(2024年)生物化學第二章核酸化學

生物化學第二章核酸化學12024/3/26目錄contents核酸概述與分類DNA結(jié)構與性質(zhì)RNA結(jié)構與性質(zhì)核酸理化性質(zhì)與分離純化方法核酸酶及其作用機制基因突變、修復與重組過程總結(jié)與展望22024/3/2601核酸概述與分類32024/3/26核酸定義及功能核酸是由核苷酸組成的大分子，攜帶遺傳信息，控制蛋白質(zhì)合成。核酸在細胞分裂、蛋白質(zhì)合成、基因表達等生物過程中發(fā)揮重要作用。42024/3/26DNA是雙鏈螺旋結(jié)構，由脫氧核糖核苷酸組成，堿基包括腺嘌呤（A）、鳥嘌呤（G）、胸腺嘧啶（T）和胞嘧啶（C）。RNA是單鏈結(jié)構，由核糖核苷酸組成，堿基包括腺嘌呤（A）、鳥嘌呤（G）、尿嘧啶（U）和胞嘧啶（C）。DNA與RNA結(jié)構特點52024/3/26核酸可分為DNA和RNA兩大類，根據(jù)來源不同可分為基因組DNA、病毒DNA、mRNA、tRNA、rRNA等。核酸的命名通常包括種類、來源和特定序列信息，如人類基因組DNA可命名為hgDNA，mRNA可命名為信使RNA等。核酸分類及命名規(guī)則62024/3/2602DNA結(jié)構與性質(zhì)72024/3/26DNA由兩條反向平行的多核苷酸鏈組成，形成右手螺旋結(jié)構。堿基平面與螺旋縱軸垂直，糖環(huán)平面則與軸平行，兩條鏈皆為右手螺旋。堿基位于雙螺旋內(nèi)側(cè)，磷酸與糖基在外側(cè)，通過磷酸二酯鍵相連，形成核酸的骨架。雙螺旋直徑為2nm，堿基堆積距離為0.34nm，兩核苷酸之間的夾角是36゜，每10bp螺旋上升一周，螺距為3.4nm。DNA雙螺旋結(jié)構模型82024/3/26DNA堿基配對原則在DNA雙鏈中，腺嘌呤（A）與胸腺嘧啶（T）配對，形成2個氫鍵；這種堿基配對關系被稱為Chargaff規(guī)則。鳥嘌呤（G）與胞嘧啶（C）配對，形成3個氫鍵。堿基配對具有方向性，即A只能與T配對，G只能與C配對。92024/3/26超螺旋按其扭曲方向分正超螺旋和負超螺旋兩種。正超螺旋：當DNA雙螺旋的左手螺旋方向超過了生物體DNA通常所具有的螺距時，所產(chǎn)生的螺旋。DNA超螺旋的存在對于DNA的復制、轉(zhuǎn)錄、重組以及DNA與其他生物大分子的相互作用等過程具有重要意義。負超螺旋：當DNA雙螺旋的右手螺旋不足時所產(chǎn)生的螺旋。DNA超螺旋是DNA三級結(jié)構的主要形式，由雙螺旋DNA進一步扭曲盤繞所形成。DNA超螺旋現(xiàn)象及意義102024/3/2603RNA結(jié)構與性質(zhì)112024/3/26三葉草二級結(jié)構由D環(huán)、反密碼環(huán)、TΨC環(huán)、可變環(huán)等構成，形狀類似于三葉草。氨基酸接受臂3'-末端CCA-OH結(jié)構，用于連接氨基酸。反密碼子位于反密碼環(huán)中部，可與mRNA上的密碼子堿基互補配對。tRNA三葉草結(jié)構特點122024/3/26由5S、16S和23S三種rRNA組成，參與核糖體構建和蛋白質(zhì)合成。原核生物rRNA真核生物rRNArRNA修飾由5S、5.8S、18S和28S四種rRNA組成，功能與原核生物類似。包括甲基化、假尿嘧啶化等，對維持rRNA穩(wěn)定性和功能至關重要。030201rRNA組成及功能132024/3/26miRNA和siRNA等小分子RNA簡介如piRNA、snoRNA等，在基因表達調(diào)控、RNA修飾等方面發(fā)揮作用。其他小分子RNA長約22nt的非編碼單鏈RNA，通過堿基互補配對與mRNA結(jié)合，抑制其翻譯或促進mRNA降解，從而調(diào)控基因表達。miRNA（microRNA）長約21nt的雙鏈RNA，可引導RISC復合物識別并切割靶mRNA，實現(xiàn)基因沉默。siRNA（smallinterferingRN…142024/3/2604核酸理化性質(zhì)與分離純化方法152024/3/26溶解度核酸在不同溶劑中的溶解度不同，一般易溶于水，難溶于乙醇、乙醚等有機溶劑。其溶解度受溫度、pH、離子強度等因素的影響。沉淀條件在適當?shù)臈l件下，核酸可以從溶液中沉淀出來。常用的沉淀方法有乙醇沉淀法、異丙醇沉淀法等。沉淀條件包括pH值、離子強度、溫度等。核酸溶解度和沉淀條件162024/3/26核酸電泳是利用核酸分子在電場作用下的遷移速率不同而實現(xiàn)分離的技術。核酸分子在電場中會受到電場力的作用，由于不同大小和構象的核酸分子具有不同的遷移速率，因此可以通過電泳技術將它們分離開來。原理核酸電泳技術在分子生物學研究中具有廣泛的應用，如DNA片段的分離、RNA的提取和純化、基因表達分析等。應用核酸電泳技術原理及應用172024/3/26VS從生物樣品中提取核酸是分離純化的第一步。常用的提取方法有酚-氯仿抽提法、硅膠柱層析法等。這些方法可以有效地去除蛋白質(zhì)、多糖等雜質(zhì)，得到較純的核酸樣品。純化提取得到的核酸樣品中往往還含有少量的雜質(zhì)，需要進一步純化。常用的純化方法有乙醇沉淀法、離子交換層析法、凝膠電泳法等。這些方法可以去除殘留的蛋白質(zhì)、鹽類等雜質(zhì)，提高核酸的純度和質(zhì)量。提取核酸分離純化策略182024/3/2605核酸酶及其作用機制192024/3/26識別DNA分子中的特定核苷酸序列，并在該序列內(nèi)部進行切割，產(chǎn)生特定的DNA片段。限制性內(nèi)切酶從DNA或RNA鏈的末端開始，逐個水解核苷酸，釋放單個的核苷酸或寡核苷酸。外切酶限制性內(nèi)切酶和外切酶作用方式202024/3/26在基因工程中，DNA連接酶用于連接具有互補粘性末端的DNA片段，形成重組DNA分子。DNA連接酶還參與細胞內(nèi)DNA損傷修復過程，如連接因紫外線、化學物質(zhì)等引起的DNA鏈斷裂。DNA連接酶在基因工程中應用修復DNA損傷連接DNA片段212024/3/26拓撲異構酶對DNA拓撲結(jié)構影響拓撲異構酶能夠催化DNA鏈的斷裂和重新連接，從而改變DNA的超螺旋狀態(tài)，使其趨于松弛或緊密。改變DNA超螺旋狀態(tài)拓撲異構酶在細胞內(nèi)起著維持DNA拓撲結(jié)構穩(wěn)定的作用，確保DNA在復制、轉(zhuǎn)錄等過程中的正常進行。維持DNA拓撲結(jié)構穩(wěn)定222024/3/2606基因突變、修復與重組過程232024/3/26包括點突變、插入突變、缺失突變和重排突變等?；蛲蛔冾愋突蛲蛔兛捎啥喾N因素引起，如物理因素（如紫外線、X射線等）、化學因素（如某些化學物質(zhì)、毒素等）和生物因素（如病毒、細菌等）。此外，DNA復制過程中的錯誤也可能導致基因突變。產(chǎn)生原因基因突變類型及產(chǎn)生原因242024/3/26SOS修復當DNA受到嚴重損傷時，細胞會啟動應急反應機制，即SOS修復。這種修復方式雖然可能導致較高的突變率，但有助于細胞在惡劣環(huán)境下生存。直接修復針對某些特定類型的DNA損傷，如嘧啶二聚體的形成，可通過光復活作用或特定酶的作用進行直接修復。切除修復通過一系列酶的作用，將損傷部位從DNA鏈上切除，并以另一條鏈為模板進行合成，最終由連接酶連接缺口。重組修復在某些情況下，當DNA雙鏈均受到損傷時，可通過重組機制進行修復。這涉及到姐妹染色單體間的交換，使得損傷得以修復。DNA損傷修復機制簡介252024/3/26發(fā)生在同源序列之間的重組過程。它依賴于序列之間的相似性，通過鏈交換和鏈退火等步驟實現(xiàn)DNA片段的交換或重排。同源重組在DNA修復、基因表達和基因組進化等方面發(fā)揮重要作用。發(fā)生在非同源序列之間的重組過程。這種重組不依賴于序列之間的相似性，而是通過一些特殊的蛋白質(zhì)和酶的作用來實現(xiàn)DNA片段的連接。非同源重組可能導致基因的重排和染色體的不穩(wěn)定，進而對生物體產(chǎn)生遺傳影響。同源重組非同源重組同源重組和非同源重組過程262024/3/2607總結(jié)與展望272024/3/26核酸結(jié)構與功能研究揭示了DNA雙螺旋結(jié)構和RNA多種功能，闡明了遺傳信息存儲、傳遞和表達機制。核酸酶研究發(fā)現(xiàn)了多種核酸酶，揭示了它們在DNA復制、修復和RNA剪接等過程中的重要作用。核酸藥物研發(fā)基于核酸的藥物設計取得了顯著進展，如反義寡核苷酸、核酸適配體等，為疾病治療提供了新的手段。核酸化學領域重要成果回顧282024/3/26未來發(fā)展趨勢預測核酸修飾與編輯隨著CRISPR等基因編輯技術的發(fā)展，未來有望實現(xiàn)更精準的核酸修飾和編輯，為基因治療和遺傳性疾病治療提供有力工具。核酸納米技術利用核酸自組裝等納米技術，構建具