1、n核核 酸酸(nucleic acid) 以以核苷酸為基本組成單位核苷酸為基本組成單位的生物的生物大分子，攜帶和傳遞遺傳信息。大分子，攜帶和傳遞遺傳信息。第二章第二章 核酸的結構與功能核酸的結構與功能Structure and Function of Nucleic Acidl1868年年 Fridrich Miescher 從膿細胞中提取核素。從膿細胞中提取核素。 l1944年年 Avery等人證實等人證實DNA是遺傳物質。是遺傳物質。l1953年年 Watson和和Crick發(fā)現(xiàn)發(fā)現(xiàn)DNA的雙螺旋結構。的雙螺旋結構。l1968年年 Nirenberg發(fā)現(xiàn)遺傳密碼。發(fā)現(xiàn)遺傳密碼。l1975年

2、年 Temin和和Baltimore發(fā)發(fā)現(xiàn)逆轉錄酶。現(xiàn)逆轉錄酶。l1981年年 Gilbert和和Sanger建建立立DNA測序方法。測序方法。l1985年年 Mullis發(fā)明發(fā)明PCR技術。技術。l1990年年 美國啟動人類基因組計劃美國啟動人類基因組計劃(HGP)。l1994年年 中國人類基因組計劃啟動。中國人類基因組計劃啟動。l2001年年 美英等國完成人類基因組計劃。美英等國完成人類基因組計劃。核酸研究的發(fā)展簡史核酸研究的發(fā)展簡史存在存在于細胞核和于細胞核和線粒體線粒體 分布于細胞核、細胞質、分布于細胞核、細胞質、線粒體線粒體(deoxyribonucleic acid, DNA)(r

3、ibonucleic acid, RNA)脫氧核糖核酸脫氧核糖核酸 核糖核酸核糖核酸攜帶遺傳信息，并通過復制傳遞攜帶遺傳信息，并通過復制傳遞給下一代。給下一代。是是DNADNA轉錄的產物，參與遺傳信轉錄的產物，參與遺傳信息的復制與表達。某些病毒息的復制與表達。某些病毒RNARNA也可作為遺傳信息的載體也可作為遺傳信息的載體第一節(jié)第一節(jié)核酸的化學組成及其一級結構核酸的化學組成及其一級結構The Chemical Component and Primary Structure of Nucleic Acid核酸核酸 ( (DNA和和RNA) )核苷酸核苷酸核苷和脫氧核苷核苷和脫氧核苷磷酸磷酸戊糖戊

4、糖堿基堿基嘌呤嘌呤嘧啶嘧啶核糖核糖脫氧核糖脫氧核糖核酸組成核酸組成 分子組成分子組成堿基堿基(base)：嘌呤堿，嘧啶堿：嘌呤堿，嘧啶堿戊糖戊糖(ribose)：核糖，脫氧核糖：核糖，脫氧核糖磷酸磷酸(phosphate)一、核苷酸是構成核酸的基本組成單位一、核苷酸是構成核酸的基本組成單位堿基堿基(base)(base)是含氮的雜環(huán)化合物。是含氮的雜環(huán)化合物。堿基堿基嘌呤嘌呤嘧啶嘧啶腺嘌呤腺嘌呤鳥嘌呤鳥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中中僅存在于僅存在于RNA中中僅存在于僅存在于DNA中中堿堿 基基嘌呤嘌呤(purine，Pu) NNNHN1234567

5、89NNNHNNH2腺嘌呤腺嘌呤(adenine, A)NNHNHNNH2O鳥嘌呤鳥嘌呤(guanine, G)NNH132456嘧啶嘧啶(pyrimidine，Py)胞嘧啶胞嘧啶(cytosine, C)NNHNH2O尿嘧啶尿嘧啶(uracil, U)NHNHOO胸腺嘧啶胸腺嘧啶(thymine, T)NHNHOOCH3堿基的互變異構體堿基的互變異構體 HNHNCNH2+O+HNNH2NNH2亞氨式氨式+ H+NCOHNCO- -+ H+酮式烯醇式戊戊 糖糖（構成（構成RNA）1 2 3 4 5 OHOCH2OHOHOH核糖核糖(ribose)（構成（構成DNA）OHOCH2OHOH脫氧核糖

6、脫氧核糖(deoxyribose)脫氧核苷脫氧核苷嘌呤嘌呤N-9 或或嘧啶嘧啶N-1與脫氧核糖與脫氧核糖C-1 通過通過-N-糖糖苷鍵苷鍵相連形成相連形成脫氧核苷脫氧核苷(deoxyribonucleoside)。 嘌呤嘌呤N-9 -9或或嘧啶嘧啶N-1 -1與核糖與核糖C-1C-1 通過通過 - -N- -糖苷糖苷鍵鍵相連形成相連形成核苷核苷(ribonucleoside)。核核 苷苷NNNN9NH2OOHOHHHHCH2OHH12糖苷鍵糖苷鍵核苷或脫氧核苷與磷酸通過核苷或脫氧核苷與磷酸通過酯鍵酯鍵結合構成結合構成核苷酸核苷酸(ribonucleotide)或或脫氧核苷酸脫氧核苷酸(deox

7、yribonucleotide)。核苷酸核苷酸(ribonucleotide)NNNN9NH2OO HO HHHHCH2H1 2OPO- -HOO糖苷鍵糖苷鍵酯鍵酯鍵多磷酸核苷酸多磷酸核苷酸環(huán)化核苷酸：環(huán)化核苷酸：cAMP、cGMP，是細胞信，是細胞信號轉導中的第二信使。號轉導中的第二信使。NOCH2OOHONNNNH2POOHcAMP核苷酸衍生物核苷酸衍生物二、二、DNA是脫氧核苷酸通過是脫氧核苷酸通過3,5-磷酸二酯磷酸二酯鍵鍵連接形成的大分子連接形成的大分子一個脫氧核苷酸一個脫氧核苷酸3 3 的的羥基羥基與另一個核苷酸與另一個核苷酸5 5 的的 - - 磷 酸磷 酸 基 團 縮 合 形

8、成基 團 縮 合 形 成 磷 酸 二 酯 鍵磷 酸 二 酯 鍵(phosphodiester bond)。 多個脫氧核苷酸通過磷酸二酯鍵構成了多個脫氧核苷酸通過磷酸二酯鍵構成了具有具有方向性方向性的線性分子，稱為的線性分子，稱為多聚脫氧核苷多聚脫氧核苷酸酸(polydeoxynucleotide)，即即DNA鏈鏈。5-末端末端3-末端末端CGA磷酸二酯鍵磷酸二酯鍵磷酸二酯鍵磷酸二酯鍵交替的磷酸基團和戊交替的磷酸基團和戊糖構成了糖構成了DNA的骨架的骨架 (backbone)。DNA鏈的方向是鏈的方向是5 5 3 3 三、三、RNA也是具有也是具有3,5-磷酸二酯鍵磷酸二酯鍵的線性大分子的線性大

9、分子RNA也是多個核苷酸分子通過酯化反應也是多個核苷酸分子通過酯化反應形成的線性大分子，并且具有方向性；形成的線性大分子，并且具有方向性；RNA的戊糖是核糖的戊糖是核糖；RNA的嘧啶是胞嘧啶和的嘧啶是胞嘧啶和尿嘧啶尿嘧啶。n定義定義核酸中核苷酸的核酸中核苷酸的排列順序。排列順序。由于核苷酸間的差由于核苷酸間的差異主要是堿基不同，所異主要是堿基不同，所以也稱為以也稱為堿基序列堿基序列。55端端3端端CGA四、核酸的一級結構是四、核酸的一級結構是核苷酸的排列順序核苷酸的排列順序A G P5 P T PG PC PT P OH 3 n書寫方法：書寫方法：5 pApCpTpGpCpT-OH 3 5 A

10、 C T G C T 3 核酸分子的大小常用堿基核酸分子的大小常用堿基(base或或kilobase)數(shù)目數(shù)目來表示。來表示。 小的核酸片段小的核酸片段(80)。rRNA與核蛋白體蛋白結合組成與核蛋白體蛋白結合組成核蛋白體核蛋白體(ribosome)，為蛋白質的合成提供場所。，為蛋白質的合成提供場所。三、以三、以rRNArRNA為組分的核蛋白體是蛋為組分的核蛋白體是蛋白質合成的場所白質合成的場所核蛋白體的組成核蛋白體的組成原核生物（以大腸桿菌為例）原核生物（以大腸桿菌為例）真核生物（以小鼠肝為例）真核生物（以小鼠肝為例）小亞基小亞基30S40SrRNA16S1542個核苷酸個核苷酸18S187

11、4個核苷酸個核苷酸蛋白質蛋白質21種種占總重量的占總重量的40%33種種占總重量的占總重量的50%大亞基大亞基50S60SrRNA23S5S2940個核苷酸個核苷酸120個核苷酸個核苷酸28S5.85S5S4718個核苷酸個核苷酸160個核苷酸個核苷酸120個核苷酸個核苷酸蛋白質蛋白質31種種占總重量的占總重量的30%49種種占總重量的占總重量的35%70S ribosome50S large subunit23S rRNA5S rRNA31 proteins16S rRNA21 proteins30S small subunitn大腸桿菌的核蛋白體大腸桿菌的核蛋白體n1818S rRNA的二

12、級結構的二級結構n蛋白質合成時形成的復合體蛋白質合成時形成的復合體RNA組學是研究細胞內組學是研究細胞內snmRNA的種類、結的種類、結構和功能。同一生物體內不同種類的細胞、構和功能。同一生物體內不同種類的細胞、同一細胞在不同時空狀態(tài)下同一細胞在不同時空狀態(tài)下snmRNAs表達譜表達譜的變化，以及與功能之間的關系。的變化，以及與功能之間的關系。 四、四、snmRNA參與了基因表達的調控參與了基因表達的調控細胞的不同部位存在的許多其他種類的小分細胞的不同部位存在的許多其他種類的小分子子RNA，統(tǒng)稱為，統(tǒng)稱為非非mRNA小小RNA(small non-messenger RNAs, snmRNAs

13、)。 nsnmRNAsl核內小核內小RNAl核仁小核仁小RNAl胞質小胞質小RNAl催化性小催化性小RNAl小片段干涉小片段干涉 RNA 參與參與hnRNA的加工剪接的加工剪接nsnmRNAs的種類的種類nsnmRNAs的功能的功能n核酶核酶某些小某些小RNA分子具有催化特定分子具有催化特定RNA降解降解的活性，這種具有催化作用的小的活性，這種具有催化作用的小RNARNA亦被稱亦被稱為為核酶核酶(ribozyme)或催化性或催化性RNA(catalytic RNA)。 siRNA是生物宿主對外源侵入的基因表達的雙是生物宿主對外源侵入的基因表達的雙鏈鏈RNA進行切割所產生的特定長度和特定核進行切

14、割所產生的特定長度和特定核酸序列的小片段酸序列的小片段RNA。siRNA可以與外源基因表達的可以與外源基因表達的mRNA相結合，相結合，并誘發(fā)這些并誘發(fā)這些mRNA的降解。的降解。 基于此機理，人們發(fā)明了基于此機理，人們發(fā)明了RNA干擾干擾(RNA interference，RNAi)技術。技術。n小片段干擾小片段干擾RNAn原核生物基因表達的特異性原核生物基因表達的特異性五、核酸在真核細胞和原核細胞中五、核酸在真核細胞和原核細胞中表現(xiàn)了不同的時空特性表現(xiàn)了不同的時空特性n真核生物基因表達的特異性真核生物基因表達的特異性核酸的酸堿及溶解度性質核酸的酸堿及溶解度性質l核酸為多元酸，具有較強的酸性

15、。核酸為多元酸，具有較強的酸性。核酸的高分子性質核酸的高分子性質l粘度：粘度：DNARNA dsDNA ssDNAl沉降行為沉降行為:不同構象的核酸分子的沉降的不同構象的核酸分子的沉降的速率有很大差異，這是超速離心法提取和速率有很大差異，這是超速離心法提取和純化核酸的理論基礎。純化核酸的理論基礎。第四節(jié)第四節(jié) 核酸的理化性質核酸的理化性質The Physical and Chemical Characters of Nucleic Acid核酸在波長核酸在波長 260nm 處有強烈的吸收，是處有強烈的吸收，是由由堿基的共軛雙鍵堿基的共軛雙鍵所決定的。這一特性常用作所決定的。這一特性常用作核酸的

16、定性和定量分析。核酸的定性和定量分析。一、核酸分子具有強烈的紫外吸收一、核酸分子具有強烈的紫外吸收n堿基的紫外吸收光譜堿基的紫外吸收光譜DNA或或RNA的定量的定量A260 = 1.0 相當于相當于 50g/ml 雙鏈雙鏈DNA(dsDNA)40g/ml 單鏈單鏈DNA (ssDNA or RNA)20g/ml 寡核苷酸寡核苷酸確定樣品中核酸的純度確定樣品中核酸的純度 純純 DNA: A260/A280 = 1.8純純 RNA: A260/A280 = 2.0n紫外吸收的應用紫外吸收的應用二、二、DNADNA變性是雙鏈解離為單鏈的過程變性是雙鏈解離為單鏈的過程在某些理化因素作用下，在某些理化因

17、素作用下，DNA雙鏈雙鏈解開成兩條單鏈解開成兩條單鏈的過程。的過程。n定義定義DNA變性的本質是雙鏈間氫鍵的斷裂。變性的本質是雙鏈間氫鍵的斷裂。協(xié)同性的協(xié)同性的DNA解鏈解鏈高溫或極端的高溫或極端的pHnDNA的變性的變性n部分變性部分變性DNA的電鏡圖像的電鏡圖像增色效應增色效應(hyperchromic effect)：DNA變性變性時其溶液時其溶液OD260增高增高的現(xiàn)象。的現(xiàn)象。nDNA解鏈時的紫外吸收變化解鏈時的紫外吸收變化nDNA的解鏈曲線的解鏈曲線連續(xù)加熱連續(xù)加熱DNA的的過程中以溫度相對于過程中以溫度相對于A260值作圖，所得的值作圖，所得的曲線稱為曲線稱為解鏈曲線解鏈曲線。

18、解鏈過程中，紫外解鏈過程中，紫外吸光度的變化達到最大吸光度的變化達到最大變化值的一半時所對應變化值的一半時所對應的溫度。的溫度。解鏈溫度解鏈溫度(melting temperature，Tm) G+C 含量越高，解鏈溫度就越高。含量越高，解鏈溫度就越高。n解鏈曲線的變化解鏈曲線的變化三、變性的核酸可以復性或形成雜三、變性的核酸可以復性或形成雜交雙鏈交雙鏈當變性條件緩慢地除去后，兩條解離的互補鏈當變性條件緩慢地除去后，兩條解離的互補鏈可重新配對，恢復原來的雙螺旋結構，這一現(xiàn)可重新配對，恢復原來的雙螺旋結構，這一現(xiàn)象稱為象稱為DNA復性復性(renaturation) 。減色效應：減色效應：DNA

19、復性時，其溶液復性時，其溶液OD260降低。降低。熱變性的熱變性的DNA經(jīng)緩慢冷卻后即可復性，這一經(jīng)緩慢冷卻后即可復性，這一過程稱為過程稱為退火退火(annealing) 。 不同種類的不同種類的DNA單鏈分子或單鏈分子或RNA分子放在同一分子放在同一溶液中，只要兩種單鏈分子之間存在著一定程溶液中，只要兩種單鏈分子之間存在著一定程度的堿基配對關系，在適宜的條件可以在不同度的堿基配對關系，在適宜的條件可以在不同的分子間形成的分子間形成雜化雙鏈雜化雙鏈(heteroduplex)。 這種雜化雙鏈可以在不同的這種雜化雙鏈可以在不同的DNA與與DNA之間形之間形成，也可以在成，也可以在DNA和和RNA分子間或者分子間或者RNA與與RNA分子間形成。這種現(xiàn)象稱為核酸分子雜交。分子間形成。這種現(xiàn)