第三章_核酸结构与功能

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 DNA Deoxyribonucleicacid 脱氧核糖核酸RNA Ribonucleicacid 核糖核酸 一 核酸的发现和研究工作进展 1865年 孟德尔 基因 颗粒性物质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1965年Nirenberg发现遗传密码1970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 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TheChemicalComponent 核酸的化学组成 1 元素组成C H O N P 9 10 一 戊糖 戊糖的第一位和碱基形成糖苷键 形成的化合物为核苷 嘌呤 purine 腺嘌呤 adenine A 鸟嘌呤 guanine G 二 碱基 核酸中的碱基是含氮杂环化合物 DNA和RNA都有 嘧啶 pyrimidine 胞嘧啶 cytosine C 尿嘧啶 uracil U 胸腺嘧啶 thymine T Thestructureofbase 嘌呤 嘧碇 碱基 碱基的互变异构 酮式 烯醇C OC OHNN氨基 亚氨基C NH2C NH2 HNHN受介质pH影响 胺式亚胺式互变异构 酮式烯醇式互变异构 碱基的结构特征 嘌呤碱和嘧啶碱分子中都含有共轭双键体系 在紫外区有吸收 260nm左右 核苷 AR GR UR CR脱氧核苷 dAR dGR dTR dCR 3 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 核苷酸 AMP GMP UMP CMP脱氧核苷酸 dAMP dGMP dTMP dCMP 电脑模型图简化式 酯键 糖苷键 核苷酸 ribonucleotide 的结构与命名 核苷和磷酸以磷酸酯键连接 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 AMP ADP ATP cAMP ATP的性质 ATP分子的最显著特点是含有两个高能磷酸键 ATP水解时 可以释放出大量自由能 ATP是生物体内最重要的能量转换中间体 ATP水解释放出来的能量用于推动生物体内各种需能的生化反应 ATP也是一种很好的磷酰化剂 磷酰化反应的底物可以是普通的有机分子 也可以是酶 磷酰化的底物分子具有较高的能量 活化分子 是许多生物化学反应的激活步骤 稀有核苷酸 修饰成分 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 cAMP和cGMP cAMP 3 5 环化腺苷酸 和cGMP 3 5 环化鸟苷酸 的主要功能是作为细胞的第二信使 cAMP和cGMP的环状磷酯键是一个高能键 在pH7 4 cAMP和cGMP的水解能约为43 9KJ mol 比ATP水解能高得多 C G A 多聚核苷酸 10个 寡聚核苷酸 第二节核酸的一级结构 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决定遗传信息 1 核苷酸的连接方式 3 5 磷酸二酯键 信息量 4n末端 5 端 3 端多核苷酸链的方向 5 端 3 端 由左至右 书写方法 5 pApCpTpGpCpT OH3 5 ACTGCT3 目录 5 左侧 上 3 右侧 下 结构式 线条式 文字缩写 DNA分子中核苷酸的排列顺序3 5 磷酸二酯键没有分支的线性大分子5 末端 游离磷酸基3 末端 游离羟基 DNA的一级结构 第三节DNA二级结构 磷酸二酯键 非共价键 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 反向平行双链互补右手 一 DNA双螺旋结构的研究背景和历史意义 目录 Chargaff规则任何一种生物中各碱基相对比例相同即 A T G C 不同生物的DNA 其碱基组成不同 同一个体不同器官 组织的DNA 其碱基组成相同 DNA双螺旋结构发现的历史意义 揭示了生物体遗传信息储存及表达的分子机制开创了现代分子生物学是生物学发展史上的里程碑 二 DNA双螺旋结构模型要点 Watson Crick 1953 两条脱氧多核苷酸链两链以 脱氧核糖 磷酸 为骨架相互平行但走向相反氢键配对 AT GC以右手螺旋方式围一公共轴盘绕碱基在内侧 磷酸 戊糖在外侧螺旋直径为2nm 形成大沟及小沟相间 3 4 0 34 10 DNA双螺旋结构的要点 1 DNA分子由两条多聚脱氧核糖核苷酸链 简称DNA单链 组成 两条链沿着同一根轴平行盘绕 形成右手双螺旋结构 螺旋中的两条链方向相反 即其中一条链的方向为5 端 3 端 而另一条链的方向为3 端 5 端 2 嘌呤和嘧啶碱基位于螺旋的内侧 磷酸和脱氧核糖基位于螺旋外侧 碱基环平面与螺旋轴垂直 糖基环平面与碱基环平面成90 角 3 数据 螺旋直径2nm两个相邻碱基的距离为0 34nm10个核苷酸形成一个螺旋螺矩 即螺旋旋转一圈的高度 为3 4nm 4 维持两条DNA链相互结合的力是链间碱基对形成的氢键 碱基结合具有严格的配对规律 A与T结合 G与C结合 这种配对关系 称为碱基互补 A和T之间形成两个氢键 G与C之间形成三个氢键 在DNA分子中 嘌呤碱基的总数与嘧啶碱基的总数相等 5 螺旋表面形成大沟 majorgroove 及小沟 minorgroove 彼此相间排列 小沟较浅 大沟较深 是蛋白质识别DNA碱基序列的基础 6 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 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 碱基互补配对 T A G C 氢键维持双链横向稳定性碱基堆积力 疏水作用 和范德华力维持双链纵向稳定性 维持双螺旋结构的基础 三 DNA双螺旋结构的多样性 B Z型DNA 人工合成 CGCGCG 麻省理工大学的AlexanderRich 在减数第一次分裂前期中的偶线期可产生 约占DNA总量的0 3 左手磷酸主链呈锯齿样排列 Z型小沟 窄而深DNA解链的潜在位点 可能在基因表达或遗传重组中起作用 A B和Z三型DNA结构比较 Hoogsteen碱基配对 三链DNA 在不破坏原有的双链结构的基础上 第三条DNA链可以和原有的链形成氢键配对 形成三螺旋DNA可以在体内的局部存在 第四节DNA的高级结构 双螺旋进一步扭曲 形成一种比双螺旋更高层次的空间构象包括 线状DNA形成的纽结 超螺旋和多重螺旋 环状DNA形成的结 超螺旋和连环等 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 大多数原核生物 1 共价封闭的环状双螺旋分子2 超螺旋结构 双螺旋基础上的螺旋化 正超螺旋 positivesupercoil 盘绕方向与双螺旋方同相同负超螺旋 negativesupercoil 盘绕方向与双螺旋方向相反 二 原核生物DNA的高级结构 缓解分子本身扭曲的压力 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 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 DNA 以负超螺旋缠绕在组蛋白上 组蛋白核心 H2B H2A H3 H4 H1组蛋白在核小体之间 DNA的存在形式 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 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 第六节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 帽结合蛋白 CBPs polyA结合蛋白 PAB 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 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及RNA组学 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核仁小RNA胞质小RNA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 RNA组学研究细胞中snmRNAs的种类 结构和功能 同一生物体内不同种类的细胞 同一细胞在不同时间 不同状态下snmRNAs的表达具有时间和空间特异性 RNA组学 核酸和蛋白质的比较 核酸的理化性质ThePhysicalandChemicalCharactersofNucleicAcid 第七节 目录 一 基本性质 偏酸性线性分子 粘度大长链 易断裂UV吸收 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 引物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 增色效应和减色效应 OD260 单核苷酸 单链DNA 双链DNADNA变性时 溶液的OD260增高 称为增色效应 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 核酸分子杂交 hybridization 核酸分子杂交 是根据两条核酸单链在一定条件下可按碱基互补原则退火形成双链的原理 用已知的单链核苷酸片段作为探针检测样本中是否存在与其互补的同源核酸序列的方法 DNA DNA杂交双链分子 不同来源的DNA分子 核酸分子杂交的应用 研究DNA分子中某一种基因的位置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 探针 在核酸杂交的基础上发展起来的一种用于研究核酸和基因诊断的新技术称为探针技术 探针 标记的单链的核苷酸聚合体同位素 酶 基因诊断致病基因的定位SouthernblottingNorthernblotting原位杂交DNA芯片技术 探针应用 临床和科研 第八节核酸的序列测定 链终止法 Sanger化学法 Gilbert 核酸酶Nuclease 核酸酶是指所有可以水解核酸的酶依据底物不同分类DNA酶 deoxyribonuclease DNase 专一降解DNARNA酶