核酸的结构与功能.ppt

第二章 核酸结构与功能,核酸的概念和重要性,核酸的组成成分,DNA的结构,DNA和基因组及基因组学,RNA的结构和功能,核酸的性质,核酸的序列测定,核酸的生物学功能和实践意义,一、核酸的概念和重要性,1869年Miescher从细胞核中分离出核素（nuclein）。,1889年Altman制备了核酸（nucleic acid）。,193040年，Kossel&Levene等确定核酸的的组分：,“四核苷酸假说”：核酸由四种核苷酸组成的单体构成的，缺乏结构方面的多样性。,20世纪40年代末，Avery 的“肺炎链球菌转化”实验证明DNA是有机体的遗传物质：,DNA,温育,有荚膜，致病,除少数病毒（RNA病毒）以RNA作为遗传物质外，多数有机体的遗传物质是DNA。,不同有机体遗传物质（信息分子）的结构差别，使得其所含蛋白质（表现分子）的种类和数量有所差别，有机体表现出不同的形态结构和代谢类型。,RNA的主要作用是从DNA转录遗传信息，并指导蛋白质的合成。,二、核酸的组成成分,核酸 nucleic acid,核苷酸 nucleotide,核苷 nucleoside,磷酸 phosphate,嘌呤碱 purine base 或 嘧啶碱 pyrimidine base,（碱基 base）,核糖 ribose 或 脱氧核糖 deoxyribose,（戊糖 amyl sugar）,（一）核糖和脱氧核糖,-D-2-核糖,-D-2-脱氧核糖,核糖+H+,糠醛,甲基间苯二酚,FeCl3,绿色产物,脱氧核糖+H+,-羟基-酮戊醛,二苯胺,蓝色产物,RNA和DNA定性、定量测定,（二）嘌呤碱和嘧啶碱,1,2,3,4,5,6,7,8,9,嘌呤,腺嘌呤 adenine,（A）,鸟嘌呤 guanine,（G）,嘧啶,1,2,3,4,5,6,H,胞嘧啶 Cytosine,（C）,尿嘧啶 uracil,（U）,H,H,胸腺嘧啶 thymine,（T）,H,H,烯醇式,（三）核苷,腺苷,|,尿苷,OH,假尿苷（）,（四）核苷酸,P,-O,胸苷-5-磷酸,O,|,各种核苷三磷酸和脱氧核苷三磷酸是体内合成RNA和DNA合成的直接原料。,在体内能量代谢中的作用：,ATP能量“货币”,UTP参加糖的互相转化与合成,CTP参加磷脂的合成,GTP参加蛋白质和嘌呤的合成,第二信使cAMP、cGMP,H,3,5,1,P,P,P,OH,A,T,G,pGpTpAOH,pG-T-A,pGTA,H,H,H,H,H,H,H,H,H,H,H,三、DNA的结构,（一）DNA的一级结构,因为DNA的脱氧核苷酸只在它们所携带的碱基上有区别，所以脱氧核苷酸的序列常被认为是碱基序列（base sequence)。通常碱基序列由DNA链的53方向写。DNA中有4种类型的核苷酸，有n个核苷酸组成的DNA链中可能有的不同序列总数为4n。,（二）DNA的双螺旋结构,1953年，Watson 和Crick 提出。,1.双螺旋结构的主要依据,（1）Wilkins和Franklin发现不同来源的DNA纤维具有相似的X射线衍射图谱。,（2）Chargaff发现DNA中A与T、C与G的数目相等。后Pauling 和Corey发现A与T生成2个氢键、C与G生成3个氢键。,（3）电位滴定证明，嘌呤与嘧啶的可解离基团由氢键连接。,2.双螺旋结构模型要点,（1）两条多核苷酸链反向平行。,（2）碱基内侧，A与T、G与C配对，分别形成3和2个氢键。,（3）双螺旋每转一周有10个bp，螺距3.4nm，直径2nm。,3.双螺旋结构的稳定因素,（1）氢键（太弱）；（2）碱基堆积力（base stacking force，由芳香族碱基电子间的相互作用引起的，能形成疏水核心，是稳定DNA最重要的因素；（3）离子键（减少双链间的静电斥力）。,4.DNA双螺旋的构象类型,B-DNA：92%相对湿度，接近细胞内的DNA构象，与Watson 和Crick提出的模型相似。,A-DNA：75%相对湿度，与溶液中DNA-RNA杂交分子的构象相似，推测转录时发生BA。其碱基平面倾斜19，螺距与每一转碱基对数目都有变化。,Z-DNA：主链呈锯齿型左向盘绕，直径约1.84nm，螺距4.56nm，每一转含12个bp，只有小沟。B-DNA与Z-DNA的相互转换可能和基因的调控有关。,（三）DNA的三级结构,双螺旋DNA进一步扭曲盘绕则形成其三级结构,超螺旋是DNA三级结构的主要形式。线形分子、双链环状(dcDNA)超螺旋。,染色体包装,染色体包装的结构模型,多级螺旋模型压缩倍数 7 6 40 5（8400）DNA 核小体 螺线管 超螺线管 染色单体 2nm 10nm 30(10)nm 400nm 210m 一级包装 二级包装 三级包装 四级包装,四、DNA与基因组及基因组学,DNA,Transcription,RNA（mRNA、tRNA、rRNA）,Translation,Protein,基因,基因是DNA片段的核苷酸序列，DNA分子中最小的功能单位。基因组（genome)是指一种生物体的全部基因或染色体。,结构基因,调节基因,基因组,（一）DNA与基因,（二）原核生物基因组的特点,1.DNA大部分为结构基因，每个基因出现频率低。,2.功能相关基因串联在一起，并转录在同一mRNA中（多顺反子）。,3.有基因重叠现象。,（三）真核生物基因组的特点,1.重复序列,单拷贝序列,：在整个DNA中只出现一次或少数几次，主要为编码蛋白质的结构基因。,中度重复序列,：在DNA中可重复几十次到几千次。,高度重复序列,：可重复几百万次,2.有断裂基因,mRNA,1 872bp,内含子（intron)：基因中不为多肽编码，不在mRNA中出现。,外显子（exons）：为多肽编码的基因片段。,：由于基因中内含子的存在。,例外：组蛋白基因(histongene)和干扰素基因(interferon gene)没有内含子。,基因组学研究的内容与意义,基因组学（英文genomics），台湾译作基因体学，研究生物基因组和如何利用基因的一门学问。该学科提供基因组信息以及相关数据系统利用，试图解决生物，医学，和工业领域的重大问题。,基因组学能为一些疾病提供新的诊断，治疗方法。例如，对刚诊断为乳腺癌的女性，一个名为“Oncotype DX”的基因组测试，能用来评估病人乳腺癌复发的个体危险率以及化疗效果，这有助于医生获得更多的治疗信息并进行个性化医疗。基因组学还被用于食品与农业部门。,基因组学的主要工具和方法包括：生物信息学，遗传分析，基因表达测量和基因功能鉴定基因组学出现于1980年代，1990年代随着几个物种基因组计划的启动，基因组学取得长足发展。相关领域是遗传学，其研究基因以及在遗传中的功能。1980年，噬菌体-X174;(5,368 碱基对)完全测序，成为第一个测定的基因组。,1995年，嗜血流感菌（Haemophilus influenzae，1.8Mb）测序完成，是第一个测定的自由生活物种。从这时起，基因组测序工作迅速展开。2001年，人类基因组计划公布了人类基因组草图，为基因组学研究揭开新的一页。基因组学是研究生物基因组的组成,组内各基因的精确结构、相互关系及表达调控的科学。,五、RNA的结构与功能,RNA分子是含短的不完全的螺旋区的多核苷酸链。,（一）tRNA,tRNA约占RNA总量的15%，主要作用是转运氨基酸用于合成蛋白质。,tRNA分子量为4S，1965年Holley 测定AlatRNA一级结构，提出三叶草二级结构模型。,主要特征：1.四臂四环；2.氨基酸臂3端有CCAOH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.含有修饰碱基和不变核苷酸。,（二）rRNA,占细胞RNA总量的80%，与蛋白质（40%）共同组成核糖体。,（三）mRNA与hnRNA,mRNA约占细胞RNA总量的35%，是蛋白质合成的模板。,真核生物mRNA的前体在核内合成，包括整个基因的内含子和外显子的转录产物，形成分子大小极不均匀的hnRNA。,（四）snRNA和asRNA,snRNA主要存于细胞核中，占细胞RNA总量的0.11%，与蛋白质以RNP（核糖核酸蛋白）的形式存在，在hnRNA和rRNA的加工、细胞分裂和分化、协助细胞内物质运输、构成染色质等方面有重要作用。,asRNA可通过互补序列与特定的mRNA结合，抑制mRNA的翻译，还可抑制DNA的复制和转录。,（五）RNA的其它功能,1981年，Cech发现RNA的催化活性，提出核酶（ribozyme）。,大部分核酶参加RNA的加工和成熟，也有催化C-N键的合成。23SrRNA具肽酰转移酶活性。,RNA在DNA复制、转录、翻译中均有一定的调控作用，与某些物质的运输与定位有关。,六、核酸的性质,（一）一般理化性质,1.为两性电解质，通常表现为酸性。,2.DNA为白色纤维状固体，RNA为白色粉末，不溶于有机溶剂。,3.DNA溶液的粘度极高，而RNA溶液要小得多。,4.RNA能在室温条件下被稀碱水解而DNA对碱稳定。,5.利用核糖和脱氧核糖不同的显色反应鉴定DNA与RNA。,（二）核酸的紫外吸收性质,核酸的碱基具有共扼双键，因而有紫外吸收性质，吸收峰在260nm（蛋白质的紫外吸收峰在280nm）。,核酸的光吸收值比各核苷酸光吸收值的和少3040%，当核酸变性或降解时光吸收值显著增加（增色效应），但核酸复性后，光吸收值又回复到原有水平（减色效应）。,（三）核酸结构的稳定性,1.碱基对间的氢键；2.碱基堆积力；3.环境中的正离子。,（四）核酸的的变性,：双螺旋区氢键断裂，空间结构破坏，形成单链无规线团状，只涉及次级键的破坏。,DNA变性是个突变过程，类似结晶的熔解。将紫外吸收的增加量达到最大增量一半时的温度称熔解温度(melting temperature,Tm)。,Tm,Tm,影响Tm的因素：,（1）G-C的相对含量（G+C）%=（Tm 69.3）2.44,（2）介质离子强度低，Tm低。,（3）高pH下碱基广泛去质子而丧失形成氢键的能力。,（4）变性剂如甲酰胺、尿素、甲醛等破坏氢键，妨碍碱基堆积，使Tm下降。,（五）核酸的复性（退火）,：变性核酸的互补链在适当条件下重新缔合成双螺旋的过程。,影响复性速度的因素：,（1）单链片段浓度,（2）单链片段的大小,（3）片段内重复序列的多少,（4）溶液离子强度的大小,（5）溶液温度的高低（T 25）,（六）分子杂交,：在退火条件下，不同来源的DNA互补区形成氢键，或DNA单链和RNA链的互补区形成DNA-RNA杂合双链的过程。,探针：用放射性同位素或荧光标记的DNA或RNA片段。,原位杂交技术：直接用探针与菌落或组织细胞中的核酸杂交，未改变核酸所在的位置。,点杂交：将核酸直接点在膜上，再与核酸杂交。,Southern印迹法：将电泳分离后的DNA片段从凝胶转移到硝酸纤维素膜上，再进行杂交。,Northern印迹法：将电泳分离后的RNA吸印到纤维素膜上再进行分子杂交。,七、核酸的序列测定,目前多采用Sanger的酶法和Gilbert的化学法,|,八、核酸的生物学功能和实践意义,核酸是基本遗传物质，在蛋白质的生物合成上又占有重要位置，因而在个体的生长、生殖、遗传、变异和转化等一系列生命现象中起决定性作用。,（一）核酸与遗传信息的传递,DNA是基本遗传物质 有了一定结构的DNA，才能产生一定结构的蛋白质，由一定结构的蛋白质才有一定形态和生理特征，所以根据DNA的特定遗传密码产生的蛋白质就代表特定生物的遗传性。在遗传过程中DNA的具体作用：（1）在细胞分裂时按照自己的结构精确复制传给后代；（2）作为模板将所贮遗传信息传给mRNA。,RNA在传递遗传信息上的作用 mRNA是蛋白质合成的模板；tRNA识别mRNA上的遗传密码，转运特定氨基酸到核糖体上合成肽链；rRNA是核糖体的主要成分，是翻译工作的场所。,（二）核酸与蛋白质的生物合成,DNA转录为mRNA是有选择的，tRNA和rRNA也是DNA的转录产物。,（三）核酸结构改变与生物变异,一切生物的变异和进化都可以说是由于DNA的结构改变而引起蛋白质改变的结果。,生物遗传的变异起源于DNA碱基配对的改变，有的由于DNA碱基的颠倒（如TA被颠倒为AT）或被调换（如GC被换为TA）；有的由于在DNA复制过程中被遗漏了一对或多了一对核苷酸，或者在转译时发生了差误，如氨酰tRNA合成酶错将一个结构与正常氨基酸十分相似的物质交给tRNA。还有一些生物的遗传性状发生了突变。,（四）DNA与细菌转化,一种细菌的遗传性状因吸收了另一种细菌的DNA而发生改变的现象，称为细菌的转化。,（五）核酸与病变,遗传性疾病是由于遗传缺陷而产生的，也就是DNA结构改变的结果。镰刀型红细胞贫血和白化病(albinism)。,病毒对活细胞的侵染是寄主发生疾病，主要是由于核酸的的作用。流感、肝炎、带状疱疹、脊髓灰质炎、白血病、烟草斑纹病。,（六）遗传工程,遗传工程是用人工方法改组DNA，从而培育新型生物品种的技术。,实验室中将细菌作材料研究遗传工程过程可分为：（1）重组DNA分子（基因重组）；（2）将重组DNA引入受体细胞（转化或转导）。,有利：（1）有可能培育出高产抗病、耐旱、耐寒、耐盐碱的优良性能的动植物新品种；（2）改良微生物品种使产生人工难以制得的生物活性物质如胰岛素、干扰素等；（3）解决某些疾病病因和控制这些疾病。,不利：引起某些疾病的广泛流行和使某些细菌失去对抗菌素的敏感性，或者使某些酶或激素失去应有的生物活性等。,（七）克隆与克隆化,由单一亲代细胞用无性繁殖产生的子代细胞称克隆，形成克隆的过程称克隆化。,提要,本章主要介绍核酸的化学本质、结构和功能。总的要求是：1.了解核酸的化学本质及DNA和RNA在组分、结构和功能上的差异。2.弄清嘌呤、嘧啶、核苷、核苷酸和核酸在分子结构上的关系。3.了解核酸的结构和它们的性质、功能的相互关系。认识核酸在生物科学上的重要性及其实践意义。,注意：（1）核苷酸是核酸的基本组成单位，应以腺苷酸和胞苷酸为代表，彻底弄清核苷酸的化学结构和化学性质。结合有机化学把嘌呤和嘧啶的基本结构搞清楚，同时把核酸中存在的A、T、U、C、G的结构记熟。（2）注意嘌呤、嘧啶同核糖在哪个部位连接成核苷，核苷如何同磷酸连接成核苷酸，核苷酸又如何连接成一级结构的核苷酸链。要特别注意核酸的二、三级结构中碱基的配对规律。（3）从分析比较核酸分子的组成和结构上的特点，进而联系它们的性质和生物功能。,主要特征：1.四臂四环；2.氨基酸臂3端有CCAOH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.含有修饰碱基和不变核苷酸。,模板,引物,GGC,GGCC,GGCCATC,C,ddCTP,GGCCA,GGCCATCGTTGA,ddATP,A,GGCCATCG,GGCCATCGTTG,G,ddGTP,GGCCAT,GGCCATCGT,GGCCATCGTT,T,ddTTP,核酸的种类、分布、功能,种类,脱氧核糖核酸（DNA）：是主要的遗传物质。,核糖核酸（RNA）,tRNA(15%),mRNA(3-5%),rRNA(80%),其它RNA：如反义RNA等,所有生物细胞都含有DNA和RNA这两类核酸，而病毒只含DNA或RNA。真核生物染色体DNA是线型双链DNA。原核生物的染色体DNA、质粒DNA和真核生物的细胞器DNA都是环状双链DNA。细胞RNA通常都是线型单链，但病毒RNA则有线型与环状、双链与单链之分。,分布,DNA,原核生物,真核生物,拟核,质粒,染色体（质）,细胞器：如线粒体、叶绿体等,RNA：核内（snRNA、hnRNA）、胞质(scRNA)、细胞器,质粒DNA为cccDNA。类病毒为环状ssRNA。卫星病毒或卫星RNA是指没有辅助性病毒协助时，不能在宿主细胞内复制的病毒或RNA。,功能,DNA：是主要的遗传物质，遗传信息以密码形式编码在核酸分子上，表现为特定的核苷酸序列。,RNA,参与蛋白质合成,tRNA：转运、识别,rRNA：装配、催化,mRNA：信使、模板,多种细胞功能,RNA的5种功能,控制蛋白质合成,作用于RNA转录后加工与修饰,基因表达与细胞功能调节：如反义RNA、RNAi（RNA干扰）,生物催化与细胞持家功能（细胞基本功能）,遗传信息的加工与进化,生物体通过DNA复制将遗传信息由亲代传递给子代。通过RNA转录和蛋白质翻译使遗传信息在子代中得以表达。基因是指具有遗传效应的DNA片段或RNA，它能编码蛋白质或功能RNA。某些病毒的基因组是RNA。,核酸结构,核酸分子的组成 核酸的四级结构,基本内容,核 酸,核酸分子组成,核苷酸,磷酸,核苷,戊糖,碱基,A,G,T,C,U,核糖,脱氧核糖,碱基结构、稀有碱基、核苷三磷酸、环化核苷酸,磷酸基的位置 在RNA分子中，磷酸在2、3、5均可；在DNA分子中，磷酸在3、5（D-2-脱氧核糖）。核酸分子的形成 由多个核苷酸分子聚合而成，无分支结构。核苷酸分子之间以 3，5磷酸二酯键相连。磷酸二酯键的走向为3 5。DNA与RNA的四级结构与蛋白质四级结构比较。,DNA的四级结构,一级结构：由多个4种脱氧核苷酸分子通过3，5磷酸二酯键连接形成的直线型或环型多聚体。,二级结构：在碱基互补配对的基础上形成的DNA双螺旋结构。,三级结构：在二级结构上，DNA双螺旋结构通过折叠和扭曲所形成的特定构象。如超螺旋等。,四级结构：指DNA与蛋白质形成的复合物。如染色体（质）。,重要概念,碱基互补配对与Chargaff规则 DNA双螺旋结构 DNA双螺旋的几种构象 超螺旋 染色体（质）的结构,碱基互补配对 指碱基A、T配对，碱基G、C配对。它们之间分别通过2个氢键和3个氢键配对。即A=T G=C。Chargaff规则 在双链DNA分子中，碱基摩尔数存在下列关系：A=T G=C A+C=G+T A+G=T+C DNA双螺旋结构 1953年，Watson和Crick在前人工作的基础上提出DNA双螺旋结构模型。该模型的特征如下：两条反向平行的多核苷酸链围绕同一中心轴相互缠绕，且两条链均为右手螺旋。碱基平面与纵轴垂直，糖环平面与纵轴平行；,嘌呤与嘧啶碱基位于双螺旋的内侧；双螺旋的平均直径为2nm，两个相邻碱基对之间的距离为0.34nm，即碱基堆积距离为0.34nm；沿中心轴每旋转一周有10个核苷酸，故每一转的高度为3.4nm，即螺距为3.4nm；两个核苷酸之间的夹角为36；两条核苷酸链依靠碱基之间形成的氢键而结合在一起，即A与T配对，C与G配对；碱基在一条链上的排列顺序不受限制，但一旦确定后，即可决定另一条互补链上的序列。该模型中的DNA结构称为B型构象，表示DNA钠盐在较高湿度下制得的纤维的结构，可能比较接近大部分DNA在细胞中的构象；DNA能以多种构象存在，如A、C、D、E、Z（比较特殊）。其中A和B型是DNA的两种基本构象；这些构象在一定条件下可以互变，但不涉及共价键的断裂；,超螺旋 当DNA分子在溶液中以一定的构象存在时，双螺旋处于能量最低的状态，此为松弛态；如果这种正常的DNA分子额外地多转几圈或少转几圈，就会使双螺旋中存在张力。当DNA分子的两端是固定的，或是环状分子，则这种额外的张力就不能释放掉，DNA分子就会发生扭曲，用以抵消张力。这种扭曲称为超螺旋，即双螺旋的螺旋。如B型构象的两条链均为右手螺旋，则其负超螺旋为左手螺旋。在生物体内，绝大多数的DNA是以超螺旋的形成存在的。,