第三章 核酸的结构和功能.ppt

第三章核酸的结构和功能,主要内容,核酸的化学组成及其一级结构DNA的空间结构与功能RNA的结构与功能核酸的理化性质核酸酶,学习目标,掌握：核酸的化学组成和水解产物；DNA和RNA在组成成分和组成单位上的异同；核苷酸之间的连接方式；核酸的一级结构。熟悉：核酸的分类、分布与功能；DNA的空间结构。了解：体内重要的游离核苷酸；RNA的空间结构；核酸的理化性质。,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。1868年，瑞士青年外科医生从脓细胞核中分离出一碱性蛋白和含磷的有机酸的混合物，当时称之为核素，后来被称为核酸。,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,一、核酸的元素和分子组成,1.元素组成C、H、O、N、P（910%）,嘌呤(purine，Pu),腺嘌呤(adenine,A),鸟嘌呤(guanine,G),碱基(base)是含氮的杂环化合物。,嘧啶(pyrimidine，Py),胞嘧啶(cytosine,C),尿嘧啶(uracil,U),胸腺嘧啶(thymine,T),戊糖,两类核酸在分子组成上的异同点,RNA,DNA,组分,磷酸,核糖,脱氧核糖,嘌呤,嘧啶,AG,U,C,T,RNA,核糖,DNA,脱氧核糖,U,T,核苷：AR,GR,UR,CR脱氧核苷：dAR,dGR,dTR,dCR,二、核酸的基本结构核苷酸,核苷酸：AMP,GMP,UMP,CMP脱氧核苷酸：dAMP,dGMP,dTMP,dCMP,3、体内重要的游离核苷酸及其衍生物,（1）多磷酸核苷酸：NMP，NDP，NTP,AMP,ADP,ATP,体内重要的游离核苷酸及其衍生物,（2）环化核苷酸:cAMP，cGMP,cAMP,体内重要的游离核苷酸及其衍生物,（3）含核苷酸的生物活性物质（辅酶类）NAD+、NADP+、CoA-SH、FAD等都含有AMP,NAD+,C,G,A,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,5pApCpTpGpCpT-OH3,5ACTGCT3,第二节DNA的空间结构与功能,一、DNA的一级结构,定义DNA的一级结构是指核酸分子中核苷酸排列顺序及连接方式*3,5磷酸二酯键,前一个脱氧核苷酸的3-OH和后一个的5-磷酸缩合形成磷酸二酯键*方向性：通常规定53为正向,（一）DNA双螺旋结构的研究背景碱基组成分析查加夫(Chargaff)规则：A=TGC碱基的理化数据分析A-T、G-C以氢键配对较合理DNA纤维的X-线衍射图谱分析,二、DNA的二级结构双螺旋结构,（二）DNA双螺旋结构模型要点,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，围绕同一中心轴，以右手螺旋方式绕成的双螺旋结构。双螺旋表面形成大沟和小沟,（二）DNA双螺旋结构模型要点,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;GC）。螺旋直径为2nm，相邻碱基平面距离0.34nm，螺旋一圈螺距3.4nm，一圈10对碱基。,碱基互补配对,T,A,G,C,（二）DNA双螺旋结构模型要点,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。,逆向平行右手螺旋碱基互补氢键固定键轴垂直螺旋尺寸,（三）DNA双螺旋结构的多样性,三、DNA的超级结构（三级结构）,（一）DNA的超螺旋结构,DNA双螺旋链再盘绕即形成超螺旋结构。正超螺旋盘绕方向与DNA双螺旋方同相同。负超螺旋盘绕方向与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。,（二）原核生物DNA的高级结构,原核生物的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。,（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,核小体的构成,核心颗粒,连接区,核心组蛋白：,组蛋白八聚体H2A、H2B、H3、H4各2分子,DNA双螺旋分子(150bp)在核心组蛋白缠绕1.75圈,DNA（60bp）,组蛋白H1,核小体结构图,四、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。,基因组：一个遗传体系所有基因总和的一整套遗传信息。,第三节RNA的结构与功能,StructureandFunctionofRNA,RNA的结构特征,1.RNA分子的碱基组成主要是A、G、C、U。此外，RNA分子中含有多种稀有碱基2.RNA多为单股多核苷酸链，局部可形成双链3.RNA分子比DNA分子小。按其在基因表达中的作用常分为三大类4.RNA与蛋白质共同负责基因的表达和表达过程的调控。,RNA的种类、分布、功能,一、信使RNA的结构与功能,信使RNA(messengerRNA,mRNA)是合成蛋白质的模板。其前体hnRNA含有内含子(intron)和外显子(exon)。外显子是氨基酸的编码序列，而内含子是非编码序列。寿命最短的RNA,内含子(intron),mRNA成熟过程,外显子(exon),mRNA结构特点,5-末端的m7Gppp帽子结构3-末端的polyA尾。从AUG开始，每三个核苷酸为一组编码一个氨基酸，称为三联体密码(codon)。成熟的mRNA由氨基酸编码区和非编码区构成。,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TC,二、转运RNA的结构与功能,分子量最小、含稀有碱基比例最高的一类RNA,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,1.分子中含较多的稀有碱基,如双氢尿嘧啶（DHU）、假尿嘧啶（）、次黄嘌呤(I)、甲基鸟嘌呤(mG)等。,3.局部具有茎-环样结构（发夹结构）。二级结构为三叶草形;三级结构为倒L形。,2.3端都具有CCA结构，为氨基酸臂。,4.其序列中有反密码子。,tRNA空间结构要点,tRNA的二级结构三叶草形,氨基酸臂,额外环,三环DHU环TC环反密码子环四干（螺旋区）受体干（氨基酸臂)D干T干反密码干一附加额外环,受体干,D干,T干,反密码干,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的反密码子与mRNA的密码子特异性结合，使氨基酸对号入座。,rRNA的结构：多个茎环结构组成,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。,含量最多的RNA,rRNA的种类：,tRNA,rRNA,mRNA,CCAOH3含稀有碱基多二级:三叶草形三级:倒L形,呈花状,5-m7GpppNm、3-polyA,结构,蛋白质合成的模板,搬运活化的aa到核糖体,组成核蛋白体。蛋白质生物合成的场所,种类最多寿命最短,分子量最小稀有碱基比例最高,含量最多,三种RNA内容小结,功能,特点,四、核酶,1982年，T.cell从四膜虫中发现：一类具有自身催化，并可以剪切去除RNA内含子的催化活性的RNA分子，称之为核酶。从此改变了“酶的化学本质为蛋白”的传统概念。,定义：核酸酶是指所有可以水解核酸的酶分类：依据底物不同分类DNA酶：专一降解DNA。RNA酶：专一降解RNA。依据切割部位不同核酸内切酶：分为限制性核酸内切酶和非特异性限制性核酸内切酶。核酸外切酶：53或35核酸外切酶,BamH,+,Hind,+,平端切口,粘端切口,限制性核酸内切酶,核酸外切酶,35外切酶,53外切酶,第四节核酸的理化性质,一、核酸的一般性质,核酸是生物大分子，具有大分子的一般性质。表示核酸分子的大小的方式除了分子量外，常用碱基数目或碱基对数目来表示。核酸是两性电解质，但因磷酸基酸性较强，常显酸性。,二、核酸的紫外吸收,由于核酸中的嘌呤和嘧啶分子都含共轭双键，使得核酸分子在250nm-280nm处有吸收，但最大吸收峰在260nm处。这一性质主要用于核酸的定量。OD260的应用：1.DNA或RNA的定量2.判断核酸样品的纯度,三、核酸的变性与复性（一）DNA的变性,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。,因素：强酸，强碱，高温，高压，变性试剂如尿素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：碱基堆积力和双链间氢键的破坏。,例：变性引起紫外吸收值的改变,DNA的紫外吸收光谱,DNA热变性：,特点骤然、突发式融解温度Tm：A260变化值达到最大变化值一半时的温度，即50DNA双链被解开时候的温度。Tm与G+C含量成正比,增色效应：DNA变性时其溶液OD260增高的现象。,（二）DNA的复性,DNA复性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。,DNA-DNA杂交双链分子,不同来源的DNA分子,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。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。,（三）核酸分子杂交,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