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1、,第一章,核 酸,Nucleic acid,本章教学要求,核酸的分子组成DNA的一级结构、二级结构和组装RNA的种类、结构与功能核酸的理化性质核酸的催化性质,是遗传信息的贮存和携带者,分布于细胞质、细胞核和线粒体,第一节 核酸的基本组成单位核苷酸,一、核苷酸的组成,(一)碱基,腺嘌呤（A）（6-氨基嘌呤）,鸟嘌呤（G）（2-氨基-6-酮基嘌呤）,嘌呤,胞嘧啶（C）（2-酮基-4-氨基嘧啶）,尿嘧啶（U）（2，4-二酮基嘧啶）,胸腺嘧啶（T）（5-甲基尿嘧啶）,嘧啶,假尿嘧啶,稀有碱基,碱基的互变异构,嘌呤和嘧啶碱基都是含氮杂环化合物，分子中的酮基或氨基均位于杂环上氮原子的邻位，受介质中pH值的
2、影响，会发生酮式-烯醇式互变异构，或氨基-亚氨基互变异构,嘌呤环和嘧啶环中含有共轭双键，因而都有 吸收紫外光的性质，吸收高峰在波长260nm左右。据此性质可对核酸进行定性及定量分析。紫外线照射可引起DNA突变，也是由于存在于 DNA中的核苷酸吸收紫外光所造成的。,碱基的紫外吸收性质,（二）,-D-,-D-2-,（三）核苷与核苷酸,（核糖的C1与嘧啶碱的N1或嘌呤碱的N9通过-N-糖苷键相连接）,-N-糖苷键,（生物体内游离存在的多是5-核苷酸）,-N-糖苷键,酯键,CMP,RNA 腺嘌呤(A）腺苷(AR)腺苷酸(AMP)鸟嘌呤(G)鸟苷(GR)鸟苷酸(GMP)胞嘧啶(C)胞苷(CR)胞苷酸(C
3、MP)尿嘧啶(U)尿苷(UR)尿苷酸(UMP)DNA 腺嘌呤(A）脱氧腺苷(dAR)脱氧腺苷酸(dAMP)鸟嘌呤(G)脱氧鸟苷(dGR)脱氧鸟苷酸(dGMP)胞嘧啶(C)脱氧胞苷(dCR)脱氧胞苷酸(dCMP)胸腺嘧啶(T)脱氧胸苷(dTR)脱氧胸苷酸(dTMP),碱基 核苷 核苷酸,构成DNA及RNA的碱基、核苷和核苷酸,体内重要的游离核苷酸及其衍生物,碱基,NDP、dNDPNTP、dNTP,-N-糖苷键,NDP、dNDP，NTP、dNTP,cAMP,cGMP,cAMP cGMP,N,腺苷酸环化酶,A,A,NDP、dNDP；NTP、dNTP,AMP,作为核酸合成的原料体内能量的利用形式参与代
4、谢和生理调节辅酶的组成成分活化中间代谢物,核苷酸的生物功用,二、核苷酸的连接方式,核苷酸之间以3，5磷酸二酯键连接形成多核苷酸链，即核酸。,3,5-磷酸二酯键,碱基 戊糖 磷酸,N9 N1 C1,核苷（脱氧核苷）,-N-糖苷键,核苷酸（多为5核苷酸）,磷酸酯键,两种核酸的比较,（脱氧核苷酸）,R型细菌：无毒型肺炎球菌S型细菌：有毒型肺炎球菌,肺炎球菌转化实验,Oswald Avery（1877-1955）,第二节 DNA的结构,是四种脱氧核糖核苷酸的排列顺序,一、DNA的一级结构,重复序列：基因组中重复出现的核苷酸序列高度重复序列：重复频率达105 卫星DNA，反向重复序列（回纹结构）等中度重
5、复序列：重复频率达103104 编码tRNA、rRNA、组蛋白和免疫球蛋白的 基因 单拷贝序列：基因组中只出现一次或很少几次 编码蛋白质的结构基因以及基因的间隔序列,重复序列,反向重复序列,反向重复序列：是指两个顺序相同的拷贝在DNA链上呈反向排列,二、DNA的二级结构 双螺旋结构,英国物理化学家莫里斯.威尔金斯,英国女物理学家罗苏琳.弗里克林拍到了DNA X射线衍射照片,2.0nm,3.4nm,0.34nm,大 沟,小沟,G C,A T,T A,G C,C G,G C,A T,T A,C G,GC,A T,T A,A T,CG,GC,A T,(二）DNA双螺旋结构要点,两条链反向平行，围绕同
6、一中心轴构成右手双螺旋(double helix)。螺旋直径2nm，表面有大沟和小沟。2.磷酸-脱氧核糖骨架位于螺旋外侧，碱基垂直于螺旋轴而伸入内侧。每圈螺旋含10个碱基对，螺距为3.4nm。3.两条链通过碱基间的氢键相连，A对T有两个氢键，C对G有三个氢键，这种A-T、C-G配对的规律，称为碱基互补原则。4.维持双螺旋稳定的因素：横向为氢键，纵向为碱基间的堆积力。,R,P,R,P,R,P,R,R,P,R,P,R,P,R,P,R,R,P,R,P,R,R,R,R,P,P,P,R,R,R,R,R,P,P,P,P,P,P,5,3,3,5,R,P,R,R,P,R,P,R,R,R,R,R,R,R,P,P
7、,P,P,P,P,P,R,碱基平面与纵轴垂直，糖环平面与纵轴平行,碱基互补配对,两股链,反平行,右手盘绕双螺旋;磷酸核糖做骨架,碱基充填在里面;AT对,CG对,垂直纵轴堆成堆；螺距3.4nm,10对碱基绕一圈；小沟大沟在表面；纵向堆积力,横向氢键维,5,3,（三）DNA双螺旋结构的多样性,螺旋一圈11对碱基螺距2.8nm 大沟窄深，小沟宽浅,螺旋一圈12对碱基螺距4.4nm 直径1.8nm 大沟平坦，小沟变浅,小沟,大沟,大沟,小沟,碱基,脱氧核糖-磷酸骨架,A、B和Z型DNA分子的比较,B-DNA：生理状态下多为此种；92%相对湿度A-DNA：右手螺旋；75%相对湿度；生理状态 下多见dsR
8、NA、DNA-RNAZ-DNA：人工合成、左手螺旋；嘧啶、嘌呤交 替；有m5dC；与基因表达调控有关；此外，还发现有C、D、E等型。,几种DNA钠盐的特点：,三、DNA的高级结构,一,（一）原核生物细胞中DNA的组装,（二）真核生物细胞中DNA的组装,多级螺旋模型压缩倍数 7 6 40 5（8400）DNA 核小体 螺线管 超螺线管 染色单体 2m 10nm 30(10)nm 400nm 210m 一级包装 二级包装 三级包装 四级包装,四、线粒体DNA(mtDNA),1.超螺旋双链环状DNA分子2.裸露不与组蛋白结合3.一个线粒体可有一个或几个DNA分子4.相对分子量较小,约101065.主
9、要用于指导线粒体自身的RNA及蛋白质的合成6.人类mtDNA的长度为16596bp,含有37个基因,分别编码2种 rRNA,22种tRNA 和13种蛋白质,线粒体 mtRNA,胞质及细胞核,胞质及细胞核,胞质及细胞核,小片段干涉RNA微小RNA,胞质及细胞核,SiRNAmiRNA,都约为22个核苷酸，前者双链，后者为单链,调控基因的表达,核内小RNA,核仁小RNA,胞质小RNA,胞质及细胞核,胞质及细胞核,胞质及细胞核,胞质及粗面内质网,一、信使RNA,3.分子中可能有修饰碱基,主要有甲基化,如m6A 4.分子中有编码区和非编码区,Nm,30至数百个核苷酸,300-3000个核苷酸,50-30
10、0个核苷酸,20-200核苷酸,OCH3,二、转运RNA,1.tRNA中含有10-20%的稀有碱基,2.tRNA的二级结构,A U C,3.tRNA的三级结构呈倒L型,反密码子环,DHU 环,TC环,真核生物18SrRNA 的二级结构,一级结构的特征之一是甲基化残基的存在二级结构有许多“茎-环”结构,三、核糖体RNA,原核生物16S rRNA的二级结构,核糖体的组成,原核生物核糖体,真核生物核糖体,21种蛋白质,33种蛋白质,49种蛋白质,34种蛋白质,snmRNAs,除三种RNA外，细胞的不同部位存在的许多其他种类的小分子RNA，统称为非mRNA小RNA(small non-messenge
11、r RNAs,snmRNAs)。,RNomics-RNA组学是研究细胞内全部RNA分 子的结构和功能进行系统的研究，从整体上阐明 RNA的生物学意义。,RNomics,四、其他小分子RNA,核内小RNA核仁小RNA胞质小RNA催化性小RNA小片段干涉 RNA微小RNA,种类,微小RNA(microRNA,miRNA),是一大家族小分子非编码单链RNA，长度约2025个碱基，由一段具有发夹环结构，长度为7090个碱基的单链RNA 前体(pre-miRNA)经Dicer酶剪切后形成。,是细胞内一类双链RNA(double-stranded RNA，dsRNA)在特定情况下通过一定酶切机制，转变为具
12、有特定长度(2123个碱基)和特定序列的小片段RNA。双链siRNA参与RISC组成，与特异的靶mRNA完全互补结合，导致靶mRNA降解，阻断翻译过程。由siRNA介导的基因表达抑制作用被称为RNA干涉(RNA interference，RNAi)。,小片段干扰RNA,30bp 双链RNA（dsRNA）,水解生成21-23nt siRNA,5,3,5,RISC形成,识别特异序列并使其降解,RNA干扰作用机制,siRNA miRNA前体内源或外源长双链RNA诱导产生 内源发夹环结构的转录产物结构 双链分子 单链分子功能 降解mRNA 阻遏其翻译靶mRNA 结合需完全互补 不需完全互补生物学效应抑
13、制转座子活性和病毒感染发育过程的调节,siRNA 和miRNA的差异比较,一、核酸的一般性质,腺嘌呤,二、核酸的紫外吸收,三、核酸的变性及复性,（一）变性,A260增高,A260,1.,2.,1.与碱基中C+G的含量成正比 Tm值计算公式为：Tm69.3+41(G+C)%，少于20个碱基的寡核苷酸的Tm4(G+C)+2(A+T)2.介质中的离子强度,A260,DNA复性速度的影响因素：DNA大小；DNA浓度；离子强度,(二）复性与杂交,研究DNA分子中某一种基因的位置。鉴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。,核酸分子杂交的应用,一、核酶概念：核酶（ribozym
14、e）是指一类具有催化作用的RNA。催化反应:磷酸二酯键的断裂及连接种类：（1）内含子的自我剪接型(如四膜虫rRNA的加工)（2）异体催化的剪切型(RNase P催化tRNA的成熟)（3）自体催化的剪切型（4）催化肽键的形成（如核糖体大亚基rRNA),第五节 核酸的催化性质,锤头核酶二级结构示意图N表示任意碱基，N表示与其互补的碱基，X表示除G以外的任何碱基，A、G、C、U表示一致性序列,结构特点,有3个茎1-3个环GU序列的剪切位点高度保守的一致性序列,人工设计的核酶可能作用的方式箭头表示剪切位点，粗线代表人工合成的RNA片段，细线代表欲破坏的目的核酸分子,核酶的意义,1.RNA即是催化剂,又
15、携带遗传信息2.核酶的发现向传统酶学提出挑战3.有一些病毒RNA具有催化活性,为发现RNA药物提供了机会4.通过人工设计核酶,在科研上将目的核酸分子切成特异的片段5.在医学上,可以通过破坏RNA病毒、某些致病基因或癌基因，以 达至治疗目的。缺点 不稳定性、切割效率低，影响其应用,概念：具有特定生物催化功能的DNA分子称为脱氧核酶(deoxyribozyme)或酶性DNA（DNA enzyme，DNAzyme)种类：（1）剪切RNA分子（2）剪切DNA分子（3）催化核酸分子磷酸化（4）连接DNA分子（5）催化卟啉与金属离子结合脱氧核酶的意义(1)对生命起源的研究具有重大意义(2)用它可以破坏核酸分子，来达到到抗病毒，治疗肿瘤及遗传 性疾病的目的,二、脱氧核酶,
