核酸的结构与功能1.ppt

第二章 核酸的结构与功能,本章内容提要 第一节 核酸的分子组成 第二节 DNA的结构与功能 第三节 RNA的结构与功能 第四节 核酸的理化性质,概述：核酸(nucleic acid)是细胞中最重要的生物大分子，一切生物都含有核酸，核酸是遗传的物质基础。天然存在的核酸有两种：脱氧核糖核酸(deoxyribonucleic acid，DNA)和核糖核酸(ribonucleic acid，RNA)。 DNA主要分布在细胞胞核内，功能是储存遗传信息，指导RNA合成。 RNA主要分布在细胞质中，功能是参与遗传信息的表达，指导蛋白质的生物合成。 研究历史：早在1868年，瑞士医生F. Miescher从细胞核中分离得到一种酸性物质，即现在被称为核酸的物质。1939年，E. Knapp等第一次用实验方法证实核酸是生命遗传的基础物质。,第一节 核酸的分子组成 核酸的元素组成有：C、H、O、N、P（9-10%）。 用核酸酶将核酸分解得到其基本结构单位-核苷酸，核苷酸在经完全水解后，产物为碱基、戊糖和磷酸。,一、戊糖 构成核酸的戊糖有两种，即核糖和脱氧核糖，其中构成DNA的为脱氧核糖（全称为-D-2-脱氧核糖），构成RNA的为核糖（全称为-D-核糖）。,二、碱基：构成核酸的碱基(base)有两类：嘌呤碱(purine)和嘧啶碱(pyrimidine)。嘌呤碱包括腺嘌呤(adenine，A)、鸟嘌呤(guanine，G)。嘧啶碱包括胞嘧啶(cytosine，C)、尿嘧啶(uracil，U)和胸腺嘧啶(thymine，T)。其中在DNA中有腺嘌呤(A)、鸟嘌呤(G)。胞嘧啶(C)、胸腺嘧啶(T)。RNA中有腺嘌呤(A)、鸟嘌呤(G)。胞嘧啶(C)，尿嘧啶(uracil，U)。,碱基的一些性质： 1、受介质pH的影响，构成核酸的五种碱基中的酮基或氨基可以与相邻杂环N原子间形成酮式或烯醇式的以及氨基或亚氨基的互变异构体。,2、紫外吸收性质：嘌呤碱和嘧啶碱分子中都含有共轭双键体系，在紫外区（260 nm左右）有特征的吸收峰，利用此性质可广泛用于核酸的定性及定量测定。,3、稀有碱基：核酸中还存在有少量稀有碱基，都是上述5种碱基发生共价修饰的产物。,三、核苷、核苷酸与多核苷酸 1、核苷：碱基与戊糖通过糖苷键连成核苷。连接方式是嘌呤环上的N-9或嘧啶环上的N-1与糖的C-1以糖苷键相连。,2、核苷酸：核苷分子中戊糖上的羟基与磷酸结合形成单核苷酸。核苷酸是核苷的磷酸酯。有2-核苷酸，3-核苷酸，5-核苷酸等几种，生物体内多为5-核苷酸。,5-核苷酸可以分别含13个磷酸基团，分别称核苷一磷酸，核苷二磷酸，核苷三磷酸。,A U C G,U,U,UDP,CTP,举例：AMP,A T C G,T,T,dADP,dTTP,dGMP,核苷酸的命名及其符号,磷酸（脱氧） 苷,碱基及其相应的核苷、核苷酸 碱基 核苷 核苷一磷酸 核苷二磷酸 核苷三磷酸 腺嘌呤 A 腺苷 AMP ADP ATP RNA 鸟嘌呤 G 鸟苷 GMP GDP GTP 胞嘧啶 C 胞苷 CMP CDP CTP 尿嘧啶 U 尿苷 UMP UDP UTP 腺嘌呤 A 脱氧腺苷 dAMP dADP dATP DNA 鸟嘌呤 G 脱氧鸟苷 dGMP dGDP dGTP 胞嘧啶 C 脱氧胞苷 dCMP dCDP dCTP 胸腺嘧啶T 脱氧胸苷 dTMP dTDP dTTP,两类核酸在分子组成上的异同点,RNA,DNA,组 分,磷 酸,磷 酸,戊 糖,核 糖,脱氧核糖,碱 基,嘌 呤,嘧 啶,A G,U,C,T,核苷酸主要构成核酸，少量游离的核苷酸还构成参加各种物质代谢的调节物质和一些有特殊生物学功能的物质。如ATP是生物体内分布最广和最重要的一种核苷酸衍生物，起贮存及提供能量的作用，它的结构如下：,两种重要的环核苷酸： 3,5-环腺苷酸 （ cAMP）和3,5-环鸟苷酸 （cGMP），环化核苷酸参与调节细胞生理生化过程而控制生物的生长、分化和细胞对激素的效应。,第二节 DNA的结构与功能 一、核酸的一级结构 核酸的基本结构单位是核苷酸，核苷酸之间通过3，5-磷酸二酯键相连（一个核苷酸的C-3羟基和相邻的另一个核苷酸的C-5磷酸脱水形成酯键），多个核苷酸连接在一起形成多聚核苷酸链。由于在多聚核苷酸链的两端，其中一个核苷酸分子中的戊糖环的第3位碳原子(3)上的羟基是游离的，故把这一端称为3端(3 end)，而另一端的核苷酸分子中结合于戊糖环的第5位碳原子(5)上的磷酸上的羟基也是游离的，故把这一端称为5端(5 end)，以此表明核酸分子结构的方向性。,核酸一级结构：核酸中核苷酸的排列顺序，又称为核苷酸序列。脱氧核糖核苷酸之间以 磷酸二酯键 相连。 核酸的书写（注意 5与 3端）。,5PAPCPGPCPTPGPTPA 3 或5 ACGCTGTA 3,二、DNA的二级结构 （一）DNA的碱基组成 DNA中含有四种碱基：A、T、G、C；1950年左右，Chargaff分析了不同生物的DNA碱基组成，发现一个共同的规律，即DNA中，A与T的数目相等，G与C的数目相等，称之为Chargaff规律。 1953年，Watson和Crick根据DNA结晶的X-衍射图谱和分子模型，提出了著名的DNA双螺旋结构模型。,DNA双螺旋结构模型的主要论点： 1、DNA由两条脱氧核苷酸链构成，两条链反向平行（两条链走向分别为35和53） ，形成双螺旋结构。 2、在双螺旋结构中，碱基位于链内侧，戊糖、磷酸位于外侧。 3、双螺旋结构结构中，两条链的碱基之间通过H键互补配对，其中A与T配对（形成两个H键），C与G（形成三个H键）配对，这一规律称为“碱基配对”规律或“碱基互补”规律。 4、每一对碱基位于同一平面上，垂直于螺旋主轴，每一对相邻的碱基旋转36度，间距为0.34nm，10个碱基对上升一圈，间距为3 . 4nm，双螺旋直径为2nm。 5、碱基对之间的氢键是维持双螺旋稳定性的主要力量（横向）；碱基平面之间的碱基堆积力则维持双螺旋的纵向稳定性。另外磷酸基的负电荷与介质中的阳离子之间的离子键也有一定作用。 意义：提出了遗传信息的贮存方式、DNA的复制机理是DNA复制、转录和翻译的分子基础。,DNA双螺旋结构模型,A-T、G-C间的氢键形成,三、DNA的超螺旋结构 细胞中的DNA通常分子巨大，DNA在双螺旋分子基础上再次螺旋化生成紧密结构，其主要意义是有规律地压缩分子体积，减少所占空间。 1、原核生物的DNA多以共价封闭的环状双螺旋，环状双螺旋可形成负超螺旋结构，以较致密的形式存在于细胞中。,2、真核细胞的细胞核内，DNA非常致密，DNA压缩形成染色质的形式存在于细胞中，染色质的基本单位是核小体： （1）核小体：由DNA和组蛋白构成，组蛋白有五种（H1、H2A、H2B、H3） ，其中由H2A、H2B、H3、H4各两分子构成核心结构,DNA双链分子（146个bp）绕1.75圈，构成一个核小体，核小体之间有30个bp与H1相连。,（2）螺线管：形成串珠状的核小体呈螺旋状排列形成，直径为30nm。 （3）超螺线管： （4）染色体：DNA压缩了8400倍。,四、DNA的功能 1、DNA是遗传信息的载体，基因是DNA分子中贮存遗传信息的遗传单位，DNA中的遗传信息转录个RNA，再由RNA直到蛋白质的合成，此过程被称为遗传信息的表达。 2、DNA的双链结构中，每一条单链都含有与互补链相同的信息，都可作为复制的模板参与DNA的复制，使新合成的DNA子链中含有原来母链的一条单链，从而能使遗传信息稳定地传递。 3、DNA的双螺旋互补结构，为DNA损伤后的修复提供保障，假如一条链的碱基出现意外损伤而造成差错，可以另一条链作为修复模板，从而保证遗传的稳定性。 基因（gene）：DNA中的功能性片段。 基因组（genome）：一种生物体中的全部基因序列称为基因组。,第三节 RNA的结构与功能 RNA的结构特点： 1、RNA的碱基由A、G、C、U组成。其基本结构单位是核苷酸，各核苷酸间通过3，5-磷酸二酯键相连。 2、RNA分子通常较小，是单链分子，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。 3、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。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。不同类型的RNA, 其二级结构有明显的差异。 4、RNA中除了常见的碱基外，还存在一些稀有碱基，这类碱基大部分位于突环部分。,RNA的类型：RNA主要存在于细胞质中，大多在细胞核中合成。根据结构和功能的不同，RNA可分为： 1、核蛋白体RNA (rRNA)； 2、转运RNA (tRNA)； 3、信使RNA (mRNA)； 4、不均一核RNA (HnRNA)； 5、核小RNA (SnRNA) ； 6、染色质RNA (ChRNA),一、信使RNA(mRNA)的结构与功能 结构特点： 1、 5 -末端有一个甲基化的鸟苷酸，称为帽结构。与翻译与mRNA的稳定有关。 2、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(poly A)，称为尾结构。参与mRNA从细胞核到细胞质的转移，与mRNA的半寿期有关。 3、初级转录本含有内含子，经过一系列的加工、修饰及剪切、去除内含子为成熟的mRNA。 功能：mRNA是寿命最短的RNA，生物体各种mRNA链长短差别很大。mRNA的功能是指导蛋白质的生物合成。即把核内DNA的碱基顺序（遗传信息），按碱基互补配对原则，抄录并转送至细胞质的核糖体，用以决定蛋白质合成的氨基酸排列顺序。,二、转运RNA(tRNA)的结构与功能 1、结构： 7090个核苷酸组成，沉降系数为4S左右。分子中含有较多的修饰成分 一级结构：tRNA是细胞内分子最小的RNA，含有10%至20%的稀有碱基（DHU，mG、mA等）, 3末端为-CCA-OH。 二级结构：三叶草形 三级结构：倒L型 2、功能：携带各种氨基酸用于蛋白质的合成。,三、核糖体RNA(rRNA)的结构与功能 rRNA是细胞含量最多的RNA（80%）。大小不均一。 rRNA分子中存在大量氢键配对，存在螺旋区和环区组成的区域。 它与核糖体蛋白共同构成核糖体，作为蛋白质生物合成的场所。 真核细胞与原核细胞的核糖体成分上有差异： 小亚基 大亚基 真核细胞： 18SrRNA 5SrRNA 5.8SrRNA 28SRNA 原核细胞：16SrRNA 5SrRNA 23SrRNA,第四节 核酸的理化性质 一、核酸的一般理化性质 DNA是线性生物高分子，双螺旋结构使DNA分子具有一定刚性，但由于分子极为细长，其直径与长度比可达1：107，所以也具一定柔性。DNA的分子量多在1061010道尔顿之间；RNA的分子量多在104106道尔顿之间。 RNA和DNA都是极性化合物，都微溶于水，而不溶于乙醇、氯仿等有机溶剂。核酸是高分子物质，故其溶液粘度很大。极稀的DNA溶液也有极大粘度； RNA的粘度相对要小得多。粘度可作为DNA变性的指标。因为DNA变性时发生螺旋到线团的转变而粘度降低。 核酸 的紫外吸收：由于嘌呤碱和嘧啶碱分子中都含有共轭双键体系，在紫外区有吸收（260 nm左右）。 核酸酶：能催化核酸的水解，分核酸内切酶和核酸外切酶两种，有的核酸内切酶对切点要求严格，称限制性核酸内切酶。,二、 DNA的变性 1、 DNA的变性：指核酸双螺旋区的多聚核苷酸链间的氢键断裂，变成单链结构的过程。 核酸的变性并不涉及磷酸二酯键的断裂，所以它的一级结构(碱基顺序)保持不变。 变性核酸将失去其部分或全部的生物活性。 增色效应核酸变性后，其在260nm处的紫外吸收值将增加。DNA约增加2540%；RNA约增加1.1%。利用紫外吸收的变化，可以检测核酸变性的情况。 核酸变性的因素：温度升高、酸碱度改变、甲醛和尿素等的存在均可引起核酸的变性。 变性的结果：双螺旋转变成无规线团；增色效应；粘度；沉降速度；浮力密度。,DNA的变性,DNA的热变性 DNA的变性过程是突变性的，它在很窄的温度区间内完成。因此，通常将引起DNA变性的温度称为熔点（解链温度、熔解温度） Tm：解链温度，指使DNA分子50%解链时的温度。G和C的含量高， Tm值高。G+C)%=(Tm-69.3) 2.44,三、DNA的复性 DNA的复性变性DNA在适当的条件下，两条彼此分开的单链可以重新缔合成为双螺旋结构，这一过程称为复性。也称退火。 DNA复性后，一系列性质将得到恢复，但是生物活性一般只能得到部分的恢复。 DNA复性的程度、速率与复性过程的条件有关。 将热变性的DNA骤然冷却至