1、第二章 核酸的结构与功能 Nucleic Acid structure and Its Function,卜友泉 生物化学与分子生物学教研室 重庆医科大学,本章主要内容,第一节 概述 第二节 DNA的结构与功能 第三节 RNA的结构与功能 第四节 核酸的理化性质,第一节 概述,一、核酸的发现与研究简史 二、核酸的化学组成及分类 三、核酸的基本构造单元核苷酸 四、核酸的一级结构,一、核酸的发现与研究简史,1868年，Friedrich Miescher先后从脓细胞和鲑鱼精子中提取到一种含磷的化合物，称为核素“nuclein”。 1889年， Miescher的学生Richard Altmann，
2、发现其为酸性大分子，将其命名为核酸“nucleic acid”。 1919年，Phoebus Levene鉴定了核酸的成分，由碱基、戊糖和磷酸组成。,Friedrich Miescher,Phoebus Levene,Molecular diagram of a proposed tetra-nucleotide, later shown to be incorrect. It was proposed by Phoebus Levene around 1910,但Phoebus Levene错误地提出了“四核苷酸”（tetra-nucleotide）模型，错误地认为DNA由重复的四核苷酸单元
3、组成，不具有多样性，故不可能携带遗传信息。,1944年，Oswald Theodore Avery等证明：DNA是遗传物质。推翻了“蛋白质是遗传信息”的传统观点。 国际研究前沿迅速由蛋白质转向核酸。 1950年，Erwin Chargaff提出Chargaff定律，推翻了Phoebus Levene的结论，进一步支持了Avery的论点。,Oswald Theodore Avery,Erwin Chargaff,1953年， James D. Watson和 Francis Crick联手阐明了DNA双螺旋结构模型，Crick进一步又提出“中心法则”，成为生物学上一个重要的里程碑，拉开分子生物学
4、序幕，使生物医学研究全面进入分子时代。,James D. Waston,Francis Crick,“Why You Are You. Nearer Secret of Life.“ -The New York Times1953,1958年，Crick系统提出遗传信息流动的中心法则，即DNARNA蛋白质，提示RNA的重要功能。 研究重心由DNA转向RNA。 1960s1970s，mRNA、tRNA、rRNA的结构与功能 1980s，Thomas R. Cech和Sidney Altman发现RNA具有催化作用 - 核酶。 当前前沿与热点：小分子RNA，垃圾DNA,Thomas R. Cech
5、,Sidney Altman,1989年度 诺贝尔化学奖,核酸（Nucleic acids）： 是以核苷酸为基本组成单位或基本构造单元的生物大分子，携带和传递遗传信息。 化学元素组成：N，H，O，C，P 核酸可分为两类： 脱氧核糖核酸 (Deoxyribonucleic acid, DNA) 核糖核酸 (Ribonucleic acid, RNA),二、核酸的化学组成及分类,核苷酸组成： 碱基： 嘌呤碱基：A、G、 嘧啶碱基：T、C、U 戊糖： 脱氧核糖和核糖磷酸：,三、核酸的基本构造单元核苷酸,碱基,戊糖,磷酸,嘌呤碱基,嘧啶碱基,鸟嘌呤(G),腺嘌呤(A),尿嘧啶(U),胞嘧啶(C),胸腺
6、嘧啶(T),核苷(nucleoside)：碱基+戊糖核苷： 腺苷、 鸟苷、 胞苷、 尿苷 脱氧核苷 ：脱氧腺苷、脱氧鸟苷、脱氧胞苷、脱氧胸苷,核苷酸(nucleotide)：碱基+戊糖+磷酸 核苷酸： NMP, NDP, NTP 脱氧核苷酸： dNMP, dNDP, dNTP,碱基,戊糖,核苷,核苷酸,碱基,戊糖,磷酸,ATP,概念：是指核酸中的四种核苷酸的组成及其排列顺序，简称为核苷酸序列或碱基序列。 维系化学键： 35-磷酸二酯键,四、核酸的一级结构,方向性： 5末端（磷酸基团） 3末端（游离羟基） 书写方法： 从5末端到3末端，直接书写碱基序列,DNA与RNA的分子特点比较,第二节 DN
7、A的结构与功能,一、DNA的二级结构 - 双螺旋结构 二、DNA的三级结构 - 超螺旋结构 三、DNA的功能,重点：DNA双螺旋结构模型要点,一、DNA的二级结构 - 双螺旋结构,1. 研究背景 Chargaff定律(1949年) 无论种属，DNA中A=T，G=C 不同生物种属的DNA碱基组成不同 同一个体不同器官、不同组织的DNA具有相同的碱基组成,Erwin Chargaff (1905-2002),* 这一规则暗示了DNA的碱基A与T、G与C是以某种相互配对的方式存在。,不同来源DNA的碱基组成,Francis Crick (1916- ),James Watson (1928- ),1
8、952年底，Maurice Wilkins和Rosalind Franklin的X线衍射照片 1953年Francis Crick和James D. Watson提出DNA双螺旋结构模型,DNA双螺旋结构的研究三个研究小组的竞争： Linus Pauling，California Institute of Technology Maurice Wilkins和Rosalind Franklin，Kings College London Francis Crick和James D. Watson，University of Cambridge,Linus Pauling,2. DNA双螺旋(do
9、uble helix)结构模型要点：,DNA是反向平行、右手螺旋的双链结构： 两条单链的走向呈反平行，即一条链是53，另一条链是35； 外侧为亲水性的脱氧核糖-磷酸骨架， 内侧为疏水性的碱基，链间碱基互补配对。,碱基互补配对： A=T（两个氢键）、CG（三个氢键） 碱基对平面与双螺旋结构的螺旋轴垂直,DNA是一右手螺旋结构： 参数：螺径2.0nm，螺距3.4nm（每十对核苷酸或10bp螺旋上升一圈）； DNA两股链之间的螺旋形成两个凹槽，浅的叫小沟，深的叫大沟。,维持双螺旋结构稳定的力量： 链间碱基互补配对的氢键维持双螺旋结构的横向稳定； 碱基对平面在旋进过程中重叠堆积而产生的疏水性的碱基堆积
10、力则维持其纵向稳定。,3. DNA双螺旋结构的生物医学意义,揭示了遗传的奥秘，使生物学在分子水平得到统一。 Crick由此很快提出了半保留复制和中心法则。 “Why You Are You. Nearer Secret of Life.“ -The New York Times.,5 G G T A C T G C C A C T G 3,3 C C A T G A C G G T G A C 5,5 G G T A C T G C C A C T G 3,3 C C A T G A C G G T G A C 5,5 G G T A C T G C C A C T G 3,3 C C A T
11、 G A C G G T G A C 5,+,子代DNA,母链DNA,按半保留复制方式，子代DNA与亲代DNA的碱基序列一致，即子代保留了亲代的全部遗传信息。,4. DNA双螺旋结构的多样性,B-DNA：即Watson-Crick模型，是DNA分子在水性环境和生理条件下最稳定的结构。 A-DNA：是B-DNA在环境相对湿度降低后形成。 Z-DNA：左手螺旋。,二、DNA的三级结构-超螺旋结构,1. 原核生物：DNA双螺旋（环状） 超螺旋,2. 真核生物：DNA双螺旋(线性) + 组蛋白核小体(Nucleosome) 染色体(Chromosome),核小体： 核小体是染色质的基本组成单位，由DN
12、A和5种组蛋白（H1、H2A、H2B、H3、H4）共同构成。,染色体,Chromosome,Chromatin fibre,Nucleosome,Histone,DNA,真核生物DNA的高度包装压缩,三、DNA的功能,遗传信息的载体，以基因的形式荷载遗传信息、控制遗传性状。 与疾病发生密切相关。,第三节 RNA的结构与功能,mRNA：掌握一级结构特点（真核与原核生物） tRNA：掌握一级结构特点，了解二级、三级结构 rRNA：熟悉核蛋白体的组成 掌握三种RNA的功能,RNA种类： rRNA（ribosomal RNA，80-85%） tRNA（transfer RNA，10-15%） mRNA
13、（messenger RNA，1-5%） 其它小分子非编码RNA,一、mRNA的结构与功能,1. mRNA的结构,真核生物的mRNA： 其前体是hnRNA（不均一核RNA）。hnRNA在细胞核内合成，经剪切、加工成为成熟的mRNA。,真核生物成熟mRNA的结构特点： 为单顺反子：即一条mRNA仅编码一种蛋白质。 首尾结构：5-末端有m7GpppN帽子结构，3-末端有多聚A尾结构。 按照mRNA在翻译中的模板作用，可以分为5-非翻译区、3-非翻译区和中间的编码区（也称开放阅读框）。,编码区或开放阅读框,5-m7GpppN,AAAAA-3,5非翻译区,3非翻译区,原核生物的mRNA： 为多顺反子：
14、即一条mRNA可编码多种蛋白质。 没有帽子和Poly(A)尾结构,2. mRNA的功能mRNA是蛋白质合成的模板。,二、tRNA的结构与功能,1. tRNA的结构,一级结构： 分子量较小，长度多为7090个核苷酸；含有较多的稀有碱基；3末端多为CCA序列。,tRNA分子中的稀有碱基,二级结构： 呈三叶草型茎环结构 具有四臂四环（氨基酸接受臂、反密码子环） 三级结构： 呈倒L型，反密码环和氨基酸臂分别位于倒L的两端,反密码子环,氨基酸接收臂,2. tRNA的功能 是蛋白质合成的原料（氨基酸）的载体，转运氨基酸至核蛋白体，用于蛋白质合成。,三、rRNA的结构与功能,1. rRNA的体内存在形式-核
15、蛋白体(Ribosome),rRNA是细胞内含量最多的RNA，约占RNA总量80%。 rRNA与一些蛋白质共同构成核蛋白体：rRNA60%+蛋白质40%。,2. rRNA的结构,3. rRNA的功能,由单链回折形成局部螺旋区和突环,rRNA参与组成的核蛋白体是蛋白质合成的场所,四、细胞内的其它RNA分子,概念：分子大小在200核苷酸以下、不能指导蛋白质合成的RNA，这些小RNA被统称为小分子非编码RNA。 种类：核内小RNA（snRNA）、核仁小RNA（snoRNA）、小胞质RNA（scRNA）、微RNA（miRNA）、小干扰RNA（siRNA）等。 功能：在hnRNA和rRNA的转录后加工、
16、转运以及基因表达过程的调控方面具有非常重要的生理作用。参与疾病的发生，在疾病的诊断和治疗方面也均有重要应用价值。,小分子RNA：从“配角”到“主角”：挑战DNA,第四节 核酸的理化性质,掌握核酸的紫外吸收特性 掌握DNA的变性与复性、增色与减色效应 熟悉Tm值 了解核酸分子杂交、核酸酶,一、核酸的一般理化性质,核酸为多元酸，具有较强的酸性。 DNA是线性大分子，粘度大，在机械力作用下易断裂。 紫外吸收特性： 最大光吸收波长为260nm。 这一性质可以用于样品中核酸纯度的判断以及核酸含量的测定。 蛋白质：280nm为最大吸收波长,（1）变性（Denaturation）： 概念：在某些理化因素（加
17、热、强酸强碱等）作用下，链间氢键断裂，双螺旋结构变得松散，DNA双链解离为单链的现象。 变性过程呈现增色效应和溶液黏度降低。 增色效应：DNA变性解链过程中，由于更多的共轭双键得以暴露，DNA在260nm处的紫外吸收增高，并与解链程度有一定的比例关系，这种现象即。,二、DNA的变性与复性,解链曲线和Tm值,解链温度或融解温度（melting temprature, Tm）： 是指DNA在加热变性过程中，紫外吸收值达到相对最大值的一半时所对应的温度（50%DNA变性）。,（2）复性（Renaturation）： 概念：变性DNA在适当条件下，分开的单链分子可以按照碱基互补配对原则重新形成双链并恢
18、复双螺旋结构的过程称为复性。 复性过程则呈现减色效应和溶液黏度升高。 退火：热变性的DNA经缓慢冷却后即可复性，这一过程也退火。,（3）核酸分子杂交（了解） 概念：是指核酸分子在变性后再复性的过程中，来源不同但互补配对的核酸单链（包括DNA和DNA，DNA和RNA和RNA和RNA）相互结合形成杂合双链的特性或现象。 由此建立核酸分子杂交技术。,探针,杂合分子,杂交反应,核酸分子杂交技术原理- 探针检测,变性,复性,变性,复性,核酸酶（Nuclease）,概念： 是指能水解核酸的酶。 分类： 根据水解的底物分：DNA酶和RNA酶； 根据作用方式分：核酶外切酶和核酸内切酶。 限制性核酸内切酶：是具
19、有序列特异性的核酸内切酶，在基因操作中更具有利用价值。 作用： 参与DNA复制和基因表达等过程 清除异常核酸、作为工具酶使用等,小 结,DNA结构与功能,mRNA：掌握一级结构特点（真核与原核生物） tRNA：掌握一级结构特点，了解二级、三级结构 rRNA：核蛋白体的组成 三种RNA的功能,RNA结构与功能：,掌握DNA双螺旋模型要点 了解DNA三级结构：真核与原核的区别、核小体,小 结,核酸的理化性质,掌握核酸的紫外吸收特性 掌握DNA的变性与复性、增色效应与减色效应 熟悉Tm值 了解分子杂交的概念,测试题,通常不存在RNA中，也不存在DNA中的碱基是A腺嘌呤 B黄嘌呤 C鸟嘌呤 D胸腺嘧啶
20、 E尿嘧啶 下列关于DNA双螺旋结构模型的叙述，不正确的是 A两股脱氧核苷酸链呈反向平行 B两股链间存在碱基配对关系 C螺旋每周包含10对碱基 D螺旋的螺距为3.4 nm EDNA形成的均是左手螺旋结构,含稀有碱基最多的RNA是 既含内含子又含外显子的RNA是 ArRNA BmRNA CtRNA DhnRNA EsnRNA 下列RNA中，参与形成原核生物50S大亚基的是 A28S rRNA B23S rRNA C16S rRNA DhnRNA DNA受热变性时，出现的现象是 A多聚核苷酸链水解成单核苷酸 B在260nm波长处的吸光度增加 C碱基对以共价键连接 D溶液黏度增加 E最大光吸收峰波长发生转移,Thanks for your attention!,卜友泉,下次内容：酶,基因芯片（Gene Chip） 实现对基因表达的大规模高通量的并行检测与分析,芯片杂交荧光检测扫描结果,
