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核苷酸与核酸

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核苷酸与核酸. Nucleotides and Nucleic Acids. discovering nucleic acid. 1869年,瑞士科学家 Miescher 在外科绷带上得到一种含磷酸很高的酸性化合物,命名为 “ 核质 ” 。 1889年, Altmann 制备了不含蛋白质的核酸制品,首先使用了核酸这个名称。 1928-1932年,确立了核酸在生命现象中的地位。 1953年, Waston 和 Crick 建立了双螺旋模型,这是核酸发展史上的重要里程碑。. Discovery of nucleic acid.

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Presentation Transcript
slide1
核苷酸与核酸

Nucleotides and Nucleic Acids

discovering nucleic acid
discovering nucleic acid
  • 1869年,瑞士科学家Miescher在外科绷带上得到一种含磷酸很高的酸性化合物,命名为“核质”。
  • 1889年,Altmann制备了不含蛋白质的核酸制品,首先使用了核酸这个名称。
  • 1928-1932年,确立了核酸在生命现象中的地位。
  • 1953年,Waston和Crick建立了双螺旋模型,这是核酸发展史上的重要里程碑。
discovery of nucleic acid
Discovery of nucleic acid
  • 1869年 Fridrich Miescher从脓细胞中提取

到一种富含磷元素的酸性物质,因存在于细胞核中故称为“核素”nuclein, 20年后正式命名为核酸nucleic acids。

  • 早期的研究仅将核酸看成是细胞中的一般化学成分,逐步证明核酸是一种线状聚合物。
  • 1944年Avery等人证实DNA是遗传物质
slide4

Chemical composition

element:

C、H、O、N、P(9%~10%)

Molecule:

—— base:purin ,pyridine

—— pentose:ribose,deoxylribose

—— phosphate

features in ribose
Features in ribose
  • 共同点:
  • 大多是呋喃糖
  • 与碱基连接都是β-构型,C’-1位的构型为β-羟基;
  • 不同点:
  • RNA是D-核糖,DNA是D-2-脱氧核糖
  • 种类 4种,
  • 部分RNA还有D-2-O-甲基核糖
  • 还发现有几个己糖 如RNA中有甘露糖、半乳糖 ,DNA中有葡萄糖。
bases
bases

嘌呤

嘧碇

nucleotide
Nucleotide

腺嘌呤脱氧核苷一磷酸 dAMP

important derivatives
Important derivatives
  • NAD+、NADP+、CoA-SH、FAD
  • NMP,NDP,NTP
primary structure
Primary structure
  • The sequence of nucleotide
  • The sequence of the base。
two kinds of nucleic acids
Two kinds of nucleic acids
  • 核糖核酸 脱氧核糖核酸
  • RNA DNA
  • 单链多聚核糖核苷酸 单链或双链多聚脱氧核糖核酸
  • 组成成分核糖 组成成分脱氧核糖
  • 功能 功能
slide21

Waston和Crick

DNAdouble helix model

Chargaff rules:

[A] =[T]

[G] [C]

DNA纤维的X-线衍射图谱分析

slide28

超螺旋结构(superhelix 或supercoil)

DNA双螺旋链再盘绕即形成超螺旋结构。

正超螺旋(positive supercoil)

盘绕方向与DNA双螺旋方同相同

负超螺旋(negative supercoil)

盘绕方向与DNA双螺旋方向相反

dna superhelix
DNA superhelix
  • 原核生物的DNA可以形成超螺旋。
  • 真核生物中DNA的三级结构与蛋白质有关。
  • 和DNA结合的蛋白质有组蛋白和非组蛋白。
  • 组蛋白H2A、H2B、H3和H4各两个分子形成八聚体,被两圈140-145碱基对的DNA所围绕。形成核小体。
  • H1位于核小体之间的连接区,组成串珠状结构。
nucleosome
nucleosome
  • Consists of
    • DNA: ~200bp
    • Histones:H1
      • H2A,H2B
      • H3
      • H4
dna functions
三、 DNAfunctions
  • Gene:A unit or a fragment in DNA molecules, which is able to be replicated and transcripted.
  • Gene acts as a genetic basic unit.是生物遗传繁殖的物质基础。
dna functions1
DNAfunctions

DNA and gene carry genetic information as its basic function. The sequence in its molecule can be used as template for replication and transcription.

DNA is genetic material and therefore varies individually.

general features in structure
General features in structure
  • 组成RNA分子的4种核苷酸A、G、C、U;
  • 核糖2’位都有羟基;
  • 一般分子较小,核苷酸数目变异多,70-几千个,人的DNA 280万kb;
  • 大多数RNA分子都成线状单链,局部单链折叠形成双螺旋,类似于A-DNA双螺旋,形成发夹结构,三叶草结构;
  • 总量多于DNA,哺乳细胞RNA10pg,而DNA至多6.38pg。
general features
General features
  • 相同点
  • 4种核苷酸也通过3’,5’-磷酸二酯键相连接
general features in function
General features in function
  • 遗传信息的传递体
  • 也是遗传信息的储存体
  • 远古时生命可能起源于RNA,因为RNA可以自身复制;
  • RNA还具有某些蛋白质的功能
  • 参与基因的调控。
capping
Capping
  • Type 0:m7G5’ppp5’Np
  • Type 1:m7G5’ppp5’NmpNp
  • Type 2:m7G5’ppp5’NmpNmpNp
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帽子结构功能
  • 保护mRNA不被核酸外切酶水解
  • 与核糖体识别结合,与翻译起始相关
slide40
帽子结构功能

mRNA的帽结构可以与一类称为帽结合蛋白(cap binding proteins, CBPs)的分子结合。

这种mRNA和CBPs复合物对于mRNA从细胞核向细胞质的转运、与核蛋白体的结合、与翻译起始因子的结合以及mRNA稳定性的维持等均有重要作用。

2 poly a tail
2、Poly A tail
  • 大多数真核mRNA的3´末端有一个20-200腺苷酸聚合区,称为多聚A (polyA)尾部结构。
slide42
多聚A尾功能
  • 与mRNA寿命有关,使其保持相对稳定性
  • Poly(A)在细胞内与Poly(A)结合蛋白(PABP)相结合而存在,每10~20个碱基结合一个PABP单体。
  • 所以,真核细胞的mRNA的3-端实际上是一个Poly(A)和蛋白质多聚体形成的复合物。
3 other features
3、Other features
  • There are modified bases in the molecules.主要是甲基化 m6A
  • The molecule contains both coding and none coding regions.可有编码区和非编码区
hnrna mrna
hnRNA是成熟mRNA的前体
  • (不均一核RNA) hnRNA 成熟mRNA的前体,
  • 有内含子序列
  • intron
  • Exon
mrna functions
mRNAfunctions
  • triplet code 三联体密码或密码子(codon)。
  • open reading frame,ORF:由AUG及其后的连续三联体密码(无终止信号)组成的核苷酸序列称为开放阅读框,是多肽链的编码序列。
  • CDS
trna structural features
tRNAstructural features
  • Small single chain molecule consisting of 70-90 nt;
  • containing 10~20% rare bases,如 DHU,mG, mA甲基化使分子疏水
    • TC ;
    • 3´末端为 — CCA-OH,为氨基酸臂;
    • 5´末端总是磷酸化,大多数为pG;
    • 分子中大约半数碱基相互配对,成双螺旋,构成三叶草结构
trna secondary stucture
tRNAsecondary stucture
  • D环:含有2个二氢尿嘧啶修饰碱基
  • 不同长度的碱基形成的D环可适合不
  • 同的氨基酰tRNA
  • Tφc环:处在54-56位,
  • 与rRNA结合,
  • 维持tRNA的高级结构起作用;
  • 反密码子环:一般由7个碱基组成,
  • 中间3各构成反密码子
slide48
tRNA三级结构特点
  • 一端是CCA, 另一端是反密码子环;
  • D环和T c环处在L的转角上,空间位置上比较接近。
t rna functions
tRNAfunctions
  • 活化、搬运氨基酸到核糖体,参与蛋白质的翻译。
  • 起始tRNA
  • 延长tRNA
  • 校正tRNA,结构基因发生变异时,可使第二次变异消除。
rrna structure
rRNAstructure
  • All rRNAs consist of both large and small subunits as they work.
  • Proeukaryote :原核细胞 70S
  • 大 50S: 23S +5S + 31种蛋白质
  • 小 30S: 16S + 21种蛋白质
  • Eukaryote:80S
  • 大 60S: 28S +5.8S +5S +49种蛋白质
  • 小 40S: 18S +33种蛋白质
rrna function1
rRNAfunction
  • 原核细胞
  • 16S rRNA 3’端有一保守序列 ACCUCC与mRNA的翻译起始区相互补,是mRNA的识别结合点。
  • 5SrRNA 第40-50位之间有 5’CGAAC3’与tRNA T c环中的5’GT CG3’识别
other rna molecules
Other RNA molecules
  • 核内小RNA snRNA 参与hnRNA的剪接、转运
  • U含量高,约100-200碱基
  • 5种 U1, U2, U4, U5, U6
  • 核仁小RNA snoRNA rRNA的加工和修饰
  • 胞质小RNA scRNA 蛋白质内质网定位合成信等
  • 与蛋白质组成信号肽识别颗粒

催化性小RNA

si RNA

miRNA

slide56

(二)catalytic RNAinvolved in RNA splicing

核酶(ribozyme)或催化性RNA (catalytic RNA) 。

slide57
其他小分子RNA

(三)核仁小RNA参与rRNA中核苷酸残基的修饰

(四)interference RNAregulation

post transcription

(五)microRNAregulation of protein

expression

slide58

RNA组学

RNA组学研究细胞中RNAs的种类、结构和功能。

同一生物体内不同种类的细胞、同一细胞在不同时间、不同状态下RNAs的表达具有时间和空间特异性。

slide59
第四节 DNA的理化性质及其应用
  • 变性
  • 复性
  • 增色效应
  • 减色效应
  • 解链温度
  • 杂交
  • 探针
slide60
核酸是两性化合物
  • 互变异构
  • 碱基在体液环境中以碱性解离为主
  • 核酸分子是酸性化合物
  • 酮式-烯醇
  • 氨基-亚氨基
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共轭双键
  • 260nm波长的紫外吸收强。
  • 核酸的紫外吸收(A260)
  • 单核苷酸 〉ssDNA(或RNA) 〉dsDNA
slide62

A260 Application

1. quantification

A260=1.0相当于

50μg/ml双链DNA

40μg/ml单链DNA(或RNA)

20μg/ml寡核苷酸

2. Judgement of the purity

DNA: A260/A280 = 1.8

RNA: A260/A280 = 2.0

denaturation
Denaturation
  • 双链分开和重新形成双链这样的过程称为变性和复性。
  • 破坏氢键形成的因素都可能使DNA变性,如过量的酸、碱或加热。
hyper and hypo chromic effects
Hyper- and hypo-chromic effects
  • 单核苷酸>单链DNA>双链DNA
  • DNA变性,使溶液A260增高,称为增色效应。
  • 在解链曲线中的中点称为中点解链温度,或解链温度(Tm)。
  • 变性和复性是可逆的。
melting temperature tm
melting temperature, Tm
  • Tm:变性是在一个相当窄的温度范围内完成,在这一范围内,紫外光吸收值达到最大值的50%时的温度称为DNA的解链温度,又称融解温度(影响因素:
    • 1.DNA均一性决定熔解温度范围大小;
    • 2.G-C碱基对含量决定熔解温度高低;
    • 3.介质中的离子强度影响变性。
dna renaturation
DNA renaturation
  • DNA
    • Recovery of the double helix structure.复性。
    • The process of DNA renaturation after heated denaturation. 退火(annealing) 。
  • 减色效应 Hypochromic affect
    • DNA复性时,其溶液A260降低。
hybridization
hybridization
  • 杂交:不同的DNA链放在同一溶液中作变性处理,或把单链DNA和RNA放在一起,局部的碱基配对,就可以形成局部双链,在不同的分子间形成杂化双链(heteroduplex)。
  • 这种杂化双链可以在不同的DNA与DNA之间形成,也可以在DNA和RNA分子之间或者RNA和RNA分子之间形成。这一过程称为核酸分子杂交。
probe
Probe
  • 探针:a kind of technology used for detection and probing certain nucleotide sequence.
  • Labeled single oligonucleotide chain
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Nuclease digests nucleic acids.

  • DNA酶(deoxyribonuclease, DNase):

专一降解DNA。

  • RNA酶 (ribonuclease, RNase):

专一降解RNA。

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Nuclease

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。