核酸的结构和功能

第二章 核酸的结构和功能

一 mrna 是蛋白质合成中的模板 信使 RNA (messenger RNA, mrna) 含有遗传信息, 为蛋白质生物合成的直接模板 真核生物 mrna 的前体称不均一核 RNA(hnRNA), hnrna 含有内含子 (intron) 和外显子 (exon), 经过剪切后成为成熟的 mrna 外显子是氨基酸的编码序列, 而内含子是非编码序列

mrna 成熟过程 内含子 (intron) 外显子 (exon) hnrna mrna

成熟的真核生物 mrna 编码区 5' 3' m 7 Gppp AUG UAA AAA A n 5' 非翻译区 3' 非翻译区 5 端具有帽子 (m 7 Gppp-) 结构,3 端有多聚腺苷酸尾巴 (poly-a tail) 遗传密码 : 从 AUG 开始,mRNA 序列中每三个相邻核苷酸为一组编码一个氨基酸, 称为三联体密码 (codon), 其序列决定蛋白质中氨基酸的排列顺序

1 大部分真核细胞 mrna 的 5 端都有帽子结构 帽子结构 :m 7 GpppNm 7- 甲基鸟嘌呤 - 三磷酸核苷 H 2 N N N O HN O H N OH H CH 3 OH H H 5' CH 2 O O - P O O O P O - O O P O - O N 5' CH 2 N O H H 3' 2' H H O OCH 3 NH 2 N N mrna 的帽结构可与帽结合蛋白 (cap binding protein,cbp) 结合

加帽过程

2 真核生物 mrna 的 3' 末端有 polya 结构 真核生物 mrna 的 3 端转录后加上一段 80~250 个长短不一的 polya

帽子结构和多聚 A 尾的功能 mrna 核内向胞质的转位 mrna 的稳定性维系 翻译起始的调控

3 mrna 的碱基序列决定蛋白质的氨基酸序列 从 mrna 分子 5 末端起的第一个 AUG 开始, 每三个核苷酸为一组, 称为密码子 (codon) 或三联体密码 (triplet code) AUG 被称为起始密码子 ; 决定肽链终止的 UAA UAG UGA 则称为终止密码子 位于起始密码子和终止密码子之间的核苷酸序列称为开放阅读框 (open reading frame, ORF), 决定了多肽链的氨基酸序列

4 mrna 的成熟过程是 hnrna 的剪接过程 卵清蛋白 mrna 的成熟

二 trna 是蛋白质合成中的氨基酸载体 转运 RNA(transfer RNA, trna) 在蛋白质合成过程 中作为各种氨基酸的运载体 由 74~95 个核苷酸组成 ; 占细胞总 RNA 的 15%;

1 trna 中含有多种稀有碱基

2 trna 具有茎环结构 trna 具有局部的茎环 (stem-loop) 结构或发卡 (hairpin) 结构 trna 的二级结构 三叶草形 氨基酸臂 DHU 环 反密码环 TψC 环 附加叉

氨基酸臂 DHU 环 TΨC 环 反密码环 trna 二级结构 三叶草形 trna 的三级结构 倒 L 形

3 trna 的反密码子识别 mrna 的密码子 酪氨酸 3 A C C 5 trna 的反密码子环上有一个由三个核苷 酸构成的反密码子 (anticodon) trna 上的反密码子 依照碱基互补原则识 别 mrna 上的密码子 反密码子 A U G 5 U A C 3 mrna 密码子

4 trna 的 3 - 末端连接氨基酸 trna 的 3 - 末端都是以 CCA 结尾,A 与氨基酸共价连结,tRNA 成为了氨基酸的载体 不同的 trna 可以结合不同的氨基酸 trna 的反密码子和 mrna 的密码子配对, 以 trna 为桥梁把密码子译为相应的氨基酸

三 rrna 为组分的核蛋白体是蛋白质合成场所 核蛋白体 RNA(ribosomal RNA,rRNA) 是细胞内含量最多的 RNA(>80%) rrna 与核蛋白体蛋白结合组成核蛋白体 (ribosome), 为蛋白质的合成提供场所

有的核蛋白体附着于粗面内质网, 参与分泌性蛋白质合成 有的核蛋白体游离于胞浆, 参与细胞固有蛋白质合成

核蛋白体的组成 原核生物 ( 以大肠杆菌为例 ) 真核生物 ( 以小鼠肝为例 ) 小亚基 30S 40S rrna 16S 1542 个核苷酸 18S 1874 个核苷酸 蛋白质 21 种 占总重量的 40% 33 种 占总重量的 50% 大亚基 50S 60S rrna 23S 5S 2940 个核苷酸 120 个核苷酸 28S 5.8S 5S 4718 个核苷酸 160 个核苷酸 120 个核苷酸 蛋白质 31 种占总重量的 30% 49 种占总重量的 35%

大肠杆菌 16S rrna 的二级结构

核蛋白体的装配

原核生物 真核生物

蛋白质合成时形成的复合体 50S trna 核蛋白体 mrna 5' A U G 3'

四 非编码 RNA 参与了基因表达的调控 非编码 RNA snmrnas (small non-messenger RNAs) 细胞的不同部位存在的许多其他种类的小分子 RNA, 统称为非信使小 RNA RNA 组学是研究细胞内 snmrna 的种类 结构和功能 同一生物体内不同种类的细胞 同一细胞在不同时空状态下 snmrnas 表达谱的变化, 以及与功能之间的关系

真核细胞内重要的 snmrnas 种类英文名称生物学功能 核内小 RNA 核仁小 RNA 胞质小 RNA small nuclear RNA (snrna) small nucleolar RNA (snorna) small cytoplamsic RNA (scrna) 参与 hnrna 剪接, 包括 U1 U2 U4 U5 U6 参与 rrna 的甲基化修饰 催化小 RNA small catalytic RNA RNA 剪接, 包括核酶等 小干扰 RNA 微小 RNA small interference RNA (sirna) micrornas,mirnas 参与转录后调节 ; 对外源入侵 RNA 基因的切割 结合 mrna, 选择性调控基因表达

核酶 (ribozyme) 某些小 RNA 分子具有催化特定 RNA 降解的活性, 这种具有催化作用的小 RNA 被称为核酶或催化性 RNA(catalytic RNA) 核酶的作用底物可以是不同的分子, 也可以是同一 RNA 分子中的某些部位 target recognition sequences

小干扰 RNA (small interfering RNA, sirna) sirna 是生物宿主对外源侵入基因表达的双链 RNA 进行切割所产生的特定长度 (21-23bp) 和特定序列的小片段 RNA sirna 可以与内源基因表达的 mrna 相结合, 并诱发这些 mrna 的降解 微小 RNA (microrna, mirna) 在真核细胞中广泛存在, 序列有高度保守性, 表达水平具有时空特异性 普遍长度约为 20~23 nt, 成熟的 mirna 是单链 参与正常机体生长发育调节

五 核酸在真核细胞和原核细胞中 表现了不同的时空特性 原核生物基因表达的特异性 DNA 细胞膜 mrna 核糖体 转录空泡 5 新生的肽链 无核膜

真核生物基因表达的特异性 核膜 DNA 转录空泡 有核膜 5' hnrna 转录后修饰 细胞核 核蛋白体 RNA 转运 成熟的 mrna m 7 Gppp AAA...AAA 细胞膜 内质网 新生的肽链 细胞质

第四节 核酸的理化性质 The Physical and Chemical Characters of Nucleic Acid

核酸的酸碱及溶解度性质 核酸为多元酸, 具有较强的酸性 可与金属离子成盐, 不溶于乙醇或异丙醇 核酸可被酸 碱 酶水解 核酸中的糖苷键和磷酸酯键都能被酸 碱和酶水解

核酸具有高分子性质 粘度 :DNA>RNA dsdna > ssdna 沉降行为 : 不同构象的核酸分子在离心力场中 沉降速率有很大差异, 超螺旋 DNA 沉降系数增 加, 此为超速离心法提纯核酸的理论基础 目录

一 核酸分子具有强烈的紫外吸收 核酸在紫外波长 260nm 处有强烈吸收 (A260 ), 是由碱基的共轭双键所决定的 A260 : 单核苷酸 ssdna( 或 RNA) dsdna 碱基的紫外吸收光谱

紫外吸收的应用 DNA 或 RNA 的定量 A 260 = 1.0 相当于 50 μg/ml 双链 DNA(dsDNA) 40 μg/ml 单链 DNA (ssdna or RNA) 33 μg/ml 寡核苷酸 确定样品中核酸的纯度纯 DNA: A 260 /A 280 = 1.8 纯 RNA: A 260 /A 280 = 2.0

二 DNA 变性是双链解离为单链的过程 DNA 变性 : 在某些理化因素作用下, DNA 双链碱基对之间的氢键断裂, 解 开成两条单链的过程 变性 变性后 DNA 理化性质变化 : A 260 增高 ( 增色效应 ) 粘度下降 生物活性丧失 方法 : 过量酸, 碱, 加热, 变性试剂如尿素 甲酰胺以及某些有机溶剂如丙酮等

DNA 变性的本质是双链间氢键的断裂 高温或极端的 ph 协同性的 DNA 解链

部分变性 DNA 的电镜图像

* 热变性 解链曲线 : 连续加热时以温度 对 A 260 关系作图所得的曲线 Tm:(melting temperature,tm) DNA 热变性过程中, 紫外光吸收值达到最大增加值 50% 时的温度称为 DNA 的解链温度, 又称熔解温度 Tm 大小与 G+C 含量成正比 目录

解链曲线的变化 G+C 含量越高, 解链温度就越高 T m 值的经验公式是 :T m = 69.3+0.41(%G+C) <20bp 的寡核苷酸的 T m = 4(G+C)+2(A+T) 估算

DNA 解链时的紫外吸收变化 增色效应 (hyperchromic effect):dna 变性 时其溶液 A 260 增高的现象

三 变性的核酸可以复性或形成杂交双链 当变性条件缓慢地除去后, 两条解离的互补链可重新配对, 恢复原来的双螺旋结构, 这一现象称为 DNA 复性 (renaturation) 热变性的 DNA 经缓慢冷却后即可复性, 这一过程称为退火 (annealing) 比 Tm 低 25 的温度是复性的最佳条件 减色效应 :DNA 复性时, 其溶液 A 260 降低

目录

核酸分子杂交 (hybridization) DNA 复性过程中, 如果把不同 DNA 单链分子 ( 或 DNA 与 RNA) 放在同一溶液中, 只要在 DNA 或 RNA 的单链分子之间有一定的碱基配对关系, 就可以在不同的分子间形成杂化双链 (heteroduplex), 这种现象称为核酸分子杂交 目录

human mouse 25% hybrids 目录

核酸分子杂交的应用 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 (1)Southern 印迹可检测 DNA (2)Northern 印迹用于检测 RNA (3) DNA 芯片也是利用核酸杂交原理

第五节 核酸酶 Nuclease

核酸酶是指所有可以水解核酸的酶 依据底物不同分类 DNA 酶 (deoxyribonuclease, DNase): 专一降解 DNA RNA 酶 (ribonuclease, RNase): 专一降解 RNA 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限制性核酸内切酶 核酸外切酶 :5 3 或 3 5 核酸外切酶

外切位点 5 3 内切位点 内切位点 外切位点 3 5

5 3 核酸外切酶 3 5 核酸外切酶 核酸内切酶 5 A G C T T C A G G A T A G C T G 3 3 T C G A A G T C C T A T C G A C 5

核酸酶的功能 参与 DNA 的合成 修复以及 RNA 的剪接 清除多余的 结构和功能异常的核酸, 以及侵入细胞的外源性核酸 降解食物中的核酸 体外重组 DNA 技术中的重要工具酶

要点总结 1. 核酸的基本组成, 核苷酸的分子结构 DNA 双螺旋结构要点及高级结构特点 ; 2. DNA 变性和复性及其应用 ( 核酸杂交 ) 3. RNA 的分类 各种 RNA 的结构及功能 4. 重要概念 : DNA 的增色效应和减色效应 DNA 变性和 Tm 核酸分子杂交 核酸酶和核酶

检测题 A. 核苷酸在核酸长链上的排列顺序 B. trna 的三叶草结构 C. DNA 双螺旋结构 D. DNA 的超螺旋结构 E. DNA 的核小体结构 属于核酸一级结构的描述是答案 :A 属于核糖核酸二级结构的描述是答案 :B 属于真核生物 DNA 的三级结构的描述是答案 :E

检测题 2. 绝大多数真核生物 mrna 的 3 端有 A. 帽子结构 B. 终止密码 C.poly A D.TATA 盒 E. 起始密码 3 关于 DNA 双螺旋结构模型的叙述中错误的是 A. 螺旋的直经 2nm, 两股链方向相反 B. 两股链通过碱基之间的氢键相连维持稳定 C. 嘌呤碱和嘧啶碱位于螺旋的外侧 D. 为右手螺旋, 每个螺旋为 10 个碱基对

检测题 4 hnrna 是下列哪种 RNA 的前体 A.tRNA B. rrna C.mRNA D.snRNA E.snoRNA 5 关于 DNA 变性, 下列哪些叙述是正确的 A 过量的酸 碱或加热可使 DNA 变性 B 变性的本质是碱基间氢键的断裂 C DNA 变性后其 OD 260 常降低 D Tm 值与 DNA 中 G+C 含量百分数成正比 E DNA 中的磷酸二酯键断裂

检测题 6 简述双螺旋结构的大沟和小沟的作用是什么? 7 分析 DNA-DNA, RNA-RNA 及 DNA-RNA 杂交链中, 哪种结构最稳定? 8 简述 rrna 的结构特点及其生物学功能