生物大分子核酸的化学特性、结构与功能

生物大分子核酸的化学特性、结构与功能,第四章,第一节,DNA的空间结构,DNA的空间结构(spatialstructure),构成DNA的所有原子在三维空间的相对位置关系。,3,一、DNA的二级结构,4,不同生物其DNA的碱基组成不同同一生物不同组织其DNA碱基组成相同某一特定生物其DNA碱基组成不随年龄、营养状况和环境因素而变化任何生物其DNA碱基组成都为：A=T，G=C，即A+G=T+C,(一)DNA双螺旋结构的实验基础,5,Chargaff规则,6,7,Franklin,提出了DNA分子双螺旋结构(doublehelix)模型,获得了高质量的DNA分子的X线衍射照片,两条链中一条链的53方向是自上而下，而另一条链的53方向是自下而上。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。,(二)DNA双螺旋结构特点,1.两条DNA互补链反向平行(anti-parallel),8,碱基平面与螺旋轴垂直螺旋旋转一周为10.5个碱基对，螺距为3.54nm相邻碱基平面间隔为0.34nm，并有一个36的夹角,2.由脱氧核糖和磷酸间隔相连而成的亲水骨架在螺旋分子的外侧，而疏水的碱基对则在螺旋分子内部,9,DNA双螺旋结构的俯视图,蛋白质分子通过这两个沟与碱基相识别,3.DNA双螺旋的表面存在一个大沟(majorgroove)和一个小沟(minorgroove),10,A与T相配对，形成2个氢键；G与C相配对，形成3个氢键G与C之间的连接较为稳定,11,4.两条DNA链依靠彼此碱基之间形成的氢键而结合在一起,碱基对之间的氢键碱基的堆积力：相邻两个碱基对会有重叠，产生了疏水性的碱基堆积力(basestackinginteraction)。,5.DNA双螺旋结构比较稳定,12,(三)DNA双螺旋结构的多样性,13,三链结构,14,(四)DNA的多链结构,二、DNA的三级结构超螺旋结构,DNA三级结构(tertiarystructure)是指DNA链进一步扭曲盘旋形成超螺旋结构超螺旋结构(superhelixorsupercoil)在DNA双螺旋结构基础上，共价闭合环DNA可以进一步扭曲形成超螺旋形根据螺旋的方向可分为正超螺旋(positivesupercoil)和负超螺旋(negativesupercoil),15,原核生物DNA多为环状的双螺旋分子，以负超螺旋的形式存在，平均每200bp就有一个负超螺旋形成。,16,真核生物基因组DNA通常与蛋白质结合，经过多层次反复折叠，压缩近1万倍后，以非常有序的形式组装在平均直径为5m的细胞核中。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)。,三、DNA的四级结构DNA与蛋白质形成复合物,17,DNA染色质呈现出的念珠样结构染色质的基本组成单位是核小体(nucleosome),DNA染色质的电镜图像,18,19,DNA：约200bp组蛋白：H1、H2A、H2B、H3、H4,核小体的组成,核小体的结构,20,双链DNA的折叠和组装,21,22,真核生物染色体的两个功能区,端粒(telomeres)着丝粒(centromere),23,哺乳动物中端粒末端形成大的环状结构，环状DNA+蛋白质保护染色体3端的稳定,24,真核生物染色体端粒的环状结构,第二节,基因与基因组,能编码有功能的蛋白质多肽链或合成RNA所必需的全部核酸序列，是核酸分子的功能单位。即基因是携带遗传信息的一段核酸片段。一个基因包括：编码序列和各种非编码序列(调控序列、真核生物基因中的内含子)。,一、基因,26,基因(gene),转录起始点,TATA盒,CAAT盒,GC盒,增强子,AATAAA,剪接加尾,转录终止点,修饰点,外显子,翻译起始点,内含子,OCT-1,+1,结构基因,启动子,上游启动子元件,27,真核生物基因结构,是指一个细胞或病毒所有基因及间隔序列，储存了一个物种所有的遗传信息。包括：病毒基因组原核生物基因组真核生物基因组,二、基因组,28,基因组(genome),一种病毒只含一种核酸，出现重叠基因。,29,(一)病毒基因组,长末端重复序列,病毒基因,ASV(鸡肉瘤病毒)的基因组结构,30,(二)原核生物基因组,环状双链DNA分子大部分为结构基因基因不出现重叠具有操纵子结构,E.Coli基因图,31,(三)真核生物基因组,分割开的基因：外显子(exon)和内含子(intron)外显子：在基因序列中，出现在成熟mRNA分子上的序列。内含子：外显子之间、与mRNA剪接过程中被删除部分相对应的间隔序列。单拷贝序列和低度重复序列、中度重复序列和高度重复序列(卫星DNA),编码区A、B、C、D,32,人类基因组：一套完整单倍体遗传物质的总和，2892.4Mb。,人的线粒体基因组,线粒体基因组编码37个基因，包括13个编码呼吸链多酶体系的一些多肽的基因、22个编码mt-tRNA的基因、2个编码mt-rRNA(16S和12S)的基因。,33,第三节,各类RNA的结构,线状单链分子，核糖核苷酸(A,G,C,U)某些区域可自身回折进行碱基互补配对形成局部双螺旋：A-U,G-C配对；可存在非标准配对G-U二级结构为短的双螺旋区域和环发夹结构(hairpin)具有三级结构才有活性四级结构RNA和蛋白质的相互作用,35,转运RNA(transferRNA,tRNA)占细胞总RNA的15%tRNA主要的生理功能是在蛋白质生物合成中转运氨基酸和识别密码子，某些tRNA还可以作为逆转录的引物由7495核苷酸组成具有很好的稳定性,一、tRNA的结构,36,37,(一)tRNA的一级结构,tRNA含有10%20%稀有碱基(rarebase)：DHU、rT、。tRNA3端为CCA-OH，5端多为pG分子中大约30%的碱基类型是保守的,38,rT,稀有碱基,(二)tRNA的二级结构,氨基酸臂二氢尿嘧啶(DHU)环/臂反密码环/臂TC环/臂额外环(可变环),氨基酸臂,额外环,三叶草型,39,tRNA的3-端为CCA结尾3-末端的A与氨基酸以酯键相连生成氨基酰-tRNA不同的tRNA结合不同的氨基酸,40,tRNA的3-端可连接氨基酸,tRNA的反密码子环上有反密码子(anticodon)。tRNA上的反密码子通过碱基互补识别mRNA上的密码子。,41,tRNA的反密码子能够识别mRNA的密码子,倒L形,42,(三)tRNA的三级结构,信使RNA(messengerRNA,mRNA)是细胞内合成蛋白质的模板。占细胞中总RNA的1%5%。生物体内mRNA的种类最多、大小也各不相同、寿命最短。,二、mRNA的结构,43,44,(一)原核生物mRNA的结构特点,多顺反子中间有间隔序列，两端有非编码序列没有修饰碱基，5端没有帽子结构，3端没有多聚腺苷酸的尾巴,原核生物的基因表达,45,半衰期比真核生物的要短得多转录后不需加工，直接翻译成蛋白质,单顺反子成熟的mRNA由氨基酸编码区和非翻译区构成,46,(二)真核生物mRNA的结构特点,内含子(intron),真核生物mRNA成熟过程,外显子(exon),47,真核生物的基因表达,48,49,5-末端的帽子(cap)结构：m7GpppN,50,3-末端的多聚A尾(poly(A)-tail)结构：真核生物的mRNA的3-端转录后加上80250个腺苷酸半衰期较短,帽子结构和多聚A尾的功能,mRNA细胞核向细胞质的转运维持mRNA的稳定性翻译起始的调控,51,核糖体RNA(ribosomalRNA，rRNA)是细胞内含量最多的RNA(80)。单链，局部有双螺旋结构。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。,三、rRNA的结构,52,真核生物18SrRNA的二级结构,53,54,procaryote,eucaryote,55,保守序列,原核生物16SrRNA3端保守序列ACCUCCU能与mRNA5端非编码区SD序列(Shine-Dalgarno序列)互补，与蛋白质合成的起始有关。原核生物5SrRNA和真核生物5.8SrRNA中有保守序列CGAAC识别tRNA上TC环中的GTCG。,四、其他RNA分子,长链非编码RNA(longnon-codingRNA,lncRNA)短链非编码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,56,核内小RNA核仁小RNA胞质小RNA催化性小RNA(核酶)小干扰RNA微小RNA,短链非编码RNA亦称为非编码小RNA(smallnon-messengerRNA),57,第四节,核酸的理化性质,59,一、核酸的大小和测定,测定分子大小方法：电泳法，离心法，测序表示大小方式：碱基数，碱基对数(bp)相对分子质量(Da)沉降系数(S)链长(m)3000bp2106Da1m,碱基的紫外吸收光谱,60,核酸碱基的共轭双键在波长260nm处有强烈的吸收,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,61,62,二、核酸的水解,糖苷键与磷酸酯键都能用化学法和酶法水解化学法低pH：DNA、RNA的磷酸二酯键、糖苷键高pH：RNA的磷酸二酯键酶法核酸酶(nuclease)：所有可以水解核酸的酶,依据底物不同分类DNA酶(deoxyribonuclease,DNase)：专一性水解DNA。RNA酶(ribonuclease,RNase)：专一性水解RNA。依据对底物作用方式不同核酸内切酶：在DNA或RNA分子内部切断磷酸二酯键。核酸外切酶：水解核酸分子链末端的磷酸二酯键；有53或35核酸外切酶。,63,5,5,3,3,53外切位点,35外切位点,内切位点,64,三、核酸的变性、复性和杂交,在一定理化因素作用下，核酸双螺旋等空间结构中碱基之间的氢键断裂，变成单链的现象称为变性(denaturation)。DNA变性的本质是双链间氢键的断裂。破坏了DNA的空间结构，但没有改变它的核苷酸序列。,(一)变性,65,66,部分变性DNA的电镜图像,67,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,68,DNA的熔化曲线,缓慢加热DNA溶液，并在不同温度测定其A260值，以温度相对于A260值作图，所得的”S”形曲线称为熔化曲线(meltingcurve)。,加热变性时DNA溶液A260升高达到最大值一半时的温度称为该DNA的熔解温度。,熔解温度(meltingtemperature,Tm),69,G+C含量越高，熔解温度就越高。,熔化曲线的变化,70,(二)复性,变性DNA在适当条件下，可使