核酸的结构与功能-2.ppt

第二章核酸结构与功能 核酸的概念和重要性 核酸的组成成分 DNA的结构 DNA和基因组及基因组学 RNA的结构和功能 核酸的性质 核酸的序列测定 核酸的生物学功能和实践意义 一 核酸的概念和重要性 1869年Miescher从细胞核中分离出核素 nuclein 1889年Altman制备了核酸 nucleicacid 1930 40年 Kossel Levene等确定核酸的的组分 四核苷酸假说 核酸由四种核苷酸组成的单体构成的 缺乏结构方面的多样性 20世纪40年代末 Avery的 肺炎链球菌转化 实验证明DNA是有机体的遗传物质 DNA 温育 有荚膜 致病 除少数病毒 RNA病毒 以RNA作为遗传物质外 多数有机体的遗传物质是DNA 不同有机体遗传物质 信息分子 的结构差别 使得其所含蛋白质 表现分子 的种类和数量有所差别 有机体表现出不同的形态结构和代谢类型 RNA的主要作用是从DNA转录遗传信息 并指导蛋白质的合成 二 核酸的组成成分 核酸nucleicacid 核苷酸nucleotide 核苷nucleoside 磷酸phosphate 嘌呤碱purinebase或嘧啶碱pyrimidinebase 碱基base 核糖ribose或脱氧核糖deoxyribose 戊糖amylsugar 一 核糖和脱氧核糖 D 2 核糖 D 2 脱氧核糖 O 核糖 H 糠醛 甲基间苯二酚 FeCl3 绿色产物 脱氧核糖 H 羟基 酮戊醛 二苯胺 蓝色产物 RNA和DNA定性 定量测定 二 嘌呤碱和嘧啶碱 1 2 3 4 5 6 7 8 9 嘌呤 腺嘌呤adenine A 鸟嘌呤guanine G 嘧啶 1 2 3 4 5 6 H 胞嘧啶Cytosine C 尿嘧啶uracil U H H 胸腺嘧啶thymine T H H 烯醇式 三 核苷 腺苷 尿苷 OH 假尿苷 四 核苷酸 P O 胸苷 5 磷酸 O 各种核苷三磷酸和脱氧核苷三磷酸是体内合成RNA和DNA合成的直接原料 在体内能量代谢中的作用 ATP 能量 货币 UTP 参加糖的互相转化与合成 CTP 参加磷脂的合成 GTP 参加蛋白质和嘌呤的合成 第二信使 cAMP cGMP H 3 5 1 P P P OH A T G pGpTpAOH pG T A pGTA H H H H H H H H H H H 三 DNA的结构 一 DNA的一级结构 因为DNA的脱氧核苷酸只在它们所携带的碱基上有区别 所以脱氧核苷酸的序列常被认为是碱基序列 basesequence 通常碱基序列由DNA链的5 3 方向写 DNA中有4种类型的核苷酸 有n个核苷酸组成的DNA链中可能有的不同序列总数为4n 二 DNA的双螺旋结构 1953年 Watson和Crick提出 1 双螺旋结构的主要依据 1 Wilkins和Franklin发现不同来源的DNA纤维具有相似的X射线衍射图谱 2 Chargaff发现DNA中A与T C与G的数目相等 后Pauling和Corey发现A与T生成2个氢键 C与G生成3个氢键 3 电位滴定证明 嘌呤与嘧啶的可解离基团由氢键连接 2 双螺旋结构模型要点 1 两条多核苷酸链反向平行 2 碱基内侧 A与T G与C配对 分别形成3和2个氢键 3 双螺旋每转一周有10个bp 螺距3 4nm 直径2nm 3 双螺旋结构的稳定因素 1 氢键 太弱 2 碱基堆积力 basestackingforce 由芳香族碱基 电子间的相互作用引起的 能形成疏水核心 是稳定DNA最重要的因素 3 离子键 减少双链间的静电斥力 4 DNA双螺旋的构象类型 B DNA 92 相对湿度 接近细胞内的DNA构象 与Watson和Crick提出的模型相似 A DNA 75 相对湿度 与溶液中DNA RNA杂交分子的构象相似 推测转录时发生B A 其碱基平面倾斜19 螺距与每一转碱基对数目都有变化 Z DNA 主链呈锯齿型左向盘绕 直径约1 84nm 螺距4 56nm 每一转含12个bp 只有小沟 B DNA与Z DNA的相互转换可能和基因的调控有关 三 DNA的三级结构 双螺旋DNA进一步扭曲盘绕则形成其三级结构 超螺旋是DNA三级结构的主要形式 线形分子 双链环状 dcDNA 超螺旋 染色体包装 染色体包装的结构模型 多级螺旋模型压缩倍数76405 8400 DNA 核小体 螺线管 超螺线管 染色单体2nm10nm30 10 nm400nm2 10 m一级包装二级包装三级包装四级包装 四 DNA与基因组及基因组学 DNA Transcription RNA mRNA tRNA rRNA Translation Protein 基因 基因是DNA片段的核苷酸序列 DNA分子中最小的功能单位 基因组 genome 是指一种生物体的全部基因或染色体 结构基因 调节基因 基因组 一 DNA与基因 二 原核生物基因组的特点 1 DNA大部分为结构基因 每个基因出现频率低 2 功能相关基因串联在一起 并转录在同一mRNA中 多顺反子 3 有基因重叠现象 三 真核生物基因组的特点 1 重复序列 单拷贝序列 在整个DNA中只出现一次或少数几次 主要为编码蛋白质的结构基因 中度重复序列 在DNA中可重复几十次到几千次 高度重复序列 可重复几百万次 2 有断裂基因 mRNA 1872bp 内含子 intron 基因中不为多肽编码 不在mRNA中出现 外显子 exons 为多肽编码的基因片段 由于基因中内含子的存在 例外 组蛋白基因 histongene 和干扰素基因 interferongene 没有内含子 基因组学研究的内容与意义 基因组学 英文genomics 台湾译作基因体学 研究生物基因组和如何利用基因的一门学问 该学科提供基因组信息以及相关数据系统利用 试图解决生物 医学 和工业领域的重大问题 基因组学能为一些疾病提供新的诊断 治疗方法 例如 对刚诊断为乳腺癌的女性 一个名为 OncotypeDX 的基因组测试 能用来评估病人乳腺癌复发的个体危险率以及化疗效果 这有助于医生获得更多的治疗信息并进行个性化医疗 基因组学还被用于食品与农业部门 基因组学的主要工具和方法包括 生物信息学 遗传分析 基因表达测量和基因功能鉴定基因组学出现于1980年代 1990年代随着几个物种基因组计划的启动 基因组学取得长足发展 相关领域是遗传学 其研究基因以及在遗传中的功能 1980年 噬菌体 X174 5 368碱基对 完全测序 成为第一个测定的基因组 1995年 嗜血流感菌 Haemophilusinfluenzae 1 8Mb 测序完成 是第一个测定的自由生活物种 从这时起 基因组测序工作迅速展开 2001年 人类基因组计划公布了人类基因组草图 为基因组学研究揭开新的一页 基因组学是研究生物基因组的组成 组内各基因的精确结构 相互关系及表达调控的科学 五 RNA的结构与功能 RNA分子是含短的不完全的螺旋区的多核苷酸链 一 tRNA tRNA约占RNA总量的15 主要作用是转运氨基酸用于合成蛋白质 tRNA分子量为4S 1965年Holley测定AlatRNA一级结构 提出三叶草二级结构模型 主要特征 1 四臂四环 2 氨基酸臂3 端有CCAOH的共有结构 3 D环上有二氢尿嘧啶 D 4 反密码环上的反密码子与mRNA相互作用 5 可变环上的核苷酸数目可以变动 6 T C环含有T和 7 含有修饰碱基和不变核苷酸 二 rRNA 占细胞RNA总量的80 与蛋白质 40 共同组成核糖体 三 mRNA与hnRNA mRNA约占细胞RNA总量的3 5 是蛋白质合成的模板 真核生物mRNA的前体在核内合成 包括整个基因的内含子和外显子的转录产物 形成分子大小极不均匀的hnRNA 四 snRNA和asRNA snRNA主要存于细胞核中 占细胞RNA总量的0 1 1 与蛋白质以RNP 核糖核酸蛋白 的形式存在 在hnRNA和rRNA的加工 细胞分裂和分化 协助细胞内物质运输 构成染色质等方面有重要作用 asRNA可通过互补序列与特定的mRNA结合 抑制mRNA的翻译 还可抑制DNA的复制和转录 五 RNA的其它功能 1981年 Cech发现RNA的催化活性 提出核酶 ribozyme 大部分核酶参加RNA的加工和成熟 也有催化C N键的合成 23SrRNA具肽酰转移酶活性 RNA在DNA复制 转录 翻译中均有一定的调控作用 与某些物质的运输与定位有关 六 核酸的性质 一 一般理化性质 1 为两性电解质 通常表现为酸性 2 DNA为白色纤维状固体 RNA为白色粉末 不溶于有机溶剂 3 DNA溶液的粘度极高 而RNA溶液要小得多 4 RNA能在室温条件下被稀碱水解而DNA对碱稳定 5 利用核糖和脱氧核糖不同的显色反应鉴定DNA与RNA 二 核酸的紫外吸收性质 核酸的碱基具有共扼双键 因而有紫外吸收性质 吸收峰在260nm 蛋白质的紫外吸收峰在280nm 核酸的光吸收值比各核苷酸光吸收值的和少30 40 当核酸变性或降解时光吸收值显著增加 增色效应 但核酸复性后 光吸收值又回复到原有水平 减色效应 三 核酸结构的稳定性 1 碱基对间的氢键 2 碱基堆积力 3 环境中的正离子 四 核酸的的变性 双螺旋区氢键断裂 空间结构破坏 形成单链无规线团状 只涉及次级键的破坏 DNA变性是个突变过程 类似结晶的熔解 将紫外吸收的增加量达到最大增量一半时的温度称熔解温度 meltingtemperature Tm Tm Tm 影响Tm的因素 1 G C的相对含量 G C Tm 69 3 2 44 2 介质离子强度低 Tm低 3 高pH下碱基广泛去质子而丧失形成氢键的能力 4 变性剂如甲酰胺 尿素 甲醛等破坏氢键 妨碍碱基堆积 使Tm下降 五 核酸的复性 退火 变性核酸的互补链在适当条件下重新缔合成双螺旋的过程 影响复性速度的因素 1 单链片段浓度 2 单链片段的大小 3 片段内重复序列的多少 4 溶液离子强度的大小 5 溶液温度的高低 T 25 六 分子杂交 在退火条件下 不同来源的DNA互补区形成氢键 或DNA单链和RNA链的互补区形成DNA RNA杂合双链的过程 探针 用放射性同位素或荧光标记的DNA或RNA片段 原位杂交技术 直接用探针与菌落或组织细胞中的核酸杂交 未改变核酸所在的位置 点杂交 将核酸直接点在膜上 再与核酸杂交 Southern印迹法 将电泳分离后的DNA片段从凝胶转移到硝酸纤维素膜上 再进行杂交 Northern印迹法 将电泳分离后的RNA吸印到纤维素膜上再进行分子杂交 七 核酸的序列测定 目前多采用Sanger的酶法和Gilbert的化学法 八 核酸的生物学功能和实践意义 核酸是基本遗传物质 在蛋白质的生物合成上又占有重要位置 因而在个体的生长 生殖 遗传 变异和转化等一系列生命现象中起决定性作用 一 核酸与遗传信息的传递 DNA是基本遗传物质有了一定结构的DNA 才能产生一定结构的蛋白质 由一定结构的蛋白质才有一定形态和生理特征 所以根据DNA的特定遗传密码产生的蛋白质就代表特定生物的遗传性 在遗传过程中DNA的具体作用 1 在细胞分裂时按照自己的结构精确复制传给后代 2 作为模板将所贮遗传信息传给mRNA RNA在传递遗传信息上的作用mRNA是蛋白质合成的模板 tRNA识别mRNA上的遗传密码 转运特定氨基酸到核糖体上合成肽链 rRNA是核糖体的主要成分 是翻译工作的场所 二 核酸与蛋白质的生物合成 DNA转录为mRNA是有选择的 tRNA和rRNA也是DNA的转录产物 三 核酸结构改变与生物变异 一切生物的变异和进化都可以说是由于DNA的结构改变而引起蛋白质改变的结果 生物遗传的变异起源于DNA碱基配对的改变 有的由于DNA碱基的颠倒 如TA被颠倒为AT 或被调换 如GC被换为TA 有的由于在DNA复制过程中被遗漏了一对或多了一对核苷酸 或者在转译时发生了差误 如氨酰tRNA合成酶错将一个结构与正常氨基酸十分相似的物质交给tRNA 还有一些生物的遗传性状发生了突变 四 DNA与细菌转化 一种细菌的遗传性状因吸收了另一种细菌的DNA而发生改变的现象 称为细菌的转化 五 核酸与病变 遗传性疾病是由于遗传缺陷而产生的 也就是DNA结构改变的结果 镰刀型红细胞贫血和白化病 albinism 病毒对活细胞的侵染是寄主发生疾病 主要是由于核酸的的作用 流感 肝炎 带状疱疹 脊髓灰质炎 白血病 烟草斑纹病 六 遗传工程 遗传工程是用人工方法改组DNA 从而培育新型生物品种的技术 实验室中将细菌作材料研究遗传工程过程可分为 1 重组DNA分子 基因重组 2 将重组DNA引入受体细胞 转化或转导 有利 1 有可能培育出高产抗病 耐旱 耐寒 耐盐碱的优良性能的动植物新品种 2 改良微生物品种使产生人工难以制得的生物活性物质如胰岛素 干扰素等 3 解决某些疾病病因和控制这些疾病 不利 引起某些疾病的广泛流行和使某些细菌失去对抗菌素的敏感性 或者使某些酶或激素失去应有的生物活性等 七 克隆与克隆化 由单一亲代细胞用无性繁殖产生的子代细胞称克隆 形成克隆的过程称克隆化 提要 本章主要介绍核酸的化学本质 结构和功能 总的要求是 1 了解核酸的化学本质及DNA和RNA在组分 结构和功能上的差异 2 弄清嘌呤 嘧啶 核苷 核苷酸和核酸在分子结构上的关系 3 了解核酸的结构和它们的性质 功能的相互关系 认识核酸在生物科学上的重要性及其实践意义 注意 1 核苷酸是核酸的基本组成单位 应以腺苷酸和胞苷酸为代表 彻底弄清核苷酸的化学结构和化学性质 结合有机化学把嘌呤和嘧啶的基本结构搞清楚 同时把核酸中存在的A T U C G的结构记熟 2 注意嘌呤 嘧啶同核糖在哪个部位连接成核苷 核苷如何同磷酸连接成核苷酸 核苷酸又如何连接成一级结构的核苷酸链 要特别注意核酸的二 三级结构中碱基的配对规律 3 从分析比较核酸分子的组成和结构上的特点 进而联系它们的性质和生物功能 主要特征 1 四臂四环 2 氨基酸臂3 端有CCAOH的共有结构 3 D环上有二氢尿嘧啶 D 4 反密码环上的反密码子与mRNA相互作用 5 可变环上的核苷酸数目可以变动 6 T C环含有T和 7 含有修饰碱基和不变核苷酸 模板 引物 GGC GGCC GGCCATC C ddCTP GGCCA GGCCATCGTTGA ddATP A GGCCATCG GGCCATCGTTG G ddGTP GGCCAT GGCCATCGT GGCCATCGTT T ddTTP 核酸的种类 分布 功能 种类 脱氧核糖核酸 DNA 是主要的遗传物质 核糖核酸 RNA tRNA 15 mRNA 3 5 rRNA 80 其它RNA 如反义RNA等 所有生物细胞都含有DNA和RNA这两类核酸 而病毒只含DNA或RNA 真核生物染色体DNA是线型双链DNA 原核生物的染色体DNA 质粒DNA和真核生物的细胞器DNA都是环状双链DNA 细胞RNA通常都是线型单链 但病毒RNA则有线型与环状 双链与单链之分 分布 DNA 原核生物 真核生物 拟核 质粒 染色体 质 细胞器 如线粒体 叶绿体等 RNA 核内 snRNA hnRNA 胞质 scRNA 细胞器 质粒DNA为cccDNA 类病毒为环状ssRNA 卫星病毒或卫星RNA是指没有辅助性病毒协助时 不能在宿主细胞内复制的病毒或RNA 功能 DNA 是主要的遗传物质 遗传信息以密码形式编码在核酸分子上 表现为特定的核苷酸序列 RNA 参与蛋白质合成 tRNA 转运 识别 rRNA 装配 催化 mRNA 信使 模板 多种细胞功能 RNA的5种功能 控制蛋白质合成 作用于RNA转录后加工与修饰 基因表达与细胞功能调节 如反义RNA RNAi RNA干扰 生物催化与细胞持家功能 细胞基本功能 遗传信息的加工与进化 生物体通过DNA复制将遗传信息由亲代传递给子代 通过RNA转录和蛋白质翻译使遗传信息在子代中得以表达 基因是指具有遗传效应的DNA片段或RNA 它能编码蛋白质或功能RNA 某些病毒的基因组是RNA 核酸结构 核酸分子的组成核酸的四级结构 基本内容 核酸 核酸分子组成 核苷酸 磷酸 核苷 戊糖 碱基 A G T C U 核糖 脱氧核糖 碱基结构 稀有碱基 核苷三磷酸 环化核苷酸 磷酸基的位置 在RNA分子中 磷酸在2 3 5 均可 在DNA分子中 磷酸在3 5 D 2 脱氧核糖 核酸分子的形成 由多个核苷酸分子聚合而成 无分支结构 核苷酸分子之间以3 5 磷酸二酯键相连 磷酸二酯键的走向为3 5 DNA与RNA的四级结构 与蛋白质四级结构比较 DNA的四级结构 一级结构 由多个4种脱氧核苷酸分子通过3 5 磷酸二酯键连接形成的直线型或环型多聚体 二级结构 在碱基互补配对的基础上形成的DNA双螺旋结构 三级结构 在二级结构上 DNA双螺旋结构通过折叠和扭曲所形成的特定构象 如超螺旋等 四级结构 指DNA与蛋白质形成的复合物 如染色体 质 重要概念 碱基互补配对与Chargaff