核酸的结构与功能1临床3班

1,核酸的结构和功能,Structure and Function of Nucleic Acid,第 二 章,生物化学与分子生物学教研室 江 渝,Tel:752942(O); E-mail: 2014-09-15,2,Review:蛋白质结构与功能的关系变构效应、协同效应蛋白质的理化性质,两性电离 胶体性质变性和复性紫外吸收呈色反应,3,蛋白质的分离、纯化与结构分析 透析(dialysis) 盐析(salt precipitation) 免疫沉淀法 电泳(electrophoresis) 。 （1）SDS-聚丙烯酰胺凝胶电泳（2）二维电泳 层析(chromatography) 超速离心法反向遗传学方法分析多肽链中氨基酸序列,4,本章（4学时）内容:,核酸的组成与一级结构DNA的空间结构与功能RNA的分类、结构特点和功能核酸的理化性质核酸酶和核酶的概念,2学时,2学时,5,教学目的： 掌握核酸的组成、结构、功能及理化性质教学重点： DNA的双螺旋结构教学难点： 分子杂交技术的原理,6,核 酸(nucleic acid),是以核苷酸为基本组成单位、以磷酸二酯键为连接方式的生物大分子，携带和传递遗传信息。,Nucleic Acid,核苷酸,7,核酸的分类及分布,基因的化学本质一段有功能的 DNA序列,8,1944年， O. Avery： 试管里进行了转化实验 只需要将从S型菌株中提取的一种抽提液加入到R型菌株，就能使R型菌株转化为S型菌株。,1）用蛋白酶处理这种抽提液 它仍然有活性，因此不是蛋白质2）用核糖核酸酶处理这种抽提液 它仍然有活性，因此不是RNA3）用脱氧核糖核酸酶处理这种抽提液 它不再有活性，因此应该是DNA,能使R型菌株转化为S型菌株的物质的本质是DNA（脱氧核糖核酸）,9,中心法则（Central Dogma）,10,中心法则（Central Dogma）,11,第一节核酸的化学组成及其一级结构The Chemical Component and Primary Structure of Nucleic Acid,12,一、核苷酸是构成核酸的基本组成单位,13,2.元素组成C、H、O、N、P（910%）,核酸的结构,14,1）碱 基,碱基(base)是含氮的杂环化合物。,碱基,嘌呤,嘧啶,腺嘌呤,鸟嘌呤,尿嘧啶,胸腺嘧啶,胞嘧啶,存在于DNA和RNA中,仅存在于RNA中,仅存在于DNA中,15,嘌呤(purine),腺嘌呤(adenine, A),鸟嘌呤(guanine, G),1）碱 基,共轭双键,16,1）碱 基,嘧啶(pyrimidine),胞嘧啶(cytosine, C),尿嘧啶(uracil, U),胸腺嘧啶(thymine, T),共轭双键,17,碱基互补配对,T（U）,A,G,C,18,2）戊 糖,19,核苷：AR, GR, UR, CR脱氧核苷：dAR, dGR, dTR, dCR,核苷(ribonucleoside)的形成,碱基和核糖（脱氧核糖）通过糖苷键连接形成核苷（脱氧核苷）。,20,核苷酸：AMP, GMP, UMP, CMP脱氧核苷酸：dAMP, dGMP, dTMP, dCMP,核苷酸(ribonucleotide)的形成,核苷（脱氧核苷）和磷酸以磷酸酯键连接形成核苷酸（脱氧核苷酸）。,21,A,腺苷,一磷酸,（AMP）,（ADP）,（ATP）,O,磷 酸,多磷酸核苷酸,22,两类 核酸在分子组成上的异同点,RNA,DNA,磷 酸,A G,C,RNA,核 糖,DNA,脱氧核糖,U,T,23,RNA,A U C G,U,U,UDP,CTP,AMP,DNA,A T C G,T,T,dADP,dTTP,dGMP,核苷酸的命名及其符号,dCTP,GMP,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 等都含有核苷酸,环化核苷酸: cAMP，cGMP，细胞信号转导中的第二信使。,25,cAMP,26,C,G,A,思考：如果3位也脱氧？,C,27,二、核酸的一级结构,定义核酸中核苷酸从5末端到3末端的排列顺序。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。,G,A,C,28,多核苷酸链中戊糖和磷酸基团构成其骨架结构核苷酸之间以磷酸二酯键连接遗传信息储存在碱基的序列中核酸分子的大小常用碱基（对）数（base or base pair，bp）或千碱基（对）数（kilobase, kb, kilobase pair, or kbp）来表示。小的核酸片段(50bp)常被称为寡核苷酸(oligonucleotide)。自然界中的DNA和RNA的长度可以高达几十万个碱基。,二、核酸的一级结构,与蛋白质大分子的构建比较?,29,书写方法,5 pApCpTpGpCpT-OH 3,5 A C T G C T 3,二、核酸的一级结构,书写规则：从5末端到3末端,30,小 结核酸的化学组成 元素组成 分子组成 DNA与RNA区别核酸的一级结构,31,第二节DNA的空间结构与功能spatial Structure and Function of DNA,32,DNA的空间结构又分为二级结构(secondary structure)和高级结构。,DNA的空间结构(spatial structure),构成DNA的所有原子在三维空间具有的确定的相对位置关系。,33,DNA的二级结构-双螺旋结构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,34,一、 DNA的二级结构 双螺旋结构（double helix）,不同生物种属的DNA的碱基组成不同A = T，G = C同一个体的不同器官或组织的DNA碱基组成相同。,（一）DNA双螺旋结构的研究背景,碱基组成分析Chargaff 规则：,DNA纤维的X-线衍射图谱分析,Erwin Chargaff 1905-2002,不同生物来源DNA碱基组分和相对比例,碱基的理化数据分析A-T、G-C以氢键配对较合理,（一）DNA双螺旋结构的研究背景,J.Watson J.Watson and F.Crick,标志了生物化学发展进入分子生物学时代,（二） DNA双螺旋结构模型要点（Watson, Crick, 1953）,DNA是反向平行、右手螺旋的双链结构螺旋直径为2.37nm，螺旋一圈螺距3.54nm两链以脱氧核糖-磷酸为骨架，位于外侧，疏水碱基位于内側大沟(major groove)及小沟(minor groove)相间。,39,DNA双链之间形成了互补碱基对与对侧碱基以氢键互补配对：A=T; GC碱基对平面与螺旋轴垂直相邻碱基平面距离0.34nm，一圈10.5对碱基。,（二） DNA双螺旋结构模型要点（Watson, Crick, 1953）,40,疏水作用力和氢键共同维持DNA双螺旋结构的稳定 碱基堆积力维持双链纵向稳定性，氢键维持双链横向稳定性。,（二） DNA双螺旋结构模型要点（Watson, Crick, 1953）,41,亲水性的骨架位于双链的外侧。 疏水性的碱基位于双链的内侧。,骨架与碱基,42,（三）DNA双螺旋结构的多样性,湿度 75% 92% 左手螺旋,43,（四）DNA的多链螺旋结构,Note: This Figure shows Triple stranded DNA,三链结构,四链结构,Hoogsteen氢键,44,二、DNA的高级结构是超螺旋结构,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,45,意义形成致密的结构组装在细胞核内。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、DNA的高级结构是超螺旋结构,46,（一）原核生物DNA的环状超螺旋结构,原核生物DNA多为环状，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。,47,（一）原核生物DNA的环状超螺旋结构,DNA超螺旋结构的电镜图象,48,（二）DNA在真核生物细胞核内的组装,细胞分裂期核内的染色体,细胞分裂间期核内松散的染色质,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)。,49,（二）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150bp 组蛋白：H1H2A，H2BH3H4,各两分子,50,（二）DNA在真核生物细胞核内的组装,51,（二）DNA在真核生物细胞核内的组装,52,DNA经过多次折叠，被压缩了800010000倍，组装在直径只有为数微米的细胞核内。,53,细胞核染色质Total DNA单个的基因,三、 DNA是遗传信息的物质基础,54,三、 DNA是遗传信息的物质基础,55,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。,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。,三、 DNA是遗传信息的物质基础,基因组： Genom