第3章核酸的组成与结构.ppt
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1、第二章 核酸的组成与结构,青山衬托之下,是一片金灿灿的中国水稻梯田。4月5日以中国梯田为封面的 Science杂志以14页篇幅率先发表了一个重大成果中国人独立完成的论文水稻基因组的工作框架序列,显示对中国科学家成就充分肯定。,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。,1868年 Fridrich Miescher从脓细胞中提取“核素”1944年 Avery等人证实DNA是遗传物质1953年 Watson和Crick发现DNA的双螺旋结构1968年 Nirenberg发现遗传密码1975年 Temin和Baltimore发现逆转录酶1981年
2、 Gilbert和Sanger建立DNA 测序方法1985年 Mullis发明PCR 技术1990年 美国启动人类基因组计划(HGP)1994年 中国人类基因组计划启动2001年 美、英等国完成人类基因组计划基本框架,核酸的发现和研究工作进展,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。,携带遗传信息,决定细胞和个体的基因型(genotype)。,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。,核酸的化学组成,1.元素组成C、H、O、N、P(910%),1 核酸的组成单位,核酸的基本组成单位 核苷酸核酸的一级结构
3、,核酸,水解,水解,水解,单核苷酸(B-R-P),磷酸(P),戊糖(R,dR),碱基(B),核苷(B-R),图3-1 核酸分子的组成,知识点 1,戊糖碱基核苷:核糖或脱氧核糖与碱基生成的糖苷核苷酸:核苷与磷酸形成的磷酸酯,核酸的基本组成单位 核苷酸,戊 糖,嘌呤(purine),腺嘌呤(adenine,A),鸟嘌呤(guanine,G),碱 基,N,N,N,H,N,1,2,3,4,5,6,7,8,9,知识点 2,嘧啶(pyrimidine),胞嘧啶(cytosine,C),尿嘧啶(uracil,U),胸腺嘧啶(thymine,T),N,NH,1,3,2,4,5,6,知识点 3,O OH P O
4、H=H3PO4 OH-=-H2PO3,P,磷 酸,戊糖碱基核苷:核糖或脱氧核糖与碱基生成的糖苷核苷酸:核苷与磷酸形成的磷酸酯,核酸的基本组成单位 核苷酸,核苷:核糖或脱氧核糖与碱基生成的糖苷,戊糖碱基核苷:核糖或脱氧核糖与碱基生成的糖苷核苷酸:核苷与磷酸形成的磷酸酯,核酸的基本组成单位 核苷酸,核苷酸:AMP,GMP,UMP,CMP脱氧核苷酸:dAMP,dGMP,dTMP,dCMP,核苷酸:核苷与磷酸形成的磷酸酯,知识点 4,体内重要的游离核苷酸及其衍生物,多磷酸核苷酸:NMP、NDP、NTP,AMP,ADP,ATP,ATP的性质,ATP 分子的最显著特点是含有两个高能磷酸键。ATP水解时,可
5、以释放出大量自由能。ATP 是生物体内最重要的能量转换中间体。ATP 水解释放出来的能量用于推动生物体内各种需能的生化反应。,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:cAMP,cGMP,cAMP,1 核酸的组成单位,核酸的基本组成单位 核苷酸核酸的一级结构,核酸的一级结构,1.定义:硷基的排列顺序 骨架链:糖-磷酸链(R-P)连接键:3,5磷酸二酯键 侧链:碱基 方向:5P末端 3-OH末端,2.核苷酸的连接3.核酸分子结构表示法,知识点5,单核苷酸的连接,C,G,A
6、,核苷酸之间以磷酸二酯键连接形成多核苷酸链,即核酸。,书写方法,5 pApCpTpGpCpT-OH 3,5 A C T G C T 3,2 DNA的空间结构,一、DNA的二级结构双螺旋结构模型 二、DNA的三级结构,一、DNA的二级结构双螺旋结构模型 1.双螺旋结构的主要依据 2.结构要点 3.DNA结构的多样性,Erwin Chargaff(19051995),Chargaff 规则(20世纪4050年代)不同物种的DNA碱基组成不同;同一生物体的不同组织的DNA的碱基组成相同;A=T,G=C,A+G=T+C,Rosalind Franklin,Wilkins和Franklin发现不同来源的
7、DNA纤维具有相似的X-射线衍射图谱。,DNA 分子X射线衍射照片,Pauling 和Corey发现A与T生成2个氢键、C与G生成3个氢键。,1953.4.25英国的自然杂志刊登了J.Watson(1928-).H.C.Crick(1916)在剑桥合作的成果DNA双螺旋结构的分子模型,这一成就被誉为是20世纪以来生物学方面最伟大的发现,是分子生物学诞生的标志。,James Watson&Francis rick,一、DNA的二级结构双螺旋结构模型 1.双螺旋结构的主要依据 2.结构要点 3.DNA结构的多样性,先分析结构图,碱基之间形成的氢键及互补配对,要点小结:,一、DNA的二级结构双螺旋结
8、构模型 1.双螺旋结构的主要依据 2.结构要点 3.DNA结构的多样性,DNA结构的多样性,右手双螺旋(B-DNA):生理条件下最稳定的结构A-DNA:右手双螺旋、螺旋直径2.6nm、螺距2.5nm,11个碱基/周Z-DNA:左手螺旋、螺旋直径1.8nm、螺距4.5nm、12碱基/周、核酸链骨架显Z字型走行。,不同类型的DNA结构,某些DNA 具有更复杂的螺旋结构,1.Hoogsteen碱基配对 形成三股螺旋DNA,H-DNA的结构,2 4条多聚鸟嘌呤核苷酸链形成四螺旋DNA,2 DNA的空间结构,一、DNA的二级结构双螺旋结构模型 二、DNA的三级结构,原核生物DNA的超螺旋结构 DNA在真
9、核生物细胞核内的组装,二、DNA的三级结构,DNA的超螺旋结构,超螺旋结构(superhelix 或supercoil)DNA双螺旋链再盘绕即形成超螺旋结构,环状DNA结构示意图,原核生物DNA的高级结构:在共价闭环双螺旋基础上进一步扭转盘曲,形成超螺旋(supercoil)体积进一步压缩.,知识点 7,意义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。,原核生物DNA的超螺旋结构 DNA在真核生物细胞核内的组装,二、DNA的三级结构,DNA在真核生物细胞核内的组装,真核生物染色体由DNA和蛋白质构成,其基本单位是核小体(nucleosome)。,核
10、小体的组成DNA:约200bp 组蛋白:H1 H2A,H2B H3 H4,知识点 8,组蛋白是小分子量的碱性蛋白质,组蛋白分子质量在11kD到21kD之间,组蛋白中富含精氨酸和赖氨酸。各种真核细胞都有5种组蛋白,但分子质量和氨基酸的顺序有些差异。在所有真核生物中H3,H4组蛋白氨基酸序列高度保守,提示功能是相同的。但是各种生物的H1、H2A、H2B的相似性很少。,核小体的折叠及染色体组装,逐级盘曲折叠,DNA在真核生物细胞核内的组装(动画),3 RNA的空间结构与分类,信使RNA(mRNA)转运RNA(tRNA)核蛋白体RNA(rRNA),RNA与DNA分子组成及结构差异,RNA与DNA分子组
11、成及结构差异,基本成分的差异。结构差异:单链、局部双螺旋、碱基不严格配对。种类较多。较多稀有碱基,知识点9,两类核酸的基本成分,RNA与DNA分子组成及结构差异,基本成分的差异。结构差异:单链、局部双螺旋、碱基不严格配对。,RNA的结构特点,RNA是单链分子,因此,在RNA分子中,并不遵守碱基种类的数量比例关系,即分子中的嘌呤碱基总数不一定等于嘧啶碱基的总数。RNA分子中,部分区域也能形成双螺旋结构,不能形成双螺旋的部分,则形成突环。这种结构可以形象地称为“发夹型”结构。,RNA的发夹结构(突环),RNA的结构特点,RNA是单链分子,因此,在RNA分子中,并不遵守碱基种类的数量比例关系,即分子
12、中的嘌呤碱基总数不一定等于嘧啶碱基的总数。RNA分子中,部分区域也能形成双螺旋结构,不能形成双螺旋的部分,则形成突环。这种结构可以形象地称为“发夹型”结构。,RNA的结构特点,在RNA的双螺旋结构中,碱基的配对情况不象DNA中严格。G 除了可以和C 配对外,也可以和U 配对。G-U 配对形成的氢键较弱。,RNA与DNA分子组成及结构差异,基本成分的差异。结构差异:单链、局部双螺旋、碱基配对种类较多较多稀有碱基,真核细胞内主要RNA的种类与功能,细胞核和胞液 线粒体 功能核蛋白体RNA rRNA mt rRNA 核蛋白体的组分信使RNA mRNA mt mRNA 蛋白质合成膜板转运RNA tRN
13、A mt tRNA 转运氨基酸不均一核RNA HnRNA mRNA的前体核内小RNA SnRNA 参与HnRNA的剪 接、转运核仁小RNA SnoRNA rRNA的加工,修饰小胞质RNA scRNA/7SL-RNA 蛋白质内质网定 位合成的信号识别体的组分,3 RNA的空间结构与分类,信使RNA(mRNA)转运RNA(tRNA)核蛋白体RNA(rRNA),RNA与DNA分子组成及结构差异,mRNA(信使RNA)Messenger RNA,约占总RNA的3%。不同细胞的mRNA的链长和分子量差异很大。半衰期最短,知识点 10,结构特点:原核生物的mRNA是多顺反子,真核生物的mRNA是单顺反子(
14、hnRNA mRNA)真核细胞mRNA的3-末端有一段长达200个核苷酸左右的聚腺苷酸(polyA),称为“尾结构”,5-末端有一个甲基化的鸟苷酸,称为“帽结构”。,真核生物 mRNA的结构,AAAA An,m7Gppp,AUG GUG,UAA,5,3,5 帽子结构 密码子 3 多聚A尾,5 非编码区 编码区 3 非编码区,:,帽子结构,动画,mRNA核内向胞质的转位mRNA的稳定性维系翻译起始的调控,帽子结构和多聚A尾的功能,结构特点:原核生物的mRNA是多顺反子,真核生物的mRNA是单顺反子(hnRNA mRNA)真核细胞mRNA的3-末端有一段长达200个核苷酸左右的聚腺苷酸(polyA
15、),称为“尾结构”,5-末端有一个甲基化的鸟苷酸,称为“帽结构”。它的功能是将DNA的遗传信息传递到蛋白质合成基地 核糖核蛋白体。,mRNA的功能 把DNA所携带的遗传信息,按碱基互补配对原则,抄录并传送至核糖体,用以决定其合成蛋白质的氨基酸排列顺序。,原核细胞,细胞质,细胞核,DNA,内含子,外显子,转录,转录后剪接转运,mRNA,hnRNA,翻译,蛋白,知识点11,真核细胞,3 RNA的空间结构与分类,信使RNA(mRNA)转运RNA(tRNA)核蛋白体RNA(rRNA),RNA与DNA分子组成及结构差异,tRNA(转移RNA)Transfer RNA,约占总RNA的10-15%。是细胞里
16、分子量较小的一类核酸,链长一般在70-90个核苷酸之间。含有较多的稀有碱基和稀有核苷,DHU、T、mG和 mA、次黄嘌呤等。,知识点 12,N,N二甲基鸟嘌呤,N6-异戊烯腺嘌呤,双氢尿嘧啶,4-巯尿嘧啶,稀有碱基,tRNA(转移RNA)Transfer RNA,它们的3,末端都是CCA-OH序列,已知每一个氨基酸至少有一个相应的tRNA。它们的二级结构总是三叶草型,三级结构是到“L”型。,知识点 13,tRNA的二级结构都呈”三叶草”形状,在结构上具有某些共同之处,一般可将其分为五臂四环:包括氨基酸接受区、反密码区、二氢尿嘧啶区、TC区和可变区。,在三叶草型二级结构的基础上,突环上未配对的碱
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