核酸的结构与功能.ppt

核酸的结构与功能 核酸的分类 DNA 一种类型 一种功能RNA 多种类型 多种功能编码RNA和非编码 NcRNA DNA和RNA的结构异同 各种RNA在真细菌 古细菌和真核生物体内的分布 核酸的一级结构 什么是一级结构 如何表示一级结构 如何确定一级结构 构成DNA和RNA核苷酸的结构和连接方式 DNA RNA的差别 为什么DNA含有T C自发脱氨基变成U修复酶能够识别这些突变 以用C取代这些U 如何区分正常的U和突变而来的U 使用T就很容易解决以上问题 DNA RNA的差别 为什么DNA2 脱氧 RNA不是 RNA临近的 OH使其更容易DNA缺乏2 OH更加稳定遗传物质必须更加稳定RNA需要的时候合成 不需要的时候需要迅速降解 RNA一级结构的测定 目前用来测定RNA一级结构的方法主要有 1 先使用逆转录酶将待测RNA逆转录成cDNA 然后再使用Sanger的末端终止法进行测定 2 用化学或 和酶学方法对放射性同位素标记的RNA进行部分消化后 再进行聚丙烯酰胺电泳分析 3 质谱法 DNA的二级结构 DNA的二级结构主要是各种形式的螺旋 特别是B 型双螺旋 此外还有A 型双螺旋 Z 型双螺旋 三链螺旋和四链螺旋等 HappyBirthday DoubleHelix MolecularStructureofNucleicAcids AStructureforDeoxyriboseNucleicAcid Nature April25 1953 volume171 737 738 Thenovelfeatureofthestructureisthemannerinwhichthetwochainsareheldtogetherbythepurineandpyrimidinebases The bases arejoinedtogetherinpairs asinglebasefromonechainbeinghydrogen bondedtoasinglebasefromtheotherchain sothatthetwoliesidebyside Oneofthepairmustbeapurineandtheotherapyrimidineforbondingtooccur Onlyspecificpairsofbasescanbondtogether Thesepairsare adenine purine withthymine pyrimidine andguanine purine withcytosine pyrimidine inotherwords ifanadenineformsonememberofapair oneitherchain thenontheseassumptionstheothermembermustbethymine similarlyforguanineandcytosine Thesequenceofbasesonasinglechaindoesnotappeartoberestrictedinanyway However ifonlyspecificpairsofbasescanbeformed itfollowsthatifthesequenceofbasesononechainisgiven thenthesequenceontheotherchainisautomaticallydetermined Ithasnotescapedournoticethatthespecificpairingwehavepostulatedimmediatelysuggestsapossiblecopyingmechanismforthegeneticmaterial Thestructureitselfsuggestedthateachstrandcouldseparateandactasatemplateforanewstrand thereforedoublingtheamountofDNA yetkeepingthegeneticinformation intheformoftheoriginalsequence intact 已步入古稀之年的Watson 左 和Crick 右 在讨论DNA双螺旋结构模型 B型双螺旋 DNA二级结构的主要形式为JamesWatson和FrancisCrick于1953年提出的B型双螺旋 其主要内容是 1 DNA由两条呈反平行的多聚核苷酸链组成 两条链相互缠绕形成右手双螺旋 2 组成右手双螺旋的两条链是互补的 它们通过特殊的碱基对结合在一起 碱基配对规则是一条链上的A总是与另一条链的T G总是和C以氢键配对 其中AT碱基对有二个氢键 GC碱基对有3个氢键 3 碱基对位于双螺旋的内部 并垂直于暴露在外的脱氧核糖磷酸骨架 碱基对之间通过疏水键和范德华力相互垛叠在一起 对双螺旋的稳定起一定的作用 4 双螺旋的表面含有明显的大沟和小沟 其宽度分别为2 2nm和1 2nm 5 双螺旋的其它常数包括相邻碱基对距离为0 34nm 并相差约36 螺旋的直经为2nm 每一转完整的螺旋含有10个碱基对 其高度为3 4nm AT和GC碱基对的配对性质 B 型DNA双螺旋结构的主要特征 DNA双螺旋结构的证据 1 X射线衍射数据 2 Chargaff规则 3 碱基的互变异构 DNA湿纤维的X射线衍射图 不同物种DNA的A T G C和A G的比率 DNA分子中不同碱基之间的可能配对 双螺旋稳定的因素 1 氢键氢键固然重要 但它们主要决定碱基配对的特异性 而对双螺旋稳定的贡献不是最重要的 对双螺旋稳定起决定性作用的是碱基的堆集力 2 碱基堆集力这是碱基对之间在垂直方向上的相互作用所产生的力 它包括疏水作用和范德华力 碱基间相互作用的强度与相邻碱基之间环重叠的面积成正比 总的趋势是嘌呤与嘌呤之间 嘌呤与嘧啶之间 嘧啶与嘧啶之间 另外碱基的甲基化能提高碱基的堆积力 3 阳离子或带正电荷的化合物对磷酸基团的中和 DNA双螺旋的ABZs 大沟 小沟 A型双螺旋 B型双螺旋和Z型双螺旋的比较 Z DNA 由AlexRich发现存在于DNA富含G C的区域G为顺式构象C保持反式 但整个胞苷酸 碱基和脱氧核糖 翻转180度结果是G C氢键在Z DNA中得以保持 DNA的非标准二级结构 细胞内的DNA在特殊的条件下还可能形成其它几种非标准的二级结构 这些特殊的条件包括 DNA受到某些蛋白质的作用 如组蛋白 DNA本身所具有的特殊基序 例如反向重复序列 回文结构 镜像重复 直接重复 高嘌呤序列 高嘧啶序列 富含A序列和富含G序列 1 弯曲 2 十字形 3 P DNA 4 三链螺旋与H DNA 5 四链螺旋与G 四联体 5 滑动错配DNA SMP DNA 十字形DNA的形成 P DNA与B DNA的比较 滑动错配DNA DNA的三级结构 超螺旋 如果通过某种手段使得DNA双螺旋每一圈的碱基对数目多于或少于10对 将导致DNA双螺旋缠绕过多或缠绕不足 如果这时的DNA两端被固定或者DNA本来是共价闭环的 的张力无法释放而自发地形成超螺旋结构 DNA超螺旋分为正超螺旋和负超螺旋 其中正超螺旋为左手超螺旋 由DNA双螺旋过度缠绕引起 负超螺旋为右手超螺旋 由DNA双螺旋缠绕不足引起 DNA复制过程中正超螺旋DNA的形成 从DNA双螺旋到染色体 电镜下的核小体结构 核小体结构模型 RNA的二级结构 RNA的二级结构主要取决于它的碱基组成 其二级结构的多样性可以和蛋白质相媲美 少数病毒RNA由两条互补的多聚核糖核苷酸链组成 它的二级结构为A型双螺旋 多数RNA仅由一条链组成 它们的二级结构主要是由链内碱基的互补性决定的 链内互补的碱基可以相互作用形成链内A型双螺旋 非互补的碱基则游离在双螺旋之外 形成各种二级结构 在RNA双螺旋内常常可以发现GU碱基对 RNA分子中的GU碱基对 RNA的三级结构 构成RNA的三级结构的主要元件有假节结构 吻式 发夹结构和发夹环突触结构 等三种形式 tRNA则可形成倒L型三级结构 tRNA tRNA分子只由一条链组成 含有73 94个核苷酸 其中有不少是修饰的核苷酸或修饰的碱基 3 端的最后三个核苷酸总是CCA 链内的大多数碱基通过氢键相连 但几乎所有的tRNA分子上不变的核苷酸都在三叶草结构上非氢键区域 构成tRNA二级结构的要素有 环 茎和臂 一个典型tRNA的二级结构像三叶草 含有四个环和四个茎 环由链内没有配对的碱基突出而成 茎则是链内互补的碱基之间配对形成的局部A 型双螺旋 臂则是紧靠着茎又不属于环的非配对核苷酸 tRNA三级结构形成的原因是D环上的碱基与不变碱基以及T C环上的碱基之间的发生的氢键作用 这些氢键将D臂和T C臂折叠到一起 并将三叶草二级结构弯曲成稳定的倒L型三级结构 参与三级结构形成的许多氢键并不是通常的AU和GC碱基对 RNA的倒L形三级结构 图12 31tRNA三级结构之中的氢键配对 tRNA三级结构之中的氢键配对 tRNA三级结构之中的氢键配对 rRNA 核糖体合成蛋白质所有的核糖体都含有大小两个亚基rRNA约占据核糖体的2 3高度的链内互补序列导致大量的碱基配对rRNA充当核糖体蛋白的支架大肠杆菌的23SrRNA是转肽酶 一级结构上相似性并不高 但它们的二级结构却惊人地相似 核糖体的整体构象由rRNA决定 核糖体蛋白质一般正好位于RNA螺旋之间 16SrRNA的二级结构 原核生物核糖体小亚基rRNA的三维结构 原核生物核糖体大亚基rRNA的三维结构 mRNA DNA的转录产物 蛋白质的翻译模板原核生物多为多顺反子真核生物多为单顺反子 5 端具有帽子 3 端具有多聚腺苷酸尾巴 出现在mRNA分子上最多的二级结构部件也是茎环结构 mRNA分子的二级结构 特别是两端的二级结构对于翻译有影响 而某些mRNA借助于末端特殊的二级结构对基因的表达进行调控 核酸的理化性质 紫外吸收酸碱解离变性复性和杂交 DNA的变性和复性 变性 核酸的变性是指核酸受到加热 极端的pH或离子强度的降低等因素或特殊的化学试剂的作用 其双螺旋区的氢键断裂 变成单链的过程 其中并不涉及共价键断裂 核酸在变性时 紫外吸收和浮力密度升高 粘度降低 生物活性 主要是RNA 降低和丧失 其中紫外吸收增加的现象称为增色效应 双链DNA热变性是在很窄的温度内发生的 与晶体在熔点时突然熔化的情形相似 因此DNA也具有 熔点 用Tm表示 Tm实际是DNA的双螺旋有一半发生热变性时相应的温度 DNA的Tm值受到DNA的均一性 G C含量 离子强度和特殊的化学试剂的影响 GC含量对DNATm的影响 DNA分子中的GC含量与DNATm之间的关系曲线 复性 核酸变性在一定条件下也是可逆的 当各种变性因素不复存在的时候 变性时解开的互补单链全部或部分恢复到天然双螺旋结构的现象称为复性 热变性DNA一般经缓慢冷却后即可复性 此过程被称为退火 伴随着DNA复性的是其浮力密度和紫外吸收的减少 粘度的增加和生物活性的恢复 其中紫外吸收减少的现象被称为减色