生物化学与分子生物学第二章核酸的结构与功能ppt课件.ppt

第二章,Structure and Function of Nucleic Acid 核酸的结构与功能,核酸的研究历史：,1868年，瑞士外科医生Fridrich Miescher 从脓细胞核中分离到核酸样物质。,核酸分为DNA和RNA。DNA存在于细胞核和线粒体 内，RNA存在于细胞质和细胞核内。,1944年，Oswald Avery通过肺炎双球菌转化 实验证实了DNA是遗传的物质基础。,核酸(nucleic acid),脱氧核糖核酸（deoxyribonucleic acid，DNA）,核糖核酸(ribonucleic acid ，RNA),遗传信息的传递、储存和携带者,主要参与遗传信息的表达过程,第一节核酸的化学组成及一级结构,核酸的元素组成,核苷酸的结构,核酸的基本结构单位是核苷酸(nucleotide),连接键：3，5-磷酸二酯键,核酸在核酸酶作用下水解为核苷酸，核苷酸由碱基、 戊糖和磷酸组成。,核酸经部分水解后，产物为核苷酸、核苷和磷酸； 经完全水解后，产物为碱基、戊糖和磷酸。,核酸,核苷酸,核苷,磷酸,戊糖,碱基,核糖,脱氧核糖,A、G、C、T/U,一、戊糖,DNA含-D-2-脱氧核糖，RNA含-D-核糖。,二、碱基(Base),碱基,先将嘌呤和嘧啶的结构式记住，再记口诀：胸前一滩尿; ( U+C-基团就是T)尿里两泡泡; (嘧啶中两个O就是U)上面一个是氨气包；( U中上面O换成NH2就是C)鸟儿张嘴吸氨气G； ( 张嘴即O)又有线儿将鸟嘴来系。(系嘴即去掉O，G去掉O再把NH2换上就是A),稀有碱基，多为甲基化衍生物。,在DNA和RNA中都有胞嘧啶（C），胸腺嘧啶（T）只出现 在DNA分子中，尿嘧啶（U）则只出现于RNA分子中,嘌呤、嘧啶环上由于有共轭双键，在260nm波长附近 对紫外光有较强的吸收，可用于定量或定性测定。,两类核酸分子的组成比较,三、核苷（nucleoside）,核苷是由碱基与核糖或脱氧核糖缩合而成，是碱基 与戊糖以-N-糖苷键相连构成的一种糖苷。,嘌呤环上的N-9或嘧啶环上的N-1与戊糖的C-1 以 糖苷键相连,可分成核糖核苷和脱氧核糖核苷,各有四种核苷，分别形成DNA和RNA。,核糖核苷酸：,脱氧核糖核苷酸：,dAMP、dGMP、dCMP、dTMP,AMP、GMP、CMP、UMP,四、核苷酸（nucleotide）,核苷酸是核苷在戊糖羟基上的磷酸酯。,5-核苷酸还可在5的磷酸基上再连上一或两个磷酸基形成核苷二磷酸或核苷三磷酸。,多种核苷三磷酸，特别是腺苷三磷酸（ATP），在细胞的能量代谢中起重要作用，ATP属于高能磷酸化合物，当它被水解为腺苷二磷酸时，能释放较多的自由能，后者可被机体直接利用。,有的核苷一磷酸能形成3，5-磷酸二酯键，构成环化核苷酸，如3，5-环腺苷酸（cyclic ademosine monophophate, cAMP）及3，5环鸟苷酸( cyclic guanosine monophosphate,cGMP)，是一些激素等信号分子的第二信使，在信号转导中起重要作用。,核酸的一级结构,一、 一级结构的定义,核酸分子中核苷酸的排列顺序。又称为碱基顺序。,核酸的基本结构单位是核苷酸,二、核苷酸间连接方式,一个核苷酸的3OH与下一个核苷酸的5 磷酸之间 形成 3、5磷酸二酯键（phosphodiester linkage） ，从而构成不分支的线性大分子,四种脱氧核苷酸按照一定的排列顺序以磷酸二酯键相 连形成的多聚脱氧核苷酸（polydeoxynucleotides） 链称为DNA。,多聚核苷酸（polynucleotides）链称为RNA。,磷酸和戊糖基构成多聚核苷酸链的骨架，而 可变部分是碱基排列顺序。,核酸分子是有方向性的分子,它们的两个末端分 别为5-末端(游离羧基)和3-末端(游离羟基)。,书写方式:5-末端写在左边，3-末端写在右边。,第二节 DNA的结构与功能,一、DNA的二级结构,Waston和Crick于1953年4月提出了DNA的右手双螺旋结构，这就是DNA的二级结构。,提出这种结构的基础是:,（1）Chargaff的DNA组成的当量规律： A=T, G=C, A+G=T+C;,（2）Wilkins的DNA的X-光衍射照片。,1. 两股链是反向平行的互补双链，呈右手双螺旋结构(right-handed double helix)；,(一)右手双螺旋结构模型的要点：,3. 脱氧核糖和磷酸构成链的骨架，位于双螺旋外侧。,2. 每个螺旋含10bp，螺距3.4nm，直径2.0nm；每个碱基 平面之间的距离为0.34nm，并形成大沟(major groove) 和小沟(minor groove)蛋白质与DNA相互作用的基础。,DNA双螺旋的互补双链预示DNA 的复制是半保留复制 (semiconservative replication),5. 双螺旋的稳定：横向氢键； 纵向碱基堆积力。,4. 碱基位于双螺旋内侧，碱基平面与双螺旋的长轴垂直；两条链位于同一平面的碱基以氢键相连，碱基互补配对：A=T，GC。,(二) DNA二级结构的多样性：,Watson和Crick1953年提出的模型是B型构象， 它是在低离子强度的溶液中和染色体中存在的 主要构象。,天然DNA的构象主要为A、B两型的右手螺旋,Z-DNA可能也是天然DNA存在的二级结构形式，其 功能可能与基因突变、基因复制和表达调控有关。,1979年，Rich提出了左手螺旋的Z-DNA结构模型。,左手螺旋Z-DNA只是右手螺旋结构模型的一个 补充发展。,三、DNA的三级结构,双螺旋进一步扭曲盘旋所形成的构象，称之为 DNA的三级结构。,超螺旋是DNA的三级结构的主要形式,（一）原核生物DNA的高级结构-DNA超螺旋,原核生物DNA主要为共价封闭环（covalently closed circle,CCC）分子，其进一步盘绕扭曲形成DNA超螺旋,DNA超螺旋分为正、负超螺旋；双螺旋旋转数减少所形成 的称负超螺旋，反之称正超螺旋。,超螺旋绝大多数为负超螺旋，其生物学意义如下： 1.比松弛型更紧密，有利于DNA分子的体内包装。 2.容易解链，有利于DNA的复制、转录等重要的 生理过程。,（二）真核生物DNA的高级结构-DNA在真核细胞内的组装,真核生物DNA的高级结构-染色体结构,真核生物的线形DNA双链以组蛋白（H2A、H2B、H3、H4） 为核心盘绕折叠形成核小体，许多核小体排成串珠状 （染色质的基础结构），串珠状结构进一步卷曲成筒状， 即染色质；染色质纤维进一步折叠，形成染色（单）体,核小体是染色质的基本结构单位,相邻两个核小体之间，由约长60个碱基对连接，称为连接线，连接线上结合一个组蛋白H1。,核小体的核心是由四种蛋白（H2A、H2B、H3、H4）各两个分子构成扁球状体，构成八聚体；,DNA双螺旋146个碱基对在组蛋白八聚体表面盘绕 1.75 圈，形成形成直径10nm的核小体重复单位。,真核生物染色体组装的三个层次,1. 核小体结构（第一层次，压缩6-7倍）:,2、30nmDNA纤维（第二层次，压缩40倍）,6个核小体盘旋一周，缠绕成直径30nmDNA纤维,3、300nm染色体舒展形式（第三层次）,30nmDNA纤维进一步压缩产生特征性染色体结构,总压缩倍数：1000-10000倍,二、DNA的功能,是基因的载体，具体的说DNA为生物遗传信息复制的 模板和基因转录的模板，它是遗传繁殖的物质基础。,基因是能够表达和产生基因产物DNA序列。 可分为蛋白质基因和RNA基因。,Gene: A DNA segment that contains the biological information required for the synthesis of a functional biological product (protein or RNA),酶DNA（deoxyribozyme）,具有酶活性的DNA称作酶DNA或脱氧核酶（deoxyribozyme），其发现是人类对于酶的认识又一次重大飞跃。,基因组(genome)：,一个细胞或生物体的全部DNA。,功能基因组学（functional genomics）,基因组学(genomics),结构基因组学（structural genomics）,第三节 RNA的结构与功能,（3）核糖体核糖核酸（ribosome RNA，rRNA）,一、RNA的种类,1、参与蛋白质合成的RNA,（1）信使核糖核酸（messenger RNA，mRNA）,（2）转运核糖核酸（transfer RNA ，tRNA）,三类RNA主要功能是共同参与基因表达，即在细胞质中共同参与翻译作用而实现各种蛋白质的生物合成。,2、细胞内其他的小分子RNA,（1）不均一性RNA（hnRNA）,是mRNA的前体，位于细胞核内分子量大小不等的RNA。,（2）小核RNA（Small nuclear RNA, snRNA）,参与mRNA前体、rRNA前体的加工作用,（3）小胞浆RNA （ Small cytosol RNA, scRNA ）,信号识别颗粒的组成成分,（4）snoRNA（核仁小RNA） 参与rRNA前体的加工与修饰（5）siRNA（小干扰RNA）和miRNA（微RNA） 可使靶基因沉默（6）核酶（ribozyme) 具有催化功能的小分子RNA,二、RNA的结构特征,、含有稀有碱基较DNA要多。,、由磷酸二酯键连接成的多核苷酸链， 只有一条链；它也具有二级结构和三级结构。,、含有核糖，而非脱氧核糖。,、使用尿嘧啶替代胸腺嘧啶。,、单链，碱基不具互补比例，但其分子中也有单链回折 而形成局部双螺旋结构。,碱基之间也遵循碱基互补原则进行配对，碱基之间 形成的氢键维持结构稳定。,三、mRNA的结构和功能,（一）原核生物mRNA结构特点：,1.多顺反子（polycistron）:一分子mRNA可以编码 多个功能相关的蛋白质。,2.5端无帽子结构,3 端一般无多聚A的尾巴；但两端 各有一个非翻译区（ untranslated region ，UTR）。,3.一般没有修饰碱基。,4.SD序列：起始密码子AUG上游7-10bp处，有一个多嘌呤 序列（4-6bp），可与16S rRNA 3端富含嘧啶的保守序 列互补，对于翻译起始十分重要，由于是由Shine和 Dalgarno发现的，称SD序列。,（二）真核生物mRNA结构的特点,1. 单顺反子(monocistron),2. 两端也各有一个非翻译区： 5- UTR、 3- UTR,3. 5末端有帽子结构： m7GpppN 。,4. 3端多聚A尾巴：真核生物mRNA的3端都有poly（A） 序列，其长度一般为20-250个左右。,5.Kozak序列：起始密码子AUG附近有一共有序列，与翻译 起始相关最适序列为ACCAUGG，以发现者Kozak称之。,被蛋白质合成的起始因子所识别，促进蛋白质合成；,5端帽子结构有以下功能：,使mRNA免遭核酸酶的破坏，增加其稳定性；,使mRNA能与核糖体中亚基结合并开始合成蛋白质；,与成熟mRNA从核内向细胞质转运有关。,oly（A）的功能：,它是mRNA成熟的标志，是mRNA由细胞核进入细胞质 所必须的形式；,与mRNA寿命有关，它大大提高了mRNA在细胞质中的 稳定性。,真核细胞 mRNA,（三）遗传密码（genetic code ),遗传密码共有64个,遗传密码-mRNA上编码区每三个相邻的碱基编码 一种氨基酸，构成一个遗传密码或称三联体密码。,终止密码子3个：UAA，UAG，UGA,起始密码子：AUG和GUG,密码子的普遍性：标准遗传密码子适用世界上一切 生物，但线粒体的遗传密码不同于上述标准密码子,（四） mRNA的功能,mRNA的功能：把核内DNA的碱基顺序（遗传信息） 按照碱基互补的原则，抄录并转送至胞质，指导 蛋白质的合成。,四、tRNA的结构和功能,（4）tRNA分子中稀有碱基最多。,1、tRNA一级结构主要特征：,（1）由70120个核苷酸组成，是三类RNA中最小的。,（2）tRNA中约有20个位置核苷酸是保守的。,（3）5端磷酸化，通常为pG；3端为CCA,mA、mG、DHU、,2、tRNA的二级结构,呈三叶草形状,（1）氨基酸臂(amino acid acceptor arm) ：,（2）二氢尿嘧啶环(dihydr-Uloop或D-loop) ：,由7对碱基组成双螺旋区，其3端为CCA， 可结合氨基酸。,由8-12个核苷酸组成，有两个二氢尿嘧啶。 由3-4对碱基组成双螺旋区。,（3）反密码环(anticodon loop) ：,由7个核苷酸组成，环中部有3个核苷酸组成反密码子，能与mRNA的密码子互补结合。由5对碱基组成的双螺旋区。,（4）额外环(extro variable loop) ：,由3-18核苷酸组成，不同tRNA具有不同大 小的额外环，是tRNA分类的重要指标。,（5）TC环(TCloop) ：,胸苷假尿苷胞苷环，由7个核苷酸组成，通过5对碱基组成双螺旋区。,3、tRNA三级结构,(4) 氢键维系着tRNA的三级结构。,(1) 倒L形。,(2)氨基酸接受臂CCA序列和反密码子处于 倒L的两端，二者相距70A。,(3)D环和TC环形成了倒L的角。,4、tRNA的功能,依靠反密码子识别mRNA上相应的密码子，并与之互补结合，使tRNA上所携带的氨基酸准确无误地进入特定的位置，按照mRNA携带的遗传信息翻译出有特定氨基酸序列的蛋白质。,靠氨基酸臂的作用，运载氨基酸到核糖体；,五、rRNA的结构和功能,含量最多，约占总量的80%以上。,与许多种蛋白质结合形成核糖体（ribosome， 又称核蛋白体）的形式存在和发挥作用。,（一）核糖体组成,1、真核细胞核糖体组成,真核细胞核糖体(80s),28s 、5.8s 和5s rRNA,50多种蛋白质,18s rRNA,30多种蛋白质,原核细胞核糖体（70s）,23s 和5s rRNA,31种蛋白质,16s rRNA,21种蛋白质,2、原核细胞核糖体组成,（二）核糖体的功能,核糖体是蛋白质合成的场所,六、核酶（ribozyme）,某些RNA分子本身具有自我催化能力，可以完成 rRNA的剪接。这种有催化作用的RNA被称为核酶 （Ribozyme）。,1989年，美国科学家Altman和Cech由于发现 核酶而获Nobel化学奖。,DNA与RNA的异同,DNA RNA,核糖,脱氧核糖,核糖,碱基,A、G、C、T,A、G、C、U,二级结构,DNA双螺旋,tRNA三叶草形,三级结构,DNA超螺旋,tRNA倒L形,生理功能,生物体内遗传信息载体,mRNA传递遗传信息，是合成蛋白质的直接模板tRNA、rRNA参与蛋白质 合成过程,第四节核酸的理化性质,一、核酸的一般理化性质,核酸为多元酸，具有较强的酸性,DNA是线性高分子，具有极大的粘度,DNA分子为双螺旋结构，具有一定的刚性,DNA分子较大，在机械力作用下易发生断裂,二、核酸的紫外吸收,DNA和RNA的嘌呤和嘧啶环中均含有共轭双键， 在260nm波长处有最大吸收值。,可利用核酸紫外吸收这一特性，对它进行检测或 定量测定。,OD260/OD280可检查核酸的纯度： DNA为1.6-1.8；RNA为1.8-2.0,三、核酸的变性、复性和分子杂交,（一）DNA变性,1、定义：在某些理化因素作用下，DNA分子互补碱基 对之间的氢键断裂，使DNA双螺旋结构松 散，变为单链，即为DNA变性,变性的因素：如加热、有机溶剂、酸、碱、 尿素、酰胺等,非共价键-氢键和碱基堆积力的破坏；共价键不断裂,DNA的变性是可逆的,2、增色效应：变性的DNA，分子两条互补链可完全解开 成为两条单链，使得碱基暴露，260nm 处 紫外吸收增强，这种现象称为增色效应,3、解链曲线：DNA加热变性过程中以温度对A260的关系 作图，所得的曲线称为解链曲线,4、解链温度：DNA的变性从开始解链到完全解链，是在一 个相当窄的温度内完成，在这一范围内，紫外光吸收 值达到最大值50%时的温度称为DNA的解链温度，这一现 象和结晶的融解过程类似，又称融解温度（Tm）。,在Tm时，核酸分子内50%的双链结构被解开。,GC含量越高，DNA分子长度越长，溶液离子强度 增高，Tm值越大或增大。,（二）复性,复性最适宜温度是比Tm值约低25，这个温度叫退火温度。,1、定义：DNA的变性是可逆的。变性的DNA在适当的条件 下，两条彼此分开的单链又可重新结合成双螺旋 结构，这一过程称为DNA的复性。,2、退火：热变性DNA经缓慢冷却后即可复性，这一过程 也称为退火（annealing）。,3、减色效应：复性后，OD260降低的现象，称之。,复性的分子基础是碱基互补配对,（三）分子杂交(hybridization),在DNA变性复性过程中，如果将不同来源的单链DNA 分子或单链DNA和RNA分子放在同一溶液中，如果这 些单链之间存在碱基互补顺序，则可形成部分杂交 双螺旋结构，这种按碱基配对而使不完全互补的两 条链相互结合，称为分子杂交。,不同来源DNA之间可杂交，DNA与RNA及RNA与RNA 之间也可杂交。,核酸酶,核酸酶（nucleases）：是指所有可以水解核酸的 酶，在细胞内催化核酸的降解。,按照作用底物的不同，核酸酶分为DNA酶（DNase）和RNA酶（RNase）。,核酸外切酶和内切酶：有的核酸酶作用在多核苷酸链的 5末端或3末端，因此称为核酸5末端外切酶或3末端 外切酶；有的核酸酶作用于链的内部，称为核酸内切酶,限制性核酸内切酶：核酸内切酶，其中有一部分具有 严格的序列依赖性称之,第二章 核酸的结构与功能,1、核酸的组成及核苷酸的连接方式,8、核酶的概念,4、 DNA双螺旋结构要点,3、 DNA一、二、三级结构的概念,5、 mRNA、tRNA、rRNA结构特点及功能,6、 DNA变性、复性、杂交的概念,7、增色效应、解连温度,2、具有重要生理功能的核苷酸 (ATP),DNA extracted from virulent strain of pneumococcus transformed a nonvirulent strain into a virulent form,遗传信息传递,复制,转录,DNA,RNA,翻译,蛋白质,逆转录,复制,调控,调控,腺嘌呤（6-氨基嘌呤） Adenine(A),鸟嘌呤（2-氨基6-氧嘌呤） Guanine(G),尿嘧啶（2，4-二氧嘧啶） Uracil(U),胸腺嘧啶（5-甲基尿嘧啶） Thymine(T),胞嘧啶 （2-氧，4-氨基嘧啶 ）Cytosine(C),酮式,烯醇式,5末端的磷酸基团,3，5-磷酸二酯键,3末端羟基,5 ATGCA 3,James Watson and Francis Crick,DNA双螺旋结构,克里克与沃森,Willkins Chargaff,Chargaffs rules：A = TG = CA+G = C+T,Rosalind Franklin,The Watson-Crick model for the structure of DNA,3 5,3 5,3.4 nm,A,T之间有两个氢键,C,G之间有三个氢键,Semiconservative replication,5 3,5 3,A-, B-, Z-forms of DNA,Supercoil forms of DNA,Nucleosome,From DNA to Chromatin,Primary Structures of Procaryotic and Eucaryotic mRNA,5 末端有帽子结构,Cloverleaf Secondary Structure of tRNA,tRNA的三级结构,核糖体的大小亚基,核糖体合成蛋白质,DNA变性,DNA复性,The Hybridization of DNA strand,核酸的杂交,The End,