生物化学课件（杨洋）2-核酸结构与功能.ppt

1,第二章 核酸的结构与功能,Structure and Function of Nucleic Acid,2,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。,3,二. 核酸的种类、分布和功能,4,第二节 核酸的化学组成,一. 核酸的元素组成 C ,二. 核酸的基本结构单位核苷酸,RNA：8.5% 9%,DNA：9% 10%,P含量最稳定 9 10%,5,6,(一) 核苷酸中的碱基成分,嘌呤(purine)： 腺嘌呤（adenine, A） 鸟嘌呤（guanine, G） 嘧啶(pyrimidine)：胞嘧啶（cytosine, C） 胸腺嘧啶（thymine, T）(DNA) 尿嘧啶（uracil, U）(RNA),7,(二) 戊糖,O,8,H2O,H2O,碱基,磷酸,戊糖,糖苷键,磷脂键,（对DNA为H）,核苷酸,9,DNA中脱氧核糖核苷酸的排 列顺序，又称碱基序列,5 pA pG pC pT pA pT 3,5 A G C T A T 3,(1),(3),(2),DNA的基本单位： dAMP dGMP dCMP dTMP,5,3,书写方式,一级结构储存了大量的遗传信息,一. DNA的一级结构,10,1、螺旋中的两条链反向平行，即其中一条链的方向为53，而另一条链的方向为35，两条链共同围绕一个假想的中心轴呈右手双螺旋结构。亲水磷酸、戊糖为骨架，疏水碱基向内；,（二）DNA 双螺旋结构要点,11,2、互补双链，碱基之间氢键连接，AT,GC；每个碱基对处于同一平面，碱基平面垂直于中心轴； 由于几何形状的限制，碱基对只能由嘌呤和嘧啶配对，即A与T，G与C。这种配对关系，称为碱基互补。A和T之间形成两个氢键， G与C之间形成三个氢键。,12,3、双螺旋横截面的直径约为2.37nm，相邻两个碱基平面之间的距离（轴距）为0.354 nm，每10个核苷酸形成一个螺旋，其螺距（即螺旋旋转一圈）的高度）为3.54 nm。,13,4、由于碱基对排列的方向性，使得碱基对占据的空间是不对称的，因此，在双螺旋的表面形成大小两个凹槽，分别称为大沟（major groove)和小沟(minor groove),二者交替出现，是蛋白质DNA相互作用的基础 。,14,氢键维持 DNA 双链横向稳定性， 碱基堆积力维持双链纵向稳定性(主要）。,离子键 磷酸基团上的负电荷与介质中的阳离子之间形成离子键，减少双链间的静电排斥力。,5.稳定双螺旋结构的力,其中碱基堆集力是使DNA结构稳定的最主要因素,15,特点： 1、互补双链，反向平行；磷酸、脱氧 核糖为骨架， 碱基向内。 2、每个碱基对处于同一平面, 之间形成氢键, 维持结构稳定; A T, G C (氢键)； 3、右手螺旋， 10bp/螺旋， 直径2.37nm，螺距3.54nm； 4、 碱基平面垂直于中心轴, 疏水性堆积力维持纵向稳定; 5、大沟、小沟,DNA双螺旋模型结构 -DNA二级结构的最基本形式,16,（三） DNA的三级结构,DNA双螺旋进一步盘曲所形成的构象,线粒体DNA 细菌质粒DNA 病毒DNA,超螺旋,环形双螺旋,超螺旋,17,正超螺旋(positive supercoil)-右手超螺旋 盘绕方向与DNA双螺旋方同相同,负超螺旋(negative supercoil)-左手超螺旋 盘绕方向与DNA双螺旋方向相反,负超螺旋 环状DNA 正超螺旋,18,核小体是真核细胞染色体的基本结构单位。,核小体的组成 DNA：约200bp 组蛋白：H1 H2A，H2B H3 H4,19,核心颗粒 2 (H2AH2B H3 H4 )；DNA(146bp),真核生物核小体结构,基本结构单位: 核小体 由核心颗粒与连接区构成,组蛋白八聚体,负超螺旋结构,-H1, DNA片段,20,染色质纤维,11nm,11nm,300nm,21,人类46条染色体的DNA总长可达1.7m，经过螺旋化压缩，实际总长只有200nm。,22,第四节 RNA的分子结构,(一) RNA的结构特点（与DNA结构的不同点）,基本组成单位核糖核苷酸(NMP)： AMP、 GMP、CMP、UMP RNA分子量小，由几十个几千个核苷酸组成 主要为单链，但局部区域可因碱基互补而形成双链结构,一. 概述,23,(二) RNA分类及特点,24,1. RNA的一级结构,RNA分子中核糖核苷酸的排列顺序,核糖核苷酸的种类：A、G、C、U（A-U，G-C） 连接方式： 3，5磷酸二酯键,2. RNA的二级结构,“茎” “环”结构,3. RNA的三级结构 “假结”,（三） RNA的一般结构,25,二. 信使RNA（mRNA）的结构与功能,含量：最少，种类最多 结构特点：,前体：不均一核RNA （heterogeneous nuclear RNA, hnRNA),26,功能：合成蛋白质的模板（密码子）,5帽：m7Gppp（7-甲基鸟嘌呤核苷三磷酸） 加速蛋白质翻译的起始速度 3尾：多聚腺苷酸(polyA ) 80-250 A 增加mRNA稳定性 编码区：决定氨基酸的顺序，内含子和外显子 非编码区,27,真核细胞的 基因结构,hn RNA,成熟 mRNA,28,三. 转运RNA（tRNA）的结构与功能,结构特点： 1、含1020%的稀有碱基（DHU、假尿嘧啶、mG、mA）； 2、二级结构为三叶草形；三级结构为倒 “L” 形； 3、 3端为CCA-OH结构，与氨基酸相连。 4、种类较多，每种tRNA都可以携带与其对应的氨基酸,功能：转运氨基酸至蛋白质合成场所,CCA,DHU环,TC环,反密码环,5,额外环,29,氨基酸臂,TC环,反密码环,额外环,DHU环,(二氢脲嘧啶),(分类标志),(AA特异结合),tRNA三叶草型二级结构,30,三叶草型结构特点,（1）氨基酸臂：由7个碱基对组成，含G较多，3-CCA-OH 连接氨基酸； （2）双氢尿嘧啶环（DHU环）：由811个核苷酸组成；含 DHU (二氢脲嘧啶) ； （3）反密码环：由7个核苷酸组成，中间3个相邻的核苷酸 组成反密码子，与mRNA上密码子配对； （4）额外环（可变环）：由318个核苷酸组成，不同的 tRNA此环大小不等，是tRNA的分类标志； （5）TC环：由7个核苷酸组成，含胸苷、假尿苷、胞苷 可能与AA特异结合相关,31,反密码子环,反密码子,载运氨基酸,tRNA三叶草型二级结构特点,32,四. 核糖体RNA（rRNA）的结构与功能,21种,原核,真核,小亚基,rRNA 蛋白质,rRNA 蛋白质,大亚基,16 S,18 S,33种,5S，23S,5S，5.8S ， 28S,49种,34种,大 小,30 S,40 S,大 小,50 S,60 S,核糖体,大 小,70 S,80 S,rRNA+ 蛋白质 核糖体,核糖体的组成,核糖体的功能：蛋白质合成的场所,33,五. 其它小分子RNA (snmRNAs),核内小RNA （snRNA) 核仁小RNA (snoRNA) 胞质小RNA（scRNA) 催化性小RNA (small catalytic RNA) 小片段干扰RNA (siRNA),功能：参与hnRNA和rRNA的转运和加工,核酶 (ribozyme),某些RNA分子具有自我催化能力，可以完成 rRNA的剪接，称核酶。,1982，T.R.Cech，四膜虫rRNA加工,34,第五节 核酸的理化性质和应用,一、核酸的酸碱性质,核酸通常显酸性，在中性或偏碱性条件下带负电荷,电泳：由负极向正极泳动 沉淀：盐溶液中金属离子中和负电荷,二、核酸的高分子性质,粘度大 核酸发生变性或水解时，粘度变小 不同种类的核酸分子其分子量不同，形状不同 分离：电泳、凝胶过滤、超速离心,35,三、核酸的紫外吸收 核酸分子中的碱基都有共轭双键，具有紫外吸收性质 吸收峰在260nm,可用于核酸的定量,36,四、DNA的变性、复性与杂交,在某些理化因素作用下，DNA 分子互补碱基对之间氢键断裂， DNA双螺旋打开，变为单链。,概念,因素,加热、酸、碱、有机溶剂,理化性质改变,高色效应（A260增加） 粘度降低 比旋度下降,变性,（一）核酸变性,37,变性后其它理化性质变化：,粘度下降,DNA双螺旋是紧密的刚性结构，变性后转化成柔软而松散的无规则单股线性结构，因此粘度明显下降。,比旋度下降,变性后整个DNA分子的对称性及分子构型改变，使DNA溶液的旋光性发生变化。,OD260增高,增色效应(hyperchromic effect)：指DNA变性后其紫外吸收 明显增强的效应。,减色效应：DNA复性时，其溶液OD260降低。,38,在DNA双螺旋结构中碱基藏入内侧，变性时DNA双螺旋解开，于是碱基外露，碱基中电子的相互作用更有利于紫外吸收，故而 产生增色效应。,39,DNA变性的本质：维持双螺旋稳定性的氢键断裂，碱基间的堆积力遭到破坏，但不涉及到其一级结构(磷酸二酯键)的改变。,40,DNA的热变性,加热引起的DNA变性 DNA解链或溶解 解链温度（melting temperature, Tm） DNA加热变性时， A260为最大值的一半时的解链温度。 Tm = 69.3+0.41(%G+C) Tm = 4(G+C)+2(A+T) (20bp),A260,解链温度（oC）,Tm,41,影响Tm值的因素,1、G-C的相对含量,G+C的含量高，Tm高（因G- C之间有三个氢键， A-T有两个氢键，故G-C较A-T稳固）。,42,2、核酸分子长度,核酸分子越长，解链时所需能量越高，Tm值越大,3.与离子强度有关 溶液的离子强度较低时，Tm值较低，熔点范围也较宽，反之亦然。,43,（二） DNA的复性（退火，annealing）,变性DNA在适当条件下，两条互补链可重新恢复天然的 双螺旋结构，这一现象称复性。 热变性复性条件：缓慢降温,热变性,快速冷却,缓慢冷却,44,（三） 核酸分子杂交,不同的DNA单链分子或DNA、RNA分子放在一起，若二者序列完全互补或部分互补，则可形成杂合双链分子。,加热,复性,45,不同来源的核酸变性后合并在一起进行复性。只要这些核酸分子的核苷酸序列中含有可以形成碱基互补配对的序列，彼此之间即可形成局部双链，即所谓的杂化双链(heteroduplex)。这个过程叫杂交或核酸分子杂交。,核酸分子杂交(hybridization),是以核酸的变性和复性为基础的。,46,47,探针（probe)：采用同位素或其它发光物质标记一小段已知序列的核酸，通过杂交反应就可以确定待测序列中是否含有与其相同的序列。这段已知序列的核酸称为探针。 DNADNA(Southern Blotting ） DNARNA（Northern Blotting ） RNARNA,48,分子杂交和印迹技术的类别及应用,DNA印迹 (Southern Blotting) Southern EM,1975,RNA印迹 (Northern Blotting) Alwine JC，Kemp DJ和Stark GR,1977,蛋白质的印迹 (Western Blotting) Towbin H, Staehelin T和Gordon J,1979,用于克隆基因的酶切图谱、基因组中某一基因的定性及定量、基因突变、基因拷贝数及限制性片段长度多态性分析等。,用于RNA的定性定量分析。,用于蛋白质定性定量及相互作用研究。,49,Southern印迹法,DNA分子,限制片段,限制性酶切割,琼脂糖电泳,转移至硝酸纤维素膜上,与放射性标记DNA探针杂交,放射自显影