生物化学第四章 核酸结构的功能VIP

.,核酸的发现及研究简史,核酸的发现,早期研究,DNA双螺旋结构的建立,生物技术,人类基因组计划,第四章核酸结构与功能,.,核酸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。,什么是核酸(nucleicacid),天然存在的核酸可分为核糖核酸(RNA)和脱氧核糖核酸(DNA)两大类。,DNA:是遗传信息的载体，与生物的繁殖、遗传及变异有密切的关系。RNA:RNA的功能主要是参与体内蛋白质生物合成过程。,.,生命的遗传物质,.,T2噬菌体侵染细菌的实验,.,所有生物的遗传物质都是DNA吗？,细胞生物,真核生物,原核生物,DNA病毒,RNA病毒,遗传物质是DNA,遗传物质是RNA，如HIV、SARS病毒、禽流感病毒,除RNA病毒外，其它生物的遗传物质都是DNA。,除病毒外，其它生物细胞内都含有两种核酸（同时含有DNA与RNA）。,非细胞生物,（含两种核酸）,（只含一种核酸）,.,核酸的分布,真核生物主要分布于细胞核，少数分布于线粒体，叶绿体；原核生物分布于拟核。,主要分布于细胞质。,(deoxyribonucleicacid,DNA),(ribonucleicacid,RNA),脱氧核糖核酸,核糖核酸,携带遗传信息，决定细胞和个体的基因型(genotype)。,参与细胞内DNA遗传信息的表达。某些病毒RNA也可作为遗传信息的载体。,大部分病毒体内只含有一种核酸，DNA或RNA,.,核酸的生物功能,1.DNA是遗传信息的载体；2.RNA具有多种功能：1）参与蛋白质的合成；2）作用于RNA转录后加工和修饰；3）基因表达与细胞功能调节；4）生物催化与其它细胞持家功能；5）遗传物质信息的加工和进化。,.,第一节核酸的化学组成(TheChemicalComponentofNucleicAcid),一、化学组成,(一)元素组成组成核酸的主要元素：C、H、O、N、P（9%10%）,(二)基本组成单位核苷酸,RNA和DNA都是以单核苷酸为基本单位所组成的多核苷酸长链。,.,核苷酸结构,.,2.戊糖(ribose)核糖，脱氧核糖,3.磷酸(phosphate),1.碱基(base)嘌呤碱，嘧啶碱,稀有碱基：如次黄嘌呤、二氢尿嘧啶等。,(三)分子组成,.,核酸的水解产物,.,脱氧核糖,碱基,磷酸,A腺嘌呤,G鸟嘌呤,C胞嘧啶,T胸腺嘧啶,脱氧核苷酸,核糖,碱基,磷酸,A腺嘌呤,G鸟嘌呤,C胞嘧啶,U尿嘧啶,核糖核苷酸,AGCT,AGCU,4种,4种,.,(1)嘌呤(purine),腺嘌呤(adenine,A),鸟嘌呤(guanine,G),1.碱基,N,N,H,N,H,N,N,H,2,O,.,(2)嘧啶(pyrimidine),胞嘧啶(cytosine,C),胸腺嘧啶(thymine,T),.,2.戊糖,.,3.磷酸,.,二、基本单位核苷酸,(一)核苷(ribonucleoside),.,糖苷键,.,(二)核苷酸(ribonucleotide),2.由于核苷与磷酸基缩合的位置不同可分别生成：2-核苷酸、3-核苷酸和5-核苷酸。生物体内游离核苷酸多为5-核苷酸，简称核苷一磷酸或核苷酸（在核苷左侧加p表示5-磷酸酯，如pA；右侧则为3-磷酸酯，如Cp；为2-磷酸酯，需表明，如Gp2）。,.,.,核糖核苷酸,.,脱氧核糖核苷酸,.,各种单核苷酸均可以磷酸化，产生相应的二磷酸或三磷酸化合物。得到的各种核苷三磷酸如ATP、CTP、GTP、UTP是体内RNA合成的直接原料，各种脱氧核苷三磷酸为DNA合成的原料；在生物体的能量代谢中发挥作用。,.,(三)重要的游离核苷酸及其衍生物,1.多磷酸核苷酸NDP，NTP,2.环化核苷酸cAMP，cGMP,.,功能：第二信使，激素、一些药物、神经递质通过其发挥生理作用。,.,3.辅酶类核苷酸,NAD+（烟酰胺腺嘌呤二核苷酸，Co）NADP+（烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸，Co）FMN（黄素单核苷酸）FAD（黄素腺嘌呤二核苷酸）,.,(四)核苷酸的连接,1.核苷酸之间以3,5-磷酸二酯键连接形成多核苷酸链。,C,A,H,磷酸二酯键,.,2.书写方法,5pApGpTpGpCpT-OH3,5AGTGCT3,线条式,字母式,.,第二节DNA的结构与功能(StructureandFunctionofDNA),一、核酸的一级结构,(一)定义各核苷酸残基沿多核苷酸链排列的顺序。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。,DNA:A、T、G、CRNA:A、U、G、C,.,简写式表示核酸的一级结构,5pApCpGpTpA-OH3,5ACGTA3,.,二、DNA的空间结构与功能,(一)DNA的二级结构双螺旋结构,1.定义即DNA双链的螺旋空间结构。Watson,Crick于1953提出。,2.研究背景,(1)碱基组成分析Chargaff规则：A=TG=C,(2)碱基的理化数据分析A-T、G-C以氢键配对较合理A=TGC,(3)X-线衍射图谱分析,.,3.DNA双螺旋结构模型要点,(1)DNA分子是由两条方向相反的平行多核苷酸链构成，两条链的主链都是右手螺旋，螺旋表面有大沟和小沟；(2)碱基均在主链内侧，螺旋直径为2nm；A=TGC这种A-T、C-G配对的规律，称为碱基配对（碱基互补规则）。,5/,3/,5/,3/,.,A,T,C,G,碱基互补配对,.,(4)双螺旋每转一周有10个碱基对（bp），每转的高度（螺距）为3.4nm；,(3)成对碱基大致处于同一平面，与螺旋轴基本垂直；相邻碱基平面间的距离为0.34nm，形成碱基堆积力；糖环平面与螺旋轴基本平行，磷酸基连在糖环的外侧；,.,(5)维持双螺旋稳定的因素：横向为氢键，纵向为碱基间的堆积力。（6）大多数天然DNA属双链DNA；双链DNA分子较硬，呈比较伸展的结构。,.,4.DNA双螺旋结构的多样性,Watson和Crick当年提出的DNA双螺旋模型，后来发现其结构可以发生一定的变化而形成不同的类型。,当DNA钠盐纤维相对湿度和盐的种类改变时，DNA的构象发生改变。,.,.,.,.,A-DNA、B-DNA和Z-DNA的主要结构特点,.,大部分生物体DNA多数为双链线形分子，但有些为双链环形DNA（dcDNA）超螺旋DNA（共价闭环DNA）松弛环形DNA（开环DNA）线形DNA负超螺旋DNA：在DNA旋转酶即拓扑异构酶的作用下，使环形DNA形成4周右手超螺旋，两条链间的扭曲会使双螺旋的圈数减少4周，这种能使双螺旋圈数减少的超螺旋称负超螺旋DNA。解链环形DNA,(二)DNA的高级结构,.,超螺旋结构,.,负超螺旋结构,.,生物体内绝大多数螺旋DNA以负超螺旋形式存在；真核细胞染色质和一些病毒的DNA是双螺旋线形分子，双螺旋DNA盘绕组蛋白形成核小体。,.,1.原核生物DNA的超螺旋结构,(1)定义即在DNA二级结构的基础上进一步折叠成环状或麻花状的超螺旋结构(superhelix或supercoil)。,环状麻花状,.,(3)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。,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。,(2)种类,.,2.真核生物DNA的超螺旋结构,真核生物染色体由DNA和蛋白质构成，其基本单位是核小体。,(1)DNA在真核生物细胞核内的组装,.,.,.,(三)DNA的功能,1.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。,2.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。,3.进化程度越高的生物其DNA分子越大，人类基因组有3109个碱基对。,.,基因：是含特定遗传信息的核苷酸序列（DNA或RNA）是遗传物质的最小功能单位。基因-有遗传效应的DNA片段，是控制生物性状的基本遗传单位。,遗传学深入学习范畴,.,RNA的种类较多，主要包括tRNA、rRNA和mRNA三类。RNA的一级结构也是以3,5-磷酸二酯键连接成的多核苷酸长链。大多数天然RNA分子是一条单链，但链中的许多区域可自身发生回折，也可以形成局部的碱基配对，构成局部双螺旋区；不能配对的碱基则形成环状突起，形成RNA的二级结构。,第三节RNA的结构与功能(StructureandFunctionofRNA),.,RNA的种类，分布和功能,.,约占总RNA的3%-5%，含量最少，种类最多，寿命较短。成熟mRNA不含内含子，hnRNA含有（细胞核内合成）。mRNA从DNA转录遗传信息，并作为蛋白质合成的模板，决定蛋白质的氨基酸顺序。,一、mRNA的结构与功能,.,(二)mRNA的功能1.构成遗传密码，传递DNA所携带的遗传信息。2.用连续三个核苷酸作为密码子以决定其合成蛋白质的氨基酸排列顺序。,.,原核细胞mRNA的结构,原核细胞mRNA的结构与真核细胞显著不同：无内含子5端无帽状结构3端不含polyA结构一般为多顺反子结构，即一个mRNA中常含有几个蛋白质信息，能指导几个蛋白质的生物合成，mRNA代谢很快，代谢半衰期一般以秒计，很少达到10min以上。,*真核hnRNAmRNA成熟过程,内含子(intron),外显子(exon),.,*真核mRNA结构特点：单顺反子,1.大多数真核mRNA的5末端均在转录后加上一个7-甲基鸟苷三磷酸，形成帽子结构：m7GpppN。,2.大多数真核mRNA的3末端有一个多聚腺苷酸(polyA)结构，称为多聚A尾。,.,帽子结构G被甲基化，可能与蛋白质合成的起始有关。,多聚A尾与mRNA从核入质有关，与mRNA半寿期有关。,帽子结构和多聚A尾的功能,.,转运RNA是具有携带并转运氨基酸功能的一类小分子核糖核酸，简tRNAtRNA约占总RNA的10-15%。结构一级结构二级结构：三叶草型三级结构：倒L型,二、tRNA的结构与功能,.,tRNA的一级结构特点相对分子量较小，分子量25000左右，沉降系数为4S左右，大约由7090个核苷酸组成。3末端为CCA-OH，5末端大多数为G含有较多的修饰成分：稀有碱基如DHU、TC和稀有核苷,.,*tRNA的二级结构三叶草形1.tRNA一般由四环四臂组成；2.氨基酸臂，3端有-CCA-OH结构，其羟基可与携带的氨基酸形成共价键3.二氢尿嘧啶（D）环和相应的D臂4.反密码子环和反密码子臂，含有三个相邻碱基与mRNA作用的反密码子5.可变环；6.假尿嘧啶（TC）环和TC臂；,.,*tRNA的三级结构倒L形,X线衍射结构证明，tRNA的共同三级结构为倒L形。,.,tRNA的功能主要作用是将aa搬运到核糖体-mRNA复合物的相应位置，参与蛋白质的翻译；破译遗传密码。,.,(二)rRNA由单链卷曲构成的多茎环结构。,三、rRNA的结构与功能,(三)rRNA参与组成核糖体的大、小亚基，rRNA的功能与蛋白质生物合成相关，可分别与mRNA、tRNA作用，催化肽键的形成。,(一)rRNA占总RNA的80以上。,.,.,核糖体的组成,.,四、小分子核内RNA与RNA组学,(一)snmRNAs除了上述三种RNA外，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)。包括核内小RNA、核仁小RNA、胞质小RNA、催化性小RNA、小片段干涉RNA。参与hnRNA和rRNA的加工和转运。,RNA组学是研究细胞中snmRNAs的种类、结构和功能。生物的不同细胞、不同时间、不同状态下snmRNAs的表达具有时间和空间特异性。,(二)RNA组学,.,五、核酶(一)具有催化功能的RNA称为核酶。,(二)核酶的锤头状结构,通常为60个核苷酸组成，包括有催化部分和底物部分组成锤头结构。,(三)核酶研究的意义,核酶的发现，对中心法则作了重要补充；是对传统酶学的挑战；利用核酶的结构设计合成人工核酶。,.,1、RNA在传递遗传信息上的作用2、催化作用3、在DNA复制、转录、翻译中起重要调控作用；如miRNA，siRNA等。4、可作为遗传物质（如逆转录病毒）;,RNA即可为遗传物质，又可行使蛋白质的功能，故RNA在生命起源于生物进化的研究中有重要意义,RNA的功能,.,第四节核酸的理化性质(ThePhysicalandChemicalCharactersofNucleicAcid),一、一般理化性质二、紫外吸收性质三、核酸结构的稳定性四、核酸的变性与复性五、核酸的分子杂交,.,两性电解质核酸含酸性的磷酸基团，又含弱碱性的碱基，为两性电解质，可发生两性解离；溶解性DNA白色纤维状固体，RNA白色粉末状固体，都微溶于水，不溶于一般有机试剂（乙醇沉淀核酸），钠盐易溶于水。粘度高一般DNA比RNA粘度高。水解性可被酸、碱或酶水解，DNA比RNA对稀碱稳定。,一、核酸的一般性质,RNA的等电点比DNA低的原因，RNA分子中核糖基2-OH通过氢键促进了磷酸基上质子的解离，DNA没有这种作用,.,糖苷键和磷酸酯键1.酸水解：糖苷键比磷酸酯键易被酸水解；嘌呤碱的糖苷键比嘧啶碱的糖苷键稳定性差；2.碱水解：RNA的磷酸酯键易水解，DNA的较稳定；3.酶水解：,核酸的水解,.,（1）根据对底物的专一性分为,（2）根据切割位点分为,1、核酸酶,.,原核生物中存在着一类能识别外源DNA双螺旋中4-8个碱基对所组成的特异的具有二重旋转对称性的回文序列，并在此序列的某位点水解DNA双螺旋链，产生粘性末端或平末端，这类酶称为限制性内切酶。,2.限制性内切酶,.,二、紫外吸收,(一)由于嘌呤和嘧啶中含有共轭双键，所以核苷酸在紫外光区具有强烈的吸收，其最大吸收260nm处。,.,1.DNA或RNA的定量OD260=1.0相当于：50g/ml双链DNA40g/ml单链DNA（或RNA）20g/ml寡核苷酸2.判断核酸样品的纯度DNA纯品:OD260/OD280=1.8RNA纯品:OD260/OD280=2.0,(二)OD260的应用,.,三、核酸结构的稳定性,1.碱基对间的氢键氢键较弱，但氢键的集合能量很大如不能使氢键全部打开，则打开的氢键有恢复原有状态的趋势RNA中单链突环互相靠近形成的环间碱基对是三级结构稳定的重要因素2.碱基堆积：对维持核酸空间结构有重要作用3.环境中的正离子,.,四、核酸的变性与复性,(一)变性(denaturation),1.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。本质是双链间氢键的断裂。,3.变性后其他理化性质变化,OD260增高浮力密度升高粘度下降酸碱滴定曲线改变比旋度下降生物活性丧失,(1)理化性质变化,2.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等。,核酸降解,.,.,(2)增色效应：核酸DNA变性时其溶液OD260增高的现象。,DNA的紫外吸收光谱,200250260300,1.5,1.0,0.5,波长(nm),吸光度值,变性状态,天然状态,.,(3)Tm：紫外光吸收值达到最大值的50%时的温度称为DNA的解链温度，又称融解温度(meltingtemperature,Tm)。其大小与G+C含量成正比。,解链曲线：在连续加热DNA的过程中以温度为横坐标，以吸光度D260为纵坐标作图，所得的曲线称为解链曲线。,Tm,.,影响Tm的因素：1.DNA的均一性2.G-C对含量3.溶液的离子强度4.溶液的pH5.变性剂,.,Tm大小可反映出DNA的均一性：均质DNA的熔解过程发生在一个较小的温度范围内；异质DNA的熔解过程发生在一个较