《核酸的结构和功能》PPT课件.ppt

第 二 章 核酸的结构和功能,Structure and Function of Nucleic Acid,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。,一、核酸的发现和研究工作进展,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 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,1916 -,1928 -,1916 -,University of London London, Great Britain,Harvard University Cambridge, MA, USA,Institute of Molecular Biology Cambridge, Great Britain,Great Britain,USA,Great Britain,Maurice Hugh Frederick Wilkins,James Dewey Watson,Francis Harry Compton Crick,“for their discoveries concerning the molecular structure of nucleic acids and its significance for information transfer in living material“,The Nobel Prize in Physiology or Medicine 1962,The Nobel Prize in Physiology or Medicine 1965,“for their discoveries concerning genetic control of enzyme and virus synthesis“,1910 - 1976,1902 - 1994,1920 -,Institut Pasteur Paris, France,Institut Pasteur Paris, France,Institut Pasteur Paris, France,France,France,France,Jacques Monod,Andre Michellwoff,Francois Jacob,1927 -,1922 -,1922 - 1993,National Institutes of Health Bethesda, MD, USA,University of Wisconsin Madison, WI, USA,Cornell University Ithaca, NY, USA,USA,USA,USA,Marshall W. Nirenberg,Har Gobind Khorana,Robert W. Holley,The Nobel Prize in Physiology or Medicine 1968,“for their interpretation of the genetic code and its function in protein synthesis“,二、核酸的分类及分布,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,核酸的化学组成,1. 元素组成 C、H、O、N、P（910%）,核苷酸 -核酸的组成单 位,嘌呤(purine),腺嘌呤(adenine, A),鸟嘌呤(guanine, G),碱 基,9,嘧啶(pyrimidine),胞嘧啶(cytosine, C),尿嘧啶(uracil, U),胸腺嘧啶(thymine, T),1,戊 糖,核苷：AR, GR, UR, CR 脱氧核苷：dAR, dGR, dTR, dCR,一.核苷酸的结构,核苷酸： AMP, GMP, UMP, CMP 脱氧核苷酸： dAMP, dGMP, dTMP, dCMP,嘌呤核苷酸 根据碱基分类 嘧啶核苷酸 核苷一磷酸（NMP） 根据所含磷酸基分类 核苷二磷酸（NDP） 核苷三磷酸（NTP） 核糖核苷酸 根据核糖分类 dNMP 脱氧核糖核苷酸 dNDP dNTP,3、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,AMP,ADP,ATP,cAMP,C,G,A,二、核酸的一级结构,定义 核酸中核苷酸的排列顺序。（碱基序列）。,DNA的一级结构： 由dAMP、dGMP、dCMP、dTMP四种脱氧核苷一磷酸按照一定的排列顺序，通过3-5磷酸二酯键连接形成的多聚脱氧核苷酸链结构。核苷酸序列(碱基序列)。 DNA一般由两条核苷酸链组成。 RNA的一级结构： 由AMP、GMP、CMP、UMP四种核苷一磷酸按照一定排列顺序通过3-5磷酸二酯键连接形成的多聚核苷酸链结构。 RNA一般为单链。,书写方法,5 pApCpTpGpCpT-OH 3,5 A C T G C T 3,目 录,第二节 DNA的空间结构与功能Dimensional Structure and Function of DNA,一、 DNA的二级结构 双螺旋结构,（一）DNA双螺旋结构的研究背景,碱基组成分析 Chargaff 规则：A = T G C 嘌呤碱 = 嘧啶碱,碱基的理化数据分析 A-T、G-C以氢键配对较合理,DNA纤维的X-线衍射图谱分析,目 录,Franklin, Rosalind Elsie (1920-58), British biophysicist. Born in London, she was educated in physical chemistry at Newnham College, Cambridge. Franklin conducted X-ray diffraction studies on the structure of the DNA molecule, the carrier of hereditary information, while working in the laboratory of British biophysicist Maurice Wilkins. This work enabled American biochemist James Dewey Watson and the British Francis Crick to determine the helical structure of the DNA molecule.,James Watson (left) and Francis Crick,（二） DNA双螺旋结构模型要点 （Watson, Crick, 1953）,两条脱氧核苷酸链，反向平行，右手螺旋。磷酸-脱氧核糖骨架在外侧，螺旋直径为2nm。大沟(major groove)小沟(minor groove) 。,目 录,（二） DNA双螺旋结构模型要点 （Watson, Crick, 1953）,两链间碱基通过氢键配对（A=T; GC）；碱基对垂直螺旋轴居双螺旋内側。 螺距3.4nm，10bp/圈,目 录,碱基互补配对,T,A,G,C,（二） DNA双螺旋结构模型要点 （Watson, Crick, 1953）,氢键维持双链横向稳定性，碱基堆积力维持双链纵向稳定性。,目 录,（三）DNA双螺旋结构的多样性,目 录,DNA的类型 类型 结晶状态 螺距 碱基距离 每圈 旋转 (nm) (nm) bp数 方向 A 相对湿度75% 2.8 0.256 11 右手 DNA钠盐 B 相对湿度92% 3.4 0.34 10 右手 DNA钠盐 C 相对湿度66% 3.1 0.332 9.3 右手 DNA锂盐 Z d(GCGCGC) 4.44 0.37 12 左手,二、DNA的超螺旋结构及其在染色质中的组装,（一）DNA的超螺旋结构,超螺旋结构(superhelix) 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,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。,（二）原核生物DNA的高级结构,环状双链DNA,超螺旋DNA,（三）DNA在真核生物细胞核内的组装,双螺旋DNA（145bp）,组蛋白八聚体 （H2A、H2B、H3、H4各2）,核心颗粒,H1+连接DNA （61bp）,串珠样结构,30nm螺线管,300nm襻,染色体,压缩约10000倍！,压缩6倍,压缩40倍,染色质的基本单位 核小体(nucleosome)： 组成：,组蛋白八聚体： H2A，H2B H3 H4各2 双螺旋DNA：,H1组蛋白 双螺旋DNA,核心颗粒（核小体）,连接区,串珠样结构,三、DNA的功能,DNA的基本功能是以基因的形式储存遗传信息，并作为基因复制和转录的模板。它是生命遗传的物质基础，也是个体生命活动的信息基础。,基因从结构上定义，是指DNA分子中的特定区段，其中的核苷酸排列顺序决定了基因的功能。,第三节 RNA的结构与功能,Structure and Function of RNA,RNA的种类、分布、功能,一 、信使RNA的结构与功能,目 录,1. mRNA的结构特点,(1) 5末端帽子结构：m7GpppN (2) 3末端有多聚腺苷酸(polyA) (3) 非编码区，编码区，密码子， 开放阅读框,真核mRNA,帽子结构,帽子结构结合帽结合蛋白(cap binding proteins, CBPs)； polyA尾结合polyA结合蛋白（polyA-binding proteinPABP） 功能：mRNA出核转运、 翻译起始的调控、 维系mRNA的稳定性,2.帽子结构和多聚A尾的功能,3. mRNA的功能 抄录DNA的遗传信息， 密码子指导核蛋白体合成蛋白质的氨基酸排列顺序。, tRNA的命名：tRNAgly； tRNAimet； 1、 tRNA的一级结构特点 含 1020% 稀有碱基， 3末端为 -CCA-OH 5末端大多数为G,二、转运RNA的结构与功能,N,N二甲基鸟嘌呤,双氢尿嘧啶,稀有碱基（核苷）,2、二级结构特点：三叶草形 TC环：保守序列CTCGAA 可变环：75%仅有3-7b 四环 D环：含有两个DHU,8-12b 反密码环：7b组成，反密码子， 四茎：氨基酸接受茎； TC环、D环、反密码环分别对应 一个茎。,3、 tRNA的三级结构 倒L形,4、 tRNA的功能：结合活化氨基酸（ 3-CCA-OH ），搬运氨基酸到核糖体；识别mRNA密码子。参与蛋白质的翻译。,* rRNA的结构,三、核蛋白体RNA的结构与功能,* rRNA的功能 参与组成核蛋白体，作为蛋白质生物合成的场所。,* rRNA的种类（根据沉降系数）,真核生物 5S rRNA 28S rRNA 5.8S rRNA 18S rRNA,原核生物 5S rRNA 23S rRNA 16S rRNA,核蛋白体的组成,四 、其他小分子RNA及RNA组学,除上述三种RNA外的其他种类的小分子RNA，统称为非mRNA小RNA(small non-messenger RNAs, snmRNAs)。,1、snmRNAs,核内小RNA（snRNA） 核仁小RNA （snoRNA） snmRNAs 胞质小RNA （scRNA） 催化性小RNA（即ribozyme） 小片段干涉 RNA （siRNA）,snmRNAs的功能 参与hnRNA和rRNA的加工和转运。,RNA组学研究细胞中snmRNAs的种类、结构和功能。同一生物体内不同种类的细胞、同一细胞在不同时间、不同状态下snmRNAs的表达具有时间和空间特异性。,RNA组学：,核 酸 的 理 化 性 质 The Physical and Chemical Characters of Nucleic Acid,第 四 节,目 录,一、核酸的一般性质 酸性pH4时为多阴离子。核酸盐。 pH411DNA稳定。 粘度：双螺旋DNA粘度极大，变性DNA粘度减小。RNA粘度较小。 溶解度：微溶于水，不溶于乙醇等有机溶剂。 DNA是线性高分子，在机械力作用下易发生断裂。 不同构象的DNA沉降速率差异大 紫外吸收：波长260nm有最大吸收峰； OD260：波长260nm的光密度值（A260）,目 录,腺嘌呤,OD260的应用： 1. DNA或RNA的定量 OD260=1.0相当于 50g/ml双链DNA 40g/ml单链DNA（或RNA） 20g/ml寡核苷酸 2.判断核酸样品的纯度 DNA纯品: OD260/OD280 = 1.8 RNA纯品: OD260/OD280 = 2.0,二、DNA的变性(denaturation) 1、 DNA的变性：在某些理化因素作用下，DNA双链解开成两条单链的过程。 方法：过量酸，碱；加热；变性试剂如尿素、酰胺；有机溶剂如乙醇、丙酮等。 变性后其它理化性质变化： OD260增高 粘度下降 比旋度下降 浮力密度升高 酸碱滴定曲线改变 生物活性丧失,DNA变性的本质是双链间氢键的断裂,例：变性引起紫外吸收值的改变,DNA的紫外吸收光谱,增色效应：DNA变性时其溶液OD260增高的现象。,目 录,2、热变性,解链曲线：连续加热DNA，以温度对A260作图，所得的曲线称为解链曲线。,目 录,Tm：DNA变性时，OD260达到最大值的50%时的温度称为DNA的解链温度或融解温度(Tm)。其大小与G+C含量成正比。,目 录,三、DNA的复性与分子杂交,1、DNA复性(renaturation)的定义 在适当条件下，变性DNA的两条互补链可恢复天然的双螺旋构象，这一现象称为复性。,热变性的DNA经缓慢冷却后即可