生物化学第三章核酸的结构与功能课件.ppt
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1、第三章,核酸,核酸(Nucleic acid),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。DNA(Deoxyribonucleic acid)脱氧核糖核酸 存在于细胞核和线粒体,携带遗传信息,并通过复制传递给下一代。RNA(Ribonucleic acid)核糖核酸 分布于细胞核、细胞质、线粒体,是DNA转录的产物,参与遗传信息的复制与表达。某些病毒RNA也可作为遗传信息的载体。,3.1 核酸的组成成分,元素组成 主要元素组成:C、H、O、N、P(911%)蛋白质比较,核酸一般不含S,而P的含量较为稳定,占9-11%。基本构成单位:核苷酸(nucleotide)-戊糖(ribo
2、se):核糖,脱氧核糖-碱基(base):嘌呤碱,嘧啶碱-磷酸(phosphate),3.1.1 戊糖,(DNA含脱氧核糖;RNA含核糖),3.1.2 含氮碱,两类核酸中除了以上各四种碱基的核苷酸外,还有一些其他修饰碱基,通常含量很少,所以称为稀有碱基。核酸中的稀有碱基是核酸生物合成后修饰产物。RNA中,特别是tRNA中含有较多的稀有碱基如二氢尿嘧啶(D)、1-甲基次黄嘌呤(m1I)、次黄嘌呤(I)、假尿嘧啶()等。,嘌呤(Pu),嘧啶(Py),(1)嘌呤碱,(2)嘧啶碱,4-硫尿嘧啶,二氢尿嘧啶(D),(3)碱基的互变异构体,酮式烯醇式互变异构,胺式亚胺式互变异构,3.1.3 核苷,戊糖和含
3、氮碱生成的糖苷 DNA含-D-2-脱氧核糖 RNA含-D-核糖糖与碱基之间的C-N键:C-N糖苷键,且都是糖苷键 C1N1(嘧啶)C1N9(嘌呤)碱基与糖环平面垂直,(1)核苷(ribonucleoside),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:AR,GR,UR,CR,(2)脱氧核苷(deoxyribonucleoside),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:dAR,dGR,dTR,dCR,(3)稀有核苷,假尿苷,pseudouridine,,3.1.4 核苷酸,核苷(脱氧核苷)和磷酸以磷酸酯键连接形成核苷酸(脱氧核苷酸)
4、核苷的磷酸酯,磷酸位于C5 核苷酸的组成:含氮碱基、戊糖和磷酸。核苷酸的其他形式 多磷酸核苷(NDP、NTP),环化核苷酸(cAMP、cGMP等)辅酶或辅基(NAD、NADP、FAD、CoA等,均含有AMP)活性代谢物(UDPG、CDP-胆碱等),5-磷酸-脱氧核糖核苷和5-磷酸-核糖核苷,pA,pT,pG,pC,pU分别表示相应的5-核苷酸 除了5-核苷酸外,还有3-核苷酸用Ap,Tp,Gp,Cp,Up表示 生物体内游离的2-核苷酸较少,用Gp2表示相应的 2-核苷酸,八种核苷酸,M/单,D/二,T/三;P-磷酸RNA的名称为单/二/三苷酸,DNA在单/二/三前加脱氧两字。如:AMP称腺苷一
5、磷酸(或腺苷酸)dAMP称为脱氧腺苷一磷酸(脱氧腺苷酸)稀有核苷酸与上类似,核苷酸的其他形式,cAMP3,5-环腺苷,细胞间信使 cAMP 3,5-环腺嘌呤核苷一磷酸 cGMP 3,5-环鸟嘌呤核苷一磷酸 cAMP 和 cGMP 的环状磷酯键是一个高能键:pH 7.4时水解能约为43.9 kJ/mol,比 ATP 水解能高得多。,AMP,ADP,ATP,ATP是重要的能量转换中间体ATP含两个高能磷酸键:水解时可释放大量自由能,推动体内各种需能反应。ATP也是磷酰化剂:磷酰化的底物具较高能量(活化分子),是许多生物化学反应的激活步骤。GTP游离存在于生物体内,也是一种高能化合物,具有类似ATP
6、的结构主要是作为蛋白质合成中磷酰基供体在许多情况下,ATP 和 GTP 可以相互转换,4种核糖核苷三磷酸(ATP,UTP,GTP,CTP)直接合成RNA的原料 4 种三磷酸脱氧核糖核苷(dATP,dGTP,dCTP,dTTP)则是直接合成DNA的原料。ATP在所有生物系统中化学能的贮藏和利用的能量通货 有些核苷三磷酸参与特定的代谢过程如UTP参加者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等,核苷酸的生物学功能,3.2 核酸的一级结构,核酸中核苷酸的排列顺序,核苷酸的排列顺序代表了遗传信息。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。,多个脱氧核苷酸通过磷
7、酸二酯键构成了具有方向性的线性分子,称为多聚脱氧核苷酸,即DNA链。,一个脱氧核苷酸3的羟基与另一个核苷酸5的-磷酸基团缩合形成磷酸二酯键。,方向:5 端3 端(由左至右),结构式,线条式,文字缩写,pApGpCpTpGpCpA-G-C-T-G C,DNA的一级结构是由四种脱氧核苷酸(dAMP、dGMP、dCMP、dTMP)通过3,5-磷酸二酯键连接起来的直线形或环状多聚体。通常一个染色体中就是一个DNA分子(通常为双链),最大有染色体DNA可超过108bp也表示为100Mb、105Kb等人类基因组大小为3.2Gb,大约能为31 000个蛋白质编码。实际上,编码序列只占基因组的1.1%到1.4
8、%。RNA的一级结构是由四种核苷酸(AMP、GMP、CMP、TMP)通过3,5-磷酸二酯键连接起来的直线形多聚体tRNAmRNAsnmRNAs和RNA组学:核内小RNA(snRNA)、核仁小RNA(snoRNA)、胞质小RNA(scRNA)、催化性小RNA(即ribozyme)、小片段干涉 RNA(siRNA),3.3 DNA的二级结构,DNA双链的螺旋形空间结构称DNA的二级结构(secondary structure of DNA)。1953年Watson和Crick提出DNA的双螺旋结构(DNA double helix,duplex)模型。是20世纪自然科学最重要的发现之一,对生命科学
9、的发展具有划时代的意义。,3.3.1 双螺旋结构的实验依据,X射线衍射数据关于碱基成对的证据:Chargaff 规则 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,GC,A+C=G+T,A+G=C+TDNA的滴定曲线,不同生物来源DNA碱基组分和相对比例,3.3.2 双螺旋结构模型的要点,(1)两条反向平行的多核苷酸链围绕同一中心轴缠绕,为右手螺旋。,一条链的5-末端与另一条链的3-末端相对,亲水性的骨架位于双链的外侧疏水性的碱基位于双链的内侧,(2)两条链上的碱基均在主链内侧,一条链上的A一定与另一条链上的T配对,G一定与C配对。,A与T配对形成2
10、个氢键,G与C配对形成3个氢键,螺旋直径为2 nm,氢键维持双链横向稳定性,双螺旋模型的碱基配对,(3)成对碱基大致处于同一平面,该平面与螺旋轴基本垂直,糖环平面与螺旋轴基本平行,磷酸基连在糖环的外侧。,相邻碱基平面距离0.34nm,螺旋一圈螺距3.4nm,一圈10对碱基。碱基平面之间有36的错位。,碱基堆积力维持双链纵向稳定性,相邻两个碱基对会有重叠,产生了疏水性的碱基堆积力(base stacking force),(4)由于碱基对并不处于两条主链的中间,而是向一侧突出,碱基对糖苷键的键角使两个戊糖之间的窄角为120,广角为240。,碱基对上下堆积起来,窄角的一侧形成小沟(minor gr
11、oove),其宽度为1.2 nm。广角的一侧形成大沟(major groove),其宽度为2.2 nm。,(5)大多数天然DNA属双链DNA(dsDNA),少数病毒的DNA为单链DNA(ssDNA)。(6)双链DNA分子主链上的化学键受碱基配对等因素影响旋转受到限制,使DNA分子比较刚硬,呈比较伸展的结构。,碱基与中心轴并非垂直,而是有一定的倾斜角12 16,碱基间夹角并非都是36,而是2842。,稳定双螺旋结构的因素,(1)碱基堆积力形成疏水环境(主要因素)。(2)碱基配对的氢键。GC含量越多,越稳定。(3)磷酸基上的负电荷与介质中的阳离子或组蛋白的正离子之间形成离子键,中和了磷酸基上的负电
12、荷间的斥力,有助于DNA稳定。(4)碱基处于双螺旋内部的疏水环境中,可免受水溶性活性小分子的攻击。,双螺旋结构模型的要点总结 1)反平行双链右手螺旋,直径=2nm,每圈10对核苷酸,螺距为3.4nm 2)糖Pi在螺旋线上,位于外侧,平行于轴,碱基伸向内部其平面垂直于轴,表面形成大沟、小沟 3)两链之间A与T互补,G与C互补 4)稳定因素为氢键和碱基堆积力,双螺旋结构模型的理论意义 1)DNA的复制,DNA遗传信息在生物世代间、细胞世代间的传递 2)遗传与变异,DNA分子的碱序列具有保守性和变异性,碱基对是突变的最小单位 3)生物的性状控制:蛋白质的生物合成时遗传密码与反密码互补配对 4)为现代
13、分子生物学与基因工程奠定了理论基础,3.3.3 DNA二级结构的其他类型,回文结构:DNA序列中以某一中心区域为对称轴,其两侧的碱基对顺序正读和反读都相同的双螺旋结构。即对称轴一侧的片段旋转180后,与另一侧片段对称重复。回文结构能形成十字结构和发夹结构,AATTCAAGGGAGAAGTATAGAAGAGGGAAGGATCTTAAGTTCCCTCTTCATATCTTCTCCCTTCCTAG,镜像重复:存在于同一股上的某些DNA区段的反向重复序列。此序列各单股中没有互补序列,不能形成十字型或发夹结构。,三股螺旋(K.Hoogsteen 1963):通常是一条同型寡核苷酸与寡嘧啶核苷酸-寡嘌呤核苷
14、酸双螺旋的大沟结合:oligo(Py):oligo(Pu)oligo(Py/Pu)由于设计、合成的第三条连具有结合DNA特定位点的能力,有可能抑制基因的表达,这为药物的设计带来了希望。,3.4 DNA的高级结构,DNA双螺旋通过扭曲和折叠所形成的特定构象。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)或负超螺旋(negative supercoil)盘绕方向与DNA双螺旋方同相同或相反,3.4.1 环状DNA的超螺旋结构,细菌的染色体DNA、病毒的DNA、质粒、真核生物的线粒体和叶绿体的DNA,为
15、双链环形DNA(double-strand circular DNA,dcDNA)可进一步扭曲成超螺旋DNA(superhelix DNA),这种结构还可被称为共价闭环DNA(covalently closed circular DNA,cccDNA),超螺旋DNA的一条链断裂,分子将释放扭曲张力,形成松弛环形DNA(relaxed circular DNA),也称为开环DNA(open circular DNA,ocDNA)超螺旋DNA的两条链均断裂,就会转化为线形DNA(linear DNA),正超螺旋,负超螺旋(多见),双链环形DNA,DNA超螺旋结构整体或局部的拓扑学变化及其调控对于D
16、NA复制和RNA转录过程具有关键作用。,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,连环数(linking number,L)DNA双螺旋中,一条链以右手螺旋绕另一条链缠绕的次数扭转数(twisting number,T)DNA分子中的Watson-Crick螺旋数目,以T表示超螺旋数(缠绕数,writhing number,W)比连环差(specific linking difference,)表示DNA的超螺旋程度(Superhelix density)三者的关系式:L=T+W,拓扑异构酶:改变DNA拓扑异构体的L值。拓扑异构酶酶I(解旋酶)能使双链负
17、超螺旋DNA转变成松驰形环状DNA,每次催化使L增加1。拓扑异构酶酶II(促旋酶)能使松驰环状DNA转变成负超螺旋形DNA,每次催化使L减少2。,3.4.2 真核生物染色体结构,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),核小体的组成:DNA:约200bp 组蛋白:H1,H2A、H2B,H3,H4,长约140bp的DNA分子绕核心部位1圈,2nm,2nm,10bp,11nm,80bp,30nm,1200bp,300nm,
18、75000bp,100nm,4.5105bp,人的DNA大分子在染色质中反复折叠盘绕共压缩800010000倍,700nm,1.35107bp,DNA的功能 DNA的基本功能是以基因的形式荷载遗传信息,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。,3.5 DNA和基因组,基因和基因组的概念病毒和细菌基因组的特点真核生物基因组的特点,3.5.1 基因和基因组的概念,DNA通过复制将遗传信息由亲代传递给子代;通过转录和翻译,将遗传信息传递给蛋白质分子,从而决定生物的表现型。DNA
19、的复制、转录和翻译过程就构成了遗传学的中心法则。DNA分子中最小的功能单位称基因某生物所含的全部基因称该生物体的基因组,转录:生物体可用碱基配对的方式合成与DNA核苷酸序列相对应的RNA信使RNA(messenger RNA,mRNA):转录生成的RNA一部分用于指导蛋白质合成翻译:mRNA的核苷酸序列决定蛋白质的氨基酸序列,由mRNA指导蛋白质合成的过程核糖体RNA(ribosome RNA,rRNA):核糖体中所含的RNA转移RNA(transfer RNA,tRNA):将氨基酸转运到核糖体的特定部位用于蛋白质合成的RNArRNA、tRNA和一些其他类型的RNA均由DNA转录生成,3.5.
20、2 病毒和细菌基因组的特点,共同特点(1)基因组很小,结构简练,环型和线型DNA分子组成(2)大部分为蛋白质编码的基因,基因间隔序列很短(3)功能相关的基因常串联在一起,有共同的调控元件操纵子(Operon)指启动基因、操纵基因和一系列紧密连锁的结构基因的总称,其中结构基因的表达受到操纵基因的调控。,病毒基因组的特点(1)基因组可由DNA组成,也可由RNA组成;但只可以由其中的一种组成。(2)不少病毒以RNA为遗传物质(3)存在重叠基因,一个基因编码几种蛋白质。,(1)正链RNA病毒 病毒RNA进入细胞后可直接指导合成蛋白质 例如:冠状病毒和脊髓灰质炎病毒等(2)负链RNA病毒 病毒RNA进入
21、细胞后需先合成互补的RNA然后合成蛋白质 例如:狂犬病病毒等,侵入宿主细胞后,依靠携带的复制酶合成正链RNA,再翻译产生病毒蛋白质,并复制病毒RNA(3)双链RNA病毒 以双链RNA的负链为模板合成正链RNA,用以指导蛋白质的合成 例如:呼肠孤病毒(4)逆转录病毒 以RNA为模板合成cDNA,再由cDNA为模板合成双链DNA,转录mRNA后指导蛋白质的合成 例如:白血病病毒和肉瘤病毒等,单链正股RNA病毒,单股负股RNA病毒,病毒自身携带依赖RNA的RNA多聚酶,逆转录病毒,逆转录病毒致癌机理,细菌基因组的特点(1)细菌染色体基因组:通常仅一条环状双链DNA分子组成(2)编码蛋白质的基因都是单
22、拷贝的(3)基因组中有多种调控区,和少量重复序列(4)基因组中存在可移动的DNA序列(转座子)质粒:某些细菌中独立于染色体外的能自主复制的共价环状双链DNA。可作为基因工程的载体,3.5.3 真核生物基因组的特点,真核基因组结构庞大 哺乳类动物基因组DNA 约 3109碱基对。人编码基因约4万个,编码序列仅占总长的1%。不存在操纵子结构 一个编码基因转录生成一个mRNA分子,经翻译生成一条多肽链。多种调控因子构成复杂的调控系统。,真核基因组含有大量的重复序列 高度重复序列:重复率达106 次,亦称为称为卫星DNA 中度重复序列:重复率约103 104次,平均350次,大多数中度重复序列与其他序
23、列间隔排列,称作散布重复序列 散布重复序列主要包括短散布元件、长散布元件和转座子 少数中度重复序列成串排列在一个区域,称作串联重复序列 串联重复序列主要包括小卫星DNA、微卫星DNA和rDNA(丝粒序列和端粒序列)低度重复序列:编码细胞骨架蛋白等蛋白质的基因只有数个 单一序列:绝大多数编码蛋白质的基因只有一个或几个存在非编码序列和间隔区(断裂基因)真核结构基因两侧存在有不被转录的非编码序列,往往是基因表达的调控区。在编码基因内部尚有内含子(intron)、外显子(exon)之分,因此真核基因是不连续的。,3.6 RNA的结构和功能,RNA与蛋白质共同负责基因的表达和表达过程的调控。RNA通常以
24、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,RNA的结构特征 大多数天然RNA分子是核糖核苷酸通过磷酸二酯键相连形成的一条单链,其许多区域自身发生回折,使可以配对的一些碱基相遇,而由A与U、G与C之间的氢键连接起来,形成局部双螺旋(二级结构);不能形成配对的碱基则形成环状突起。进而折叠形成三级结构。,3.6.1 tRNA(转运RNA),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。细胞内一般有50种以上不同的tRNA,有些真核生物细胞甚至可多达100多种。由7495核苷酸组
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