核酸的结构与功能课件.ppt

StructureandFunctionofNucleicAcid 核酸的结构与功能 1 2020 3 10 核酸的发现和研究史 1953年Watson和Crick发现DNA的双螺旋结构1958年Crick提出遗传信息传递的中心法则 1868年FridrichMiescher从脓细胞中提取 核素 1944年Avery等人通过肺炎球菌转化试验证实DNA是遗传物质 2 1968年Nirenberg发现遗传密码1973年美国斯坦福大学首次进行了体外基因重组1975年Temin和Baltimore发现逆转录酶1981年Gilbert和Sanger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2003年完成人类基因组计划20世纪末发现许多具有特殊功能的RNA 3 核酸 nucleicacid 遗传的物质基础 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 元素组成C H O N P 4 核酸的种类及分布及功能 存在于细胞核和线粒体 分布于细胞核 细胞质 线粒体 deoxyribonucleicacid DNA ribonucleicacid RNA 脱氧核糖核酸 核糖核酸 携带遗传信息 并通过复制的方式将遗传信息传递给下一代 是DNA转录的产物 参与遗传信息的复制与表达 某些病毒的RNA也可作为遗传信息的载体 5 第一节核酸的化学组成以及一级结构TheChemicalComponentandPrimaryStructureofNucleicAcid 6 核酸的组成 7 核苷酸的分子组成 一 核苷酸是构成核酸的基本组成单位 8 碱基是含氮的杂环化合物 碱基 嘌呤 嘧啶 腺嘌呤A鸟嘌呤G 胞嘧啶C尿嘧啶U胸腺嘧啶T 存在于DNA和RNA中 仅存在于RNA中仅存在于DNA中 10 嘌呤 purine Pu 腺嘌呤 adenine A 鸟嘌呤 guanine G 11 嘧啶 pyrimidine Py 胞嘧啶 cytosine C 尿嘧啶 uracil U 胸腺嘧啶 thymine T 12 碱基的互变异构体 13 戊糖 14 嘧啶N 1与核糖C 1 通过 N 糖苷键相连形成核苷 ribonucleoside 核苷 嘌呤N 9与脱氧核糖C 1 通过 N 糖苷键相连形成脱氧核苷 deoxyribonucleoside 脱氧核苷 15 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 16 多磷酸核苷酸 17 2020 3 10 构成RNA的碱基 核苷以及核苷酸 18 构成DNA的碱基 核苷 核苷酸 19 体内重要的游离核苷酸及其衍生物 多磷酸核苷酸 NMP NDP NTP环化的核苷酸 cAMP cGMP含核苷酸的生物活性物质 NAD NADP CoA SH FAD等都含有AMP 20 环化核苷酸 cAMP cGMP 是细胞信号转导中的第二信使 核苷酸衍生物 cAMP cGMP 21 生物氧化体系的重要成分 在传递质子或电子的过程中具有重要的作用 烟酰胺腺嘌呤二核苷酸 nicotinamideadeninedinucleotide NAD 辅酶I 22 辅酶A 体内乙酰化反应的辅酶 对糖 脂肪及蛋白质的代谢起重要作用 其中对脂肪代谢的促进作用更加重要 23 黄素腺嘌呤二核苷酸 FAD 糖代谢三羧酸循环中的一种重要辅基 是一种比NAD 和NADP 更强的氧化剂 能参与两个连续的电子传递或同时发生的两个电子的传递 24 核苷酸的生物学功用 作为核酸合成的原料体内能量的利用形式参与代谢和生理调节组成辅酶活化中间代谢物生成活性物质 25 一个脱氧核苷酸3 的羟基与另一个脱氧核苷酸5 的 磷酸基团缩合形成3 5 磷酸二酯键 phosphodiesterbond 二 DNA是脱氧核苷酸通过3 5 磷酸二酯键连接形成的大分子 26 交替的磷酸基团和戊糖构成了DNA的骨架 backbone DNA链的合成方向是5 3 27 核酸共价结构的表示方法 结构式 竖线式 文字式 结构式 竖线式 文字式 28 三 核酸的一级结构是核苷酸的排列顺序 核酸的一级结构是核苷酸的排列顺序 由于核苷酸间的差异主要是碱基不同 也叫碱基序列 单链DNA和RNA分子大小用核苷酸 nucloide nt 表示双链DNA用碱基对 basepair bp 或千碱基对kbp表示 29 30 第二节DNA的空间结构与功能DimensionalStructureandFunctionofDNA 31 一 DNA的二级结构是双螺旋结构 32 不同生物种属的DNA的碱基组成不同同一个体的不同器官或组织的DNA碱基组成相同对于一特定组织的DNA 其碱基组分不随年龄 营养状态和环境而变化 A T G C A G T C Chargaff规则 一 DNA双螺旋结构的实验基础 获得了高质量的DNA分子的X射线衍射照片 1962年诺贝尔生理学 医学奖 提出了DNA分子双螺旋结构 doublehelix 模型 二 DNA双螺旋结构模型要点 DNA分子是由两条长度相同 方向相反的平行多核苷酸链围绕同一中心轴构成的双螺旋结构 两条螺旋都是右手螺旋 表面形成了凹下去的大沟和小沟 双螺旋直径2 37nm 磷酸和脱氧核糖相连而成的糖 磷酸骨架位于螺旋外侧 碱基位于内侧 相邻碱基间堆砌距离0 34nm 旋转夹角36 每旋转一周包括10 5个脱氧核苷酸对 螺距为3 54nm 36 2020 3 10 两条多核苷酸链通过碱基间的氢键连接 遵从碱基互补配对原则 A T配对 形成两个氢键G C配对 形成三个氢键 37 2020 3 10 维持DNA双螺旋结构稳定的因素 碱基堆积力 范德华力和疏水力 和氢键 脱氧核糖平面与螺旋的纵轴平行碱基平面与螺旋的纵轴垂直 38 2020 3 10 三 DNA双螺旋结构的多样性 39 2020 3 10 三种DNA构型的比较 40 三链结构 Hoogsteen氢键 四 DNA的多链结构 41 2020 3 10 4个鸟嘌呤之间通过8个Hoogsteen氢键形成特殊的四链结构 tetraplex 四链结构 真核生物DNA3 末端是富含GT的多次重复序列 因而自身形成了折叠的四链结构 42 2020 3 10 二 DNA的高级结构是超螺旋结构 超螺旋结构 superhelix或supercoil DNA在双螺旋结构的基础上 进一步旋转折叠 在蛋白质的参与下组装成的空间构象 对于DNA复制和RNA转录过程具有关键作用 43 2020 3 10 一 原核生物DNA的环状超螺旋结构 原核生物DNA多为共价封闭环状的双螺旋分子 以负超螺旋的形式存在 平均每200碱基就有一个超螺旋形成 44 2020 3 10 DNA超螺旋结构的电镜图象 45 2020 3 10 二 真核生物DNA以核小体为单位形成高度有序致密结构 真核生物DNA以非常有序的形式存在于细胞核内 在细胞周期的大部分时间里 DNA以松散的染色质 chromatin 形式存在 在细胞分裂期 则形成高度致密的染色体 chromosome 46 2020 3 10 DNA染色质呈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 47 2020 3 10 DNA 约210bp组蛋白 H1H2A H2BH3H4 核小体的组成 核小体的核心颗粒 48 2020 3 10 核小体串珠样的结构 49 2020 3 10 双链DNA的折叠和组装 50 2020 3 10 DNA经过多次折叠 被压缩了8000 10000倍 组装在直径只有数微米的细胞核内 51 2020 3 10 DNA的基本功能是以基因的形式荷载遗传信息 并为基因复制和转录提供了模板 它是生命遗传的物质基础 也是个体生命活动的信息基础 基因是携带遗传信息的DNA片段 DNA具有高度稳定性的特点 用来保持生物体系遗传的相对稳定性 同时 DNA又表现出高度复杂性的特点 它可以发生各种重组和突变 适应环境的变迁 为自然选择提供机会 三 DNA是遗传信息的物质基础 52 2020 3 10 第三节RNA的结构与功能StructureandFunctionofRNA 53 2020 3 10 RNA与蛋白质共同负责基因的表达和表达过程的调控 RNA通常以单链的形式存在 但有复杂的局部二级结构或三级结构 RNA比DNA小的多 RNA的种类 大小和结构远比DNA表现出多样性 54 2020 3 10 动物细胞内主要的RNA种类及功能 55 2020 3 10 信使RNA messengerRNA mRNA 是细胞内合成蛋白质的模板 生物体内mRNA的丰度最小 种类最多 大小也各不相同 寿命最短 真核生物mRNA的初级产物为不均一核RNA hnRNA 含有内含子 intron 和外显子 exon hnRNA经过剪切后成为成熟的mRNA 一 mRNA是蛋白质合成中的模板 56 2020 3 10 真核生物mRNA成熟过程 剪接 基因是由外显子和内含子相间排列而成 是分裂而不连续的 称为断裂基因 57 2020 3 10 成熟的mRNA由氨基酸编码区和非编码区 untranslatedregion UTR 即5 UTR和3 UTR构成 5 末端的帽子 cap 结构和3 末端的多聚A尾 poly Atail 结构 从5 端的第一个AUG开始 每三个相邻的核苷酸为一组编码一个氨基酸 这种核苷酸三联体称为遗传密码 codon 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 openreadingframe ORF 决定了多肽链的氨基酸序列 1 成熟的真核生物mRNA 碱基序列决定蛋白质的氨基酸序列 58 2020 3 10 2 真核生物mRNA的5 端有特殊帽结构 mRNA的帽子结构可以与帽结合蛋白 capbindingprotein CBP 结合 59 2020 3 10 真核生物的mRNA的3 末端转录后加上一段长短不一的聚腺苷酸 3 真核生物mRNA的3 末端有多聚腺苷酸尾 mRNA的多聚A尾在细胞内与poly A 结合蛋白 poly A bindingprotein PABP 结合存在 60 2020 3 10 mRNA核内向胞质的转位mRNA的稳定性维系翻译起始的调控 帽子结构和多聚A尾的功能 61 2020 3 10 62 2020 3 10 转运RNA transferRNA tRNA 活化 搬运氨基酸到核糖体 参与蛋白质的生物合成 5 末端大多数为pG 3 末端为 CCA OH 由74 95核苷酸组成 含10 20 的稀有碱基 占细胞总RNA的15 具有很好的稳定性 二 tRNA是蛋白质合成中的氨基酸载体 63 2020 3 10 1 tRNA中含有多种稀有碱基 稀有碱基 rarebase 是指除A G C U外的一些碱基 64 2020 3 10 局部的茎环 stem loop 结构或发卡 hairpin 结构 2 tRNA含有茎环结构 tRNA的3 末端为CCA结尾 3 末端的A与氨基酸以酯键相连生成氨基酰 tRNA 不同的tRNA结合不同的氨基酸 3 tRNA的3 末端连接氨基酸 66 2020 3 10 tRNA的反密码子环上有反密码子 anticodon 反密码子通过碱基互补识别mRNA上的密码子 4 tRNA的反密码子识别mRNA的密码子 67 2020 3 10 tRNA的二级结构主要特征 三环四臂氨基酸臂3 端有CCA OH的共有结构DHU环上有二氢尿嘧啶 DHU 反密码环上的反密码子与mRNA上的密码子互补结合可变环上的核苷酸数目可以变动T C环含有T 和C含有修饰碱基和不变核苷酸 68 2020 3 10 tRNA的倒L三级结构 核糖体RNA ribosomalRNA rRNA 是细胞内含量最多的RNA 80 一般rRNA分子有40 左右的螺旋结构 rRNA 60 与核糖体蛋白 40 结合构成核糖体 ribosome 为蛋白质的合成提供场所 三 以rRNA为组分的核糖体是蛋白质合成的场所 核糖体的组成 大肠杆菌的核糖体 四 其他非编码RNA参与基因表达的调控 长链非编码RNA longnon codingRNA lncRNA 短链非编码RNA smallnon codingRNA sncRNA 非编码RNA Non codingRNA ncRNA 不编码蛋白质但具有重要生物学功能的RNA分子 核酶 ribozyme 小干扰RNA smallinterferingRNA siRNA 微RNA microRNAs RNA干扰技术 RNAi利用具有同源性的双链RNA dsRNA 诱导序列特异的目标基因的沉寂 迅速阻断基因活性 是一种典型的负调控 基因功能研究药物靶标确认疾病治疗抗病毒治疗肿瘤治疗 核酸的理化性质ThePhysicalandChemicalCharactersofNucleicAcid 第四节 RNA为白色粉末状 DNA是白色纤维状固体 二者均溶于水 而不溶于一般有机溶剂中 故常用冷乙醇从水溶液中将核酸沉淀出来 核酸是两性电解质 酸性的磷酸基和碱性的碱基 DNA在pH4 11间最稳定 超出此范围易变性 大多数DNA为线性分子 长度可达数厘米 直径仅为2nm 故DNA溶液粘度很高 分子极易断裂 RNA溶液粘度较小 核酸的一般性质 一 核酸分子具有强烈的紫外吸收 核酸在波长260nm处有强烈的吸收 是由碱基的共轭双键所决定的 这一特性常用作核酸的定性和定量分析 紫外线照射可引起DNA突变 也是由于DNA中的核苷酸吸收紫外光造成的 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 78 二 DNA变性是双链解离为单链的过程 DNA变性 DNAdenaturation 某些理化因素导致DNA双链互补碱基对之间的氢键发生断裂 DNA双链解离为单链的过程 DNA变性的本质 磷酸二酯键的断裂称核酸降解 79 部分变性DNA的电镜图像 80 DNA变性时其溶液OD260增高的现象 DNA解链时的紫外吸收变化 增色效应 hyperchromiceffect 81 DNA的解链曲线 连续加热DNA的过程中以温度相对于A260值作图 所得的曲线称为解链曲线 meltingcurve 82 G C含量越高 解链温度就越高 解链曲线的变化 83 三 变性的核酸可以复性或形成杂交双链 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 减色效应 DNA复性时 其溶液OD260降低 热变性的DNA经缓慢冷却后即可复性 这一过程称为退火 annealing 84 不同种类的DNA单链分子或RNA分子放在同一溶液中 只要两种单链分子之间存在着一定程度的碱基配对关系 就可能形成杂化双链 heteroduplex 核酸分子杂交 hybridization 这种杂化双链可以在不同的DNA与DNA之间形成 也可以在DNA和RNA分子间或者RNA与RNA分子间形成 这种现象称为核酸分子杂交 85 研究DNA分子中某一种基因的位置鉴定两种