生化第二章PPT课件

.,1,第二章核酸的结构与功能,StructureandFunctionofNucleicAcid,ThebiochemistryandmolecularbiologydepartmentofJMU,ThebiochemistryandmolecularbiologydepartmentofLMU,.,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,FriedrichMiescher(1844-1895),FriedrichMiescherworkedatthePhysiologicalLaboratoryoftheUniversityofBaselandinTbingenandismostwellknownforhisdiscoveryofthenucleicacids.(DNAPioneersandTheirLegacybyUlfLagerkvist,1998,YaleUniversityPress,ISBN0-300-07184-1).Toreadexcerptsfromthisbook,clickDNAPioneers.,.,4,米歇尔FriedrichMiescher（18441895）米歇尔，瑞士生物学家，生前工作于巴塞尔大学的生理学研究室。以发现核酸而闻名世界。米歇尔小时候有严重的听力障碍，因此在童年时代，尽管他非常聪明，但总是害羞并很内向。他酷爱音乐，与其父亲一样是一个天才歌手，在学校的学习成绩很好。1865年米歇尔成为一名医学生，1868年获医学博士学位。但听力问题是他成为临床医生的障碍。1868年，米歇尔感兴趣研究白细胞。为了得到足够的白细胞，他从医院的外科绷带中洗脱脓液的白细胞，分离细胞核，得到一些粘稠的物质，并经实验证明含有含磷和氮，称为核素。随后的研究证明这一物质具有酸性，故称为核酸。这是米歇尔首次发现了重要的生命物质之一核酸。,.,5,Reichard,P.J.Biol.Chem.2002;277:13355-13362,OswaldT.Avery(1877-1955).,.,6,埃弗里，O.T.OswaldTheodoreAvery(18771955)美国细菌学家。1877年10月21日生于加拿大新斯科舍哈利法克斯。1904年毕业于哥伦比亚大学医学院，后到布鲁克林的霍格兰实验室研究并讲授细菌学和免疫学。1913年转到纽约的洛克菲勒研究所附属医院工作，直到1948年退休。他和C.麦克劳德、M.麦卡锡于1944年共同发现不同型的肺炎双球菌的转化因子是DNA。这项实验第一次证明了遗传物质是DNA而不是蛋白质。虽然这一发现，曾引起争论和怀疑，但的确推动了DNA的研究，直至1953年DNA双螺旋结构的发现。他还通过对肺炎双球菌的免疫性研究，提出肺炎双球菌可根据其免疫的专一性来进行分类，而这种免疫专一性是由于不同菌型的荚膜中所含的多糖引起的。由此他建立起对不同型肺炎双球菌的灵敏检验法。1955年2月20日卒于美国田纳西州纳什维尔。,.,7,一、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,.,8,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,.,9,第一节核酸的化学组成及其一级结构TheChemicalComponentandPrimaryStructureofNucleicAcid,.,10,核酸组成,.,11,一、核苷酸是构成核酸的基本组成单位,.,12,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,碱基,.,13,嘌呤(purine，Pu),腺嘌呤(adenine,A),鸟嘌呤(guanine,G),.,14,嘧啶(pyrimidine，Py),胞嘧啶(cytosine,C),尿嘧啶(uracil,U),胸腺嘧啶(thymine,T),.,15,碱基的互变异构体,五种碱基都能形成酮式-烯醇式或氨基-亚氨基的互变异构。这两种异构体的平衡关系受介质酸碱环境的影响。,.,16,戊糖,.,17,脱氧核苷,嘌呤N-9或嘧啶N-1与脱氧核糖C-1通过-N-糖苷键相连形成脱氧核苷(deoxyribonucleoside)。,.,18,嘌呤N-9或嘧啶N-1与核糖C-1通过-N-糖苷键相连形成核苷(ribonucleoside)。,核苷,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,.,19,.,20,.,21,.,22,.,23,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),.,24,.,25,.,26,.,27,多磷酸核苷酸,.,28,RNA和DNA的基本结构单位,.,29,.,30,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,.,31,含核苷酸的生物活性物质：NAD+、NADP+、CoA-SH、FAD等都含有AMP,.,32,二、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链。,.,33,C,G,A,.,34,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,.,35,三、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酯化反应形成的线性大分子，并且具有方向性；,RNA的戊糖是核糖；RNA的嘧啶是胞嘧啶和尿嘧啶。,.,36,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。,四、核酸的一级结构是核苷酸的排列顺序,.,37,.,38,书写方法：,5pApCpTpGpCpT-OH3,5ACTGCT3,线条式,文字式,.,39,核酸分子的大小常用碱基(base或kilobase)数目来表示。小的核酸片段(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、以rRNA为组分的核蛋白体是蛋白质合成的场所,.,119,核蛋白体的组成,.,120,大肠杆菌的核蛋白体,.,121,18SrRNA的二级结构,.,122,蛋白质合成时形成的复合体,.,123,*rRNA的功能参与组成核蛋白体，作为蛋白质生物合成的场所。,.,124,RNA组学是研究细胞内snmRNA的种类、结构和功能。同一生物体内不同种类的细胞、同一细胞在不同时空状态下snmRNAs表达谱的变化，以及与功能之间的关系。,四、snmRNA参与了基因表达的调控,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,.,125,核内小RNA核仁小RNA胞质小RNA催化性小RNA小片段干涉RNA,参与hnRNA的加工剪接,snmRNAs的种类,snmRNAs的功能,.,126,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)。,.,127,siRNA是生物宿主对外源侵入的基因表达的双链RNA进行切割所产生的特定长度和特定核酸序列的小片段RNA。siRNA可以与外源基因表达的mRNA相结合，并诱发这些mRNA的降解。基于此机理，人们发明了RNA干扰(RNAinterference，RNAi)技术。,小片段干扰RNA,.,128,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,.,129,真核生物基因表达的特异性,.,130,核酸的理化性质ThePhysicalandChemicalCharactersofNucleicAcid,第四节,.,131,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：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。,.,132,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,.,133,碱基的紫外吸收光谱,.,134,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,.,135,二、DNA变性是双链解离为单链的过程,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。,.,136,协同性的DNA解链,高温或极端的pH,DNA的变性,.,137,DNA变性的本质是双链间氢键的断裂,.,138,部分变性DNA的电镜图像,.,139,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,.,140,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),.,141,G+C含量越高，解链温度就越高。,解链曲线的变化,经验公式：(G+C)%=(Tm-69.3)2.44,.,142,三、变性的核酸可以复性或形成杂交双链,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)。,.,143,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),.,144,.,145,DNA-DNA杂交双链分子,不同来源的DNA分子,核酸分子杂交,.,146,核酸分子杂交,.,147,.,148,研究DNA分子中某一种基因的位置。监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,.,149,SouthernblottingDNA分子之间的杂交NorthernblottingRNA分子之间的杂交Westernblotting蛋白之间的相互作用,利用核酸的杂交可以研究不同来源的核酸序列的相似性。,.,150,.,151,第五节核酸酶Nuclease,.,152,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