核酸的结构与功能.ppt

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1、STRUCTURE AND FUNCTION OF NUCLEIC ACID,第二章 核酸结构和功能,孙 达 权,本章组成,L1 核酸的化学组成及一级结构 L2 DNA的结构与功能 L3 RNA的结构与功能 L4 核酸的理化性质 L5 常用的核酸分离纯化技术,重点、难点： 基本概念:核苷酸 ,DNA、RNA, Tm等 DNA双螺旋结构模型的要点； mRNA、tRNA、rRNA的结构特点及功能； DNA变性与复性等核酸重要的理化性质及其应用。,1869 Miescher isolated DNA for the first time. 确定了生物遗传的物质基础是DNA,核 酸(nucleic a

2、cid),是以核苷酸为基本组成单位的生物大分子，携带和传递遗传信息。,核酸的元素组成特点:,一般不含有S元素。 含P元素较多且恒定,可用于测定核酸含量。,第一节 核酸的化学组成及其一级结构 The Chemical Components and Primary Structure of Nucleic Acid,存在于细胞核和线粒体,分布于细胞核、细胞质、线粒体,(deoxyribonucleic acid, DNA),(ribonucleic acid, RNA),脱氧核糖核酸,核糖核酸,一、核酸可以分为核糖核酸及脱氧核糖核苷酸,二、核苷酸是构成核酸的基本组成单位,核酸组成,碱基(base)

3、是含氮的杂环化合物。,碱基,嘌呤,嘧啶,腺嘌呤,鸟嘌呤,尿嘧啶,胸腺嘧啶,胞嘧啶,存在于DNA和RNA中,仅存在于RNA中,仅存在于DNA中,（一）碱基,1、嘌呤(purine，Pu),腺嘌呤(adenine, A),鸟嘌呤(guanine, G),2、嘧啶(pyrimidine，Py),胞嘧啶(cytosine, C),尿嘧啶(uracil, U),胸腺嘧啶(thymine, T),3、“稀有碱基”（tRNA中最多）,5mC,（二）戊糖,嘌呤N-9或嘧啶N-1与核糖C-1通过-N-糖苷键相连形成核苷(ribonucleoside)。,（三）核苷,N,N,N,N,9,N,H,2,O,O,H,O

4、,H,H,H,H,C,H,2,O,H,H,1,2,糖苷键,AR, GR, UR, CR,脱氧核苷,H,dAR, dGR, dTR, dCR,嘌呤N-9 或嘧啶N-1与脱氧核糖C-1通过-N-糖苷键相连形成脱氧核苷(deoxyribonucleoside)。,核苷或脱氧核苷与磷酸通过酯键结合构成核苷酸(ribonucleotide)或脱氧核苷酸(deoxyribonucleotide)。,（四）核苷酸(ribonucleotide) 1、核糖核苷酸： AMP, GMP, UMP, CMP 2、脱氧核苷酸：dAMP, dGMP, dTMP, dCMP,3、多磷酸核苷酸,环化核苷酸：cAMP、cGM

5、P，是细胞信号转导中的第二信使。,cAMP,4、核苷酸衍生物,三、核苷酸通过3,5-磷酸二酯键连接形成的大分子,一个核苷酸或脱氧核苷酸的3的羟基与另一个核苷酸或脱氧核苷酸5的-磷酸基团缩合形成磷酸二酯键(phosphodiester bond)。 多个核苷酸或脱氧核苷酸通过磷酸二酯键构成了具有方向性的线性分子，称为多聚核苷酸或多聚脱氧核苷酸，即RNA链或DNA链。,交替的磷酸基团和戊糖构成了RNA/DNA的骨架 (backbone)。,核苷酸链的方向是5 3,定义 核酸中核苷酸的排列顺序。 由于核苷酸间的差异主要是碱基不同，所以也称为碱基序列。,四、核酸的一级结构是核苷酸的排列顺序,书写方法,

6、5-pApCpTpGpCpT-OH 3,5-A C T G C T-3,第二节 DNA的结构与功能 Dimensional Structure and Function of DNA,DNA的空间结构又分为二级结构(secondary structure)和高级结构。,DNA的空间结构(spatial structure),构成DNA的所有原子在三维空间具有确定的相对位置关系。,一、DNA的二级结构是双螺旋结构,Watson and Crick: 1953年提出双螺旋结构模型, The Nobel Prize in Physiology or Medicine 1962。,Double hel

7、ix：The natural coiled conformation of two complementary, antiparallel DNA chains by the formation of A-T and G-C base pairs.,不同生物种属的DNA的碱基组成不同 同一个体的不同器官或组织的DNA碱基组成相同。 A = T，G = C,Chargaff 规则,（一）DNA双螺旋结构的研究背景,获得了高质量的DNA分子的X射线衍射照片。,提出了DNA分子双螺旋结构(double helix)模型。,（二） DNA双螺旋结构模型要点（B型）,两条多聚核苷酸链在空间的走向呈反向平

8、行(anti-parallel)。两条链围绕着同一个螺旋轴形成右手螺旋(right-handed)的结构。双螺旋结构的直径为2nm，螺距为3. 4nm。 脱氧核糖和磷酸基团组成的亲水性骨架位于双螺旋结构的外侧，疏水的碱基位于内侧。 双螺旋结构的表面形成了一个大沟(major groove)和一个小沟(minor groove)。,1. DNA是反向平行、右手螺旋的双链结构,2. DNA双链之间形成了互补碱基对,碱基配对关系称为互补碱基对(complementary base pair)。 DNA的两条链则互为互补链(complementary strand)。 碱基对平面与螺旋轴垂直。,相邻两

9、个碱基对会有重叠，产生了疏水性的碱基堆积力(base stacking interaction)。 碱基堆积力和互补碱基对的氢键共同维系着DNA结构的稳定。,3. 疏水作用力和氢键共同维系着DNA双螺旋结构的稳定。,碱基堆积作用力,Z,（三）DNA双螺旋结构的多样性,二、DNA的三级结构是超螺旋结构,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。,（一）原核生物DNA的闭合环状超

10、螺旋结构,原核生物DNA多为环状，以负超螺旋的形式存在，平均每200碱基就有一个超螺旋形成。,DNA超螺旋结构的电镜图象,右旋，再右旋,右旋后，左旋,（二）真核生物DNA的高度有序、高度致密,真核生物DNA以非常有序的形式存在于细胞核内。 在细胞周期的大部分时间里，DNA以松散的染色质(chromatin)形式存在，在细胞分裂期，则形成高度致密的染色体(chromosome)。,DNA染色质呈现出的串珠样结构。 染色质的基本单位是核小体(nucleosome)。,DNA染色质的电镜图像,DNA：约200bp 组蛋白：H1 H2A，H2B H3 H4,核小体的组成,核小体：是真核生物染色体的基本

11、结构单元。,核小体串珠样的结构,core particles Particles resulting from micrococcal nuclease digestion of nucleosomes, consisting of 140-bp DNA and the histone octamer of a nucleosome.,真核生物的染色体,8000-10000倍,DNA的基本功能是以基因的形式负载遗传信息，并作为基因复制和转录的模板。它是生命遗传的物质基础，也是个体生命活动的信息基础。,基因从结构上定义，是指DNA分子中的特定区段，其中的核苷酸排列顺序决定了基因的功能。,三、DN

12、A是遗传信息的物质基础,两种最重要的生物大分子比较,第三节 RNA的结构与功能,Structure and Function of RNA,DNA并非是蛋白质的直接合成模板, DNA首先需要转录成为RNA（细胞核），再由指导合成蛋白（细胞质）。 RNA通常以单链的形式存在，但有复杂的局部二级结构或三级结构。 RNA比DNA小的多。 RNA的种类、大小和结构远比DNA表现出多样性。,RNA的种类、分布、功能,细胞质中含量最少，约占。 种类最多，一个基因往往有一种甚至多种mRNA。 一级结构差异很大。,一、mRNA是蛋白质合成中的模板,1、mRNA的特点：,内含子 (intron),2、mRNA成

13、熟过程：,外显子 (exon),卵清蛋白mRNA的成熟,成熟的mRNA由氨基酸编码区和非编码区构成。 5-末端的帽子(cap)结构和3-末端的多聚A尾(poly-A tail)结构。 从AUG 开始，每三个核苷酸为一组编码了一个氨基酸，称为三联体密码(codon)。,3、成熟的真核生物mRNA,帽子结构: m7GpppNm,mRNA的帽结构可以与帽结合蛋白(cap binding protein，CBP)结合。,真核生物的mRNA 的3-末端转录后加上一段长短不一的聚腺苷酸。,Poly （A）尾巴,mRNA核内向胞质的转位 mRNA的稳定性维系 翻译起始的调控,帽子结构和多聚A尾的功能,4、

14、mRNA依照自身的碱基顺序指导蛋白质氨基酸顺序的合成,从mRNA分子5末端起的第一个AUG开始，每3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；决定肽链终止的密码子则称为终止密码子。,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 。,转运RNA(transfer RNA, tRNA)在蛋白质合成过程中作为各种氨基酸的载体, 将氨基酸转呈给mRNA。 由70120核苷酸组成； 占细胞总RNA的15%； 具有很好的稳定性。,二、tRNA是蛋白质合成中

15、的氨基酸载体,（一）tRNA中含有多种稀有碱基,* tRNA的一级结构特点 含 1020% 稀有碱基（最多），如 DHU 3末端为 - CCA-OH 5末端大多数为G 具有 TC,tRNA具有局部的茎环(stem-loop)结构或发卡(hairpin)结构。,（二）tRNA具有茎环结构,tRNA的二级结构 三叶草形,氨基酸臂 DHU环 反密码环 TC环 附加叉,tRNA的二级结构主要特征：,1.三环四臂（部分还有额外环） 2.氨基酸臂3端有CCA-OH的共有结构 3.D环上有二氢尿嘧啶（D） 4.反密码环上的反密码子与mRNA相互作用 5.可变环上的核苷酸数目可以变动 6.TC环含有T和 7.

16、含有修饰碱基和不变核苷酸,tRNA的倒L三级结构,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。,三、以rRNA为组分的核蛋白体是蛋白质合成的场所,核蛋白体的组成,18S rRNA的二级结构,四、小分子RNA参与了基因表达的调控,细胞的不同部位存在的许多其他种类的小分子RNA，统称为非编码小RNA(small non-messenger RNAs, snmRNAs),其功能是调节基因表达。,snmRNAs,核酶,某些小RNA分子具有催化特定RNA降解的活性，这种具有催

17、化作用的小RNA亦被称为核酶(ribozyme)或催化性RNA (catalytic RNA)。,RNA具有酶活性的发现,Sidney Altman，Thomas R. Cech （1939-） （1947-） The Nobel Prize in Chemistry 1989 for their discovery of catalytic properties of RNA,核酸的理化性质 The Physical and Chemical Characters of Nucleic Acid,第四节,一、核酸是具有很强酸性的生物大分子,核酸的酸碱及溶解度性质 核酸为多元酸，具有较强的酸性

18、。 核酸的高分子性质,核酸在波长 260nm 处有强烈的吸收，是由碱基的共轭双键所决定的。这一特性常用作核酸的定性和定量分析。,二、核酸分子具有强烈的紫外吸收,碱基的紫外吸收光谱,三、DNA变性是双链解离为单链的过程,在某些理化因素作用下，DNA双链解开成两条单链的过程，其本质是双链间氢键的断裂。,定义,常见因素： 过量酸，碱，加热，变性试剂如尿素、酰胺以及某些有机溶剂如乙醇、丙酮等。,协同性的DNA解链,高温或极端的pH,DNA的变性,部分变性DNA的电镜图像,变性后理化性质变化：,OD260增高 粘度下降 比旋度下降 浮力密度升高 酸碱滴定曲线改变 生物活性丧失,增色效应(hyperchr

19、omic effect)：DNA变性时其溶液OD260增高的现象。,DNA解链时的紫外吸收变化,DNA的解链曲线,连续加热DNA的过程中以温度相对于A260值作图，所得的曲线称为解链曲线。,解链过程中，紫外吸光度的变化达到最大变化值的一半时所对应的温度。,解链温度（Tm）：,G+C 含量越高，解链温度就越高。,解链曲线的变化,三、核酸的变复性是分子杂交的基础,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) 。,减色效应：DNA复性时，其溶液OD260降低。,热变性的DNA经缓慢冷却后即可复性，这一过程称为退火(ann

20、ealing) 。,不同种类的DNA单链分子或RNA分子放在同一溶液中，只要两种单链分子之间存在着一定程度的碱基配对关系，在适宜的条件可以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分子间或者RNA与RNA分子间形成。这种现象称为核酸分子杂交。,核酸分子杂交(hybridization),核酸分子杂交,第五节（自习）,常用的核酸分离纯化技术 Technology of DNA Isolation and Purification,酚-氯仿、酚-异戊醇抽提法 层析法（离子交换/凝胶/亲和层析） 密度梯度离心法 凝胶电泳法,思考题：,名词解释： Tm 、ribozyme 、增色效应 、核酸分子杂交 试比较蛋白质与核酸的异同? 简述tRNA二级结构的特点和三级结构？ DNA双螺旋结构模型的要点是什么？ 请简要回答DNA与RNA组成上的异同。,