核苷酸和核酸學(xué)案

1、核苷酸和核酸學(xué)案discovering nucleic acid1869年，瑞士科學(xué)家Miescher在外科繃帶上得到一種含磷酸很高的酸性化合物，命名為“核質(zhì)”。1889年，Altmann制備了不含蛋白質(zhì)的核酸制品，首先使用了核酸這個名稱。19281932年，確立了核酸在生命現(xiàn)象中的地位。1953年，Waston和Crick建立了雙螺旋模型，這是核酸發(fā)展史上的重要里程碑。2Discovery of nucleic acid1869年 Fridrich Miescher從膿細(xì)胞中提取到一種富含磷元素的酸性物質(zhì)，因存在于細(xì)胞核中故稱為“核素”nuclein, 20年后正式命名為核酸nucleic

2、acids。早期的研究僅將核酸看成是細(xì)胞中的一般化學(xué)成分，逐步證明核酸是一種線狀聚合物。1944年 Avery等人證實DNA是遺傳物質(zhì)3Chemical composition element:C、H、O、N、P（9%10%） Molecule: base：purin ，pyridine pentose：ribose，deoxylribose phosphate4Overview of nucleic acid56-氨基嘌呤 2-氨基-6-酮基嘌呤62，4-二酮基嘧啶75-甲基尿嘧啶82-酮基-4-氨基嘧啶9Ribose and Deoxyribose10Features in ribose共

3、同點： 大多是呋喃糖 與堿基連接都是-構(gòu)型，C-1位的構(gòu)型為-羥基；不同點： RNA是D-核糖，DNA是D-2-脫氧核糖 種類 4種， 部分RNA還有D-2-O-甲基核糖 還發(fā)現(xiàn)有幾個己糖 如RNA中有甘露糖、半乳糖 ，DNA中有葡萄糖。11bases嘌呤嘧碇12Nucleoside13Nucleotide腺嘌呤脫氧核苷一磷酸 dAMP14Levels of phosphate15Important derivatives NAD+、NADP+、CoA-SH、FAD NMP，NDP，NTP16Cyclic nucleotidecAMPcGMP1718Primary structureThe s

4、equence of nucleotideThe sequence of the base。19Two kinds of nucleic acids核糖核酸 脫氧核糖核酸RNA DNA單鏈多聚核糖核苷酸 單鏈或雙鏈多聚脫氧核糖核酸組成成分核糖 組成成分脫氧核糖功能 功能20Waston和CrickDNA double helix model Chargaff rules：A = TG CDNA纖維的X-線衍射圖譜分析 212223Hydrogen bonds in base pair forming2425 不同類型的DNA雙螺旋結(jié)構(gòu) 2627超螺旋結(jié)構(gòu)(superhelix 或superco

5、il)DNA雙螺旋鏈再盤繞即形成超螺旋結(jié)構(gòu)。 正超螺旋(positive supercoil)盤繞方向與DNA雙螺旋方同相同 負(fù)超螺旋(negative supercoil)盤繞方向與DNA雙螺旋方向相反 28DNA superhelix原核生物的DNA可以形成超螺旋。真核生物中DNA的三級結(jié)構(gòu)與蛋白質(zhì)有關(guān)。和DNA結(jié)合的蛋白質(zhì)有組蛋白和非組蛋白。組蛋白H2A、H2B、H3和H4各兩個分子形成八聚體，被兩圈140-145堿基對的DNA所圍繞。形成核小體。H1位于核小體之間的連接區(qū)，組成串珠狀結(jié)構(gòu)。29Circular DNA30nucleosomeConsists ofDNA： 200bp H

6、istones：H1H2A，H2BH3H431三、 DNA functionsGene：A unit or a fragment in DNA molecules, which is able to be replicated and transcripted. Gene acts as a genetic basic unit.是生物遺傳繁殖的物質(zhì)基礎(chǔ)。32DNA functionsDNA and gene carry genetic information as its basic function. The sequence in its molecule can be used as

7、template for replication and transcription. DNA is genetic material and therefore varies individually. 33RNA34General features in structure組成RNA分子的4種核苷酸A、G、C、U;核糖2位都有羥基;一般分子較小，核苷酸數(shù)目變異多，70-幾千個，人的DNA 280萬kb;大多數(shù)RNA分子都成線狀單鏈，局部單鏈折疊形成雙螺旋，類似于A-DNA雙螺旋，形成發(fā)夾結(jié)構(gòu)，三葉草結(jié)構(gòu)；總量多于DNA，哺乳細(xì)胞RNA10pg,而DNA至多6.38pg。35General

8、features相同點4種核苷酸也通過3，5-磷酸二酯鍵相連接36General features in function遺傳信息的傳遞體也是遺傳信息的儲存體遠(yuǎn)古時生命可能起源于RNA,因為RNA可以自身復(fù)制；RNA還具有某些蛋白質(zhì)的功能參與基因的調(diào)控。37CappingType 0：m7G5ppp5NpType 1：m7G5ppp5NmpNpType 2：m7G5ppp5NmpNmpNp38帽子結(jié)構(gòu)功能保護mRNA不被核酸外切酶水解與核糖體識別結(jié)合，與翻譯起始相關(guān)39帽子結(jié)構(gòu)功能mRNA的帽結(jié)構(gòu)可以與一類稱為帽結(jié)合蛋白（cap binding proteins, CBPs）的分子結(jié)合。這種m

9、RNA和CBPs復(fù)合物對于mRNA從細(xì)胞核向細(xì)胞質(zhì)的轉(zhuǎn)運、與核蛋白體的結(jié)合、與翻譯起始因子的結(jié)合以及mRNA穩(wěn)定性的維持等均有重要作用。402、Poly A tail大多數(shù)真核mRNA的3末端有一個20-200腺苷酸聚合區(qū)，稱為多聚A (polyA)尾部結(jié)構(gòu)。41多聚A尾功能與mRNA壽命有關(guān)，使其保持相對穩(wěn)定性Poly(A)在細(xì)胞內(nèi)與Poly(A)結(jié)合蛋白（PABP)相結(jié)合而存在，每1020個堿基結(jié)合一個PABP單體。所以，真核細(xì)胞的mRNA的3-端實際上是一個Poly(A)和蛋白質(zhì)多聚體形成的復(fù)合物。423、Other featuresThere are modified bases in

10、 the molecules.主要是甲基化 m6AThe molecule contains both coding and none coding regions.可有編碼區(qū)和非編碼區(qū)43hnRNA是成熟mRNA的前體(不均一核RNA)hnRNA成熟mRNA的前體, 有內(nèi)含子序列intronExon44mRNA functionstriplet code 三聯(lián)體密碼或密碼子(codon)。open reading frame，ORF:由AUG及其后的連續(xù)三聯(lián)體密碼(無終止信號)組成的核苷酸序列稱為開放閱讀框，是多肽鏈的編碼序列。CDS45tRNA structural featuresSma

11、ll single chain molecule consisting of 70-90 nt；containing 1020% rare bases，如 DHU，mG, mA甲基化使分子疏水 TC ；3末端為 CCA-OH，為氨基酸臂； 5末端總是磷酸化，大多數(shù)為pG； 分子中大約半數(shù)堿基相互配對，成雙螺旋，構(gòu)成三葉草結(jié)構(gòu)46tRNA secondary stuctureD環(huán)：含有2個二氫尿嘧啶修飾堿基 不同長度的堿基形成的D環(huán)可適合不 同的氨基酰tRNATc環(huán)：處在54-56位， 與rRNA結(jié)合， 維持tRNA的高級結(jié)構(gòu)起作用；反密碼子環(huán)：一般由7個堿基組成， 中間3各構(gòu)成反密碼子47tR

12、NA三級結(jié)構(gòu)特點一端是CCA, 另一端是反密碼子環(huán)；D環(huán)和T c環(huán)處在L的轉(zhuǎn)角上，空間位置上比較接近。48tRNA functions活化、搬運氨基酸到核糖體，參與蛋白質(zhì)的翻譯。起始tRNA延長tRNA校正tRNA，結(jié)構(gòu)基因發(fā)生變異時，可使第二次變異消除。49rRNA structureAll rRNAs consist of both large and small subunits as they work. Proeukaryote :原核細(xì)胞 70S 大 50S: 23S +5S + 31種蛋白質(zhì) 小 30S: 16S + 21種蛋白質(zhì)Eukaryote: 80S 大 60S: 28S

13、 +5.8S +5S +49種蛋白質(zhì) 小 40S: 18S +33種蛋白質(zhì) 5051rRNA function52rRNA function原核細(xì)胞 16S rRNA 3端有一保守序列 ACCUCC與mRNA的翻譯起始區(qū)相互補，是mRNA的識別結(jié)合點。5SrRNA 第40-50位之間有 5CGAAC3與tRNA T c環(huán)中的5GT CG3識別53Other RNA molecules 核內(nèi)小RNAsnRNA參與hnRNA的剪接、轉(zhuǎn)運 U含量高，約100-200堿基 5種 U1, U2, U4, U5, U6 核仁小RNAsnoRNArRNA的加工和修飾 胞質(zhì)小RNAscRNA 蛋白質(zhì)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)定位

14、合成信等 與蛋白質(zhì)組成信號肽識別顆粒催化性小RNAsi RNAmiRNA54（一）snRNAsnRNA長度（nt）剪接hnRNA的靶位點U1U2U4U5 U6U7165189145115106635-端 內(nèi)含子腺苷酸分支點 5端，補充分支點轉(zhuǎn)酯化反應(yīng)，3剪接點，使外顯子連接轉(zhuǎn)酯化反應(yīng)組蛋白H3前體的mRNA3末端裂解55（二）catalytic RNA involved in RNA splicing 核酶(ribozyme)或催化性RNA (catalytic RNA) 。56其他小分子RNA（三）核仁小RNA參與rRNA中核苷酸殘基的修飾（四）interference RNA regula

15、tion post transcription（五）microRNA regulation of protein expression57RNA組學(xué)研究細(xì)胞中RNAs的種類、結(jié)構(gòu)和功能。同一生物體內(nèi)不同種類的細(xì)胞、同一細(xì)胞在不同時間、不同狀態(tài)下RNAs的表達(dá)具有時間和空間特異性。 RNA組學(xué)58第四節(jié) DNA的理化性質(zhì)及其應(yīng)用變性復(fù)性增色效應(yīng)減色效應(yīng)解鏈溫度雜交探針59核酸是兩性化合物 互變異構(gòu) 堿基在體液環(huán)境中以堿性解離為主 核酸分子是酸性化合物酮式烯醇氨基亞氨基60共軛雙鍵260nm波長的紫外吸收強。核酸的紫外吸收（A260） 單核苷酸 ssDNA（或RNA） dsDNA611. quan

16、tificationA260=1.0相當(dāng)于50g/ml雙鏈DNA40g/ml單鏈DNA（或RNA）20g/ml寡核苷酸2. Judgement of the purityDNA: A260/A280 = 1.8RNA: A260/A280 = 2.0A260 Application62Denaturation雙鏈分開和重新形成雙鏈這樣的過程稱為變性和復(fù)性。破壞氫鍵形成的因素都可能使DNA變性，如過量的酸、堿或加熱。63The process of denaturation64Hyper- and hypo-chromic effects單核苷酸單鏈DNA雙鏈DNADNA變性，使溶液A260增高

17、，稱為增色效應(yīng)。在解鏈曲線中的中點稱為中點解鏈溫度，或解鏈溫度(Tm)。變性和復(fù)性是可逆的。65melting temperature, TmTm：變性是在一個相當(dāng)窄的溫度范圍內(nèi)完成，在這一范圍內(nèi)，紫外光吸收值達(dá)到最大值的50%時的溫度稱為DNA的解鏈溫度，又稱融解溫度(影響因素：1DNA均一性決定熔解溫度范圍大小；2G-C堿基對含量決定熔解溫度高低；3介質(zhì)中的離子強度影響變性。6667DNA renaturationDNARecovery of the double helix structure.復(fù)性。The process of DNA renaturation after heated denaturation. 退火(annealing) 。減色效應(yīng) Hypochromic affectDNA復(fù)性時，其溶液A260降低。68hybridization雜交：不同的DNA鏈放在同一溶液中作變性處理，或把單鏈DNA和RNA放在一起，局部的堿基配對，就可以形成局部雙鏈，在不同的分子間形成雜化雙鏈（heteroduplex）。 這種雜化雙鏈可以在不同的DNA與DNA之間形成，也可以在DNA和RNA分子之間或者RNA和RNA分子之間形成。這一過程稱為核酸分子雜交。69Probe探針：a