第二章核酸的结构和功能.ppt

第二章核酸的结构与功能 StructureandFunctionofNucleicAcid 作者 王英联系电话核酸 nucleicacid 以核苷酸为基本组成单位的生物大分子 它具有严密空间构象和重要生理功能 携带和传递遗传信息 1868年从脓细胞中提取核素 酸 1944年证实DNA是遗传物质 1953年Watson和Crick发现DNA的双螺旋结构 1968年发现遗传密码 1975年发现逆转录酶 1981年建立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 核酸研究重大发展简史 核酸 核糖核酸 m t r 存在于细胞核内 贮存和传递遗传信息 存在于细胞质中 参与蛋白质的合成 核酸的分类与分布 ribonucleicacid deoxyribonucleicacid 脱氧核糖核酸 第一节核酸的化学组成及其一级结构TheChemicalComponentandPrimaryStructureofNucleicAcid 核酸 核苷酸 核苷 磷酸 戊糖 碱基 嘌呤 嘧啶 核糖 脱氧核糖 一 组成核酸的基本单位 核苷酸 组成基本单位 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 核酸的化学组成 1 元素组成C H O N P 9 10 2 分子组成 嘌呤 purine Pu 腺嘌呤 adenine A 鸟嘌呤 guanine G 嘧啶 pyrimidine Py 胞嘧啶 cytosine C 尿嘧啶 uracil U 胸腺嘧啶 thymine T 戊糖 DNA和RNA的区别 嘌呤N 9或嘧啶N 1与核糖C 1 通过 N 糖苷键相连形成核苷 ribonucleoside 核苷 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 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 定义 核苷酸在核酸分子中的排列顺序 二 核酸的一级结构 3 5 磷酸二酯键 化学键 C G A 交替的磷酸基团和戊糖构成了DNA的骨架 DNA链的方向是5 3 书写方法 5 ACTGCT3 1 核酸分子的大小常用碱基数目 对 来表示 2 小的核酸片段 50bp 常被称为寡核苷酸 3 自然界中的DNA和RNA的长度可以高达几十万个碱基 称多核苷酸 链 第二节DNA的空间结构与功能DimensionalStructureandFunctionofDNA 一 DNA的二级结构 Watson Crick 1953 目录 2 37nm 3 54nm 10 5对碱基 碱基配对规则 A T G C 相邻碱基平面距0 34nm10 5对碱基一圈高度3 54nm 反向平行的双螺旋结构 右手 5 3 3 5 碱基互补配对 胞嘧啶 C 鸟嘌呤 G 碱基互补配对 胸腺嘧啶 T 腺嘌呤 A 上下两个相邻的碱基对会有重叠 产生了疏水性的碱基堆积力 疏水键 互补碱基对形成氢键 疏水键和氢键共同维系DNA双螺旋结构的稳定 DNA双螺旋结构的多样性 左手螺旋 常见的右手螺旋 降湿的右手螺旋 二 DNA的高级结构 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 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 一 原核生物DNA的环状超螺旋结构 原核生物DNA多为环状结构 以负超螺旋的形式存在 平均每200对碱基就形成一个超螺旋 二 真核生物DNA的超螺旋结构 高度有序和高度致密的结构 1 真核生物DNA以非常有序的形式存在于细胞核内 2 在细胞周期的大部分时间里 DNA以松散的染色质形式存在 在细胞分裂期则形成高度致密的染色体 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 DNA 约200bp 150 60 组蛋白 H1H2A H2BH3H4 核小体的组成 60bp 150bp1 75圈 八聚体 真核生物的染色体 1 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 2 基因 DNA分子中特定功能的区段 三 DNA的基本生理功能 第三节RNA的结构与功能 StructureandFunctionofRNA 1 RNA与蛋白质共同负责基因的表达和表达过程的调控 2 RNA通常以单链的形式存在 但局部有复杂的二级结构或三级结构 3 RNA比DNA小的多 4 RNA的种类 大小和结构远比DNA表现出多样性 概述 RNA的种类 分布 功能 1 信使RNA messengerRNA mRNA 是合成蛋白质的模板 2 核内不均一RNA hnRNA 是mRNA的前体 含有内含子 intron 和外显子 exon 经过剪切后成为成熟的mRNA 3 外显子是氨基酸的编码序列 内含子是非编码序列 4 种类多 105种 但含量少 占2 5 寿命短 一 mRNA的结构特点与功能 内含子 intron mRNA成熟过程 外显子 exon 1 成熟的mRNA由氨基酸编码区和非翻译区构成 2 5 末端的帽子结构 cap 和3 末端的多聚A尾结构 poly Atail 3 氨基酸编码区从AUG开始 每三个核苷酸为一组编码一个氨基酸 称为三联体密码 codon 成熟的真核生物mRNA 大部分真核细胞mRNA的5 末端都以7 甲基鸟嘌呤 三磷酸核苷为起始结构 一 帽子结构 m7GpppNm 帽结构能与帽结合蛋白 CBP 结合 二 3 末端多聚腺苷酸结构 真核生物的mRNA的3 末端转录后加上一段 80 250个 长短不一的多聚腺苷酸 加尾过程 1 帮助mRNA从核内向胞质转运2 翻译起始的调控3 mRNA的稳定性维系 帽子结构和多聚A尾的功能 三 mRN的功能指导蛋白质合成氨基酸的排列顺序 1 从mRNA分子5 末端起的第一个AUG开始 每3个核苷酸为一组称为密码子 codon 或三联体密码 tripletcode 2 AUG为起始密码子 UAA UAG UGA为终止密码子 3 位于起始密码子和终止密码子之间的核苷酸序列称为开放阅读框ORF 决定了多肽链的氨基酸序列 转运RNA 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 tRNA的结构特点与功能 tRNA的局部具有茎环结构 三叶草形 或发卡结构 一 tRNA的二级结构 氨基酸臂DHU环反密码环附加叉T C环 tRNA的倒L三级结构 tRNA的3 末端都是以CCA结尾 3 末端的A与氨基酸共价连结 tRNA成为了氨基酸的载体 不同的tRNA可以结合不同的氨基酸 二 tRNA的功能 1 3 末端连接氨基酸 tRNA反密码子环上的反密码子依照碱基互补的原则识别mRNA上的密码子 2 反密码子识别mRNA的密码子 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 rRNA的结构特点与功能 核蛋白体的组成 蛋白质合成时形成的复合体 原核生物 真核生物核糖体没有E位 核内小RNA核仁小RNA胞质小RNA催化性小RNA小片段干涉RNA snmRNAs的种类 四 snmRNAs 细胞的不同部位存在许多其他种类的小分子RNA 统称为非mRNA小RNA smallnon messengerRNAs snmRNAs 参与hnRNA的加工剪接及参与了基因表达的调控 snmRNAs的功能 核酸的理化性质ThePhysicalandChemicalCharactersofNucleicAcid 第四节 碱基的共轭双键在波长260nm处有强烈的吸光特性 这一特性常用作核酸的定性和定量分析 一 核酸分子的紫外吸光作用 1 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2 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 加热解链过程中 紫外吸光度达到最大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 变性核酸的复性及分子杂交 1 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 3 减色效应 DNA复性时 其溶液OD260降低 2 热变性的DNA经缓慢冷却后即可复性 这一过程称为退火 annealing 一 变性核酸的复性 不同种类的DNA单链或RNA分子放在同一溶液中 在适宜的条件可以在不同的分子间形成杂化双链 heteroduplex 这种现象称为核酸 DNA 分子杂交 这种杂化双链可以在不同的DNA之间形成 也可以在DNA和RNA间或者RNA与RNA之间形成 二 核酸分子杂交 hybridization 核酸分子杂交 研究DNA分子中某一种基因的位置 监定两种核酸分子间的序列相似性 检测某些专一序列在待检样品中存在与否 核酸分子杂交的应用 依据底物不同分类DNA酶 deoxyribonuclease DNase 专一降解DNA RNA酶