核苷酸與核酸

核苷酸與核酸第1頁/共88頁

分子生物學是研究核酸和蛋白質的結構與功能的學科。在分子水平上闡述基因的結構、基因的復制、基因的表達和調(diào)節(jié)、蛋白質與核酸的相互作用、蛋白質與蛋白質的相互作用。第2頁/共88頁

醫(yī)學分子生物學是分子生物學的一個重要分支，是從分子水平研究人體在正常和疾病狀態(tài)下生命活動及其規(guī)律的一門科學。醫(yī)學分子生物學主要研究人體生物大分子和大分子體系的結構、功能、相互作用及其與疾病發(fā)生、發(fā)展的關系。第3頁/共88頁生物化學與分子生物學(供8年制及7年制臨床醫(yī)學等專業(yè)用)賈弘緹，馮作化主編人民衛(wèi)生出版社(第二版2010)2.醫(yī)學分子生物學(供研究生用)(全國高等醫(yī)藥院校教材)查錫良主編人民衛(wèi)生出版社參考教材第4頁/共88頁主要內(nèi)容核酸結構與功能蛋白質的結構與功能遺傳信息傳遞的整體性(基因組學、轉錄組學、蛋白組學及“組學”在醫(yī)學中的應用)基因表達與調(diào)控(原核生物基因表達調(diào)控，真核生物基因表達調(diào)控）DNA操作基本技術（分子雜交，PCR,DNA測序等）DNA重組技術基因診斷與基因治療第5頁/共88頁核酸(nucleicacid)：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。核酸結構及功能第6頁/共88頁核酸的分類及分布

存在于細胞核和線粒體內(nèi)存在于胞核、胞液和線粒體(deoxyribonucleicacid,DNA)(ribonucleicacid,RNA)脫氧核糖核酸

核糖核酸攜帶遺傳信息，決定細胞和個體的遺傳型。參與遺傳信息的復制與表達。某些病毒RNA也可作為遺傳信息的載體。(Classificationofnucleicacid)第7頁/共88頁History1944:provedDNAisgeneticmaterials

(Averyetal.)1953:discoveredDNAdoublehelix

(WatsonandCrick)1968:decodedthegeneticcodes

(Nirenberg)1975:discoveredreversetranscriptase(TeminandBaltimore)1981:inventedDNAsequencingmethod

(GilbertandSanger)1985:inventedPCRtechnique

(Mullis)1990:launchedthe

humangenomeproject

1999:HGPinChina2001:accomplishedthedraftmapofhumangenome第8頁/共88頁核酸的化學組成(TheChemicalComponentofNucleicAcid)第9頁/共88頁核酸的化學組成元素組成

C、H、O、N、P(9-10%)

分子組成

堿基(base):

嘌呤(purine)

嘧啶(pyrimidine)

戊糖(pentose):

核糖(ribose)

脫氧核糖(deoxyribose)

磷酸(phosphate)第10頁/共88頁核酸的基本組成單位是核苷酸(nucleotides)堿基戊糖磷酸核苷酸核苷核酸DNA的基本組成單位是脫氧核糖核苷酸RNA的基本組成單位是核糖核苷酸

nucleicacidnucleotidephosphatenucleosidepentosebase第11頁/共88頁嘌呤

嘧啶

堿基腺嘌呤（A）鳥嘌呤（G）胞嘧啶（C）胸腺嘧啶（T）尿嘧啶（U）DNA、RNA均有DNA有RNA有一、核苷酸的結構每種核酸都含有四種堿基。第12頁/共88頁嘌呤(purine)腺嘌呤(adenine,A)鳥嘌呤(guanine,G)第13頁/共88頁嘧啶(pyrimidine)胞嘧啶(cytosine,C)尿嘧啶(uracil,U)胸腺嘧啶(thymine,T)第14頁/共88頁

稀有堿基（rarebases）DNARNA嘌呤7-甲基鳥嘌呤（m7G）N6-甲基腺嘌呤（m6A）N6-甲基腺嘌呤（m6A）N6,N6-二甲基腺嘌呤7-甲基鳥嘌呤嘧啶5-甲基胞嘧啶（m5C）5-甲基胞嘧啶（m5C）5-羥甲基胞嘧啶（hm5C）5-羥甲基胞嘧啶（hm5C）第15頁/共88頁第16頁/共88頁核苷（nucleoside）堿基與戊糖通過β-N-糖苷鍵共價相連而形成的一種糖苷。

（glycosidicbond）（glycosidicbond）第17頁/共88頁核苷酸：AMP,GMP,UMP,CMP脫氧核苷酸：dAMP,dGMP,dTMP,dCMP

（glycosidicbond）（phosphoesterbond）核苷酸（nucleotide）核苷的戊糖羥基與磷酸之間脫水以酯鍵相連形成核苷酸。第18頁/共88頁核苷酸（nucleotide)胞嘧啶（cytosine）胞苷（cytidine)胞苷一磷酸（cytidinemonophosphate）第19頁/共88頁

多磷酸核苷酸：

NMP，NDP，NTP第20頁/共88頁第21頁/共88頁第22頁/共88頁第23頁/共88頁第24頁/共88頁

核苷酸的功能構成核酸是細胞內(nèi)化學能載體可以作為細胞內(nèi)信號轉導信使是一些重要輔酶的結構成分是重要的藥物研究對象

第25頁/共88頁核酸的結構StructureofNucleicAcid第26頁/共88頁一、核酸的一級結構（primarystructure）

定義：核酸中核苷酸的排列順序。組成DNA分子的脫氧核糖核苷酸(dAMP,dGMP,dTMP,dCMP)的排列順序。組成RNA分子的核糖核苷酸(AMP,GMP,UMP,CMP)的排列順序。由于核苷酸間的差異主要是堿基不同，所以也稱為堿基序列。第27頁/共88頁5′端3′端核苷酸之間以3,5-磷酸二酯鍵(phosphoesterbond)連接形成多核苷酸鏈，即核酸。CGA第28頁/共88頁書寫方法第29頁/共88頁

堿基戊糖磷酸

堿基戊糖磷酸

嘌呤嘧啶DNAAGCT

脫氧核糖磷酸RNA AGCU

核糖磷酸N9N1C1‘

核苷糖苷鍵核苷酸（多為5’核苷酸）磷酸二酯鍵兩種核酸的比較第30頁/共88頁DNA的結構第31頁/共88頁一、DNA的一級結構

四種脫氧核糖核苷酸或四種堿基的排列順序稱為DNA的一級結構。第32頁/共88頁二、DNA的二級結構（Secondarystructure）

---雙螺旋結構(DoublehelixofDNA)

JamesWatsonandFrancisCrickproposedadoublehelixmodelofDNAin1953.第33頁/共88頁DNA雙螺旋結構模型要點

1.兩條鏈反向平行(antiparallel)，圍繞同一中心軸構成右手雙螺旋(doublehelix)。螺旋直徑2nm，表面有大溝和小溝。2.磷酸-脫氧核糖骨架位于螺旋外側，堿基垂直于螺旋軸而伸入內(nèi)側。每圈螺旋含10個堿基對

(basepairs,bp)，螺距為3.4nm。大溝小溝第34頁/共88頁3.兩條鏈通過堿基間的氫鍵相連，A對T有兩個氫鍵，C對G有三個氫鍵，這種A-T、C-G配對的規(guī)律，稱為堿基互補規(guī)則。4.維持雙螺旋穩(wěn)定的因素：橫向為氫鍵，縱向為堿基間的堆積力。第35頁/共88頁DNA雙螺旋結構的多樣性Z型DNAB型DNAA型DNA右手螺旋左手螺旋第36頁/共88頁三、DNA的高級結構DNA分子在形成雙螺旋結構的基礎上，進一步折疊成超螺旋結構(supercoil)(原核細胞)，或在蛋白質的參與下，進行精密的包裝(真核細胞)。高度壓縮的DNA分子才能容納于細胞質或細胞核中。第37頁/共88頁原核生物(Prokaryotic)DNA的高級結構

環(huán)狀雙螺旋分子，進一步盤繞形成類核。第38頁/共88頁超螺旋結構(superhelix或supercoil)DNA雙螺旋鏈再盤繞即形成超螺旋結構。

正超螺旋(positivesupercoil)盤繞方向與DNA雙螺旋方同相同。負超螺旋(negativesupercoil)盤繞方向與DNA雙螺旋方向相反。自然界的閉合雙鏈DNA主要以負超螺旋形式存在。第39頁/共88頁EMimageofsupercoiledDNA

第40頁/共88頁意義DNA超螺旋結構整體或局部的拓撲學變化及其調(diào)控對于DNA復制和RNA轉錄過程具有關鍵作用。第41頁/共88頁DNA在真核生物(Eukaryotic)細胞核內(nèi)的組裝真核生物染色體由DNA和蛋白質構成，其基本單位是核小體(nucleosome)。核小體的組成DNA：約200bp組蛋白：H1H2A，H2BH3H4第42頁/共88頁(約60bp)組蛋白H1八聚體核心組蛋白第43頁/共88頁串珠狀核小體結構第44頁/共88頁真核生物染色體DNA組裝第45頁/共88頁DNA的功能(FunctionsofDNA)DNA的基本功能是以基因的形式荷載遺傳信息，并作為基因復制和轉錄的模板。它是生命遺傳的物質基礎，也是個體生命活動的信息基礎。第46頁/共88頁基因組（Genome）

包含了所有編碼RNA和蛋白質的序列及所有的非編碼序列。人的基因組有2×109個堿基對。是指DNA分子中的特定區(qū)段，其中的核苷酸排列順序決定了基因的功能?；?Gene)第47頁/共88頁

DNA的結構特點具有高度的復雜性和穩(wěn)定性,

滿足遺傳多樣性和穩(wěn)定性。2.DNA可以發(fā)生重組和突變，為自然選擇提供機會。第48頁/共88頁

RNA的結構與功能StructureandFunctionofRNA第49頁/共88頁RNA常以單鏈形式存在，局部也可形成二級結構和三級結構。RNA分子比DNA分子小得多，數(shù)十個至數(shù)千個核苷酸組成。RNA種類、大小和結構多樣化。RNA和蛋白質共同負責基因的表達和表達調(diào)控。RNA特點第50頁/共88頁主要RNA的種類、分布及功能第51頁/共88頁一、信使RNA(MessengerRNA,mRNA)

-------作為蛋白質合成的模板hnRNA內(nèi)含子(intron)mRNAmRNA成熟過程

外顯子(exon)第52頁/共88頁*mRNA結構特點1.真核mRNA的5′末端在轉錄后加上一個7-甲基鳥苷，同時第一個核苷酸的C′2也是甲基化，形成帽子結構：m7GpppNm-。2.真核mRNA的3′末端有一個多聚腺苷酸(polyA)結構，稱為多聚A尾。第53頁/共88頁mRNA核內(nèi)向胞質的轉位mRNA的穩(wěn)定性維系翻譯起始的調(diào)控帽子結構和多聚A尾的功能*mRNA的功能：作為蛋白質合成的模板。第54頁/共88頁第55頁/共88頁tRNA的一級結構特點含稀有堿基較多3′末端為-CCA-OH二、轉運RNA(TransferRNA,tRNA)----氨基酸的攜帶者，轉運氨基酸至核糖體，參與蛋白質的合成。第56頁/共88頁*tRNA的二級結構——三葉草形氨基酸臂額外環(huán)第57頁/共88頁*tRNA的三級結構——倒L形*tRNA的功能活化、搬運氨基酸到核糖體，參與蛋白質的翻譯。第58頁/共88頁*rRNA的結構三、核蛋白體RNA(RibosomalRNA,rRNA)*rRNA的功能參與組成核蛋白體，作為蛋白質生物合成的場所。第59頁/共88頁第60頁/共88頁核糖體(ribosomes)的組成原核生物真核生物小亞基30S40SrRNA16S18S蛋白質21種33種大亞基50S60SrRNA23S5S28S5.8S5S蛋白質33種49種核糖體70S80S第61頁/共88頁18SrRNA的二級結構

第62頁/共88頁第63頁/共88頁四、其他小分子RNA及RNA組學除了上述三種RNA外，細胞的不同部位存在的許多其他種類的小分子RNA，統(tǒng)稱為非mRNA小RNA

(smallnon-messengerRNAs，snmRNAs)。

非mRNA小RNA（snmRNAs）第64頁/共88頁snmRNAs的種類核內(nèi)小RNA(snRNA)核仁小RNA(snoRNA)胞質小RNA(scRNA)催化性小RNA小片段干擾RNA(siRNA)snmRNAs的功能參與hnRNA和rRNA的轉錄后加工和轉運以及基因表達過程的調(diào)控等。第65頁/共88頁核酸的理化性質ThePhysicalandChemicalCharactersofNucleicAcid第66頁/共88頁一、核酸的一般理化性質核酸為多元酸，具有較強的酸性；DNA是線性高分子，粘度極大；在260nm波長有最大吸收峰，是由堿基的共軛雙鍵決定的。這一特性常用作核酸的定性、定量分析。第67頁/共88頁腺嘌呤第68頁/共88頁1.DNA或RNA的定量OD260=1.0相當于50g/ml雙鏈DNA40g/ml單鏈DNA（或RNA）20g/ml寡核苷酸2.判斷核酸樣品的純度DNA純品:OD260/OD280=1.8RNA純品:OD260/OD280=2.0OD260的應用第69頁/共88頁二、DNA的變性(denaturation)定義：在某些理化因素作用下，DNA雙鏈解開成兩條單鏈的過程。變性因素：過量酸、堿、加熱等。變性后理化性質的主要改變：OD260增高 粘度下降第70頁/共88頁第71頁/共88頁DNA的紫外吸收光譜增色效應(hyperchromicity)

DNA變性時其溶液OD260增高的現(xiàn)象。第72頁/共88頁*解鏈曲線(MeltingcurveofdsDNA)在連續(xù)加熱DNA的過程中以溫度對A260值作圖，所得的曲線稱為解鏈曲線。第73頁/共88頁*Tm：紫外光吸收值達到最大值的50%時的溫度稱為DNA的解鏈溫度，又稱融解溫度(meltingtemperature,Tm)。其大小與G+C含量成正比。第74頁/共88頁三、DNA的復性與分子雜交

*DNA復性(renaturation)在適當條件下，變性DNA的兩條互補鏈可恢復天然的雙螺旋構象，這一現(xiàn)象稱為復性。減色效應DNA復性時，其溶液OD260降低。熱變性的DNA經(jīng)緩慢冷卻后即可復性，這一過程稱為退火(annealing)

。第75頁/共88頁CooperativeunwindingofDNAstrandsExtremesinpHorhightemperatureDenaturationofDNA第76頁/共88頁EMimageofdenaturedDNA第77頁/共88頁

熱變性的DNA在復性過程中，具有堿基序列部分互補的不同的DNA之間或DNA與RNA之間形成雜化雙鏈的現(xiàn)象。核酸分子雜交(hybridization)第78頁/共88頁變性復性復性第79頁/共88頁第80頁/共88頁核酸分子雜交的應用研究DNA分子中某一種基