核酸的结构与功能PPT课件.ppt

第二章 核酸的结构与功能,第一节 核酸的一般概述第二节 核酸的化学组成第三节 DNA的结构与功能第四节 RNA的结构与功能第五节 核酸的理化性质及应用,核 酸(nucleic acid),是以核苷酸作为基本组成单位的生物大分子，携带和传递遗传信息。核酸分为2种：,脱氧核糖核酸（deoxyribonucleic acid,DNA）核糖核酸（ribonucleic acid,RNA）,P24,1868年 瑞士的Miescher 医生从脓细胞中提取核素（核酸的发现）1944年 Avery用肺炎球菌转化试验等证实DNA是遗传物质（核酸功能的认识）1953年 Watson和Crick提出DNA的双螺旋结构模型（现代分子生物学的基础）,一、核酸的发现与研究简史,P24,第一节 核酸的一般概述,1968年 Nirenberg发现遗传密码 1973年 美国斯坦福大学首次进行了体外基因重组 1975年 Temin和Baltimore发现逆转录酶 1981年 Gilbert和Sanger建立DNA测序方法 1985年 Mullis发明PCR技术 1990年 启动人类基因组计划(HGP)2003年 完成人类基因组计划 20世纪末 发现许多具有特殊功能的RNA,P24,二、核酸有固定的分布区域,并具有重要的生物学功能,核酸的分布区域特点：,核酸位于细胞内，大部分都与蛋白质结合存 在，细胞外无核酸 DNA存在于细胞核与线粒体 RNA主要存在于细胞质，10%存在于细胞核 分3类：信使RNA(messenger RNA,mRNA)转运RNA(transfer RNA,tRNA)核蛋白体RNA(ribosomal RNA,rRNA),P25,DNA 储存遗传信息并通过复制传递给下一代RNA 是DNA转录的产物，与蛋白质一起参与 遗传信息的复制与表达,核酸的生物学功能：,核酸对生长、发育、遗传和变异具有重要意义,P25,第一节 核酸的一般概述第二节 核酸的化学组成第三节 DNA的结构与功能第四节 RNA的结构与功能第五节 核酸的理化性质及应用,第二节 核酸的化学组成,核酸的元素组成 C、H、O、N、P,RNA含磷 8.5%9%DNA含磷 9%10%,P25,用于定量测定,核酸的基本组成单位是核苷酸(nucleotide),核酸,(DNA和RNA),核苷酸（脱氧核糖核苷酸和核苷核糖酸）,脱氧核苷和核苷,磷酸,戊糖,碱基,嘌呤,嘧啶,脱氧核糖,核糖,P25,一、戊糖是核苷酸组分之一,（构成RNA）,1,2,3,4,5,-D-核糖,P25,O,H,O,CH,2,O,H,O,H,O,H,嘌呤碱：A(adenine)、G(guanine)嘧啶碱：C(cytosine)、T(thymine)、U(uracil)稀有碱基：甲基化衍生物,二、嘌呤和嘧啶是核苷酸的碱基组分,P26,碱基中含共轭双键，对260nm左右的紫外光有较强的吸收，可用于定性定量分析。,P26,碱基的互变异构体,P26,三、碱基与戊糖相连形成核苷，核苷与磷 酸连接形成核苷酸,戊糖的C1与嘌呤的N9或嘧啶的N1以糖苷键相连形成核苷(nucleoside)。戊糖的碳原子编号加“”,N,N,N,N,9,N,H,2,O,(O),H,O,H,H,H,H,C,H,2,O,H,H,1,2,糖苷键,P27,游离存在的多为5-核苷酸,核苷的戊糖羟基与磷酸结合形成的磷酸酯即核苷酸,常见的核苷酸/脱氧核苷酸（NMP/dNMP）,AMP、GMP、CMP、UMP dAMP、dGMP、dCMP、dTMP,P27,2-、3-、5-三种核苷酸 3-、5-两种脱氧核苷酸,P28,P28,P28,四、ATP等是体内重要的游离核苷酸,*NMP的磷酸基可以再和磷酸相连形成 NDP/dNDP、NTP/dNTP（RNA/DNA的原料）,*ATP是能量的直接供体，GTP、CTP和 UTP也可提供能量,P29,P29,核苷酸的其它功能,*生成活性物质，如UDPG、CDP-二脂酰 甘油、SAM、PAPS*构成辅酶，如NAD+、FAD、CoA*环核苷酸cAMP和cGMP作为激素的 第二信使在信号转导中起重要作用,P29,P30,第一节 核酸的一般概述第二节 核酸的化学组成第三节 DNA的结构与功能第四节 RNA的结构与功能第五节 核酸的理化性质及应用,一、核苷酸序列是核酸分子的一级结构,核酸由核苷酸以3,5-磷酸二酯键相连聚合而成,*一个核苷酸的C-3-羟基和下一位核苷酸C-5-磷酸之间脱水缩合形成的酯键，即磷酸二酯键。,*方向性：5-磷酸“头”,3-OH“尾”书写：按 5 3方向,P30,第三节 DNA的结构与功能,P31,*基本单位：脱氧核糖核苷酸（dAMP、dGMP、dCMP、dTMP）*基本结构键：3,5-磷酸二酯键,*DNA的一级结构指DNA分子中脱氧核苷酸的排列顺序（也就是碱基排列顺序）。,DNA的一级结构,P30,核酸分子大小常用碱基(base或kilobase,kb)或碱基对(base pair,bp或kilobase pair,kbp)数目来表示。小的核酸片段(50bp)常被称为寡核苷酸(oligonucleotide)。自然界中的DNA和RNA的长度可以高达几十万个碱基。,P31,二、DNA的二级结构是右手双螺旋,20世纪50年代，Chargaff等，薄层层析和紫外吸收等 技术研究了DNA的碱基成分，得出Chargaff规则：不同种属的DNA碱基组成不同，而同一个体不同 器官、组织的DNA碱基组成相同 某一特定生物DNA碱基组成不随年龄等因素改变 Pu=Py，A+G=T+C，且A=T，G=C,（一）DNA碱基组成具有重要特征（2个证据）,P31,1952年，Franklin，DNA的X-ray衍射图谱-DNA是双链螺旋形分子,P31,（二）DNA双螺旋结构为现代 分子生物学奠定了基础,1953年，Watson和Crick，双螺旋(double helix)结构模型要点如下（四点）：,P32,1、DNA 分子是由两条长度相同、方向相反的平行多核苷酸链围绕同一中心轴构成的双螺旋结构；两条螺旋都是右手螺旋，双螺旋表面有深沟、浅沟。,5,3,5,3,P32,3.4nm,0.34nm,1nm,2、双螺旋直径为2 nm。磷酸和脱氧核糖 相连而成的糖-磷酸骨架位于螺旋外侧，碱基位于内侧。脱氧核糖平面垂直于碱基 平面，碱基平面垂直于螺旋的纵轴。相邻 碱基间堆砌距离0.34nm，旋转夹角36o,每 旋转一周包括10 个脱氧核苷酸残基，螺 距为3.4nm。,P32,T,C,A,G,A,C,G,T,3、两条多核苷酸链通过碱基间的氢键连接，遵从碱基互补配对原则，即：A-T配对，形成两个氢键G-C配对，形成三个氢键,P32,碱基的配对使得双螺旋DNA分子在复制时以半保留的形式进行。,4、维持DNA双螺旋结构稳定的因素：碱基堆砌力（疏水力）和氢键,P32,Watson-Crick的DNA双螺旋,2.0 nm,DNA双螺旋结构存在多样性：,B-DNA：右手螺旋，条件：相对湿度92%，生理盐水中 提取的DNA纤维的构象,A-DNA：右手螺旋，条件：相对湿度72%,Z-DNA：1979，Rich，左手螺旋，条件：CG重复序列，天然也有,P33,A,B,Z,P34,DNA的超螺旋结构 是指DNA在双螺旋结构的基础上，进一步旋转折叠，在蛋白质的参与下组装成的空间构象。正超螺旋：与双螺旋同向，使之变紧 负超螺旋：与双螺旋反向，使之变松,三、荷载遗传信息的DNA大分子 具有超螺旋结构,P35,1、原核生物DNA形成超螺旋,原核生物DNA、线粒体、叶绿体、质粒、噬菌体及某些病毒的DNA是共价封闭的环，主要形成负超螺旋，,P35,平均每200碱基就有一个超螺旋形成,P35,11nm5.5nm，盘状小颗粒,核心颗粒：组蛋白H2A、H2B、H3、H4各两分子 组成八聚体，表面绕有146bp，3 以1-圈负超螺旋组成 4连接区：组蛋白H1和60bpDNA链连结接,核小体,2、真核生物染色体DNA与组蛋白形成核小体,P35,核小体彼此相连成串珠状染色质细丝,P36,染色质细丝进一步螺旋化形成中空的线圈状螺线管，每圈螺旋由 6个核小体组成，即染色质纤维空管。再进一步盘曲、折叠形成染色单体。,P36,压缩6倍,压缩40倍,DNA经过多次折叠，被压缩了800010000倍,压缩1000倍,压缩10000倍,真核生物的染色体DNA,四、DNA是物种进化和世代繁衍的物质基础,基因(gene)：从结构上定义是指DNA分子中的功能性片段，即经过复制可以遗传给子代，能编码有功能的蛋白质或合成RNA所必需的完整序列，是核酸的功能单位。,DNA的基本功能：基因遗传 基因表达,P35,生物体的全部基因序列称为基因组(genome)，包含了所有编码RNA和蛋白质的编码序列及所有的非编码序列，也就是DNA分子的全序列。,基因组,SV40病毒的基因组：5100bp 大肠杆菌的基因组：577kb 人的基因组3.0109bp,P35,第一节 核酸的一般概述第二节 核酸的化学组成第三节 DNA的结构与功能第四节 RNA的结构与功能第五节 核酸的理化性质及应用,第四节 RNA的结构与功能,AMP、GMP、CMP、UMP,RNA的基本组成单位是4种核苷酸,RNA的基本结构键是,3，5 磷酸二酯键,P36,RNA的一级结构即核苷酸的排列顺序,RNA的分子小，种类多，稀有碱基多,发夹结构(hairpin)是RNA中最普遍的二级结构,多数RNA为线形单链 RNA分子内相邻区段可形成局部双螺旋，区段间非配对碱基膨胀成凸出或突环,RNA进一步折叠成三级结构成为活性分子,P36,RNA的分类和功能,信使RNA是蛋白质生物合成的直接模板 转运RNA是蛋白质合成时转运氨基酸的工具 核蛋白体RNA是蛋白质合成的场所 细胞内存在多种功能各异的小分子RNA,P36,一、信使RNA是蛋白质生物合成 的直接模板,信使RNA（messenger RNA,mRNA）,含量最少（2-3%）；种类最多；半寿期短；一级结构差异大（500-6000个NA）。,mRNA 转录DNA的基因序列信息，并携带至细胞质，作为蛋白质合成的模板，指导蛋白质的合成。,P36,不均一核RNA（heterogeneous nuclear RNA,hnRNA),真核细胞成熟的mRNA来自不均一核RNA,含有内含子的转录产物，经加工成熟为mRNA。hnRNA 加工修饰包括：,剪接 5端加帽子结构 3端加尾,P36,真核细胞mRNA5端有m7-GpppN的帽子结构,5端帽子结构的作用：-增强mRNA稳定性，免受核酸酶降解-促进核糖体与mRNA的结合,P36,真核细胞mRNA的3端有,m7-GpppN,AAAAAA,30到200个,多聚腺苷酸尾（poly A）的作用：,多聚腺苷酸的尾,参与mRNA从胞核到胞浆的转位 维持mRNA的稳定性 参与调控蛋白质的合成速度,P37,*成熟mRNA包括编码区和非编码区,mRNA的功能是指导蛋白质的合成,*成熟mRNA分子编码序列上每3个相邻的核苷酸为一组，决定相应多肽链中某一个氨基酸，称为三联体密码(triplet code)或密码子(codon)。,P37,原核生物mRNA与真核生物不同,无5帽子结构和3多聚腺苷尾转录后很少加工，直接作为蛋白质合成的模板,P37,二、转运RNA是蛋白质合成时 转运氨基酸的工具,占RNA总量15%左右（一）tRNA一级结构的特点 70-90核苷酸，分子量最小的RNA 富含稀有碱基（7-15个/分子）5末端多为pG，3-末端都是-CCA A的羟基是氨基酸结合部位,P37,P37,（二）tRNA的二级结构呈三叶草形,四个螺旋区三个环一个可变环（附加叉）,P37,（三）tRNA三级结构呈倒“L”字母形,P37,含量最多，约占RNA总量80%；与多种蛋白质构成核糖体/核蛋白体(ribosome)，是蛋白质的“装配机”,三、核蛋白体RNA是蛋白质合成的场所,P38,rRNA 蛋白质 大亚基 50S 5S、23S 34种 小亚基 30S 16S 21种,原核细胞核糖体,P38,rRNA 蛋白质 大亚基 60S 5S、5.8S、28S 36-50种 小亚基 40S 18S 30-32种,真核细胞核糖体,P38,rRNA有特定的二级结构，也可形成三级结构。,P38,四、细胞内存在多种功能各异的 小分子RNA,非mRNA小RNA(small non-messenger RNA,snmRNAs)，参与RNA的加工、转运及基因表达调控,核内小RNA（snRNA）核仁小RNA（snoRNA）胞质小RNA（scRNA）催化性小RNA（ribozyme，核酶）小片段干扰RNA（siRNA）,P38,第一节 核酸的一般概述第二节 核酸的化学组成第三节 DNA的结构与功能第四节 RNA的结构与功能第五节 核酸的理化性质及应用,一、核酸分子具有多种重要的理化性质,第五节 核酸的理化性质及应用,1、核酸是生物大分子 RNA比DNA短，在溶液中的粘度小于DNA。,P39,2、核酸是两性电解质，酸性较强*酸性的磷酸基团*碱基上的碱性基团 依核酸分子大小及所带电荷不同，可用 电泳和离子交换法来分离不同的核酸,P39,碱基共轭双键的最大吸收峰在260nm,3、核酸的紫外线吸收性质,P39,应用：*定性、定量分析*变性、复性的指标,（一）变性 DNA变性是指在某些理化因素的作用下，双螺旋DNA分子中互补碱基对之间的氢键断裂，双螺旋结构松散，变成单链的过程。不伴有共价键的断裂。,三、DNA具有变性和复性的特性,P39,DNA分子的变性,部分变性DNA,现象：粘度下降紫外吸收值增加，称增色效应监测指标：260nm处吸光度的变化,变性因素：加热、碱、酸、有机溶剂、尿素及酰胺等。,增色效应(hyperchromic effect),DNA的热变性是爆发式的，在很狭窄的温度范围内发生。（S形）,DNA热变性的解链曲线,解链温度(melting temperature，Tm)通常将DNA分子达到50%解链时的温度称为熔点或解链温度,G-C含量高,Tm高；A-T含量高,Tm低；链越长Tm越高。,变性DNA在适当条件下,如热变性后温度缓慢下降，两条互补链又可重新缔合而形成双螺旋,此过程称为复性(renatruation)或“退火”(annealing)。,（二）复性,伴随复性会出现核酸溶液的紫外吸收降低的现象,称为低色效应。最适宜的复性温度是比Tm约低25oC,这个温度又叫做退火温度。,变性后若温度迅速下降(4oC)，则复性不发生。,在核酸变性后的复性过程中,具有一定互补序列的不同DNA单链，或DNA单链与同源RNA序列，在一定条件下按碱基互补原则结合在一起，形成异源双链的过程称为分子杂交(hybridization)。,（三）分子杂交技术以核酸的变性和复性为基础,sdff,杂交可以是:DNA/DNA,RNA/RNA,DNA/RNA应用：标记一个来源的核酸，通过杂交可以检查另一来源的核酸中是否含有相同的或相似的互补片段，这种标记的核酸就称为探针.,(见第十九章，分子杂交技术）,1、简答简述三种RNA的生理功能。2、论述论述DNA双螺旋结构的要点。,第二章作业,1、核酸的元素组成2、组成核酸的碱基、戊糖、核苷及 核苷酸的基本结构3、核苷酸的功能4、核酸中核苷酸的连接方式5、DNA的一级结构（概念，基本单位，连接方式，书写方向）6、DNA 的二级结构（DNA双螺旋结构 模型的要点）7、信使RNA、转运RNA和核糖体RNA的 一、二级结构和功能。,第二章 掌握内容,1、Chargaff 规则2、核酶的概念3、核酸的紫外吸收性质（最大吸收峰260nm）4、核酸的变性、复性与杂交,第二章 熟悉内容,了解 DNA的超级结构,第二章 了解内容,