核酸的结构与功能1临床3班ppt课件

1 核酸的结构和功能 Structure and Function of Nucleic AcidStructure and Function of Nucleic Acid 第第 二二 章章 生物化学与分子生物学教研室 江 渝 Tel:752942(O); E-mail: 2014-09-15 2 Review: 蛋白质结构与功能的关系 l变构效应、协同效应 l蛋白质的理化性质 两性电离 胶体性质 变性和复性 紫外吸收 呈色反应 3 蛋白质的分离、纯化与结构分析 透析(dialysis) 盐析(salt precipitation) 免疫沉淀法 电泳(electrophoresis) 。 （1）SDS-聚丙烯酰胺凝胶电泳（2）二维电泳 层析(chromatography) 超速离心法 反向遗传学方法分析多肽链中氨基酸序列 4 本章（4学时）内容: l核酸的组成与一级结构 lDNA的空间结构与功能 lRNA的分类、结构特点和功能 l核酸的理化性质 l核酸酶和核酶的概念 2学时 2学时 5 教学目的： 掌握核酸的组成、结构、功能 及理化性质 教学重点： DNA的双螺旋结构 教学难点： 分子杂交技术的原理 6 核 酸(nucleic acid) 是以核苷酸为基本组成单位、以磷酸 二酯键为连接方式的生物大分子，携带和 传递遗传信息。 NNu uc cl le ei ic c A Ac ci id d 核苷酸磷酸 二酯键 7 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(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。 基因的化学本质一段有功能的 DNA序列 8 1944年， O. Avery： 试管里进行了转化实验 只需要将从S型菌株中提取的一种抽提液加入 到R型菌株，就能使R型菌株转化为S型菌株。 1）用蛋白酶处理这种抽提液 它仍然有 活性，因此不是蛋白质 2）用核糖核酸酶处理这种抽提液 它仍 然有活性，因此不是RNA 3）用脱氧核糖核酸酶处理这种抽提液 它不再有活性，因此应该是DNA 能使能使R R型菌株转化为型菌株转化为S S型菌株的物质型菌株的物质 的本质是的本质是DNADNA（脱氧核糖核酸）（脱氧核糖核酸） 9 中心法则中心法则（Central DogmaCentral Dogma） 10 中心法则中心法则（Central DogmaCentral Dogma） 基 因 表 达 基因 (调控) 转录转录 翻译翻译 rRNA, tRNA 11 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 12 核酸 （ RNA和DNA） 核苷酸 核苷和脱氧核苷磷酸 戊糖碱基 一、核苷酸是构成核酸的基本组成单位 13 2.元素组成 C、H、O、N、P（910%） 1.分子组成 碱基(base)：嘌呤碱，嘧啶碱 戊糖(ribose)：核糖，脱氧核糖 磷酸(phosphate) n核酸的结构 14 1）碱 基 碱基(base)是含氮的杂环化合物。 碱基 嘌呤 嘧啶 腺嘌呤 鸟嘌呤 尿嘧啶 胸腺嘧啶 胞嘧啶 存在于DNA和RNA中 仅存在于RNA中 仅存在于DNA中 15 嘌呤(purine) 腺嘌呤(adenine, A) 鸟嘌呤(guanine, G) 1）碱 基 共轭双键 16 1）碱 基 嘧啶(pyrimidine) 胞嘧啶(cytosine, C) 尿嘧啶(uracil, U) 胸腺嘧啶(thymine, T) 共轭双键 17 碱基互补配对 T T（U U） A A GG C C 18 2）戊 糖 （构成RNA） 1 23 4 5 核糖(ribose) （构成DNA） 脱氧核糖(deoxyribose) H 19 核苷：AR, GR, UR, CR 脱氧核苷：dAR, dGR, dTR, dCR n 核苷(ribonucleoside)的形成 碱基和核糖（脱氧核糖）通过糖 苷键连接形成核苷（脱氧核苷）。 脱氧胞苷脱氧胞苷 20 核苷酸： AMP, GMP, UMP, CMP 脱氧核苷酸： dAMP, dGMP, dTMP, dCMP n 核苷酸(ribonucleotide)的形成 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）。 酯键 21 A A 腺苷腺苷 碱基碱基 戊糖戊糖 核苷核苷 P P 一磷酸一磷酸（AMPAMP） P P 腺苷腺苷二磷酸二磷酸（ADPADP） P P 腺苷腺苷三磷酸三磷酸（ATPATP） O O 磷磷 酸酸 核苷酸核苷酸 腺嘌呤核苷腺嘌呤核苷 u多磷酸核苷酸 22 两类两类 核酸在分子组成上的异同点核酸在分子组成上的异同点 RNARNADNADNA 磷磷 酸酸磷磷 酸酸 戊戊 糖糖 碱碱 基基 嘌嘌 呤呤 嘧嘧 啶啶 A GA G C C RNARNA 核核 糖糖 DNADNA 脱氧核糖脱氧核糖 U U T T 23 NDPNDP NTPNTP NMPNMP dNDPdNDP dNTPdNTP dNMPdNMP RNA A U C GA U C G U U U U UDPUDP CTPCTP AMPAMP DNA A T C GA T C G T T T T dADPdADP dTTPdTTP dGMPdGMP 核苷酸的命名及其符号 dCTPdCTP GMPGMP NADP+NAD+ n 体内重要的游离核苷酸及其衍生物 l含核苷酸的生物活性物质： NAD+、NADP+、CoA-SH、FAD 等都含有核苷酸 l 环化核苷酸: cAMP，cGMP，细胞信号转导中的第二信使。 25 cAMPcAMP 26 5端 3端 n 核苷酸的连接 核苷酸之间以 磷酸二酯键连接形 成多核苷酸链多核苷酸链，即 核酸。 方向：53 C G A 思考：如果3位也脱氧？ C 27 二、核酸的一级结构 定义 核酸中核苷酸从5 5末末 端到端到3 3末端末端的排列顺序。 由于核苷酸间的差异 主要是碱基不同，所以也 称为碱基序列碱基序列。 G A C 28 l多核苷酸链中戊糖和磷酸基团构成其 骨架结构 l核苷酸之间以磷酸二酯键连接 l遗传信息储存在碱基的序列中 l核酸分子的大小常用碱基（对）数（ base or base pair，bp）或千碱基（对 ）数（kilobase, kb, kilobase pair, or kbp）来表示。 l小的核酸片段(50bp)常被称为寡核苷 酸(oligonucleotide)。自然界中的DNA 和RNA的长度可以高达几十万个碱基 。 二、核酸的一级结构 与蛋白质大分子的构建比较? 29 A G P5 P T P G P C P T P OH 3 书写方法 5 pApCpTpGpCpT-OH 3 5 A C T G C T 3 二、核酸的一级结构 书写规则：书写规则： 从从5末端到末端到3末端末端 30 小 结 1.核酸的化学组成 元素组成 分子组成 DNA与RNA区别 2.核酸的一级结构 31 第二节 DNA的空间结构与功能 spatial Structure and Function of DNA 32 DNA的空间结构又分为二级结构 (secondary structure)和高级结构。 nDNA的空间结构(spatial structure) 构成DNA的所有原子在三维空间 具有的确定的相对位置关系。 33 lDNA的二级结构-双螺旋结构 lDNA双螺旋结构模型要点 lDNA的超螺旋结构及其在染色质中的组装 lDNA的超螺旋结构 l原核生物DNA的高级结构 lDNA在真核生物细胞核内的组装 lDNA的功能 34 一、 DNA的二级结构 双螺旋结构（double helix） l不同生物种属的DNA的碱基组成不同 lA = T，G = C l同一个体的不同器官或组织的DNA碱 基组成相同。 （一）DNA双螺旋结构的研究背景 碱基组成分析Chargaff 规则： DNA纤维的X-线衍射图谱分析 Erwin Chargaff 1905-2002 AGCTA/TG/CG+C 嘌呤/嘧啶 大肠杆菌26.024.990.9950.11.04 结核杆菌15.134.935.414.61.030.9970.31.00 酵母31.718.317.432.60.971.0535.71.00 牛29.01.011.0042.41.01 猪29.820.720.729.11.021.0041.41.01 人30.419.919.930.11.011.0039.81.01 n不同生物来源DNA碱基组分和相对比例 碱基的理化数据分析 A-T、G-C以氢键配对较合理 （一）DNA双螺旋结构的研究背景 J.Watson J.Watson and F.Crick 标志了生物化学发展进入分子生物学时代标志了生物化学发展进入分子生物学时代 （二） DNA双螺旋结构模型要点（Watson, Crick, 1953） 1. DNA是反向平行、右手 螺旋的双链结构 螺旋直径为2.37nm，螺旋一 圈螺距3.54nm 两链以脱氧核糖-磷酸为骨 架，位于外侧，疏水碱基位 于内側 大沟(major groove)及小沟 (minor groove)相间。 2.37nm 3.54nm 39 2.DNA双链之间形成了互补 碱基对 与对侧碱基以氢键互补配对 ：A=T; GC 碱基对平面与螺旋轴垂直 相邻碱基平面距离0.34nm， 一圈10.5对碱基。 （二） DNA双螺旋结构模型要点（Watson, Crick, 1953） 2.37nm 3.54nm 40 3.疏水作用力和氢键共同 维持DNA双螺旋结构的稳 定 碱基堆积力维持双链纵向稳 定性，氢键维持双链横向稳 定性。 （二） DNA双螺旋结构模型要点（Watson, Crick, 1953） 2.37nm 3.54nm 41 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。 n骨架与碱基 42 （三）DNA双螺旋结构的多样性 湿度 75% 92% 左手螺旋 43 （四）DNA的多链螺旋结构 Note: This Figure shows Triple stranded DNA n三链结构 n四链结构 Hoogsteen氢键 44 二、DNA的高级结构是超螺旋结构 超螺旋结构(superhelix 或supercoil) DNA双螺旋链再盘绕即形成超螺旋结构。 正超螺旋(positive supercoil) 盘绕方向与DNA双螺旋方同相同 负超螺旋(negative supercoil) 盘绕方向与DNA双螺旋方向相反 45 意义 形成致密的结构组装在细胞核内。 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。 二、DNA的高级结构是超螺旋结构 46 （一）原核生物DNA的环状超螺旋结构 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。 47 （一）原核生物DNA的环状超螺旋结构 nDNA超螺旋结构的电镜图象 48 （二）DNA在真核生物细胞核内的组装 细胞分裂期核内的染色体细胞分裂间期核内松散的染色质 l 真核生物DNA以非常有序的形式存在于细胞核内。 l 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)。 49 （二）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)。 核小体的组成 DNA：约150bp 组蛋白：H1 H2A，H2B H3 H4 各两分子 50 （二）DNA在真核生物细胞核内的组装 51 （二）DNA在真核生物细胞核内的组装 52 DNA经过多次折叠，被压缩了800010000 倍，组装在直径只有为数微米的细胞核内。 53 细胞核细胞核 染色质染色质 Total DNATotal DNA 单个的基因单个的基因 三、 DNA是遗传信息的 物质基础 54 三、 DNA是遗传信息的物质基础 55 DNADNA的基本功能是以的基本功能是以基因基因的形式的形式 荷载遗传信息，并作为基因复制和转荷载遗传信息，并作为基因复制和转 录的模板。录的模板。 基因从结构上定义，是指DNA分子中的