目來(lái)表示。來(lái)表示。 小的核酸片段小的核酸片段(80)。 壽命長(zhǎng)壽命長(zhǎng) 種類(lèi)少種類(lèi)少rRNAn核糖體的組成核糖體的組成原核生物（以大腸桿菌為例）原核生物（以大腸桿菌為例）真核生物（以小鼠肝

12、為例）真核生物（以小鼠肝為例）小亞基小亞基30S40SrRNA16S1542個(gè)核苷酸個(gè)核苷酸18S1874個(gè)核苷酸個(gè)核苷酸蛋白質(zhì)蛋白質(zhì)21種種占總重量的占總重量的40%33種種占總重量的占總重量的50%大亞基大亞基50S60SrRNA23S5S2940個(gè)核苷酸個(gè)核苷酸120個(gè)核苷酸個(gè)核苷酸28S5.85S5S4718個(gè)核苷酸個(gè)核苷酸160個(gè)核苷酸個(gè)核苷酸120個(gè)核苷酸個(gè)核苷酸蛋白質(zhì)蛋白質(zhì)31種種占總重量的占總重量的30%49種種占總重量的占總重量的35%70S ribosome50S large subunit23S rRNA5S rRNA31 proteins16S rRNA21 prote

13、ins30S small subunitn大腸桿菌的核蛋白體大腸桿菌的核蛋白體n1818S rRNA的二級(jí)結(jié)構(gòu)的二級(jí)結(jié)構(gòu)l核內(nèi)小核內(nèi)小RNAl核仁小核仁小RNAl胞質(zhì)小胞質(zhì)小RNAl催化性小催化性小RNAl小片段干涉小片段干涉 RNA 參與參與hnRNA的加工剪接的加工剪接nsnmRNAs的種類(lèi)的種類(lèi)nsnmRNAs的功能的功能其他其他RNARNAn核酶核酶某些小某些小RNA分子具有催化特定分子具有催化特定RNA降解降解的活性，這種具有催化作用的的活性，這種具有催化作用的小小RNA亦被稱亦被稱為為核酶核酶(ribozyme)或催化性或催化性RNA(catalytic RNA)。 n原核生物基因

14、表達(dá)的特異性原核生物基因表達(dá)的特異性五、核酸在真核細(xì)胞和原核細(xì)胞中五、核酸在真核細(xì)胞和原核細(xì)胞中表現(xiàn)了不同的時(shí)空特性表現(xiàn)了不同的時(shí)空特性n真核生物基因表達(dá)的特異性真核生物基因表達(dá)的特異性核酸的理化性質(zhì)核酸的理化性質(zhì)The Physical and Chemical Characters of Nucleic Acid第四節(jié)第四節(jié)核酸的酸堿及溶解度性質(zhì)核酸的酸堿及溶解度性質(zhì)l核酸為多元酸，具有較強(qiáng)的酸性。核酸為多元酸，具有較強(qiáng)的酸性。核酸的高分子性質(zhì)核酸的高分子性質(zhì)l粘度：粘度：DNARNA dsDNA ssDNAl沉降行為沉降行為:不同構(gòu)象的核酸分子的沉降的不同構(gòu)象的核酸分子的沉降的速率有很大

15、差異，這是超速離心法提取和速率有很大差異，這是超速離心法提取和純化核酸的理論基礎(chǔ)。純化核酸的理論基礎(chǔ)。核酸在波長(zhǎng)核酸在波長(zhǎng) 260nm 處有強(qiáng)烈的吸收，是處有強(qiáng)烈的吸收，是由由堿基的共軛雙鍵堿基的共軛雙鍵所決定的。這一特性常用作所決定的。這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、核酸分子紫外吸收特征一、核酸分子紫外吸收特征n堿基的紫外吸收光譜堿基的紫外吸收光譜DNA或或RNA的定量的定量A260 = 1.0 相當(dāng)于相當(dāng)于 50g/ml 雙鏈雙鏈DNA(dsDNA)40g/ml 單鏈單鏈DNA (ssDNA or RNA)20g/ml 寡核苷酸寡核苷酸確定樣品中核酸的純度確定

16、樣品中核酸的純度 純純 DNA: A260/A280 = 1.8純純 RNA: A260/A280 = 2.0n紫外吸收的應(yīng)用紫外吸收的應(yīng)用二、二、DNADNA變性變性在某些理化因素作用下，在某些理化因素作用下，DNA雙鏈解雙鏈解開(kāi)成兩條單鏈開(kāi)成兩條單鏈的過(guò)程。的過(guò)程。n定義定義DNA變性的本質(zhì)是雙鏈間氫鍵的斷裂。變性的本質(zhì)是雙鏈間氫鍵的斷裂。協(xié)同性的協(xié)同性的DNA解鏈解鏈高溫或極端的高溫或極端的pHnDNA的變性的變性n部分變性部分變性DNA的電鏡圖像的電鏡圖像增色效應(yīng)增色效應(yīng)(hyperchromic effect)：DNA變性變性時(shí)其溶液時(shí)其溶液紫外吸收增高紫外吸收增高的現(xiàn)象。的現(xiàn)象。n

17、DNA解鏈時(shí)的紫外吸收變化解鏈時(shí)的紫外吸收變化nDNA的解鏈曲線的解鏈曲線連續(xù)加熱連續(xù)加熱DNA的的過(guò)程中以溫度相對(duì)于過(guò)程中以溫度相對(duì)于A260值作圖，所得的值作圖，所得的曲線稱為曲線稱為解鏈曲線解鏈曲線。 解鏈過(guò)程中，紫外解鏈過(guò)程中，紫外吸光度的變化達(dá)到最大吸光度的變化達(dá)到最大變化值的一半時(shí)所對(duì)應(yīng)變化值的一半時(shí)所對(duì)應(yīng)的溫度。的溫度。解鏈溫度解鏈溫度(melting temperature，Tm) G+C 含量越高，解鏈溫度就越高。含量越高，解鏈溫度就越高。n解鏈曲線的變化解鏈曲線的變化三、變性的核酸可以復(fù)性或形成三、變性的核酸可以復(fù)性或形成雜交雙鏈雜交雙鏈當(dāng)變性條件緩慢地除去后，兩條解離的互

18、補(bǔ)鏈當(dāng)變性條件緩慢地除去后，兩條解離的互補(bǔ)鏈可重新配對(duì)，恢復(fù)原來(lái)的雙螺旋結(jié)構(gòu)，這一現(xiàn)可重新配對(duì)，恢復(fù)原來(lái)的雙螺旋結(jié)構(gòu)，這一現(xiàn)象稱為象稱為DNA復(fù)性復(fù)性(renaturation) 。減色效應(yīng)：減色效應(yīng)：DNA復(fù)性時(shí)，其溶液復(fù)性時(shí)，其溶液OD260降低。降低。熱變性的熱變性的DNA經(jīng)緩慢冷卻后即可復(fù)性，這一經(jīng)緩慢冷卻后即可復(fù)性，這一過(guò)程稱為過(guò)程稱為退火退火(annealing) 。 不同種類(lèi)的不同種類(lèi)的DNA單鏈分子或單鏈分子或RNA分子放在同一分子放在同一溶液中，只要兩種單鏈分子之間存在著一定程溶液中，只要兩種單鏈分子之間存在著一定程度的堿基配對(duì)關(guān)系，在適宜的條件可以在不同度的堿基配對(duì)關(guān)系，在適宜的條件可以在不同的分子間形成的分子間形成雜化雙鏈雜化雙鏈(heteroduplex)。 這種雜化雙鏈可以在不同的這種雜化雙鏈可以在不同的DNA與與DNA之間形之間形成，也可以在成，也可以在DNA和和RNA分子間或者分子間或者RNA與與RNA分子間形成。這種現(xiàn)象稱為核酸分子雜交。分子間形成。這種現(xiàn)象稱為核酸分子雜交。n核酸分子雜交