生物化学简单清晰第2章 核算的结构与功能

1、第,二,章,核酸的结构和功能,Structure and Function of Nucleic Acid,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,核酸的分类及分布,存在于细胞核和线粒体内,存在于胞核、胞液和线粒体,deoxyribonucleic acid,DNA,ribonucleic acid, RNA,脱氧核糖核酸,核糖核酸,携带遗传信息，决定细胞和个,体的遗传型,genotype,参与遗传信息的复制与表达,某些病毒,RNA,也可作为遗传信,息的载体,第一节,核酸的化学组成及一级结构,The Chemical Component a

2、nd Primary,Structure of Nucleic Acid,核酸的基本组成单位是核苷酸,nucleotide,碱基,戊糖,磷酸,核苷酸,核苷,核酸,DNA,的基本组成单位是脱氧核糖核苷酸,RNA,的基本组成单位是核糖核苷酸,嘌呤,嘧啶,碱基,腺嘌呤,A,鸟嘌呤,G,胞嘧啶,C,胸腺嘧啶,T,尿嘧啶,U,DNA,RNA,均有,DNA,有,RNA,有,一、核苷酸的结构,每种核酸都含有四种碱基,嘌呤,purine,N,N,NH,N,1,2,3,4,5,6,7,8,9,N,N,NH,N,NH,2,腺嘌呤,adenine, A,N,NH,NH,N,NH,2,O,鸟嘌呤,guanine, G

3、,碱,基,N,NH,1,3,2,4,5,6,嘧啶,pyrimidine,胞嘧啶,cytosine, C,N,NH,NH,2,O,尿嘧啶,uracil, U,NH,NH,O,O,胸腺嘧啶,thymine, T,NH,NH,O,O,C,H,3,五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,HN,HN,C,NH,2,O,HN,NH,2,N,NH,2,亚氨基,氨基,H,N,C,OH,N,C,O,H,酮式,烯醇式,戊,糖,构成,RNA,核糖,ribose,构成,DNA,脱氧核糖,deoxyribose,1,2,4,5,3,O,OH,OH,H,H,H

4、,CH,2,OH,H,OH,O,H,OH,H,H,H,CH,2,OH,H,OH,1,2,3,4,5,碱基和核糖（或脱氧核糖）通过,糖苷键,连,接形成,核苷,nucleoside,或脱氧核苷,腺嘌呤核苷,N,N,N,N,9,NH,2,O,OH,OH,H,H,H,CH,2,OH,H,1,2,糖苷键,胞嘧啶脱氧核苷,1,N,N,O,NH,2,1,2,O,H,OH,H,H,H,CH,2,OH,H,糖苷键,核苷酸,AMP,GMP,UMP,CMP,脱氧核苷酸,dAMP,dGMP,dTMP,dCMP,核苷（脱氧核苷）和磷酸以,酯键,连接形成,核,苷酸,脱氧核苷酸,糖苷键,酯键,腺苷酸,N,N,N,N,9,N

5、H,2,O,OH,OH,H,H,H,CH,2,H,1,2,O,P,O,HO,O,5,多磷酸核苷酸,NMP,NDP,NTP,N,N,N,N,9,NH,2,O,OH,OH,H,H,H,CH,2,H,1,2,O,P,O,O,O,P,O,O,O,P,O,O,O,一磷酸腺苷,AMP,二磷酸腺苷,ADP,三磷酸腺苷,ATP,环化核苷酸,cAMP,cGMP,N,N,N,N,NH,2,O,OH,O,H,H,H,CH,2,H,O,P,HO,O,cAMP,二、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,5,端,3,端,核苷酸之间以,3,5,磷酸二酯键,连

6、接形成多核,苷酸链，即核酸,C,G,A,书写方法,P,P,A,P,C,P,C,P,T,P,G,OH,C,P,T,P,A,P,A,5,3,pApCpTpGpCpTpApApC-OH,3,5,ACTGCTAAC,3,5,DNA,与,RNA,的区别,核酸,碱基,戊糖,DNA,A,G,C,T,脱氧,核糖,RNA,A,G,C,U,核糖,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,双螺旋结构,一,DNA,双螺旋结构的研究背景,碱基组成分析,Chargaff,规则,A,T,G,C,碱基的理化数据分析,A-T,G

7、-C,以氢键配对较合理,DNA,纤维的,X,线衍射图谱分析,已知的核酸化学数据,二,DNA,双螺旋结构模型要点,1,两条链反向平行，围绕同,一中心轴构成,右手双螺,旋,double helix,螺旋,直径,2nm,表面有,大沟,和小沟,2,磷酸,脱氧核糖骨架位于,螺旋,外侧,碱基垂直于,螺旋轴而伸入,内侧,每,圈螺旋含,10,个碱基对,bp,螺距为,3.4nm,碱基平面与纵轴,垂直,糖环平面与纵轴,平行,3,两条链通过碱基间的氢,键相连,A,对,T,有两个氢,键,C,对,G,有三个氢键,这种,A-T,C-G,配对的规,律，称为,碱基互补规则,4,维持双螺旋稳定的因素,横向为氢键，纵向为碱,基间

8、的堆积力,碱基互补配对,T,A,G,C,三,DNA,双螺旋结构的多样性,Z,型,DNA,B,型,DNA,A,型,DNA,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 supercoil,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,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,二）原核生物,DNA,的高级结

9、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,串珠状核小体结构,串珠状核小体,DNA,双螺旋片段,染色质纤维,伸展形染色质片段,密集形染色质片段,整个染色体,核小体,螺线管,真核生物染色体,DNA,组装,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

10、基,因的功能,肺炎双球菌的转化实验,Oswald Avery (1944,实验二,噬菌体的标记实验,第三节,RNA,的结构与功能,Structure and Function of RNA,动物细胞内主要,RNA,的种类及功能,蛋白质内质网定位合成,核蛋白体,RNA,信使,RNA,转运,RNA,核内不均一,RNA,核内小,RNA,胞浆小,RNA,细胞核和胞液,线粒体,功,能,rRNA,mRNA,mt,rRNA,tRNA,mt,mRNA,mt,tRNA,HnRNA,SnRNA,SnoRNA,scRNA/7SL-RNA,核蛋白体组分,蛋白质合成模板,转运氨基酸,成熟,mRNA,的前体,参与,hnR

11、NA,的剪接、转运,rRNA,的加工、修饰,的信号识别体的组分,核仁小,RNA,一,信使,RNA,的结构与功能,hnRNA,内含子,intron,mRNA,mRNA,成熟过程,外显,子,exon,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,C,2,也是,甲基化，形成帽子结构,m,7,GpppN,m,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,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,作为蛋白质合

12、成的模板,tRNA,的一级结构特点,含稀有碱基较多,3,末端为,CCA-OH,5,末端大多数为,G,由,7090,个核苷酸组成,二、转运,RNA,的结构与功能,稀有碱基,HN,NH,O,O,R,5,1,HN,N,N,N,HN,CH,2,CH,2,N,O,O,7,O,R,I,R,DHU,N,N,N,N,OH,R,m,G,H,2,N,CH,3,tRNA,的二级结构,三叶草形,氨基酸臂,额外环,tRNA,的三级结构,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

13、白质生物,合成的场所,核糖体的组成,原核生物,真核生物,小亚基,30S,40S,rRNA,16S,18S,蛋白质,21,种,33,种,大亚基,50S,60S,rRNA,23S,5S,28S,5.8S,5S,蛋白质,33,种,49,种,核糖体,70S,80S,四,其他小分子,RNA,及,RNA,组学,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,small,non-messenger,RNAs,snmRNAs,snmRNAs,snmRNAs,的种类,核内小,RNA (snRNA,核仁小,RNA (snoRNA,胞质小,RNA (s

14、cRNA,催化性小,RNA,小片段干扰,RNA (siRNA,snmRNAs,的功能,参与,hnRNA,和,rRNA,的转录后加工和转运,以及基因表达过程的调控等,是研究细胞中,snmRNAs,的种类、结构,和功能的科学。同一生物体内不同种类的细,胞,同,一,细,胞,在,不,同,时,间,不,同,状,态,下,snmRNAs,的表达具有时间和空间特异性,RNA,组学,RNomics,核酸的理化性质,The Physical and Chemical Characters,of Nucleic Acid,第,四,节,一、核酸的一般理化性质,核酸为多元酸，具有较强的,酸性,DNA,是线性高分子,粘度极

15、大,在,260nm,波长有最大吸收峰，是由,碱基,的共轭双键,决定的。这一特性常用作核酸,的定性、定量分析,1. DNA,或,RNA,的定量,OD,260,1.0,相当于,50,g/ml,双链,DNA,40,g/ml,单链,DNA,或,RNA,20,g/ml,寡核苷酸,2,判断核酸样品的纯度,DNA,纯品,OD,260,OD,280,1.8,RNA,纯品,OD,260,OD,280,2.0,OD,260,的应用,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,变性因素,过量酸，碱，加热等,变性后理化性质的主要改变,OD,260,增高

16、,粘度下降,DNA,变性的本,质是双链间氢,键的断裂,DNA,的紫外吸收光谱,增色效应,DNA,变性时其溶液,OD,260,增高的现象,解链曲线,在连续加热,DNA,的过程中以温度,对,A260,值作图，所得的曲线称为解链曲线,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,m,e,l,t,i,n,g,temperature,Tm,其大小与,G+C,含量成正比,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

17、性时，其溶液,OD,260,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,热变性的,DNA,在复性过程中，具有,碱基序列部分互补的不同的,DNA,之间或,DNA,与,RNA,之间形成杂化双链的现象,核酸分子杂交,hybridization,变性,复性,复性,核酸分子杂交的应用,研究,DNA,分子中某一种基因的位置,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,是基因芯片技术的基础,第五节,核,酸,酶,Nuclease,核酸酶,是指所有可以水解核酸的酶,依据底物不同分类,DNA,酶,deoxyribonuclease, DNase,RNA,酶,ribonuclease, RNase,依据切割部位不同分类,核酸内切酶,限制性核酸内切酶,非特异性核酸内切酶,核酸外切酶,5,3,或