核酸的结构和功能

第三章 核酸的结构和功能,李春雷重庆三峡医药高专,学习内容,核酸的化学组成核酸的分子结构核酸的理化性质及应用,项目目标,掌握核酸的基本组成成分，构成核酸的基本单位，构成DNA和RNA的几种重要核苷酸熟悉核酸的一级结构和空间结构了解核酸的理化性质,核酸是一类重要的生物大分子，担负着生命信息的储存与传递。核酸是现代生物化学、分子生物学的重要研究领域，是基因工程操作的核心分子。,核酸的概述,核 酸(nucleic acid) 的概念,1、结构-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。2、功能-核酸是生物遗传的物质基础，决定生物的生长、繁殖以及生命的代谢模式。3、DNA储存信息；RNA传递并表达信息4、DNA- RNA-蛋白质,一、核酸的发现和研究工作进展,1868年 Fridrich Miescher从脓细胞中提取含磷丰富的酸性物质-“核素” 1944年 Avery等人证实DNA是遗传物质20世纪50年代初，Erwin Chargaff在测定多种生物的DNA组成后，发现A=T,G=C,这称为“Chargaff定则”1953年 Watson和Crick发现DNA的双螺旋结构1968年 Nirenberg发现遗传密码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1998年，国际水稻基因组计划，2000年5月，中国超级杂交水稻基因组计划 2001年 美、英等国完成人类基因组计划基本框架，2003年完成精细图谱,二、核酸的分类及分布,第一节 核酸的化学组成,核酸的化学组成,1. 元素组成C、H、O、N、P（910%）,2.分子组成,核酸,核苷酸,核苷,磷酸,碱基,戊糖,A G,C U T,核糖(RNA),脱氧核糖(DNA),一、戊 糖,嘌呤(purine),腺嘌呤(adenine, A),鸟嘌呤(guanine, G),二、碱 基,嘧啶(pyrimidine),胞嘧啶(cytosine, C),尿嘧啶(uracil, U),胸腺嘧啶(thymine, T),核酸中也存在一些不常见的稀有碱基。稀有碱基的种类很多，大部分是上述碱基的甲基化产物。,核 苷,核苷：AR, GR, UR, CR脱氧核苷：dAR, dGR, dTR, dCR,多磷酸核苷酸,能量载体-ATP 、GTP,合成核酸的原料-NTP 、dNTP,辅酶类核苷酸： NAD+、NADP+、CoA-SH、FAD 等都含有 AMP,5-磷酸端（常用5-P表示）；3-羟基端（常用3-OH表示）多聚核苷酸链具有方向性，当表示一个多聚核苷酸链时，必须注明它的方向是53或是35，一般默认为从左到右为5-3。,多聚核苷酸的表示方式,DNA RNA,5PdAPdCPdGPdTOH 3 5PAPCPGPUOH 或 5ACGTGCGT 3 5ACGUAUGU 3 ACGTGCGT ACGUAUGU,第二节 DNA的结构与功能,概念指DNA分子中脱氧核苷酸从53的排列顺序。,一、DNA的一级结构,DNA一级结构的意义,一个由N个碱基组成的DNA会有4N个可能的排列组合。生物界物种的多样性即寓于DNA分子中四种核苷酸千变万化的不同排列组合之中。,DNA的二级结构-双螺旋结构DNA双螺旋结构的研究背景和历史意义DNA双螺旋结构模型要点DNA的超螺旋结构及其在染色质中的组装DNA的超螺旋结构原核生物DNA的高级结构DNA在真核生物细胞核内的组装DNA的功能,二、DNA的空间结构,（一） DNA的二级结构双螺旋结构,1、DNA双螺旋结构的研究背景,2、 DNA双螺旋结构模型要点 （Watson, Crick, 1953）,两条DNA单链分子反向平行环绕，右手螺旋走向，表面大沟与小沟相间。外侧：戊糖 磷酸骨架 内侧：碱基对直径：2nm； 螺距：3.4nm； 周长：10对碱基。,DNA双螺旋结构模型要点 （Watson, Crick, 1953）,碱基形成氢键配对，配对形式为：A=T; GC） 。,碱基互补配对,T,A,C,G,DNA双螺旋结构模型要点 （Watson, Crick, 1953）,稳定因素：氢键维持横向稳定性 碱基堆积力维持纵向稳定性其他作用因素,3.DNA双螺旋结构的多样性,三种类型DNA的结构参数,（二） DNA的超螺旋结构,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(positive supercoil)盘绕方向与DNA双螺旋方同相同,负超螺旋(negative supercoil)盘绕方向与DNA双螺旋方向相反,意义DNA超螺旋结构整体或局部的拓扑学变化及其调控对于DNA复制和RNA转录过程具有关键作用。,原核生物DNA的高级结构,DNA在真核生物细胞核内的组装,真核生物染色体主要以染色质形式出现，其基本单位是核小体(nucleosome)。核小体的化学组成DNA：约200bp 组蛋白：H1 ,H2A, H2B,H3,H4,(三)DNA的功能,以基因的形式储存、传递、表达信息 DNA- RNA-蛋白质,基因从结构上定义，是指DNA分子中的特定区段，其中的核苷酸排列顺序决定了基因的功能。,第三节 RNA的结构与功能,Structure and Function of RNA,RNA的种类、分布、功能,（一）信使RNA的结构与功能,* 真核生物mRNA成熟过程,内含子（intron）,外显子（exon）,（一）信使RNA的结构与功能,* 真核生物mRNA结构特点,5末端帽子结构：m7GpppN（甲基化鸟苷）2. 3末端多聚腺苷酸尾：PolyA-tail。,帽子结构,促进mRNA由胞核向胞质的转位维持mRNA的稳定性翻译起始的调控,帽子结构和多聚A尾的功能,* mRNA的功能 把DNA的碱基序列翻译成蛋白质的氨基酸顺序。即为蛋白质的生物合成提供直接模板。,* tRNA的一级结构特点 含 1020% 稀有碱基 3末端为 CCA-OH 5末端大多数为G 具有 TC环,（二）转运RNA的结构与功能,N,N二甲基鸟嘌呤,N6-异戊烯腺嘌呤,双氢尿嘧啶,4-巯尿嘧啶,稀有碱基,* tRNA的二级结构三叶草形 氨基酸臂 DHU环 反密码子环 额外环 TC环,氨基酸臂,额外环,* tRNA的三级结构 倒L形,* tRNA的功能活化、转运氨基酸到核糖体，参与蛋白质的翻译。,* rRNA的结构* rRNA的功能参与组成核糖体，作为蛋白质生物合成的场所。,（三）核糖体RNA的结构与功能,核蛋白体的组成,核 酸 的 理 化 性 质The Physical and Chemical Characters of Nucleic Acid,第 四 节,核酸的酸碱及溶解度性质核酸为多元酸，具有较强的酸性，其中的碱基又具有碱性，所以为两性电解质。可与金属离子成盐，不溶于乙醇或异丙醇。核酸的高分子性质粘度： DNARNA dsDNA ssDNA沉降行为核酸的紫外吸收(OD260)单核苷酸 ssDNA(或RNA) dsDNA核酸的分离方法：电泳-依据分子量大小 离子交换法-依据电荷,一、核酸的一般理化性质,1.判断核酸样品的纯度DNA纯品: A260/A280 = 1.8RNA纯品: A260/A280 = 2.02. DNA或RNA的定量A260=1.0相当于50g/ml双链DNA40g/ml单链DNA（或RNA）20g/ml寡核苷酸,OD260的应用,二、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。,方法：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：,OD260增高粘度下降比旋度下降浮力密度升高酸碱滴定曲线改变生物活性丧失,DNA变性的本质是双链间氢键的断裂,例：变性引起紫外吸收值的改变,DNA的紫外吸收光谱,增色效应：DNA变性时其溶液A260增高的现象。,热变性,解链曲线：如果在连续加热DNA的过程中以温度对A260（absorbance，A，A260代表溶液在260nm处的吸光率）值作图，所得的曲线称为解链曲线。,Tm：DNA变性时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(melting temperature, Tm)。影响Tm的因素：DNA长度、G+C含量,三、DNA的复性与分子杂交,DNA复性(renaturation)的定义在适当条件下，变性DNA的两条互补链可恢复天然的双螺旋构象，这一现象称为复性。,减色效应 DNA复性时，其溶液OD260降低的现象。,热变性的DNA经缓慢冷却后即可复性，这一过程称为退火(annealing) 。,不同来源的核酸链分子复性时形成杂化双链过程叫分子杂交。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之间或者RNA与RNA之间形成。这种现象称为核酸分子杂交。,核酸分子杂交(hybridization),核酸分子杂交的应用研究DNA分子中某一种基因的位置确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是基因芯片技术的基础,1.核酸的分子组成（1）分类（2）基本成分（3）基本单位2.DNA的结构与功能（1）一级结构（2）DNA双螺旋结构,3.RNA的结构与功能（1）mRNA（2）tRNA（3）rRNA4.核酸的理化性质（1）核酸的紫外吸收（2）DNA变性和复性,小结(2011临床助理医师考试大纲),1.下列有关RNA的叙述错误的是A.主要有mRNA，tRNA和rRNA三类B.胞质中只有mRNA和tRNAC. tRNA是细胞内分子量最小的一种：RNAD. rRNA可与蛋白质结合E. RNA并不全是单链结构2.下列有关mRNA的叙述，正确的是A.为线状单链结构，5端有多聚腺苷酸帽子结构B.可作为蛋白质合成的模板C.链的局部不可形成双链结构D. 3末端特殊结构与mRNA的稳定无关,小测试,A.核苷酸在核酸长链上的排列顺序B.tRNA的三叶草结构C.DNA双螺旋结构D.DNA的超螺旋结构E. DNA的核小体结构3.属于核酸一级结构的描述是4.属于核糖核酸二级结构的描