生物化学核酸结构与功能.ppt

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1、绚丽多彩的生物世界是怎么产生的？成千上万种不同性状和习性生物间有什么关系？这是自古以来，人们追问的问题。DNA,第 三 章核酸的结构和功能,Structure and Function of Nucleic Acid,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。,核酸的概念,核酸的分类及分布,90%以上分布于细胞核，其余分布于核外如线粒体，叶绿体，质粒等。,分布于胞核、胞液。,(deoxyribonucleic acid,DNA),(ribonucleic acid,RNA),脱氧核糖核酸,核糖核酸,携带遗传信息，决定细胞和个体的基因型(geno

2、type)。,参与细胞内DNA遗传信息的表达。某些病毒RNA也可作为遗传信息的载体。,信使RNA（mRNA）携带DNA遗传信息 转运RNA（tRNA）通过反密码子识别mRNA的 密码子，使氨基酸对号入座核蛋白体(rRNA)与核糖体蛋白形成核 糖 体，是蛋白质合成的场所,RNA的分类及功能,第一节核酸的化学组成及其一级结构The Chemical Component and Primary Structure of Nucleic Acid,元素组成:C、H、O、N、P（9%10%）,分子组成三部分,碱基(base)：嘌呤碱，嘧啶碱戊糖(ribose)：核糖，脱氧核糖磷酸(phosphate),

3、构成核酸的基本组成单位核苷酸DNA的基本组成单位是脱氧核糖核苷酸。RNA的基本组成单位是核糖核苷酸。,嘌呤,嘧啶,碱基,腺嘌呤（A）,鸟嘌呤（G）,胞嘧啶（C）,胸腺嘧啶（T）,尿嘧啶（U）,DNA、RNA均有,DNA有,RNA有,核苷酸的结构,每种核酸都含有四种碱基。,嘌呤(purine),腺嘌呤(adenine,A),鸟嘌呤(guanine,G),碱 基,嘧啶(pyrimidine),胞嘧啶(cytosine,C),尿嘧啶(uracil,U),胸腺嘧啶(thymine,T),戊 糖,小结：两类核酸的基本成分区别,核苷（或脱氧核苷）：碱基和核糖（或脱氧核糖）通过糖苷键连接形成。,糖苷键,核苷

4、酸：AMP,GMP,UMP,CMP脱氧核苷酸：dAMP,dGMP,dTMP,dCMP,核苷酸（脱氧核苷酸）：核苷（脱氧核苷）和磷酸以酯键（酸脱羟基醇脱氢）连接形成。,核苷酸的命名,AMP adenosine monophosphate 腺苷一磷酸 或 一磷酸腺苷 简称：腺苷酸dAMP deoxyadenosine monophosphate 脱氧一磷酸腺苷/一磷酸脱氧腺苷 简称：脱氧腺苷酸,默认情况下核苷酸均为5-核苷酸,体内重要的游离核苷酸及其衍生物,含核苷酸的生物活性物质：NAD+、NADP+、CoA-SH、FAD 等都含有 AMP,多磷酸核苷酸：NMP，NDP，NTP,环化核苷酸:cAM

5、P，cGMP,AMP,ADP,ATP,cAMP,核苷酸种类和名称：,常见碱基部分可为5种碱基的一种核糖部分可为核糖或脱氧核糖酸的部分可为一磷酸、二磷酸、三磷酸或环磷酸中的一种,根据三个组成部分,核苷酸的主要功能：,核苷三磷酸是合成核酸原料，又能提供能量。核苷二磷酸活化中间代谢物,如UDP-葡萄糖等。核苷一磷酸是核酸的组分,还是一些辅酶的成分。核苷环磷酸在细胞信号转导中起重要作用。,核苷酸的连接,一个核苷酸（脱氧核苷酸）3的羟基与另一个核苷酸（脱氧核苷酸）5的-磷酸基团缩合形成磷酸二酯键(phosphodiester bond)。,C,G,A,多个核苷酸（脱氧核苷酸）通过磷酸二酯键构成了具有方向

6、性的线性分子，称为多聚核苷酸(脱氧核苷酸)链，即DNA链。,核酸中核苷酸的排列顺序/碱基序列。,连接键：,3，5 磷酸二酯键,方向性：,53,定义：,DNA的一级结构,（染色体DNA的结构）,书写方法,5 pApCpTpGpCpT-OH 3,5 A C T G C T 3,简化：,再简化：,DNA一级结构的意义：,编码生命的遗传信息,简单而又完美四个字“A、G、C、T”！惊叹：具有强大编码能力 DNA计算机神奇：演化整个生物界 生命语言,DNA的二级结构双螺旋结构,碱基配对规律（Chargaff规则）,1950年Chargaff通过研究DNA的分子组成，发现：不同物种来源的DNA的碱基组成不同

7、同一生物的不同组织里的DNA碱基是相同的。DNA中嘌呤碱基等于嘧啶碱基。即：A+G=T+C;A=T、G=C,碱基互补配对,T,A,G,C,DNA双螺旋结构模型要点（Watson,Crick,1953）,DNA分子由两条相互平行但走向相反的脱氧多核苷酸链组成，两链以-脱氧核糖-磷酸-为骨架，以右手螺旋方式绕同一公共轴盘。螺旋直径为2nm，形成大沟及小沟相间。,“大沟”、“小沟”的功能,沟状结构与DNA、蛋白质间的相互识别有关。,DNA双螺旋结构模型要点（Watson,Crick,1953）,碱基垂直螺旋轴居双螺旋内侧，与对侧碱基形成氢键配对（互补配对形式：A=T;GC）。,碱基配对规律的合理性,

8、DNA双螺旋结构模型要点（Watson,Crick,1953）,相邻碱基平面距离0.34nm，螺旋一圈螺距3.4nm，一圈10对碱基。碱基在内侧平面与纵轴垂直，糖基在外侧平面与纵轴平行（即碱基平面与戊糖平面相互垂直）。,DNA双螺旋结构模型要点（Watson,Crick,1953）,氢键维持双链横向稳定性，碱基堆积力维持双链纵向稳定性。,小结：DNA二级结构主要特点,两条脱氧核酸链构成右手双螺旋结构，链的走向相反磷酸脱氧核糖链在螺旋的外侧，碱基在螺旋的内侧脱氧核糖平面与碱基平面相互垂直 碱基配对规律：A=T、GC稳定力：横向：氢键纵向：碱基堆积力,DNA双螺旋结构的多样性,研究意义,DNA双螺

9、旋结构模型完美地说明了遗传物质的遗传、生化和结构的主要特征，它的提出是生物学史上划时代的事件。从此，遗传学的历史和生物学的历史正式从细胞阶段进入了分子阶段。,超螺旋结构,意义:,DNA双螺旋链再盘绕即形成超螺旋结构,DNA超螺旋结构整体或局部的拓扑学变化及其调控对于DNA复制和RNA转录过程具有关键作用。,DNA的三级结构,大多原核生物的DNA是共价封闭的环形DNA双螺旋，在细胞内进一步盘绕成类核。,环状和超螺旋DNA结构示意图,（一）原核生物DNA的环状超螺旋结构,研究 表明：DNA若 完 全 展 开的 话，有将 近 2 米，而细胞的尺 寸是 微级的。那么DNA是如何 存 在于细胞内部的呢？

10、,（二）真核生物DNA的高度有序和高度致密的结构,核小体的构成,核心颗粒,连接区,核心组蛋白：,组蛋白八聚体H2A、H2B、H3、H4各2分子,DNA双螺旋分子(150bp)在核心组蛋白缠绕 1.75圈,DNA（60bp）,组蛋白H1,核小体,由DNA和蛋白质构成是真核生物染色质的基本单位,核小体的折叠及染色体组装,逐级盘曲折叠,DNA压缩了800010000倍,三、DNA的功能,是DNA分子中特定区段核苷酸的排列顺序，即碱基序列信息，它决定了基因的功能。,基因：,基因组：,一个遗传体系所有基因总和的一整套遗传信息。,以基因的形式储存、携带和传递遗传信息。,第三节 RNA的结构与功能,Stru

11、cture and Function of RNA,RNA特点：,RNA种类、分布、功能：,2.tRNA的二级结构三叶草形,3.tRNA的三级结构 倒L形,转运RNA（tRNA）,1.tRNA的一级结构特点,4.tRNA的功能：,把活化的aa搬运到核糖体，tRNA的反密码子与mRNA的密码子特异性结合，使氨基酸对号入座。,转运RNA的功能,DHU环 反密码环 额外环 TC环 氨基酸臂,信使RNA的结构与功能,*真核生物mRNA成熟过程,5,3,m7Gppp,AAAAn,1.哺乳类动物mRNA结构示意图：,信使RNA（mRNA）,帽子结构,2.真核细胞mRNA结构特点：,5帽子结构：m7Gppp

12、m2Npm2Np3末端多聚A尾polyA,编码区hnRNA剪掉内含子，外显子拼接。,3.mRNA的功能,把DNA的遗传信息，转录成mRNA的密码、指导蛋白质合成的氨基酸排列顺序。,DNA（遗传信息）,mRNA（密码载体）,蛋白质,(氨基酸序列),1.rRNA的结构：,参与组成核蛋白体，为蛋白质生物合成的场所。,2.rRNA的种类：,3.rRNA的功能：,多个茎环结构组成,三、核蛋白体RNA（rRNA）,局部双链,tRNA,rRNA,mRNA,三叶草形、倒L形含稀有碱基多反密码子CCAOH 3,呈花状,5m7GpppNm、3 polyA编码序列,单链,局部双链,结构,蛋白质合成的模板,搬运活化的

13、aa到核糖体,组成核蛋白体,分子大小不一,量10%,代谢快,分子量小120碱基稳定,分子大120碱基量 80%,稳定,三种RNA内容小结,功能,核酶(ribozyme)一词用于描述具有催化活性的RNA,即化学本质是核糖核酸(RNA),却具有酶的催化功能。核酶的功能很多,有的能够切割RNA,有的能够切割DNA,有些还具有RNA 连接酶、磷酸酶等活性。,随着对核酶的深入研究，已经认识到核酶在遗传病，肿瘤和病毒性疾病上的潜力。比如，对于艾滋病毒HIV的转录信息来源于RNA而非DNA，核酶能够在特定位点切断RNA，使得它失去活性。如果一个能专一识别HIV的RNA的核酶存在于被病毒感染的细胞内，那么它就

14、能建立抵抗入侵的第一防线。甚至，HIV确实进入到了细胞并进行了复制，RNA也可以在病毒生活史的不同阶段切断HIV的RNA而不影响自身的RNA。又如，白血病是造血系统的恶性肿瘤,目前尚缺少有效的治疗方法。核酶的发现，尤其是锤头状核酶，为白血病的基因治疗带来了新的希望。近些年，在国外的一些国家已经在小白鼠体内得到较好的效果。核酶是在对多种植物病毒卫星RNA及类病毒RNA的自我剪接研究中 发现的，数量较少，常见于rRNA的内含子。,蛋白质与核酸结构比较,核 酸 的 理 化 性 质The Physical and Chemical Characters of Nucleic Acid,第 三 节,DN

15、A变性的图示：,理化因素，DNA双链间氢键断裂，成两条单链。,定义：,一、核酸分子具有强烈的紫外吸收,二、DNA变性是双链解离为单链的过程,增（高）色效应：DNA变性时其溶液OD260增高的现象,例：变性引起紫外吸收值的改变,DNA的紫外吸收光谱,增色效应：DNA变性时其溶液OD260增高的现象。,DNA的变性(denaturation),方法：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。,变性后其它理化性质变化：,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,DNA热变性：,特点 骤然、突发式融解温度Tm(melting temperat

16、ure)Tm与G+C含量成正比,热变性,解链曲线：如果在连续加热DNA的过程中以温度对A260（absorbance，A，A260代表溶液在260nm处的吸光率）值作图，所得的曲线称为解链曲线。,Tm：变性是在一个相当窄的温度范围内完成，在这一范围内，紫外光吸收值达到最大值的50%时的温度称为DNA的解链温度，又称融解温度(melting temperature,Tm)。其大小与G+C含量成正比。,1.DNA复性(renaturation)/退火(annealing),定义复性的条件,三、变性的核酸可以复性或形成杂交双链,减色效应DNA复性时，其溶液OD260降低。,在DNA变性后的复性过程中

17、，如果将不同种类的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（温度及离子强度）下，就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),DNA-DNA杂交双链分子,不同来源的DNA分子,核酸分子杂交的应用研究DNA分子中某一种基因的位置定两种核酸分子间的序列相似性检测某些专一序列在待检样品中存在与否是基因芯片技术的基础,密码子和反密码子关系示意图,异亮氨酸,异亮氨酸 反密码子,异亮氨酸 密码子,