核酸的组成与结构.ppt

1 第三章核酸的组成与结构 本章重点 DNA和RNA的组成 结构和功能 本章难点 DNA结构的多态性 2 第一节DNA的组成与结构 一 DNA deoxyribonucleicacid 的组成1 核酸是由许多个单核苷酸聚合而成的多核苷酸链 核苷酸由碱基 戊糖 D 2 脱氧核糖 和磷酸三部分构成 2 DNA含 A T C G四种碱基 3 二 DNA的结构与功能 一级结构 Primarystructure 指DNA分子中核苷酸的排列顺序 二级结构 Secondarystructure 双螺旋 doublehelix 三股螺旋 triplehelix 三 高 级结构 Tertiarystructure 超螺旋 supercoil 4 一 DNA的一级结构指DNA分子中4种核苷酸的连接方式和排列顺序 1 Chargaff法则 Chargaff于1946 1950年根据纸层析 离子交换层析和紫外分光光度试验结果提出查伽夫定则 四种碱基的数量不是等量的 同一物种DNA碱基组成不变 而物种间则有很大不同 嘌呤碱基总量与嘧啶碱基的总量相等 A G T C 且腺嘌呤与胸腺嘧啶数相等 A T 鸟嘌呤与胞嘧啶数相等 G C 2 核苷酸序列及其测定查伽夫定则表明 核酸并不是四核苷酸结构的简单重复 核酸的碱基序列信息可能具有重要意义 以后的研究表明 碱基序列正是核酸生物学功能的基础 是遗传信息的内在形式 核酸序列分析技术是最重要的分子生物学研究技术 主要包括 Sanger双脱氧法和MaxamandGillbert化学法 基于化学法的DNA序列自动分析仪已成为常规实验设备 5 5 末端的磷酸基团 3 5 磷酸二酯键 3 末端羟基 DNA的长度单位 碱基对 bp 千碱基对 Kb 百万碱基对 Mb 6 3 DNA一级结构的表示方法 线条式表示法 文字表示法 7 二 DNA的二级结构指两条核苷酸链反向平行盘绕所生成的双螺旋结构 1 DNA双螺旋结构模型1953年美国青年生物学家Watsn和英国中年物理学家Crick根据碱基互补配对规律和DNA的X射线衍射研究 提出了著名的DNA双螺旋结构模型 并为以后拍摄的电镜直观形象所证实 从而奠定了分子生物学的基础 1 要点 DNA分子是由两条同轴反向互相缠绕的多核甘酸链组成的双螺旋结构 糖和磷酸排在外面构成骨架 两链相应的核甘酸的碱基互相配对由氢键连接排列在内侧 双螺旋直径为20A 螺距为34A 包含10对碱基 2 意义 DNA双螺旋模型结构同时表明 DNA可以按碱基互补配对原则进行半保留复制 而在此之前对复制方式人们对一无所知 DNA核苷酸顺序规定该基因编码蛋白质的氨基酸顺序 DNA中的遗传信息就是碱基序列 并存在某种遗传密码 geneticcode 将核苷酸序列译成蛋白质氨基酸顺序 在其后的几十年中 科学家们沿着这两条途径前进 探明了DNA复制 遗传信息表达与中心法则等内容 8 沃森 克里克和威尔金斯因发现生命的双螺旋而荣获1962年诺贝尔医学生理学奖 左一 威尔金斯 左三 克里克左五 沃森 FranklinRE 1920 1958 和同事威尔金斯在1951年率先采用X射线衍射技术拍摄到DNA晶体照片 为推算出DNA分子呈螺旋结构的结论 提供了决定性的实验依据 但 科学玫瑰 没等到分享荣耀 在研究成果被承认之前就已凋谢 9 超高分辨率扫描式电子显微镜拍到的DNA照片 DNA的人工模型 富兰克林拍摄的DNA的X射线衍射图 X衍射技术是用X光透过物质的结晶体 使其在照片底片上衍射出晶体图案的技术 这个方法可以用来推测晶体的分子排列 沃森和克里克从衍射图谱中受到启示 10 DNA双螺旋结构模型 11 12 2 DNA分子构型的多态性 1 右手螺旋 A DNA B DNA C DNA D DNA E DNA T DNA 2 左手螺旋 Z DNA B DNA 为DNA在生理状态下的构型 右手双螺旋构型 沃森和克里克模型 每螺旋为10个核苷酸对 A DNA 为DNA的脱水构型 右手螺旋 每螺旋为11个核苷酸对 Z DNA 为左手螺旋 每个螺旋含12个核苷酸对 13 DNA分子构型的多态性 14 3 DNA的其它螺旋结构 1 回文结构 DNA序列中以某一中心区域为对称轴 其两侧的碱基对顺序正读和反读都相同的双螺旋结构 即对称轴一侧的片段旋转180 后 与另一侧片段对称重复 回文结构能形成十字结构和发夹结构 15 2 镜像重复 mirrorrepeat 存在于同一股上的某些DNA区段的反向重复序列 此序列各单股中没有互补序列 不能形成十字型或发夹结构 3 反转重复 invertedrepeated 由反方向互补的两个DNA片段组成 两个反转重复序列又叫回文序列 palindromesequence 4 直接重复 directrepeat 由同一方向完全相同的两个序列组成 正向重复序列 顺向重复序列 5 GGAATCGATCTTTTCTAGCTAAGG3 3 CCTTAGCTAGAAAAGATCGATTCC5 16 17 5 DNA三股螺旋 triplestrandsDNA H DNA ts DNA 1957年由Felesnfeld及Davis首先发现 多聚嘧啶和多聚嘌呤组成的DNA螺旋区段 其序列中有较长的镜像重复时 形成局部三股配对 并互相盘绕的三股螺旋 其中两股的碱基按Watson Crick方式配对 第三股多聚嘧啶 镜像重复 通过TAT和CGC配对 而处于双螺旋的大沟中 三条链均为同型嘌呤 Hpu 或同型嘧啶 Hpy 有两种基本类型 Pu Pu Py型 在碱性介质中稳定 Py Pu Py型 在偏酸性介质中稳定 三链DNA既可以是B DNA与另一条DNA链结合成的链间的三链DNA 又可以是B DNA与其自身的一条链结合形成的链内的三链DNA 分子内三链DNA于1987年由Mirkin在超螺旋中发现 其形成要求双螺旋中存在连续的嘌呤或嘧啶序列 而且必须是镜像重复序列 18 19 三 DNA的高级结构 1 超螺旋 supercoilorsuperhelix 结构 1 超螺旋的发现1965年Vinograd等用电镜发现SV40和多瘤病毒的环形DNA的超螺旋 超螺旋是双螺旋DNA进一步扭曲盘绕形成的高级结构 a 绝大多数原核生物DNA都是共价封闭环 covalentlyclosedcircle CCC 分子 双螺旋环状分子螺旋化成为超螺旋结构 b 有些单链环形染色体 如 x174 或双链线形染色体 如噬菌体 在其生活周期的某一阶段 染色体也变为超螺旋结构 c 真核生物的染色体多为线形分子 但DNA均与蛋白质相结合 同样具有超螺旋形式 20 21 2 超螺旋的形成DNA双螺旋结构中 一般每转一圈有10个核苷酸对 平时双螺旋总处于能量最低状态 若正常DNA双螺旋额外地多转或少转几圈 使每一圈的核苷酸数目大于或小于10 就会出现双螺旋空间结构的改变 在DNA分子中产生额外张力 若此时双螺旋的末端是固定的或是环状分子 双链不能自由转动 额外的张力不能释放 导致DNA分子内部原子空位置的重排 造成扭曲 出现超螺旋 3 超螺旋的方向性a 正超螺旋 绳子的两股以右旋方向缠绕 如果在一端使绳子向缠紧的方向旋转 再将绳子两端连接起来 会产生一个左旋的超螺旋 以解除外加的旋转造成的胁变 这样的超螺旋叫正超螺旋 b 负超螺旋 如果在绳子一端向松缠方向旋转 再将绳子两端连接起来 会产生一个右旋的超螺旋 以解除外加的旋转所造成的胁变 这样的超螺旋称负超螺旋 22 23 c 松旋效应紧旋效应 形成超负螺旋时 旋转方向与DNA双螺旋方向相反 旋转结果使DNA分子内部张力减小 称为松旋效应 在自然条件下共价封闭环状DNA呈负超螺旋结构 与负超螺旋相反 形成正超螺旋时的旋转方向与DNA双螺旋方向相同 结果加大了DNA分子内部张力 具有紧旋效应 4 环绕数和超螺旋的关系White在1969年建立了White方程来对超螺旋进行定量描叙 说明环绕数和超螺旋的关系 L T WL linkingnumber 链环数或称拓扑环绕数 指DNA中一条链绕另一条链的总次数 L是整数 在不发生链断裂时其值为常数 右手螺旋对L取正值 T twistingnumber 缠绕数 即双螺旋的圈数 T为变量 可以是非整数 右手螺旋时T为正值 W writhingnumber 扭曲数 即超数旋数 W为变量 可以是非整数 右手螺旋时 W取负值 24 25 26 27 5 DNA的超螺旋密度 L L0 L0L0是指松驰环形DNA的L值 天然DNA的超螺旋密度一般为 0 03 0 09 平均每100个螺旋出现3 9个负超螺旋 a 天然的DNA都呈负超螺旋 但体外可得到正超螺旋 由于双链DNA是动态变化的 其负超螺旋的链环数也会有所波动 b 负超螺旋会部分地转变为单链泡状结构 这种单链泡状结构也是解除松缠作用造成的胁变的一种途径 当然蛋白质会与这些单链泡状结构结合参与复制活转录 这也许就是为什么在生物内DNA总是采取负超螺旋形式的主要原因 c 溴化乙锭 ethidiumbromide 能与DNA紧密结合 使DNA的密度降低 它插入DNA分子碱基对之间 引起DNA分子松旋 随着EB量的增加 负超螺旋DNA就转变为松弛态 EB的进一步增加 DNA就转变为正超螺旋 28 29 6 不同类型DNA的高级结构及性质a 超螺旋使环状DNA分子变得更致密 在超速离心和在凝胶电泳中的迁移速度都增加 琼脂糖凝胶电泳可将超螺旋仅差一圈的DNA分离开 b 真核生物中 DNA与组蛋白八聚体形成核小体结构时 存在着负超螺旋 c DNA超螺旋是由DNA拓扑异构酶产生的 d 坍缩DNA 当闭合环超螺旋变成闭合环松弛形DNA时 经碱变性或热变性使其氢键断裂 但两条链无法分离 结果生成两条链紧密缠结的分子 坍缩DNA具有很高的沉降常数 相对沉降常数约3 0 单链环状DNA的相对沉降常数大约为1 14 线性单链DNA的相对沉降常数为1 30 e 环连DNA 在DNA复制过程中的产物或由拓扑异构酶催化生成 由两个以上环形DNA分子环连而成 f 闭合环超螺旋DNA对于温度和碱性有较强的抵抗力 不容易发生变性 这样 可以寻找一个临界条件 使闭合环松弛形和开环松弛形DNA发生变性 而闭合环超螺旋不变性或很少变性 很多分离或鉴定闭合环超螺旋形DNA的方法都是依据其特性而设计的 30 31 32 7 超螺旋的意义a 超螺旋形式是DNA分子复制和转录的需要 生物体内DNA结构是处于动态之中 超螺旋的引入就提高了DNA的能量水平 而超螺旋程度的改变介导了DNA结构的变化 即超螺旋多余的能量可能使DNA双股链分开 或局部熔解 这种结构上的变化对DNA分子复制和转录等的启动很重要 b 超螺旋可使DNA分子形成高度致密的状态从而得以容纳于有限的空间 如E coli的DNA的总长度是其细胞长度的100倍 由于它的DNA存在着超螺旋才能包装成类核 nucleoid c 染色体的形成过程 一级结构 核小体 直径10nm 二级结构 螺线体 直径30nm 三级结构 超螺线体 直径400nm 四级结构 染色体 直径1000nm DNA双螺旋进一步扭曲盘旋所形成的特定空间结构 33 34 35 第二节 RNA的组成与结构 一 RNA的组成RNA所含的戊糖为D 核糖 碱基为A C G U 二 RNA的基本结构1 RNA的一级结构 指RNA分子中4种核苷酸的连接方式和排列顺序 2 RNA的分类及其二级结构 1 mRNA 帽子结构和尾巴 5 端 7 甲基鸟苷 3 端 polyA尾巴 2 rRNA 单链RNA自行盘绕形成局部双螺旋的多 茎 多 环 结构 螺旋部分称为 茎 或 臂 非螺旋部分称为 环 在螺旋区 A与U配对 G与C配对 5SrRNA和16SrRNA分别构成大亚基和小亚基 3 tRNA的二级结构 三叶草形状可分为 氨基酸接受区 反密码区 二氢尿嘧啶区 T C区和可变区 除氨基酸接受区外 其余每个区都含有一个突环和一个臂 36 3 tRNA的三级结构 倒 L 形 所有的tRNA折叠后形成大小相似及三维构象相似的三级结构 这有利于携带的氨基酸的tRNA进入核糖体的特定部位 在翻译过程中转运各种氨基酸至核糖体 按mRNA的密码顺序合成蛋白质的作用 37 三 mRNA的具体结构与功能 1 原核生物mRNA结构特点 1 多顺反子 polycistron 一分子mRNA带有几种蛋白质的遗传信息 可以作为几种蛋白质的模板 能翻译出几种蛋白质 2 mRNA5 端无帽子结构 3 端一般无多聚A的尾巴 3 一般没有修饰碱基 38 2 真核生物mRNA结构的特点 1 5 末端有帽子结构 真核生物mRNA在转录后 在5 端加上帽子 7 甲基鸟嘌呤核苷 在蛋白质翻译时识别起始位置及防止被RNA酶降解 39 2 3 端多数带有多聚A的尾巴 polyadenylatetail 其长度为20 200个A 3 分子中可能有修饰碱基 主要是甲基化 4 分子中有编码区与非编码区 非编码区 untranslatedregionUTR 位于编码区的两端 5 非编码区有翻译起始信号 40 四 tRNA 转运氨基酸 1 单链小分子 含73 93个核苷酸 2 含有很多稀有碱基或修饰碱基 多为甲基化 3 5 端总是磷酸化 且常是pG 4 3 端为CCAOH 5 二级结构为三叶草形 6 三级结构为倒L型 41 五 rRNA 核糖体的组成 42 rRNA二级结构 单链RNA自行盘绕形成局部双螺旋的多 茎 多 环 结构 螺旋部分称为 茎 或 臂 非螺旋部分称为 环 在螺旋区 A与U配对 G与C配对 43 原核生物rRNA的特点 原核生物16SrRNA3 端有一保守序列ACCUCCU 是mRNA的识别结合位点 原核生物5SrRNA43 47位核苷酸为CGAAC序列 可与tRNA上GT CG互补 真核生物rRNA的特点 真核生物5 8SrRNA上也有相同的CGAAC序列 是tRNA与rRNA相互识别 相互作用的部位 rRNA上有许多rRNA之间识别结合部位及蛋白质的相互作用部位 44 原核生物70S核糖体 真核生物80S核糖体 核糖体的结构 45 六 核酶 有催化活性的RNA 核酶的发现1982年 美国ThomasCech在研究四膜虫rRNA自我剪接时发现 同时加拿大的SidneyAltman发现RNaseP分子中的RNA组分有催化活性 1989年分享了Noble化学奖 核酶的发现意义不仅拓宽了生物催化剂的领域 而且对RNA的生物学功能开创了一种历史性的新认识 RNA不仅具有储存和传递遗传信息的功能 而且还具有生物催化剂的功能 在一定程度上可以说 RNA一身兼有DNA和蛋白质两大类生物大分子的功能 46 核酶的二级结构核酶的二级结构对于催化活性很重要 Symons提出 锤头 状二级结构 三个螺旋区 13 或11 个保守核苷酸序列 47 七 核内不均一RNA hnRNA 真核细胞转录生成mRNA的前体 加工过程包括 5 加帽 3 端加尾 内含子的切除和外显子的拼接 分子内部的甲基化修饰作用 核苷酸序列的编辑作用 八 小分子核内RNA snRNA 真核细胞核内一组小分子RNA 含70 300碱基 序列中尿嘧啶含量较高 因此又用U命名 既非任何RNA的前体 也非某种RNA代谢的中间产物 而是具有独特功能且独立存在的实体 参与mRNA的加工 常与多种特异的蛋白质结合在一起 形成小分子核内核蛋白颗粒 smallnuclearribonucleoproteinparticle snRNP 48 九 反义RNA 碱基序列正好与有意义mRNA互补的RNA 又称为调节RNA 可与mRNA配对结合形成双链 最终抑制mRNA作为模板进行翻译 还可作为DNA复制的抑制因子 与引物RNA互补结合抑制DNA复制 及在转录水平上与mRNA5 端互补 阻止RNA合成转录 可以人工合成反义RNA来调节基因的表达 用于疾病治疗 原核生物中也有一种mRNA干扰互补RNA MrnainterferingcomplementaryRNA micRNA 也可与特异mRNA结合并阻止翻译 49 十