核酸的结构与功能PPT演示课件

第二章核酸的结构与功能,StructureandFunctionofNucleicAcid,1,第一节核酸的化学组成及一级结构第二节DNA的空间结构与功能第三节RNA的结构与功能第四节核酸的理化性质第五节核酸酶,2,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。,3,1868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。,核酸研究的发展简史,4,核酸的分类及分布,存在于细胞核和线粒体,分布于细胞核、细胞质、线粒体,(deoxyribonucleicacid,DNA),(ribonucleicacid,RNA),脱氧核糖核酸,核糖核酸,5,第一节核酸的化学组成及一级结构,TheChemicalComponentandPrimaryStructureofNucleicAcid,6,掌握：核苷酸的分类，基本组成成分；核酸一级结构的定义；DNA和RNA分子组成的区别；核酸的基本组成单位及连接方式、方向性。了解：核苷酸的结构及命名；核苷酸各基本组分间的连接方式；核酸的书写方式。,本节教学大纲,7,核酸的元素组成,有C、H、O、N、P等一般不含元素SP元素的含量较多并且恒定，约占911%,8,核酸的分子组成,DNA的组成单位是脱氧核糖核苷酸（deoxyribonucleotide）RNA的组成单位是核糖核苷酸（ribonucleotide）。,9,核苷酸的分子组成,碱基(base)：嘌呤碱，嘧啶碱戊糖(ribose)：核糖，脱氧核糖磷酸(phosphate),一、核苷酸是构成核酸的基本组成单位,10,碱基(base)是含氮的杂环化合物。,碱基,嘌呤,嘧啶,腺嘌呤(A),鸟嘌呤(G),尿嘧啶(U),胸腺嘧啶(T),胞嘧啶(C),存在于DNA和RNA中,仅存在于RNA中,仅存在于DNA中,碱基,11,嘌呤(purine，Pu),腺嘌呤(adenine,A),鸟嘌呤(guanine,G),12,嘧啶(pyrimidine，Py),胞嘧啶(cytosine,C),尿嘧啶(uracil,U),胸腺嘧啶(thymine,T),13,碱基的互变异构体,酮式烯醇式,氨基亚氨基,14,戊糖,核糖构成RNA,脱氧核糖构成DNA,15,嘌呤N-9或嘧啶N-1与核糖C-1通过糖苷键相连形成核苷。,核苷(ribonucleoside),16,脱氧核苷(deoxyribonucleoside),嘌呤N-9或嘧啶N-1与脱氧核糖C-1通过糖苷键相连形成脱氧核苷。,17,核苷或脱氧核苷与磷酸通过酯键结合构成核苷酸或脱氧核苷酸(deoxyribonucleotide)。,核苷酸(ribonucleotide),18,碱基,磷酸,戊糖,酯键,19,酯键,（DNA为H）,碱基连接（糖苷键）,20,腺嘌呤核苷酸（AMP）Adenosinemonophosphate,脱氧腺嘌呤核苷酸（dAMP）Deoxyadenosinemonophosphate,H,OH,21,ATP,ADP,AMP,多磷酸核苷酸NMP，NDP，NTP,22,commonbondhighenergy,23,环化核苷酸：cAMP、cGMP，是细胞信号转导中的第二信使，有放大激素的作用。它们在代谢调节中起重要作用。,cAMP,核苷酸衍生物,AMP,24,生物氧化体系的重要成分，在传递质子或电子的过程中具有重要的作用。,烟酰胺腺嘌呤二核苷酸(nicotinamideadeninedinucleotide,NAD+),25,参与DNA、RNA的合成、蛋白质的合成、糖与磷脂的合成。在能量转化中起重要作用，ATP是生物体内能量的通用货币。是构成多种辅酶的成分：NAD、NADP、FAD、FMN和CoA。参与细胞中的代谢与调节(cAMP、cGMP)。,核苷酸的生物学作用,26,构成RNA的碱基、核苷以及核苷酸,27,构成DNA的碱基、核苷、核苷酸,28,二、DNA是脱氧核苷酸通过3,5-磷酸二酯键连接形成的大分子,一个脱氧核苷酸3的羟基与另一个脱氧核苷酸5的-磷酸基团缩合形成磷酸二酯键(phosphodiesterbond)。多个脱氧核苷酸通过磷酸二酯键构成了具有方向性的线性分子，称为多聚脱氧核苷酸(polydeoxynucleotide)，即DNA。,29,30,3，5-磷酸二酯键,31,C,G,A,32,交替的磷酸基团和戊糖构成了DNA的骨架(backbone)。,DNA链的方向是53,33,三、RNA也是具有3,5-磷酸二酯键的线性大分子,RNA也是多个核苷酸分子通过3,5-磷酸二酯键连接形成的线性大分子，也具有53方向性;RNA的戊糖是核糖；RNA的嘧啶是胞嘧啶和尿嘧啶。构成RNA的四种基本核苷酸是AMP、GMP、CMP和UMP。,34,四、核酸的一级结构,定义：核酸的一级结构是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。,35,书写方法：,5PdAPdCPdGPdTOH35PAPCPGPUOH或5ACGTGCGT35ACGUAUGU3ACGTGCGTACGUAUGU,36,核酸分子的大小表示法单链DNA和RNA分子的大小常用核苷酸数目（nucleotide，nt）表示；双链核酸分子的大小常用碱基对(base或kilobasepairs)数目来表示。小的核酸片段(80)。rRNA与核糖体蛋白结合组成核糖体(ribosome)，为蛋白质的合成提供场所。用沉降系数(S)表示大小。,三、以rRNA为组分的核糖体是蛋白质合成的场所,109,核糖体的组成,110,大肠杆菌的核糖体,111,18SrRNA的二级结构,rRNA的分子结构基本上都是由部分双螺旋与部分突环相间排列而成。,112,蛋白质合成时形成的复合体,113,rRNA的功能特点,原核细胞16SrRNA的3-端序列ACCUCCU，与mRNA的翻译起始区相互补，是mRNA的识别位点。原核生物5SrRNA/真核生物5.8SrRNA的第43-47位的CGAAC识别tRNA中TC环。真核细胞也有5-CGAAC-3，因此是rRNA与tRNA相互作用的部位。此外rRNA上还有很多rRNA之间相互识别的部位以及与蛋白质相互作用的部位。,114,四、其他非编码RNA参与基因表达的调控,长链非编码RNA(longnon-codingRNA,lncRNA)短链(小)非编码RNA(smallnon-codingRNA,sncRNA),非编码RNA（Non-codingRNA,ncRNA）,不编码蛋白质但具有重要生物学功能的RNA分子。,115,ncRNA功能,参与转录调控、RNA的剪切和修饰、mRNA的稳定和翻译调控、蛋白质的稳定和转运、染色体的形成和结构稳定等细胞重要功能。,lncRNA功能,lncRNA在结构上类似于mRNA，但序列中不存在开放读框。许多已知的lncRNAs由RNA聚合酶转录并经可变剪切形成，通常被多聚腺苷酸化。lncRNA具有复杂的生物学功能，并与一些疾病的发病机制密切相关。有的lncRNA能使基因沉默，有的则激活基因的表达。,116,短链非编码RNA亦称为非编码小RNA（smallnon-messengerRNA）,核内小RNA核仁小RNA胞质小RNA催化性小RNA小干涉RNA微RNA,117,核内小RNA(smallnuclearRNA,snRNA)位于细胞核内。snRNA有5种，分别称为U1、U2、U4、U5、U6，它们与多种蛋白形成复合体，参与真核细胞hnRNA的内含子加工剪接（第十六章）。核仁小RNA(smallnucleolarRNA,snoRNA)：定位于核仁，主要参与rRNA的加工和修饰，如rRNA中核糖C-2的甲基化修饰。胞质小RNA(smallcytoplasmicRNA,scRNA)：存在于细胞质中，参与形成信号识别颗粒，引导含有信号肽的蛋白质进入内质网定位合成（第十七章）。,118,催化性小RNA亦被称为核酶(ribozyme)。是细胞内具有催化功能的一类小分子RNA，具有催化特定RNA降解的活性，在RNA的剪接修饰中具有重要作用。小干扰RNA(smallinterferingRNA，siRNA)是生物宿主对于外源侵入基因表达的双链RNA进行切割所产生的具有特定长度(2123bp)和特定序列的小片段RNA。这些siRNA可以单链形式与外源基因表达的mRNA相结合，并诱导相应mRNA降解。,119,微RNA(microRNAs,miRNAs),是一类长度为22nt左右的内源性sncRNA。miRNAs主要是通过结合mRNA而选择性调控基因的表达。,120,原核生物基因表达的特异性,五、核酸在真核细胞和原核细胞中表现了不同的时空特性,121,真核生物基因表达的特异性,122,核酸的理化性质ThePhysicalandChemicalCharactersofNucleicAcid,第四节,123,掌握：DNA变性、复性。熟悉：核酸的一般理化性质；分子杂交的定义及原理；Tm、核酸增色效应的概念。,本节教学大纲,124,核酸的酸碱及溶解度性质核酸为多元酸，具有较强的酸性。由于核酸分子中的磷酸是一个中等强度的酸，而碱性（氨基）是一个弱碱，所以核酸的等电点比较低。DNA的等电点为44.5RNA的等电点为22.5不溶有机溶剂，其钠盐易溶于水。核酸的高分子性质粘度：DNARNAdsDNAssDNA沉降行为：不同构象的核酸分子的沉降的速率有很大差异，这是超速离心法提取和纯化核酸的理论基础。,125,核酸在波长260nm处有强烈的吸收，是由碱基的共轭双键所决定的。这一特性常用作核酸的定性和定量分析。,一、核酸分子具有强烈的紫外吸收,126,碱基的紫外吸收光谱,127,DNA或RNA的定量A260=1.0相当于50g/ml双链DNA(dsDNA)40g/ml单链DNA(ssDNAorRNA)20g/ml寡核苷酸确定样品中核酸的纯度纯DNA:A260/A280=1.8纯RNA:A260/A280=2.0,紫外吸收的应用,128,二、DNA变性(denaturation),在某些理化因素作用下，DNA双链互补碱基对之间的氢键发生断裂，DNA双链解开成两条单链的过程。,定义,DNA变性的本质是双链间氢键的断裂。,129,DNA的变性,130,部分变性DNA的电镜图像,131,增色效应(hyperchromiceffect)：DNA变性时其溶液A260增高的现象。,DNA解链时的紫外吸收变化,132,DNA的解链曲线,连续加热DNA的过程中以温度相对于A260值作图，所得的曲线称为解链曲线。,解链过程中，紫外吸光度的变化达到最大变化值的一半时所对应的温度。,解链温度(meltingtemperature，Tm),133,1.与分子中的G+C比例相关Tm=69.3+0.41(G+C)%2.与核酸分子的长度相关3.核酸纯度、溶液离子强度、酸碱度等溶液的离子强度较低时，Tm值较低，DNA制剂不应保存在离子强度过低的溶液中。,影响Tm值大小因素,134,G+C含量越高，解链温度就越高。,解链曲线的变化,135,三、DNA的复性与分子杂交,当变性条件缓慢地除去后，两条解离的互补链可重新配对，恢复原来的双螺旋结构，这一现象称为DNA复性。,DNA复性(renaturation),136,减色效应：DNA复性时，其溶液A260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)。,137,138,影响DNA复性的因素,（1）温度和时间,（2）DNA复杂程度/浓度,（3）阳离子浓度,139,核酸杂交与探针技术聚合酶链反应(polymerasechainreaction，PCR),DNA的变性和复性原理的应用,140,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分子间或者RNA与RNA分子间形成。这种现象称为核酸分子杂交。,核酸分子杂交(hybridization),141,核酸分子杂交,142,核酸的杂交,143,研究DNA分子中某一种基因的位置。鉴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。,核酸分子杂交的应用,144,第五节核酸酶Nuclease,145,了解：核酸酶的定义、分类及应用。,本节教学大纲,146,依据底物不同分类DNA酶(deoxyribonuclease,DNase)：专一降解DNA。RNA酶(ribonuclease,RNase)：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。,核酸酶是指所有可以水解核酸的酶。,147,限制性核酸内切酶：可以识别DNA的特异序列，并在识别位点或其周围切割双链DNA的一类内切酶，简称限制酶。,一般是以微生物属名的第一个字母和种名的前两个字母组成，第四个字母表示菌株（品系）。在同一品系细菌中得到的识别不同碱基顺序的几种不同特异性的酶，可以编成不同的号、等。例如：从流感嗜血杆菌d株(Haemophilusinfluenzaed)中先后分离到3种限制酶，则分别命名为