核酸的结构与功能1.ppt

1、,分 子 生 物 学 Molecular Biology,生化与分子生物学研究所,STRUCTURE AND FUNCTION OF NUCLEIC ACID,核酸的结构与功能,核 酸(nucleic acid),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。,核酸的分类、分布及功能,第一节 核酸的化学组成及其一级结构The Chemical Component and Primary Structure of Nucleic Acid,核酸的化学组成,1. 元素组成 C、H、O、N、P（910%）,嘌呤(purine),腺嘌呤(adenine, A),鸟嘌呤(guanine, G

2、),碱 基,嘧啶(pyrimidine),胞嘧啶(cytosine, C),尿嘧啶(uracil, U),胸腺嘧啶(thymine, T),戊 糖,核苷：AR, GR, UR, CR 脱氧核苷：dAR, dGR, dTR, dCR,一、核苷酸的结构,核苷酸： AMP, GMP, UMP, CMP 脱氧核苷酸： dAMP, dGMP, dTMP, dCMP,体内重要的游离核苷酸及其衍生物,含核苷酸的生物活性物质： NAD+、NADP+、CoA-SH、FAD 等都含有 AMP,多磷酸核苷酸：NMP，NDP，NTP,环化核苷酸: cAMP，cGMP,AMP,ADP,ATP,cAMP,C,G,A,二、

3、核酸的一级结构,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。,书写方法,5 pApCpTpGpCpT-OH 3,5 A C T G C T 3,目 录,第二节 DNA的空间结构与功能Dimensional Structure and Function of DNA,一、 DNA的二级结构(secondary structure)双螺旋结构(double helix),（一）DNA双螺旋结构的研究背景,目 录,（二） DNA双螺旋结构模型要点 （Watson, Crick, 1953）,DNA分子由两条相互平行但走向相反的脱氧多核苷酸链组成，两链以-脱氧

4、核糖-磷酸-为骨架，以右手螺旋方式绕同一公共轴盘。螺旋直径为2.37nm，形成大沟(major groove)及小沟(minor groove)相间。,目 录,（二） DNA双螺旋结构模型要点 （Watson, Crick, 1953）,碱基垂直螺旋轴居双螺旋内側，与对側碱基形成氢键配对（互补配对形式：A=T; GC） 。 相邻碱基平面距离0.34nm，螺旋一圈螺距3.54nm，一圈10.5对碱基。,目 录,碱基互补配对,T,A,G,C,（二） DNA双螺旋结构模型要点 （Watson, Crick, 1953）,氢键维持双链横向稳定性，碱基堆积力维持双链纵向稳定性。,目 录,（三）DNA双螺

5、旋结构的多样性,目 录,常见的DNA双螺旋有A-DNA、B-DNA、Z-DNA几种类型，这三者都是双螺旋，不过A-DNA、B-DNA都是右手螺旋，Z-DNA是左手螺旋； 三者的内径、螺距、每转碱基对数目等都有所不同。 DNA 纤维的构象主要有A、B两种类型， 不过，在生物体内，DNA 主要是以B型存在 （就是我们常说的DNA双螺旋结构模型），B型和Z型可以相互转化，这与基因的调控有关。,二、DNA的超螺旋结构及其在染色质中的组装,（一）DNA的超螺旋结构,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(positive superco

6、il) 盘绕方向与DNA双螺旋方同相同,负超螺旋(negative supercoil) 盘绕方向与DNA双螺旋方向相反,relaxed,supercoiled,Telephone cord,（二）原核生物DNA的高级结构,（三）DNA在真核生物细胞核内的组装,真核生物染色体由DNA和蛋白质构成，其基本单位是 核小体(nucleosome)。,核小体的组成 DNA：约200bp 组蛋白：H1 H2A，H2B H3 H4,由许多核小体形成的串珠样结构又进一步盘曲成直径为 30nm 的中空的染色质纤维，称为螺线管。,三、DNA的功能,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

7、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。,第三节 RNA的结构与功能,Structure and Function of RNA,RNA的分子结构 AMP, GMP, CMP, UMP 稀有碱基 单链，局部双螺旋,RNA分子中相邻的两个核糖核苷酸也是以3，5-磷酸二酯键连接形成多聚核糖核苷酸链。RNA的一级结构是指多聚核糖核苷酸链中核糖核苷酸的排列顺序。RNA分子是单链结构，其核苷酸残基数目在数十至数千之间，分子量一般在数百至数百万之间。 RNA的多核苷酸链可以在某些部分弯曲折叠，形成局部

8、双螺旋结构，此即RNA的二级结构。在RNA的局部双螺旋区，腺嘌呤（A）与尿嘧啶（U）、鸟嘌呤（G）与胞嘧啶（C）之间进行配对，无法配对的区域以环状形式突起。这种短的双螺旋区域和环状突起称为发夹结构。RNA在二级结构的基础上进一步弯曲折叠就形成各自特有的三级结构。,RNA的种类、分布、功能,一 、信使RNA的结构与功能,内含子 (intron),* mRNA成熟过程,外显子 (exon),目 录,* mRNA结构特点,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，同时第一个核苷酸的C2也是甲基化，形成帽子结构：m7GpppNm-。,2. 大多数真核mRNA的3末端有一个多聚腺苷

9、酸(polyA)结构，称为多聚A尾。,帽子结构,mRNA核内向胞质的转位 mRNA的稳定性维系 翻译起始的调控,帽子结构和多聚A尾的功能,* mRNA的功能 把DNA所携带的遗传信息，按碱基互补配对原则，抄录并传送至核糖体，用以决定其合成蛋白质的氨基酸排列顺序。,* tRNA的一级结构特点 含 1020% 稀有碱基，如 DHU 3末端为 CCA-OH 5末端大多数为G 具有 TC,二、转运RNA的结构与功能,N,N二甲基鸟嘌呤,N6-异戊烯腺嘌呤,双氢尿嘧啶,4-巯尿嘧啶,稀有碱基,* tRNA的二级结构 三叶草形 氨基酸臂 DHU环 反密码环 额外环 TC环,氨基酸臂,额外环,* tRNA的

10、三级结构 倒L形,* tRNA的功能 活化、搬运氨基酸到核糖体，参与蛋白质的翻译。,* rRNA的结构,三、核蛋白体RNA的结构与功能,* rRNA的功能 参与组成核蛋白体，作为蛋白质生物合成的场所。,* rRNA的种类（根据沉降系数）,真核生物 5S rRNA 28S rRNA 5.8S rRNA 18S rRNA,原核生物 5S rRNA 23S rRNA 16S rRNA,核 酸 的 理 化 性 质 The Physical and Chemical Characters of Nucleic Acid,第 四 节,目 录,一、核酸的紫外吸收,呤,1. DNA或RNA的定量 OD260=

11、1.0相当于 50g/ml双链DNA 40g/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 = 1.8 RNA纯品: OD260/OD280 = 2.0,OD260的应用,目 录,二、DNA的变性(denaturation),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。,方法：过量酸，碱，加热，变性试剂如尿素、 酰胺以及某些有机溶剂如乙醇、丙酮等。,变性后理化性质变化：,OD260增高生物活性丧失,目 录,DNA变性的本质是双链间氢键的断裂,例：变性引起紫外吸收值的改变,DNA的紫外吸收光谱,增色效应：DNA变性

12、时其溶液OD260增高的现象。,目 录,热变性,解链曲线：如果在连续加热DNA的过程中以温度对A260（absorbance，A，A260代表溶液在260nm处的吸光率）值作图，所得的曲线称为解链曲线。,目 录,Tm：变性是在一个相当窄的温度范围内完成，在这一范围内，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(melting temperature, Tm)。其大小与G+C含量成正比。,目 录,三、DNA的复性与分子杂交,DNA复性(renaturation)的定义 在适当条件下，变性DNA的两条互补链可恢复天然的双螺旋构象，这一现象称为复性。,减色效应 DNA复

13、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) 。,目 录,在DNA变性后的复性过程中，如果将不同种类的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（温度及离子强度）下，就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),DNA-DNA 杂交双链分子,不同来源的DNA分子,第 五 节 核 酸

14、 酶 Nuclease,核酸分解的第一步是水解核苷酸之间的磷酸二酯键，在高等动植物中都有作用于磷酸二酯键的核酸酶。不同来源的核酸酶，其专一性、作用方式都有所不同。有些核酸酶只能作用于RNA，称为核糖核酸酶（RNase），有些核酸酶只能作用于DNA，称为脱氧核糖核酸酶（DNase），有些核酸酶专一性较低，既能作用于RNA也能作用于DNA，因此统称为核酸酶（nuclease）。根据核酸酶作用的位置不同，又可将核酸酶分为核酸外切酶（exonuclease）和核酸内切酶（endonuclease）。,一、核酸外切酶 有些核酸酶能从DNA或RNA链的一端逐个水解下单核苷酸，所以称为核酸外切酶。只作用于D

15、NA的核酸外切酶称为脱氧核糖核酸外切酶，只作用于RNA的核酸外切酶称为核糖核酸外切酶；也有一些核酸外切酶可以作用于DNA或RNA。核酸外切酶从3端开始逐个水解核苷酸，称为35外切酶，水解产物为5核苷酸；核酸外切酶从5端开始逐个水解核苷酸，称为53外切酶，水解产物为3核苷酸。,二、核酸内切酶 核酸内切酶催化水解多核苷酸内部的磷酸二酯键。有些核酸内切酶仅水解5磷酸二酯键，把磷酸基团留在3位置上，称为5-内切酶；而有些仅水解3-磷酸二酯键，把磷酸基团留在5位置上，称为3-内切酶。还有一些核酸内切酶对磷酸酯键一侧的碱基有专一要求。,20世纪70年代，在细菌中陆续发现了一类核酸内切酶，能专一性地识别并水解双链DNA上的特异核苷酸顺序，称为限制性核酸内切酶（restriction endonuclease，简称限制酶）。当外源DNA侵入细菌后，限制性内切酶可将其水解切成片段，从而限制了外源DNA在细菌细胞内的表达，而细菌