核酸的结构与功能ppt课件

第3章核酸的结构与功能,StructureandFunctionofNucleicAcid,1,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。,2,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,3,第1节核酸的化学组成及一级结构TheChemicalComponentandPrimaryStructureofNucleicAcid,4,核酸组成,5,一、核苷酸是构成核酸的基本组成单位,6,（一）碱基,嘌呤(purine)2种,嘧啶(pyrimidine)3种,7,戊糖,8,核苷脱氧核苷,（三）核苷(ribonucleoside),碱基,种类及名称：,核苷,嘌呤9位N/嘧啶1位N与糖1C形成糖苷键,核糖,9,N,N,N,N,9,N,H,2,O,O,H,O,H,H,H,H,C,H,2,O,H,H,1,2,糖苷键,10,（四）核苷酸(ribonucleotide),结构举例,核苷/脱氧核苷,磷酸酯键,核苷酸的结构：,磷酸,11,核苷或脱氧核苷与磷酸通过酯键结合构成核苷酸(ribonucleotide)或脱氧核苷酸(deoxyribonucleotide)。,核苷酸(ribonucleotide),12,多磷酸核苷酸,13,环化核苷酸：cAMP、cGMP，是细胞信号转导中的第二信使。,cAMP,核苷酸衍生物,14,C,G,A,15,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。,二、核酸的一级结构是核苷酸的排列顺序,16,书写方法：,5pApCpTpGpCpT-OH3,5ACTGCT3,17,核酸分子大小表示法：,碱基数目表示base、kilobase、用于单链DNA或RNA碱基对数目basepair(bp),kilobasepair(kbp)用于双链DNA或RNA小的核酸片断（小于50bp）称寡核苷酸,18,第2节DNA的空间结构与功能DimensionalStructureandFunctionofDNA,19,DNA的空间结构又分为二级结构(secondarystructure)和高级结构。,DNA的空间结构(spatialstructure),构成DNA的所有原子在三维空间具有确定的相对位置关系。,20,一、DNA的二级结构是双螺旋结构,21,Chargaff规则的碱基组成分析,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,DNA双螺旋结构的研究背景,A=T；G=C,22,不同生物种属的DNA的碱基组成不同同一个体的不同器官或组织的DNA碱基组成相同。A=T，G=C,Chargaff规则,（一）DNA双螺旋结构的研究背景,获得了高质量的DNA分子的X射线衍射照片。,提出了DNA分子双螺旋结构(doublehelix)模型。,23,两条多聚核苷酸链在空间的走向呈反向平行(anti-parallel)。两条链围绕着同一个螺旋轴形成右手螺旋(right-handed)的结构。双螺旋结构的直径为2.37nm，螺距为3.54nm。脱氧核糖和磷酸基团组成的亲水性骨架位于双螺旋结构的外侧，疏水的碱基位于内侧。双螺旋结构的表面形成了一个大沟(majorgroove)和一个小沟(minorgroove)。,（二）DNA双螺旋结构模型要点,1.DNA是反向平行、右手螺旋的双链结构,24,结构要点：,先分析结构图,要点小结：,(三)DNA双螺旋结构的多样性,25,两条多聚核苷酸链在空间的走向呈反向平行(anti-parallel)。两条链围绕着同一个螺旋轴形成右手螺旋(right-handed)的结构。双螺旋结构的直径为2.37nm，螺距为3.54nm。脱氧核糖和磷酸基团组成的亲水性骨架位于双螺旋结构的外侧，疏水的碱基位于内侧。双螺旋结构的表面形成了一个大沟(majorgroove)和一个小沟(minorgroove)。,（二）DNA双螺旋结构模型要点,26,27,两条多聚核苷酸链在空间的走向呈反向平行(anti-parallel)。两条链围绕着同一个螺旋轴形成右手螺旋(right-handed)的结构。双螺旋结构的直径为2.37nm，螺距为3.54nm。脱氧核糖和磷酸基团组成的亲水性骨架位于双螺旋结构的外侧，疏水的碱基位于内侧。双螺旋结构的表面形成了一个大沟(majorgroove)和一个小沟(minorgroove)。,（二）DNA双螺旋结构模型要点,28,DNA双链之间形成了互补碱基对,碱基配对关系称为互补碱基对(complementarybasepair)。DNA的两条链则互为互补链(complementarystrand)。碱基对平面与螺旋轴垂直。,29,碱基互补配对:鸟嘌呤/胞嘧啶,30,碱基互补配对:腺嘌呤/胸腺嘧啶,31,相邻两个碱基对会有重叠，产生了疏水性的碱基堆积力(basestackinginteraction)。碱基堆积力和互补碱基对的氢键共同维系着DNA结构的稳定。,32,三、DNA的超螺旋结构及其在染色体中的组装,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。,33,（二）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。,34,DNA超螺旋结构的电镜图象,35,（三）真核生物DNA在核内的组装,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)。,36,DNA染色质呈现出的串珠样结构。染色质的基本单位是核小体(nucleosome)。,DNA染色质的电镜图像,37,核小体(nucleosome),由DNA和蛋白质构成是真核生物染色体的基本单位,38,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(140bp)在核心组蛋白缠绕1.8圈,DNA（60bp）,组蛋白H1,核小体结构图,39,核小体的折叠及染色体组装,逐级盘曲折叠,40,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。,四、DNA的功能,41,第3节RNA的结构与功能,StructureandFunctionofRNA,42,RNA与蛋白质共同负责基因的表达和表达过程的调控。RNA通常以单链的形式存在，但有复杂的局部二级结构或三级结构。RNA比DNA小的多。RNA的种类、大小和结构远比DNA表现出多样性。,43,RNA的种类、分布、功能,44,信使RNA(messengerRNA,mRNA)是合成蛋白质的模板。不均一核RNA(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。hnRNA经过剪切后成为成熟的mRNA。,一、信使RNA的结构与功能,45,内含子(intron),mRNA成熟过程,外显子(exon),46,从AUG开始，每三个核苷酸为一组编码了一个氨基酸，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。5-末端的帽子(cap)结构和3-末端的多聚A尾(poly-Atail)结构。,成熟的真核生物mRNA,47,帽子结构:m7GpppNm,1.5末端都以7-甲基鸟嘌呤-三磷酸核苷为起始结构,mRNA的帽结构可以与帽结合蛋白(capbindingprotein，CBP)结合。,48,真核生物的mRNA的3-末端转录后加上一段长短不一的多聚腺苷酸。,2.3末端有多聚腺苷酸尾巴结构,49,转运RNA(transferRNA,tRNA)在蛋白质合成过程中作为各种氨基酸的载体,将氨基酸转呈给mRNA。由7495核苷酸组成；占细胞总RNA的15%；具有很好的稳定性。,二、转运RNA的结构与功能,50,1.tRNA中含有多种稀有碱基,51,tRNA具有局部的茎环(stem-loop)结构或发卡(hairpin)结构。,2.tRNA二级结构呈三叶草型,tRNA的二级结构三叶草形,氨基酸臂DHU环反密码环TC环附加叉,52,3.tRNA的三级结构呈倒L型,53,核蛋白体RNA(ribosomalRNA，rRNA)是细胞内含量最多的RNA(80)。rRNA与核蛋白体蛋白结合组成核蛋白体(ribosome)，为蛋白质的合成提供场所。,三、核糖体RNA的结构与功能,54,核蛋白体的组成,55,18SrRNA的二级结构,56,核酶,某些小RNA分子具有催化特定RNA降解的活性，这种具有催化作用的小RNA亦被称为核酶(ribozyme)或催化性RNA(catalyticRNA)。,57,核酸的理化性质ThePhysicalandChemicalCharactersofNucleicAcid,第4节,58,核酸的酸碱及溶解度性质核酸为多元酸，具有较强的酸性。核酸的高分子性质粘度：DNARNAdsDNAssDNADNA是线性高分子，在机械作用力下容易断裂,一、核酸的一般理化性质,59,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。,60,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,61,二、DNA的变性,在某些理化因素作用下，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。,62,协同性的DNA解链,高温或极端的pH,DNA的变性,63,部分变性DNA的电镜图像,64,增色效应(hyperchromiceffect)：DNA变性时其溶液OD260增高的现象。,DNA解链时的紫外吸收变化,65,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),66,G+C含量越高，解链温度就越高。,解链曲线的变化,67,三、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(renaturation)。,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)。,68,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),69,核酸分子杂交,70,研究DN