核酸的结构与功能.ppt

第3章核酸的结构与功能 StructureandFunctionofNucleicAcid 核酸 nucleicacid 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 核酸的分类及分布 存在于细胞核和线粒体 分布于细胞核 细胞质 线粒体 deoxyribonucleicacid DNA ribonucleicacid RNA 脱氧核糖核酸 核糖核酸 第1节核酸的化学组成及一级结构TheChemicalComponentandPrimaryStructureofNucleicAcid 核酸组成 一 核苷酸是构成核酸的基本组成单位 一 碱基 嘌呤 purine 2种 嘧啶 pyrimidine 3种 戊糖 核苷 脱氧核苷 三 核苷 ribonucleoside 碱基 种类及名称 核苷 嘌呤9位N 嘧啶1位N与糖1 C形成糖苷键 核糖 N N N N 9 N H 2 O O H O H H H H C H 2 O H H 1 2 糖苷键 四 核苷酸 ribonucleotide 结构举例 核苷 脱氧核苷 磷酸酯键 核苷酸的结构 磷酸 核苷或脱氧核苷与磷酸通过酯键结合构成核苷酸 ribonucleotide 或脱氧核苷酸 deoxyribonucleotide 核苷酸 ribonucleotide 多磷酸核苷酸 环化核苷酸 cAMP cGMP 是细胞信号转导中的第二信使 cAMP 核苷酸衍生物 C G A 定义核酸中核苷酸的排列顺序 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 二 核酸的一级结构是核苷酸的排列顺序 书写方法 5 pApCpTpGpCpT OH3 5 ACTGCT3 核酸分子大小表示法 碱基数目表示base kilobase 用于单链DNA或RNA碱基对数目basepair bp kilobasepair kbp 用于双链DNA或RNA小的核酸片断 小于50bp 称寡核苷酸 第2节DNA的空间结构与功能DimensionalStructureandFunctionofDNA DNA的空间结构又分为二级结构 secondarystructure 和高级结构 DNA的空间结构 spatialstructure 构成DNA的所有原子在三维空间具有确定的相对位置关系 一 DNA的二级结构是双螺旋结构 Chargaff规则的碱基组成分析 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 DNA双螺旋结构的研究背景 A T G C 不同生物种属的DNA的碱基组成不同同一个体的不同器官或组织的DNA碱基组成相同 A T G C Chargaff规则 一 DNA双螺旋结构的研究背景 获得了高质量的DNA分子的X射线衍射照片 提出了DNA分子双螺旋结构 doublehelix 模型 两条多聚核苷酸链在空间的走向呈反向平行 anti parallel 两条链围绕着同一个螺旋轴形成右手螺旋 right handed 的结构 双螺旋结构的直径为2 37nm 螺距为3 54nm 脱氧核糖和磷酸基团组成的亲水性骨架位于双螺旋结构的外侧 疏水的碱基位于内侧 双螺旋结构的表面形成了一个大沟 majorgroove 和一个小沟 minorgroove 二 DNA双螺旋结构模型要点 1 DNA是反向平行 右手螺旋的双链结构 结构要点 先分析结构图 要点小结 三 DNA双螺旋结构的多样性 两条多聚核苷酸链在空间的走向呈反向平行 anti parallel 两条链围绕着同一个螺旋轴形成右手螺旋 right handed 的结构 双螺旋结构的直径为2 37nm 螺距为3 54nm 脱氧核糖和磷酸基团组成的亲水性骨架位于双螺旋结构的外侧 疏水的碱基位于内侧 双螺旋结构的表面形成了一个大沟 majorgroove 和一个小沟 minorgroove 二 DNA双螺旋结构模型要点 两条多聚核苷酸链在空间的走向呈反向平行 anti parallel 两条链围绕着同一个螺旋轴形成右手螺旋 right handed 的结构 双螺旋结构的直径为2 37nm 螺距为3 54nm 脱氧核糖和磷酸基团组成的亲水性骨架位于双螺旋结构的外侧 疏水的碱基位于内侧 双螺旋结构的表面形成了一个大沟 majorgroove 和一个小沟 minorgroove 二 DNA双螺旋结构模型要点 DNA双链之间形成了互补碱基对 碱基配对关系称为互补碱基对 complementarybasepair DNA的两条链则互为互补链 complementarystrand 碱基对平面与螺旋轴垂直 碱基互补配对 鸟嘌呤 胞嘧啶 碱基互补配对 腺嘌呤 胸腺嘧啶 相邻两个碱基对会有重叠 产生了疏水性的碱基堆积力 basestackinginteraction 碱基堆积力和互补碱基对的氢键共同维系着DNA结构的稳定 三 DNA的超螺旋结构及其在染色体中的组装 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 positivesupercoil 盘绕方向与DNA双螺旋方同相同 负超螺旋 negativesupercoil 盘绕方向与DNA双螺旋方向相反 二 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 DNA超螺旋结构的电镜图象 三 真核生物DNA在核内的组装 真核生物DNA以非常有序的形式存在于细胞核内 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 DNA染色质呈现出的串珠样结构 染色质的基本单位是核小体 nucleosome DNA染色质的电镜图像 核小体 nucleosome 由DNA和蛋白质构成是真核生物染色体的基本单位 核小体的构成 核心颗粒 连接区 核心组蛋白 组蛋白八聚体H2A H2B H3 H4各2分子 DNA双螺旋分子 140bp 在核心组蛋白缠绕1 8圈 DNA 60bp 组蛋白H1 核小体结构图 核小体的折叠及染色体组装 逐级盘曲折叠 DNA的基本功能是以基因的形式荷载遗传信息 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 四 DNA的功能 第3节RNA的结构与功能 StructureandFunctionofRNA RNA与蛋白质共同负责基因的表达和表达过程的调控 RNA通常以单链的形式存在 但有复杂的局部二级结构或三级结构 RNA比DNA小的多 RNA的种类 大小和结构远比DNA表现出多样性 RNA的种类 分布 功能 信使RNA messengerRNA mRNA 是合成蛋白质的模板 不均一核RNA hnRNA 含有内含子 intron 和外显子 exon 外显子是氨基酸的编码序列 而内含子是非编码序列 hnRNA经过剪切后成为成熟的mRNA 一 信使RNA的结构与功能 内含子 intron mRNA成熟过程 外显子 exon 从AUG开始 每三个核苷酸为一组编码了一个氨基酸 称为三联体密码 codon 成熟的mRNA由氨基酸编码区和非编码区构成 5 末端的帽子 cap 结构和3 末端的多聚A尾 poly Atail 结构 成熟的真核生物mRNA 帽子结构 m7GpppNm 1 5 末端都以7 甲基鸟嘌呤 三磷酸核苷为起始结构 mRNA的帽结构可以与帽结合蛋白 capbindingprotein CBP 结合 真核生物的mRNA的3 末端转录后加上一段长短不一的多聚腺苷酸 2 3 末端有多聚腺苷酸尾巴结构 转运RNA transferRNA tRNA 在蛋白质合成过程中作为各种氨基酸的载体 将氨基酸转呈给mRNA 由74 95核苷酸组成 占细胞总RNA的15 具有很好的稳定性 二 转运RNA的结构与功能 1 tRNA中含有多种稀有碱基 tRNA具有局部的茎环 stem loop 结构或发卡 hairpin 结构 2 tRNA二级结构呈三叶草型 tRNA的二级结构 三叶草形 氨基酸臂DHU环反密码环T C环附加叉 3 tRNA的三级结构呈倒L型 核蛋白体RNA ribosomalRNA rRNA 是细胞内含量最多的RNA 80 rRNA与核蛋白体蛋白结合组成核蛋白体 ribosome 为蛋白质的合成提供场所 三 核糖体RNA的结构与功能 核蛋白体的组成 18SrRNA的二级结构 核酶 某些小RNA分子具有催化特定RNA降解的活性 这种具有催化作用的小RNA亦被称为核酶 ribozyme 或催化性RNA catalyticRNA 核酸的理化性质ThePhysicalandChemicalCharactersofNucleicAcid 第4节 核酸的酸碱及溶解度性质核酸为多元酸 具有较强的酸性 核酸的高分子性质粘度 DNA RNAdsDNA ssDNADNA是线性高分子 在机械作用力下容易断裂 一 核酸的一般理化性质 核酸在波长260nm处有强烈的吸收 是由碱基的共轭双键所决定的 这一特性常用作核酸的定性和定量分析 DNA或RNA的定量A260 1 0相当于50 g ml双链DNA dsDNA 40 g ml单链DNA ssDNAorRNA 20 g ml寡核苷酸确定样品中核酸的纯度纯DNA A260 A280 1 8纯RNA A260 A280 2 0 紫外吸收的应用 二 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 定义 DNA变性的本质是双链间氢键的断裂 协同性的DNA解链 高温或极端的pH DNA的变性 部分变性DNA的电镜图像 增色效应 hyperchromiceffect DNA变性时其溶液OD260增高的现象 DNA解链时的紫外吸收变化 DNA的解链曲线 连续加热DNA的过程中以温度相对于A260值作图 所得的曲线称为解链曲线 解链过程中 紫外吸光度的变化达到最大变化值的一半时所对应的温度 解链温度 meltingtemperature Tm G C含量越高 解链温度就越高 解链曲线的变化 三 DNA的复性与分子杂交 当变性条件缓慢地除去后 两条解离的互补链可重新配对 恢复原来的双螺旋结构 这一现象称为DNA复性 renaturation 减色效应 DNA复性时 其溶液OD260降低 热变性的DNA经缓慢冷却后即可复性 这一过程称为退火 annealing 不同种类的DNA单链分子或RNA分子放在同一溶液中 只要两种单链分子之间存在着一定程度的碱基配对关系 在适宜的条件可以在不同的分子间形成杂化双链 heteroduplex 这种杂化双链可以在不同的DNA与DNA之间形成 也可以在DNA和RNA分子间或者RNA与RNA分子间形成 这种现象称为核酸分子杂交 核酸分子杂交 hybridization 核酸分子杂交 研究DN