核酸的分子结构.ppt

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1、第二章 核酸的分子结构,重点内容：核苷酸的化学组成与命名；DNA的二级结构(双螺旋模型)；真核生物mRNA和原核生物mRNA的结构比较；tRNA的二级结构。难点内容：DNA分子结构与功能的关系；RNA分子结构与功能的关系。了解内容：DNA双螺旋结构的生物学意义；DNA双螺旋结构稳定的因素；rRNA的二级结构和三级结构。,核酸的结构与功能,1 核酸通论2 核酸基本构件单位核苷酸3 DNA的分子结构4 RNA的分子结构,1 核酸通论,1.1 核酸的研究历史和重要性1.2 核酸的种类和分布,1.1 核酸的研究历史和重要性,1869 Miescher从脓细胞的细胞核中分离出了一 种含磷酸的有机物，当时

2、称为核素（nuclein）,后称为核酸（nucleic acid）；此后几十年内，弄清了核酸的组成及在细胞中的分布。1944 Avery 等成功进行肺炎球菌转化试验；1952年Hershey等的实验表明32P-DNA可进入噬菌体内，证明DNA是遗传物质。1953 Watson和Crick建立了DNA结构的双螺旋模型，说明了基因的结构、信息和功能三者间的关系，推动了分子生物学的迅猛发展。1958 Crick提出遗传信息传递的中心法则，60年代 RNA研究取得大发展（操纵子学说，遗传密码，逆转录酶）。,核酸的研究历史和重要性（续）历史,70年代 建立DNA重组技术，改变了分子生物学的面貌，并导致生

3、物技术的兴起。80年代 RNA研究出现第二次高潮：ribozyme、反义RNA、“RNA世界”假说等等。90年代以后 实施人类基因组计划（HGP）,开辟了生命科学新纪元。人类基因组测序完成后，生命科学进入后基因组时代：功能基因组学（functional genomics）Hapmap(单体型图)(基于SNP)蛋白质组学（proteomics）,1.2 核酸种类和分布,脱氧核糖核酸（deoxyribonucleic acid,DNA）:遗传信息的贮存和携带者，生物的主要遗传物质。在真核细胞中，DNA主要集中在细胞核内，线粒体和叶绿体中均有各自的DNA。原核细胞没有明显的细胞核结构，DNA存在于称

4、为拟核（nucleoid)的结构区。每个原核细胞一般只有一个染色体，每个染色体含一个双链环状DNA。,核糖核酸（ribonucleic acid,RNA）：主要参与遗传信息的传递和表达过程，细胞内的RNA主要存在于细胞质中，少量存在于细胞核中，病毒中RNA本身就是遗传信息的储存者如逆转录病毒（retrovirus)。另外在植物中还发现了一类比病毒还小得多的侵染性致病因子称为 类病毒（viroid)和拟病毒（virusoid or satellite RNA)，还发现有些RNA具生物催化作用（ribozyme）。,2 核酸的基本结构单位核苷酸,2.1 核苷酸的化学组成与命名 2.1.1 碱基、核

5、苷、核苷酸的概念和关系 常见碱基的结构与命名法 常见（脱氧）核苷酸的基本结构与命名 2.1.4 稀有核苷酸 2.1.5 细胞内游离核苷酸及其衍生物2.2 核苷酸的生物学功能,5-磷酸核苷酸的基本结构,（N=A、G、C、U、T）,H,H,(O)H,1,2,N,OH,CH2,H,H,5,4,3,P,O-,O,O,O-,核糖(pentose sugar),磷酸(phosphate),碱基(nitrogenous base),2.1.1 碱基(base)、核苷(nucleoside)、核苷酸(nucleotide)的概念和关系,Nitrogenous base,Pentose sugar,Phosph

6、ate,2.1.2 基本碱基结构和命名,嘌呤（purine),嘧啶(pyrimidine),Adenine(A),Guanine(G),Cytosine(C),Uracil(U),Thymine(T),核苷酸的结构和命名,腺嘌呤核苷酸（AMP）Adenosine monophosphate,脱氧腺嘌呤核苷酸（dAMP）Deoxyadenosine monophosphate,H,OH,2.1.3 常见（脱氧）核苷酸的结构和命名,鸟嘌呤核苷酸（GMP）,尿嘧啶核苷酸（UMP）,胞嘧啶核苷酸（CMP）,腺嘌呤核苷酸（AMP）,脱氧腺嘌呤核苷酸（dAMP）,脱氧鸟嘌呤核苷酸（dGMP）,脱氧胞嘧啶核

7、苷酸（dCMP）,脱氧胸腺嘧啶核苷酸（dTMP）,2.1.4 几种稀有核苷,6,2-O-甲基腺苷,N6，N6-二甲基腺苷,2.1.5 细胞内游离核苷酸及其衍生物,多磷酸核苷酸 环核苷酸 辅酶类核苷酸。,腺苷酸及其多磷酸化合物,AMP Adenosine monophosphate,ADP Adenosine diphosphate,ATP Adenosine triphosphate,cAMP(cGMP)的结构,3，5-Cyclic adenylic(Guaninic)acid,2.2 核苷酸的生物学功能,作为核酸的单体细胞中的携能物质（如ATP、GTP、CTP、TTP）酶的辅助因子的结构成分

8、（如NAD）(nicotinamide adenine dinucleotide,烟酰胺腺嘌呤二核苷酸)细胞通讯的媒介（如cAMP、cGMP）,3 DNA的分子结构,3.1 核酸分子中的共价键3.2 DNA 一级结构 3.3 DNA碱基组成的Chargaff规则3.4 DNA的二级结构3.5 DNA的三级结构 3.6 DNA与蛋白质复合物的结构,3.1 核酸分子中核苷酸之间的共价键,3-5 磷酸二酯键,3.2 DNA 的一级结构,DNA分子中各脱氧核苷酸之间的连接方式（3-5磷酸二酯键）和排列顺序叫做DNA的一级结构，简称为碱基序列。一级结构的走向的规定为53。不同的DNA分子具有不同的核苷酸

9、排列顺序，因此携带有不同的遗传信息。一级结构的表示法 结构式，线条式，字母式,DNA一级结构的表示法,3.3 DNA碱基组成的Chargaff规则,Chargaff首先注意到DNA碱基组成的某些规律性，在1950年总结出DNA碱基组成的规律：腺嘌呤和胸腺嘧啶的摩尔数相等，即 A=T。鸟嘌呤和胞腺嘧啶的摩尔数也相等，即G=C。含氨基的碱基总数等于含酮基碱基总数，即A+C=G+T。嘌呤的总数等于嘧啶的总数，即A+G=C+T。,DNA一级结构,DNA、RNA的一级结构,3.4 DNA的二级结构,（1）DNA的双螺旋结构(Watson-Crick模型)（2）DNA双螺旋结构特征及意义（3）DNA双螺旋

10、的多态性（4）DNA的三股螺旋（tripkex）,DNA的双螺旋结构的形成,DNA的双螺旋模型特点,a.两条反向平行的多聚核苷酸链沿一个假设的中心轴右旋相互盘绕而形成。b.磷酸和脱氧核糖单位作为不变的骨架组成位于外侧，作为可变成分的碱基位于内侧，链间碱基按AT，GC配对（碱基配对原则，Chargaff定律）c.螺旋直径2nm，相邻碱基平面垂直距离0.34nm,螺旋结构每隔10个碱基对（base pair,bp）重复一次，间隔为3.4 nm,A:angstrom,氢键 碱基堆集力 磷酸基上负电荷被胞内组蛋白或正离子中和碱基处于疏水环境中,DNA的双螺旋结构稳定因素,DNA的双螺旋结构的意义,该模

11、型揭示了DNA作为遗传物质的稳定性特征，最有价值的是确认了碱基配对原则，这是DNA复制、转录和反转录的分子基础，亦是遗传信息传递和表达的分子基础。该模型的提出是20世纪生命科学的重大突破之一，它奠定了生物化学和分子生物学乃至整个生命科学飞速发展的基石。,DNA双螺旋的不同构象,三种DNA双螺旋构象比较,A-DNA,Z-DNA,B-DNA,A B Z,外型 粗短 适中 细长,螺旋方向 右手 右手 左手,螺旋直径 2.55nm 2.37nm 1.84nm,碱基直升 0.23nm 0.34nm 0.38nm,每圈碱基数 11 10 12,碱基倾角 200 00 70,大沟 很窄很深 很宽较深 平坦,

12、小沟 很宽、浅 窄、深 较窄很深,三链DNA既可以是B-DNA与另一条DNA链结合成的链间的三链DNA，又可以是B-DNA与其自身的一条链结合形成的链内的三链DNA。(第9页)分子内三链DNA于1987年由Mirkin在超螺旋中发现。其形成要求双螺旋中存在连续的嘌呤或嘧啶序列，而且必须是镜像重复序列。,DNA分子内的三链结构,DNA分子间的三链结构,镜像重复序列：由反方向完全相同的两个序列组成。,5 GGAATCGATCTTTTCTAGCTAAGG 3 3CCTTAGCTAGAAAAGATCGATTCC 5,反转重复（inverted repeated)：由反方向互补的两个DNA片段组成，两个

13、反转重复序列又叫回文序列(palindrome sequence)。(第47页)镜像重复(mirror repeat)：由反方向完全相同的两个序列组成。直接重复(direct repeat)：由同一方向完全相同的两个序列组成。正向重复序列、顺向重复序列。,3.5 DNA的三级结构超螺旋（supercoil）,生物体闭环DNA都以超螺旋形式存在，如细菌质粒、病毒、线粒体DNA。线性DNA分子或环状DNA分子中有一条链有缺口时不能形成超螺旋。超螺旋的意义：紧密，体积更小；能影响双螺旋的解链程序，因而影响DNA分子与其它分子之间的相互作用。,螺旋和超螺旋电话线,螺旋,超螺旋,DNA的三级结构,超螺旋

14、是DNA三级结构的一种普遍形式，双螺旋DNA的松开导致负超螺旋，而拧紧则导致正超螺旋。,4 RNA的分子结构,4.1 RNA一级结构 和类别4.2 tRNA 的分子结构4.3 rRNA的分子结构4.4 mRNA的分子结构,4.1.1 RNA的一级结构(第10页),RNA分子中各核苷之间的连接方式（3-5磷酸二酯键）和排列顺序叫做RNA的一级结构,RNA与DNA的差异 DNA RNA糖 脱氧核糖 核糖碱基 AGCT AGCU 不含稀有碱基 含稀有碱基,4.1.2 RNA的类别,信使RNA（messenger RNA，mRNA）：在蛋白质合成中起模板作用；核糖体RNA（ribosomal RNA，

15、rRNA）：与蛋白质结合构成核糖体（ribosome）,核糖体是蛋白质合成的场所；转移RNA（transfer RNA，tRNA）：在蛋白质合成时起着携带活化氨基酸的作用。,4.2 tRNA 的结构,二级结构特征：单链 三叶草叶形 四臂四环,三级结构 特征：在二级结构基础上进一步折叠扭曲形成倒L型,tRNA的三级结构,4.3 rRNA的分子结构,特征：单链，螺旋化程度较tRNA低 与蛋白质组成核糖体后方能发挥其功能,5S RNA的二级结构,S:Theodor Svedberg,rRNA与核糖体蛋白共同构成核糖体，后者是蛋白质合成的场所。核糖体的组成,一切生物的遗传密码都要在核糖体上翻译。病毒本

16、身没有核糖体，其mRNA要靠宿主细胞的核糖体来翻译。核糖体蛋白如何识别rRNA上的结合位点，如何和rRNA结合，不同核糖体蛋白彼此如何识别，怎样互相联结，组装成为功能性的核糖体，尚在研究之中。目前只知道彼此所处的相对位置，联结的细节不明。,4.4 mRNA的分子结构(第11页),原核生物mRNA特征：先导区+翻译区（多顺反子）+末端序列真核生物mRNA特征：“帽子”（m7G-5ppp5-N-3p）+单顺反子+“尾巴”（Poly A）,mRNA,原核生物mRNA结构特点：1、多顺反子（polycistron）:一分子mRNA带有几种蛋白质的遗传信息，可以作为几种蛋白质的模板，能翻译出几种蛋白质。

17、2、mRNA5端无帽子结构,3 端一般无多聚A的尾巴。3、一般没有修饰碱基。,原核细胞mRNA的结构特点,真核生物mRNA结构的特点,1、5 末端有帽子结构。,2、3端多数带有多聚A的尾巴(polyadenylate tail),其长度为20200个A.3、分子中可能有修饰碱基,主要是甲基化.4、分子中有编码区与非编码区。非编码区（untranslated region UTR）位于编码区的两端；5 非编码区有翻译起始信号。5、只编码一条肽链。,真核细胞mRNA的结构特点,核内不均一RNA（hnRNA）,真核细胞转录生成mRNA的前体。（第11页）加工过程包括：5加帽；3端加尾；内含子的切除和

18、外显子的拼接；分子内部的甲基化修饰作用；核苷酸序列的编辑作用。（第五章 第五节）,小分子核内RNA(snRNA)（第14页）,真核细胞核内一组小分子RNA,含70300碱基,序列中尿嘧啶含量较高,因此又用U命名.既非任何RNA的前体,也非某种RNA代谢的中间产物,而是具有独特功能且独立存在的实体,参与mRNA的加工（第五章）。常与多种特异的蛋白质结合在一起，形成小分子核内核蛋白颗粒（small nuclear ribonucleoprotein particle，snRNP）,反义RNA（第19页）,碱基序列正好与有意义mRNA互补的RNA，又称为调节RNA。可与mRNA配对结合形成双链，最终

19、抑制mRNA作为模板进行翻译。还可作为DNA复制的抑制因子，与引物RNA互补结合抑制DNA复制，及在转录水平上与mRNA5端互补，阻止RNA合成转录。可以人工合成反义RNA来调节基因的表达,用于疾病治疗。原核生物中也有一种mRNA干扰互补RNA（Mrna interfering plementary RNA，micRNA），也可与特异mRNA结合并阻止翻译。,(五).试述反义核酸用于基因治疗的基本原理（20）。1.概念 反义核酸也称反义基因，即能通过互补碱基与DNA或mRNA互补的核酸分子。2.基本原理 基因表达是基因产生功能的过程，这一过程主要涉及到DNA的复制、转录和翻译，该过程任一环节受

20、阻都会影响到基因功能的产生，基于这一基本原理，开展了反义核酸（基因）疗法的基本的研究。目前反义核酸疗法多应用于抗肿瘤和抗病毒感染治疗中。对于抗肿瘤，反义核酸治疗就是应用反义核酸在转录和翻译水平阻断某些异常基因的表达，以阻断瘤细胞内异常信号的传导，使瘤细胞进入正常分化轨道或引起细胞凋亡。对于抗病毒感染治疗，反义核酸结果用反义DNA或反义RNA来阻断病毒核酸的复制，转录和翻译，从而达到抗病毒的目的。,3.举例反义核酸有3类：1）人工合成的寡脱氧核苷酸（oligoexynuclectide），进入机体后以胞吞的方式进入细胞，可直接结合到DNA双链的特定部位，形成三聚体，影响转录因子的结合，使转录不能

21、启动。2）将特异的反义基因连接到特异的表达载体上（质粒、病毒），导入靶细胞，直接转录出反义RNA，与相应mRNA形成双链，阻止mRNA的翻译。3）核酶（ribozyme），是一种具有催化特性的反义基因，与相应的mRNA结合后能发挥酶活性，将mRNA降解。在抗肿瘤治疗中，反义核酸常用于：封闭癌基因，如src反义RNA导入表达V-src基因的src转化细胞，使这种细胞在裸鼠体内致瘤性下降，又如“锺头”核酶（hammerhead ribozyme）与反义H-ras联用，可抑制多种致瘤性细胞株。肿瘤自分泌生长因子的反义阻断，用反义核酸来抑制某些肿瘤自分泌生长因子，以期阻断其恶性生物学行为来达到治疗的目的。在抗病素感染中，研究者发现，乙肝病毒，Rous肉瘤病毒的复制都明显地受到反义RNA的抑制，反义RNA与病毒mRNA结合成双股RNA链，mRNA即不会翻译成蛋白质。,其它,基因治疗（第9页）生物芯片基因芯片（第15页）,