《核酸备课用》PPT课件.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 一 核酸的发现和研究工作进展 1868年FridrichMiescher从脓细胞中提取 核素 1944年Avery等人证实DNA是遗传物质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2001年美 英等国完成人类基因组计划基本框架 二 核酸的分类及分布 第一节核酸的化学组成及其一级结构TheChemicalComponentandPrimaryStructureofNucleicAcid 核酸的化学组成 1 元素组成C H O N P 9 10 嘌呤 purine 腺嘌呤 adenine A 鸟嘌呤 guanine G 碱基 嘧啶 pyrimidine 胞嘧啶 cytosine C 尿嘧啶 uracil U 胸腺嘧啶 thymine T 戊糖 核苷 AR GR UR CR脱氧核苷 dAR dGR dTR dCR 一 核苷酸的结构 核苷酸 AMP GMP UMP CMP脱氧核苷酸 dAMP dGMP dTMP dCMP 体内重要的游离核苷酸及其衍生物 含核苷酸的生物活性物质 NAD NADP CoA SH FAD等都含有AMP 多磷酸核苷酸 NMP NDP NTP 环化核苷酸 cAMP cGMP C G A 二 核酸的一级结构 定义核酸中核苷酸的排列顺序 由于核苷酸间的差异主要是碱基不同 所以也称为碱基序列 书写方法 5 pApCpTpGpCpT OH3 5 ACTGCT3 目录 第二节DNA的空间结构与功能DimensionalStructureandFunctionofDNA 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 一 DNA的二级结构 双螺旋结构 一 DNA双螺旋结构的研究背景 目录 JamesWatson L andFrancisCrick R andthemodeltheybuiltofthestructureofDNA ImagefromtheInternet 二 DNA双螺旋结构模型要点 Watson Crick 1953 DNA分子由两条相互平行但走向相反的脱氧多核苷酸链组成 两链以 脱氧核糖 磷酸 为骨架 以右手螺旋方式绕同一公共轴盘 螺旋直径为2nm 形成大沟 majorgroove 及小沟 minorgroove 相间 目录 二 DNA双螺旋结构模型要点 Watson Crick 1953 碱基垂直螺旋轴居双螺旋内側 与对側碱基形成氢键配对 互补配对形式 A T G C 相邻碱基平面距离0 34nm 螺旋一圈螺距3 4nm 一圈10对碱基 目录 二 DNA双螺旋结构模型要点 Watson Crick 1953 氢键维持双链横向稳定性 碱基堆积力维持双链纵向稳定性 目录 碱基互补配对 T A G C 三 DNA双螺旋结构的多样性 目录 1 B DNA atson和Crick是以在生理盐溶液中抽出的DNA纤维在92 相对湿度下进行X 射线衍射图谱为依据进行推设的 在这一条件下得出的DNA称B构象 这也是最常见的DNA构象 简称B DNA 是DNA纳盐 2 A DNA及其他右手螺旋DNAA构象 钠 钾或铯作反离子 相对湿度75 DNA分子的X 射线衍射图 不仅出现于脱水DNA中 还出现在RNA分子中的双螺旋区域的DNA RNA杂交分子中 C构象 锂作反离子 相对湿度66 仅在实验室中观察到 还未在生物体中发现 如果DNA分子中G C碱基对较少 这些分子将取D和E构象 这些研究表明DNA的分子结构不是一成不变的 在不同的条件下可以有所不同 不同构象的DNA都有共同的一点 即它们都是右手双螺旋 两条反向平行的核苷酸链通过 atson Crick碱基配对结合在一起 链的重复单位是单核苷酸 这些螺旋中都有两个螺旋沟 分为大沟与小沟 只是它们的宽窄和深浅程度有所不同 2 2 3DNA结构的多态性 右手螺旋 A DNA B DNA C DNA D DNA E DNA 左手螺旋 Z DNA 3 Z DNA1979年 Wang和Rich等人在研究人工合成的CGCGCG单晶的X 射线衍射图谱时分别发现这种六聚体的构象与上面讲到的完全不同 它是左手双螺旋 在主链中各个磷酸根呈锯齿状排列 有如 之 字形一样 因此叫它Z构象 Zigzag 这一构象中的重复单位是二核苷酸而不是单核苷酸 而且Z DNA只有一个螺旋沟 它相当于B构象中的小沟 它狭而深 大沟则不复存在 轴心线在碱基对之外 A B Z 12 二 DNA分子的高级结构 一 单链核酸形成的二级结构 有些病毒基因组由单链DNA或RNA组成 单链核酸也可由于部分序列之间的碱基配对而形成分子内或分子间的双螺旋区域 当同一个核酸分子中一段碱基序列附近紧接着一段它的互补序列时 核酸链有可能自身回折配对产生一个反平行的双螺旋结构 成为发夹 hairpin 二 反向重复序列与二级结构 反向重复序列 invertedrepeat 又称回文结构 指在双链DNA序列中按确定的方向阅读双链中的每一条链的序列都是相同的 5 GGTACC3 3 CCATGG5 在DNA中 如果两条互补链分开 每条链上的互补序列都有机会发生碱基配对而形成一个发夹 两个相对的发夹结构形成了一个十字形结构 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 AATTCAAGGGAGAAGTATAGAAGAGGGAAGGATCTTAAGTTCCCTCTTCATATCTTCTCCCTTCCTAG 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 镜像重复 三 DNA的超螺旋结构及其在染色质中的组装 一 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 positivesupercoil 盘绕方向与DNA双螺旋方同相同 负超螺旋 negativesupercoil 盘绕方向与DNA双螺旋方向相反 DNA的高级结构指DNA本身的进一步盘绕成超螺旋的结构 形成特定的空间结构DNA的超螺旋负超螺旋松弛DNA正超螺旋空间结构改变 10bp 螺旋 空间结构改变 拓扑异构酶or溴化乙锭 拓扑异构酶or溴化乙锭 轴心在中心 DNA扭曲与双螺旋相同 DNA扭曲与双螺旋相反 DNA双螺旋额外多或少转几圈 空间机构改变 产生额外张力得不到释放 导致原子空间重排 造成扭曲 超螺旋 在电场的作用下 相同分子量的超螺旋环状DNA比线性DNA迁移率大 线性DNA迁移率大于开链DNA 琼脂糖电泳 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 二 原核生物DNA的高级结构 原核生物染色体 较简单 只有一个核酸分子 DNA或RNA 大多呈环状 与蛋白质结合 转录 翻译可以同时同地进行 在细胞质中完成 因此 转录 翻译速度快 三 DNA在真核生物细胞核内的组装 真核生物染色体由DNA和蛋白质构成 其基本单位是核小体 nucleosome 核小体的组成DNA 约200bp组蛋白 H1H2A H2BH3H4 真核生物染色体 染色质的基本结构 串珠模型 1 核心颗粒 由H2A H2B H3 和H4四种组蛋白各以两个分子组成的八聚体和盘绕其表面的DNA双螺旋组成 2 连接丝 DNA双链3 组蛋白H1 串珠模型DNA 组蛋白核小体螺旋体 30nmfiber 超螺旋体 300nmloop 染色体 人类总DNA长度 180cm 140bp 八聚体 1 75 缩短7倍 螺旋化 缩短6倍 进一步螺旋化 缩短40倍 盘绕 缩短4倍 串珠模型 非组蛋白在稳定高级结构起作用 可能是骨架蛋白 30nm的基质 三 DNA的功能 DNA的基本功能是以基因的形式荷载遗传信息 并作为基因复制和转录的模板 它是生命遗传的物质基础 也是个体生命活动的信息基础 第三节RNA的结构与功能 StructureandFunctionofRNA RNA的种类 分布 功能 一 信使RNA的结构与功能 内含子 intron mRNA成熟过程 外显子 exon 目录 mRNA结构特点 1 大多数真核mRNA的5 末端均在转录后加上一个7 甲基鸟苷 同时第一个核苷酸的C 2也是甲基化 形成帽子结构 m7GpppNm 2 大多数真核mRNA的3 末端有一个多聚腺苷酸 polyA 结构 称为多聚A尾 帽子结构 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 mRNA的功能把DNA所携带的遗传信息 按碱基互补配对原则 抄录并传送至核糖体 用以决定其合成蛋白质的氨基酸排列顺序 tRNA的一级结构特点含10 20 稀有碱基 如DHU3 末端为 CCA OH5 末端大多数为G具有T C 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环反密码环额外环T C环 氨基酸臂 额外环 tRNA的二级结构 三叶草形状RNA三叶草型的二级结构可分为 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 如图所示 tRNA的三级结构 倒L形 tRNA的功能活化 搬运氨基酸到核糖体 参与蛋白质的翻译 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 如图所示 rRNA的结构 三 核蛋白体RNA的结构与功能 rRNA的功能参与组成核蛋白体 作为蛋白质生物合成的场所 rRNA的种类 根据沉降系数 真核生物5SrRNA28SrRNA5 8SrRNA18SrRNA 原核生物5SrRNA23SrRNA16SrRNA 核蛋白体的组成 四 其他小分子RNA 除了上述三种RNA外 细胞的不同部位存在的许多其他种类的小分子RNA 统称为非mRNA小RNA smallnon messengerRNAs snmRNAs snmRNAs snmRNAs的种类核内小RNA snRNA 核仁小RNA snoRNA 胞质小RNA scRNA 催化性小RNA小片段干涉RNA snmRNAs的功能参与hnRNA和rRNA的加工和转运 核酸的理化性质ThePhysicalandChemicalCharactersofNucleicAcid 第四节 目录 一 核酸的一般理化性质 一 核酸具有大分子的一般特性 表示核酸分子的大小通常用 1 分子量道尔顿2 碱基或碱基对 bp 数3 链长 m 4 沉降系数 s 相互关系为 1bp 660道尔顿 1 m双链DNA 3000bp或2 106道尔顿 二 核酸分子中含有酸性磷酸基和碱基上的碱性基团 故为两性解离电解质 通常表现为酸性 因此可利用电泳和离子交换法分离不同的核酸 三 核酸分子中碱基含有共轭双键 具有吸收紫外线的性质 最大吸收峰在260nm处 此特性用于核酸的定性 定量分析 1 DNA或RNA的定量OD260 1 0相当于50 g ml双链DNA40 g ml单链DNA 或RNA 20 g ml寡核苷酸2 判断核酸样品的纯度DNA纯品 OD260 OD280 1 8RNA纯品 OD260 OD280 2 0 OD260的应用 目录 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 目录 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OD260增高的现象 目录 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 目录 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 其大小与G C含量成正比 目录 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 热变性的DNA经缓慢冷却后即可复性 这一过程称为退火 annealing 目录 在DNA变性后的复性过程中 如果将不同种类的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 在适宜的条件 温度及离子强度 下 就可以在不同的分子间形成杂化双链 heteroduplex 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