生化-第2章-核酸生化-2010.ppt

第二章核酸的结构和功能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 第一节概述 1868 瑞士外科医生FridrichMiescher从脓细胞的核中分离 称核素 1939 1952 研究核酸的功能OswaldAvery研究小组发现 非致病性肺炎球菌 致病性肺炎球菌的DNA 非致病性肺炎球菌均有致病性 核酸的种类 分布和功能 第二节核酸的的基本结构单位 核苷酸 元素组成 C H O N P等 P含量最稳定 9 10 核酸的定量 与蛋白质相比不含S 核酸的基本结构单位 核苷酸 nucleotide 核酸 DNA和RNA 是由多个单核苷酸聚合而成的多聚核苷酸 polynucleotides 核酸 核苷酸 水解 核酸的基本结构单元是核苷酸 核苷酸水解成核苷和磷酸 而核苷又水解戊糖和碱基 核苷酸的组成及结构磷酸戊糖碱基 嘧啶 嘌呤 一 碱基 base 含氮杂环化合物 1 2 3 4 5 6 7 8 9 嘌呤 腺嘌呤adenine A 鸟嘌呤guanine G 2种嘌呤 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 3种嘧啶 腺嘌呤 A 鸟嘌呤 G 胞嘧啶 C 胸腺嘧啶 T DNA 尿嘧啶 U RNA D 2 核糖 D 2 脱氧核糖 O 核糖 Ribose 构成RNA 脱氧核糖 Deoxyribose 构成DNA 二 戊糖 碱基 戊糖 核苷 二者以糖苷键相连 三 核苷 nucleoside 核苷 脱氧核苷 糖苷键 糖苷键 腺苷 尿苷 戊糖 四 核苷酸 nucleotide 核苷 磷酸 以磷酯键相连 5 核苷酸 5 脱氧核苷酸 酯键 酯键 戊糖 碱基 磷酸 H2O H2O 碱基 磷酸 戊糖 糖苷键 酯键 对DNA为H 五 体内重要的游离核苷酸及其衍生物 1 多磷酸核苷酸NDPNTP A G C U dNDPdNTP A G C T P O 腺苷 5 磷酸 O M 单D 二T 三P 磷酸 碱基 核苷 5 脱氧核苷酸 AGCT 脱氧腺苷脱氧鸟苷脱氧胞苷胸苷 脱氧腺苷酸 dAMP 脱氧鸟苷酸 dGMP 脱氧胞苷酸 dCMP 脱氧胸苷酸 dTMP DNA 核苷酸的命名 核苷酸名称中的缩写符号 DNA RNA组成异同 DNA与RNA结构相似 但在组成成份上略有不同 功能能量物质ATP 能量 货币 UTP 糖的合成 GTP 蛋白质和嘌呤的合成 CTP 磷脂的合成 合成核酸的原料NTP RNA dNTP DNA 2 环化核苷酸 3 5 环化腺苷酸cAMP 3 5 环化鸟苷酸cGMP 第二信使参与体内代谢调节和细胞信号转导 3 含核苷酸的生物活性物质 辅酶I NAD 辅酶II NADP 辅酶A CoA SH 黄素腺嘌呤二核苷酸 FAD 均含腺苷酸 AMP 参与生物氧化 物质代谢 六 多核苷酸的连接及表示方式 polynucleotides 核酸 DNA和RNA 是由多个单核苷酸通过3 5 磷酸二酯键相连而成的多聚核苷酸长链 核苷酸的多少和排列顺序不同 但连接方式一样 寡聚核苷酸 oligonucleotides 50bp 脱H2O酯键相连 3 5 磷酸二酯键 5 磷酸端 常用5 P表示 3 羟基端 常用3 OH表示 核苷酸链具有方向性 当表示一个核苷酸链时 必须注明它的方向是5 3 或是3 5 核酸的一级结构的表示方法有三种 5 3 结构式 1 结构式表示法 2 线条式表示法 3 文字式表示法 线条式 文字表示 5 pApTpGpCpA3 或5 ATGCA3 核酸的基本结构单位 核苷酸 nucleotide 小结 碱基 戊糖 磷酸 核苷酸 核苷酸的其他形式 多磷酸核苷 NDP NTP 环化核苷酸 cAMP cGMP等 辅酶或辅基 NAD NADP FAD CoA等 1 核苷酸的连接方式 3 5 磷酸二酯键 末端 5 端 3 端多核苷酸链的方向 5 端 3 端 由左至右 多核苷酸之间的连接和表示方式 polynucleotide 2 表示方法有三种 第三节DNA分子的结构与功能 一 核酸的一级结构 primarystructure概念 核苷酸或脱氧核苷酸的排列顺序和连接方式 又可指碱基的排列顺序 即DNA序列 sequence DNA分子的一级结构储存了大量的遗传信息 4n 核酸分子的大小 base kilobase或者bp kbp basepair kilobasepair 表示 二 DNA的二级结构 双螺旋结构模型 一 DNA双螺旋结构研究的背景1 DNA是遗传的物质基础2 Chargaff原则3 DNA分子X射线衍射分析4 双螺旋结构模型的建立 1950年前后 ErwinCharggff等人采用纸层析及紫外吸收技术测定了多种生物体DNA的碱基组成 不同来源的DNA碱基组成 摩尔 DNA来源腺嘌呤胸腺嘧啶鸟嘌呤胞嘧啶人30 430 119 619 9绵羊23 928 721 120 9公牛29 028 721 221 2大鼠28 628 421 420 4母鸡28 028 422 021 6大肠杆菌24 723 625 725 7 2 Charggff原则 所有DNA分子中 A T G C 嘌呤碱的摩尔数 嘧啶碱的摩尔数 有种属特异性 不同生物的DNA碱基组成不同同一生物体的DNA碱基组成没有组织器官特异性这预示着碱基互补配对的可能性 即A与T配对 G与C配对 ErwinChargaff 1905 1995 这些结果后来为DNA的双螺旋结构模型提供了一个有力的佐证 DNA分子X射线衍射照片 3 DNA分子X射线衍射照片 4 DNA双螺旋结构模型 double helicalstructure JamesWatson FrancisCrick 1953年 JamesWatson Francis 1 两条链反向平行 共同围绕一个假想的中心轴呈右手双螺旋结构 亲水磷酸 戊糖为骨架 疏水碱基向内 二 DNA双螺旋结构要点 2 双螺旋直径约为2nm 每10个核苷酸形成一个螺旋 螺距3 4nm 3 碱基对互补 碱基之间氢键连接 A T G C 配对碱基在同一平面 碱基平面垂直于中心轴 氢键维持DNA双链横向稳定性 疏水的碱基堆积力维持双链纵向稳定性 主要 4 稳定双螺旋结构的力 其中碱基堆积力是使DNA结构稳定的最主要因素 5 双螺旋的表面形成大沟 majorgroove 和小沟 minorgroove 二者交替出现 是蛋白质 DNA相互作用的基础 其他螺旋形式 Z DNA 左手双螺旋 A型 C型 D型DNA的多链螺旋结构 Watson Crick双螺旋结构模型称为B型结构 小结 1 碱基组成规则 Chargaff规则 A T G C A G T C 有种属特异性无组织 器官特异性 3 碱基互补配对 AT配对 两个氢键 GC配对 三个氢键 碱基对平面垂直纵轴 2 直径为2 0nm 10bp 圈 螺距为3 4nm 5 表面功能区 小沟较浅 大沟较深 是蛋白质识别DNA碱基序列的基础 4 维持结构稳定的力量 氢键维持双链横向稳定 碱基堆积力维持螺旋纵向稳定 2 Watson Crick双螺旋结构模型 B DNA 1 反平行双链 右手双螺旋 脱氧核糖 磷酸骨架位于外侧 碱基对位于内侧 超螺旋结构 superhelix或supercoil DNA双螺旋链进一步盘曲所形成的构象即超螺旋结构 三 DNA的超螺旋结构与染色质组装 一 DNA的超螺旋结构 正超螺旋 positivesupercoil 右手超螺旋盘绕方向与DNA双螺旋方同相同 负超螺旋 negativesupercoil 左手超螺旋盘绕方向与DNA双螺旋方向相反 二 真核生物细胞中DNA的组装 核小体是真核细胞染色体的基本结构单位 核小体的组成DNA 约200bp组蛋白 H1H2A H2BH3H4 核小体结构 组蛋白H2A H2B H3 H4各两分子构成一个八聚体 由146bpDNA双螺旋沿着组蛋白八聚体核心绕1 75圈 形成核心颗粒 coreparticle 各核心颗粒间有一个连接区 由60bp的DNA链和1个分子组蛋白H1构成 染色质纤维 人类46条染色体的DNA总长可达1 7m 经过螺旋化压缩 实际总长只有200nm 第四节 RNA分子的结构与功能 RNA的特点及分类 结构特点 1 碱基组成 A G C U A U G C 核糖组成2 稀有碱基较多 稳定性较差 易水解 3 为单链结构 少数局部形成发夹结构or茎环结构 RNA的种类 核蛋白体RNAribosomalRNA rRNA 75 80 信使RNAmessengerRNA mRNA 2 3 转运RNAtransferRNA tRNA 10 25 一 RNA的一级结构 RNA分子中核糖核苷酸的排列顺序 核糖核苷酸的种类 A G C U A U G C 连接方式 3 5 磷酸二酯键 二 RNA的高级结构 主要为单链 但局部区域可因碱基互补而形成双链结构 茎 环 结构 一 RNA的一般结构 一 信使RNA MessengerRNA mRNA 真核生物mRNA结构特点 1 前体 不均一核RNA 需要经过加工过程2 5 末端有帽子结构 m7GpppNm 7 甲基鸟嘌呤核苷三磷酸 作用 保护mRNA免受降解 加速蛋白质翻译的起始速度3 3 端有多聚A尾 polyA 增加mRNA稳定性4 分子中有修饰碱基 主要是甲基化 如m6A5 分子中有编码区和非编码区 二 细胞内主要RNA的结构和生物学意义 真核细胞的基因结构 hnRNA 成熟mRNA 原核生物mRNA特点 1 多顺反子 2 5 无帽子结构 3 无多聚A尾 3 一般无修饰碱基 4 5 和3 端有非编码区 功能 合成蛋白质的模板 二 转运RNA TransferRNA tRNA 结构特点 1 含稀有碱基 DHU 假尿嘧啶 mG mA 2 3 端为CCA OH结构 与氨基酸相连 2 二级结构为三叶草形 4环4臂3 三级结构为倒 L 形 分子最小 功能 转运氨基酸至蛋白质合成场所 DHU环 反密码环 T C环 额外环 可变的 tRNA的二级结构三叶草形 反密码子 氨基酸臂 tRNA的 倒L 型三级结构 在三叶草型二级结构的基础上 突环上未配对的碱基由于整个分子的扭曲而配成对 目前已知的tRNA的三级结构均为倒L型 三 核糖体RNA RibosomalRNA rRNA 含量最多 与多种蛋白质结合成核糖体或核蛋白体 ribosome 功能 蛋白质合成的场所 rRNA是核糖体的组成成分 其种类和大小用S表示 21种 原核 真核 小亚基 rRNA蛋白质 rRNA蛋白质 大亚基 16S 18S 33种 5S 23S 5S 5 8S 28S 49种 34种 大小 30S 40S 大小 50S 60S 核蛋白体 大小 70S 80S 核蛋白体的组成 原核生物与真核生物的核糖体均由大亚基和小亚基构成 snmRNA参与基因表达的调控 smallnon messengerRNA 核内小RNA SmallnuclearRNA 核仁小RNA smallnucleolarRNA 胞质小RNA smallcytoplasmicRNA scRNA 催化性小RNA smallcatalyticRNA 小片断干扰RNA smallinterferingRNA 功能 在hnRNA和rRNA的转录后加工 转运以及基因表达过程的调控等方面具有重要的生理作用 一般性质 其他 紫外吸收变性 复性与杂交 第五节核酸的理化性质 一 核酸的酸碱性质 核酸通常显酸性 在中性或偏碱性条件下带负电荷 电泳 由负极向正极泳动沉淀 盐溶液中金属离子中和负电荷 二 核酸的高分子性质 粘度大核酸发生变性或水解时 粘度变小不同种类的核酸分子其分子量不同 形状不同分离 电泳 凝胶过滤 超速离心 三 核酸的紫外吸收 核酸分子中的碱基都有共轭双键 具有紫外吸收性质吸收峰在260nm 可用于核酸的定量 四 DNA的变性 denaturation 定义 在某些理化因素作用下 DNA双链解开成两条单链的过程 因素 过量酸 碱 加热 变性试剂如尿素 酰胺以及某些有机溶剂如乙醇 丙酮等 变性后其它理化性质变化 A260增高 增色效应 hyperchromiceffect 指DNA变性后其紫外吸收明显增强的效应 减色效应 DNA复性时 其溶液OD260降低 增色效应 A260增加 粘度降低沉降速度增加 在DNA双螺旋结构中碱基藏入内侧 变性时DNA双螺旋解开 于是碱基外露 碱基中电子的相互作用更有利于紫外吸收 故而产生增色效应 DNA变性的本质 维持双螺旋稳定性的氢键断裂 碱基间的堆积力遭到破坏 但不涉及到其一级结构 磷酸二酯键 的改变 更具典型意义 加热引起的DNA变性称为 由于DNA的热变性是加热引起DNA双螺旋结构解体成为单链的过程 所以又称为DNA解链或融解作用 DNA的热变性 Tm 变性是在一个相当窄的温度范围内完成 在这一范围内 紫外光吸收值达到最大值的50 时的温度称为DNA的解链温度 又称融解温度 meltingtemperature Tm 影响Tm值的因素 1 G C的相对含量 G C的含量高 Tm高 因G C之间有三个氢键 A T有两个氢键 故G C较A T稳固 2 核酸分子长度 核酸分子越长 解链时所需能量越高 Tm值越大 3 与离子强度有关 溶液的离子强度较高时 Tm值较