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1、第第2章章 核酸的结构与功能核酸的结构与功能Chapter 2 Struction & function of Nucleic Acid本章教学重点本章教学重点核酸的概念、基本组成单位，核酸的概念、基本组成单位，DNA、RNA组成的异同；核酸组成的异同；核酸（DNA、RNA）的一级结构，连接键；）的一级结构，连接键； DNA双螺旋结构模双螺旋结构模式的要点，式的要点，DNA的超螺旋结构和功能；的超螺旋结构和功能；tRNA、mRNA的组的组成、结构特点；成、结构特点； 核酸的变性、复性，融解温度（核酸的变性、复性，融解温度（Tm）、增）、增色效应的概念。色效应的概念。 核蛋白体核蛋白体RNA（r
2、RNA）的结构与功能；核）的结构与功能；核酸分子杂交的概念和原理；核酶的定义，功能。酸分子杂交的概念和原理；核酶的定义，功能。 核核 酸酸(nucleic acid)是以核苷酸为基本组成单位、携带和传是以核苷酸为基本组成单位、携带和传递遗传信息的生物大分子递遗传信息的生物大分子 。 90%以以上上分分布布于于细细胞胞核核，其其余余分分布布于核外于核外如线粒体，叶绿体，质粒等。如线粒体，叶绿体，质粒等。分布于胞核、胞液。分布于胞核、胞液。(deoxyribonucleic acid, DNA)(ribonucleic acid, RNA)脱氧核糖核酸脱氧核糖核酸 核糖核酸核糖核酸携带遗传信息，决
3、定细胞和个携带遗传信息，决定细胞和个体的基因型体的基因型(genotype)。参与细胞内参与细胞内DNA遗传信息的表遗传信息的表达。某些病毒达。某些病毒RNA也可作为遗也可作为遗传信息的载体。传信息的载体。第第1 1节节 核酸的化学组成及一级结构核酸的化学组成及一级结构Section 1 the Chemical Component and Primary Structure of Nucleic Acid核酸的组成核酸的组成 核酸核酸 (DNA和和RNA)核苷酸核苷酸核苷和脱氧核苷核苷和脱氧核苷磷酸磷酸戊糖戊糖碱基碱基嘌呤嘌呤嘧啶嘧啶核糖核糖脱氧核糖脱氧核糖1. .核酸的化学组成及核苷酸核酸
4、的化学组成及核苷酸 1-1-1. 元素组成元素组成C、H、O、N、P（910%） 1-1-2. 分子组成分子组成 碱基碱基(base)：嘌呤碱，嘧啶碱：嘌呤碱，嘧啶碱 戊糖戊糖(ribose)：核糖，脱氧核糖：核糖，脱氧核糖 磷酸磷酸(phosphate)1-1. .核酸的化学组成核酸的化学组成1-1-2-1. 碱基碱基(base) 含氮的杂环化合物。含氮的杂环化合物。碱基碱基嘌呤嘌呤嘧啶嘧啶腺嘌呤腺嘌呤鸟嘌呤鸟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中中仅存在于仅存在于RNA中中仅存在于仅存在于DNA中中1-1-2-1. 嘌呤嘌呤(purine，Pu) 腺嘌呤
5、腺嘌呤(adenine, A)鸟嘌呤鸟嘌呤(guanine, G)1-1-2-1. 嘧啶嘧啶(pyrimidine，Py)胞嘧啶胞嘧啶(cytosine, C)尿嘧啶尿嘧啶(uracil, U)胸腺嘧啶胸腺嘧啶(thymine, T)1-1-2-2. 戊戊 糖糖(pentose)（构成（构成RNA）12345核糖核糖(ribose)（构成（构成DNA）脱氧核糖脱氧核糖(deoxyribose)1-1-2-3. 核苷核苷(ribonucleoside)NNNN9NH2OOHOHHHHCH2OHH12糖苷键糖苷键嘌呤嘌呤N-9或嘧啶或嘧啶N-1与与核糖核糖C-1 通过通过-N-糖苷键相连。糖苷键相
6、连。脱氧核苷脱氧核苷(deoxyribonucleoside)嘌呤嘌呤N-9 或嘧啶或嘧啶N-1与与脱氧核糖脱氧核糖C-1 通过通过-N-糖苷键相连。糖苷键相连。核苷：核苷：AR, GR, UR, CR脱氧核苷：脱氧核苷：dAR, dGR, dTR, dCR11CR1-2. .核酸的构件分子核酸的构件分子核苷酸核苷酸核苷酸核苷酸：AMP, GMP, UMP, CMP脱氧脱氧核苷酸：核苷酸：dAMP, dGMP, dTMP, dCMP 1-2-1. 核苷酸核苷酸(ribonucleotide)的结构与命名的结构与命名核苷（脱氧核苷）和磷酸以核苷（脱氧核苷）和磷酸以磷酸酯键磷酸酯键连接形成连接形成
7、核苷酸（脱氧核苷酸）。核苷酸（脱氧核苷酸）。多磷酸核苷酸多磷酸核苷酸1-2-2. 核苷酸衍生物核苷酸衍生物cAMP环核苷酸：环核苷酸：cAMP、cGMP，是细胞信号转导中的第二信使。是细胞信号转导中的第二信使。含核苷酸的生物活性物质：含核苷酸的生物活性物质： NAD+、NADP+、CoA-SH、FAD 等都含等都含有有 AMPNADP+NAD+CoA10FMN5端端3端端核苷酸之间以核苷酸之间以磷磷酸二酯键酸二酯键连接形成多核连接形成多核苷酸链，即核酸。苷酸链，即核酸。CGA1-3. . 核苷酸的连接核苷酸的连接2.多聚脱氧核苷酸多聚脱氧核苷酸(DNA)一一个个脱脱氧氧核核苷苷酸酸3 的的羟羟
8、基基与与另另一一个个核核苷苷酸酸5 的的-磷磷酸酸基基团团缩缩合合形形成成磷磷酸酸二二酯酯键键(phosphodiester bond)。 多多个个脱脱氧氧核核苷苷酸酸通通过过磷磷酸酸二二酯酯键键构构成成了了具具有有方方向向 性性 的的 线线 性性 分分 子子 ， 称称 为为 多多 聚聚 脱脱 氧氧 核核 苷苷 酸酸(polydeoxynucleotide)，即，即DNA链链。5-末末端端3-末末端端CGA磷酸二酯键磷酸二酯键磷酸二酯键磷酸二酯键DNA链的方向是链的方向是5 3 交替的交替的磷酸磷酸基团基团和戊糖和戊糖构成构成了了DNA的骨架的骨架 (backbone)3.多聚核苷酸多聚核苷酸
9、(RNA)RNA也也是是多多个个核核苷苷酸酸分分子子通通过过酯酯化化反反应应形形成成3,5-磷酸二酯键的线性大分子，并且具有方向性；磷酸二酯键的线性大分子，并且具有方向性；RNA的戊糖是核糖；的戊糖是核糖；RNA的嘧啶是胞嘧啶和尿嘧啶。的嘧啶是胞嘧啶和尿嘧啶。4.核酸的一级结构核酸的一级结构55端端3端端CGAn定义定义核酸中核苷酸的排列顺序。由于核酸中核苷酸的排列顺序。由于核苷酸间的差异主要是碱基不同，核苷酸间的差异主要是碱基不同，所以也称为所以也称为碱基序列碱基序列。A G P5 P T PG PC PT P OH 3 n书写方法：书写方法：5 pApGpTpGpCpT-OH 3 5 A
10、G T G C T 3 核核酸酸分分子子的的大大小小常常用用碱碱基基(base或或kilobase)数数目目或或碱碱基基对对(base pair, bp)来表示。来表示。小小 的的 核核 酸酸 片片 段段 (80)。rRNA与与核核蛋蛋白白体体蛋蛋白白结结合合组组成成核核蛋蛋白白体体(ribosome)，后者为蛋白质的合成提供场所后者为蛋白质的合成提供场所。* rRNA的种类（根据沉降系数）的种类（根据沉降系数）真核生物真核生物5S rRNA28S rRNA5.8S rRNA18S rRNA原核生物原核生物5S rRNA23S rRNA16S rRNAn核蛋白体的组成核蛋白体的组成原核生物（以
11、大肠杆菌为例）原核生物（以大肠杆菌为例）真核生物（以小鼠肝为例）真核生物（以小鼠肝为例）小亚基小亚基30S40SrRNA16S1542个核苷酸个核苷酸18S1874个核苷酸个核苷酸蛋白质蛋白质21种种占总重量的占总重量的40%33种种占总重量的占总重量的50%大亚基大亚基50S60SrRNA23S5S2940个核苷酸个核苷酸120个核苷酸个核苷酸28S5.85S5S4718个核苷酸个核苷酸160个核苷酸个核苷酸120个核苷酸个核苷酸蛋白质蛋白质31种种占总重量的占总重量的30%49种种占总重量的占总重量的35%真核生物真核生物18S rRNA的二级结构的二级结构蛋白质合成时核糖体、蛋白质合成时
12、核糖体、mRNA、tRNA形成复合体形成复合体4. 其他小分子其他小分子RNA及及RNA组学组学RNA组组学学是是研研究究细细胞胞内内snmRNA的的种种类类、结结构构和和功功能能。同同一一生生物物体体内内不不同同种种类类的的细细胞胞、同同一一细细胞胞在在不不同同时时空空状状态态下下snmRNAs表表达达谱谱的的变变化化，以以及及与与功功能能之之间间的的关系。关系。 细细胞胞的的不不同同部部位位存存在在的的许许多多其其他他种种类类的的小小分分子子RNA， 统统 称称 为为 非非 mRNA小小 RNA(small non-messenger RNAs, snmRNAs)。 l核内小核内小RNAl
13、核仁小核仁小RNAl胞质小胞质小RNAl催化性小催化性小RNAl小片段干扰小片段干扰 RNA 参与参与hnRNA的加工剪接的加工剪接nsnmRNAs的的种类种类nsnmRNAs的的功能功能n核酶核酶某某些些小小RNA分分子子具具有有催催化化特特定定RNA降降解解的的活活性性，这这 种种 具具 有有 催催 化化 作作 用用 的的 小小 RNA亦亦 被被 称称 为为 核核 酶酶(ribozyme)或或催化性催化性RNA(catalytic RNA)。 催化性催化性DNA (DNAzyme) 人工合成的寡聚脱氧核人工合成的寡聚脱氧核苷酸片段，能序列特异性降解苷酸片段，能序列特异性降解RNA。也称脱氧
14、核酶。也称脱氧核酶(deoxyribozyme) 第第4节节 核酸的理化性质核酸的理化性质Section 4 the Physical and Chemical Characters of Nucleic Acid核酸的酸碱及溶解度性质核酸的酸碱及溶解度性质l核酸为多元酸，具有较强的酸性。核酸为多元酸，具有较强的酸性。核酸的高分子性质核酸的高分子性质l粘度：粘度：DNARNA dsDNA ssDNAl沉沉降降行行为为:不不同同构构象象的的核核酸酸分分子子的的沉沉降降的的速速率率有有很很大大差差异异，这这是是超超速速离离心心法法提提取取和和纯纯化化核核酸酸的的理理论基础。论基础。1. 核酸分子的
15、紫外吸收核酸分子的紫外吸收核酸在波长核酸在波长 260nm260nm 处有强烈的吸收，是由处有强烈的吸收，是由碱基的共轭双键碱基的共轭双键所所决定的。这一特性常用作核酸的定性和定量分析。决定的。这一特性常用作核酸的定性和定量分析。DNA或或RNA的定量的定量A260 = 1.0 相当于相当于 50g/ml 双链双链DNA(dsDNA)40g/ml 单链单链DNA (ssDNA or RNA)20g/ml 寡核苷酸寡核苷酸紫外吸收寡核苷酸紫外吸收寡核苷酸ssDNA/RNAdsDNA确定样品中核酸的纯度确定样品中核酸的纯度 纯纯 DNA: A260/A280 = 1.8纯纯 RNA: A260/A
16、280 = 2.0n紫外吸收特性的应用紫外吸收特性的应用2. DNA的变性的变性定义定义：在某些理化因素作用下，在某些理化因素作用下，DNA双链解开成两条单双链解开成两条单链的过程。链的过程。方法：方法：过量酸，碱，加热，变性试剂如尿素、酰胺以及过量酸，碱，加热，变性试剂如尿素、酰胺以及某些有机溶剂如乙醇、丙酮等。某些有机溶剂如乙醇、丙酮等。变性后其它理化性质变化：变性后其它理化性质变化：OD260增高增高粘度下降粘度下降比旋度下降比旋度下降浮力密度升高浮力密度升高酸碱滴定曲线改变酸碱滴定曲线改变生物活性丧失生物活性丧失DNA变性的本质是双链间氢键的断裂变性的本质是双链间氢键的断裂n部分变性部
17、分变性DNA的电镜图像的电镜图像增增色色效效应应(hyperchromic effect)：DNA变变性性时时其其溶溶液液OD260增高的现象。增高的现象。DNA解链时的解链时的紫紫外吸收变化外吸收变化nDNA的解的解链链曲线曲线解链温度或融解温度解链温度或融解温度(melting temperature，Tm)连续加热连续加热DNA的过程中以的过程中以温度相对于温度相对于A260值作图，值作图，所得的曲线称为所得的曲线称为解链曲线。解链曲线。 解链过程中，紫外吸光度的解链过程中，紫外吸光度的变化达到最大变化值的一半变化达到最大变化值的一半时所对应的温度。时所对应的温度。G+C 含量越高，解链
18、温度就越高。含量越高，解链温度就越高。n解链解链曲线曲线的变化的变化3. DNA的复性与分子杂交的复性与分子杂交DNA复性复性(renaturation)的定义的定义在适当条件下，变性在适当条件下，变性DNA的两条互补链可恢复天的两条互补链可恢复天然的双螺旋构象，这一现象称为然的双螺旋构象，这一现象称为复性复性。减色效应减色效应DNA复性时，其溶液复性时，其溶液OD260降低。降低。热变性的热变性的DNA经缓慢冷却后即可复性，这一过经缓慢冷却后即可复性，这一过程称为程称为退火退火(annealing) 。不不同同种种类类的的DNA单单链链分分子子或或RNA分分子子放放在在同同一一溶溶液液中中，
19、只只要要两两种种单单链链分分子子之之间间存存在在着着一一定定程程度度的的碱碱基基配配对对关关系系，在在适适宜宜的的条条件件可可以以在在不不同同的的分分子子间间形形成成杂杂化化双双链链(heteroduplex)。这这种种杂杂化化双双链链可可以以在在不不同同的的DNA与与DNA之之间间形形成成，也也可可以以在在DNA和和RNA分分子子间间或或者者RNA与与RNA分分子子间间形形成成。这种现象称为核酸分子杂交。这种现象称为核酸分子杂交。核酸分子杂交核酸分子杂交(hybridization) DNA-DNA杂交双链分子杂交双链分子变性变性 复性复性 不同来源的不同来源的DNA分子分子研究研究DNA分
20、子中某一种基因的位置。分子中某一种基因的位置。监定两种核酸分子间的序列相似性。监定两种核酸分子间的序列相似性。检测某些专一序列在待检样品中存在与否。检测某些专一序列在待检样品中存在与否。n核酸分子杂交的应用核酸分子杂交的应用第第5节节 核酸酶核酸酶Section 4 Nuclease核酸酶核酸酶是指所有可以水解核酸的酶是指所有可以水解核酸的酶依据底物不同分类依据底物不同分类DNA酶酶(deoxyribonuclease, DNase)：专一降解专一降解DNA。RNA酶酶 (ribonuclease, RNase)：专一降解专一降解RNA。依据切割部位不同依据切割部位不同核酸内切酶：分为限制性核酸内切酶和非特异性核酸内切酶：分为限制性核酸内切酶和非特异性限制性核酸内切酶。限制性核酸内切酶。核酸外切酶：核酸外切酶：53或或35核酸外切酶。核酸外切酶。5533外切位点外切位点外切位点外切位点内切位点内切位点内切位点内切位点参与参与DNA的合成、修复以及的合成、修复以及RNA的剪接。的剪接。清清除除多多余余的的、结结构构和和功功能能异异常常的的核核酸酸，以以及及侵侵入入细细胞的外源性核酸。胞的外源性核酸。 降解食物中的核酸。降解食物中的核酸。体外重组体外重组DNA技术中的重要工具酶技术中的重要工具酶 。n核酸酶的功能核酸酶的功能
