分子生物学原理核酸结构与功能

分子生物学原理核酸结构与功能第1页/共85页2023/3/7什么是核酸?核酸是遗传信息物质第2页/共85页2023/3/7核酸的结构与功能DNA(deoxyribonucleicacid)

RNA(ribonucleicacid)nucleicacid第3页/共85页2023/3/7DNA（deoxyribonucleicacid)RNA(ribonucleicacid)第4页/共85页2023/3/7核酸研究的历史1869年，瑞士科学家Miescher在外科绷带上得到一种含磷酸很高的酸性化合物。因存在于核中，故命名为“核质”(nuclein)。1889年，Altmann制备了不含蛋白质的核酸制品，首先使用了核酸(nucleic

acid)这个名称。第5页/共85页2023/3/7核酸研究的历史1928－1932年，确立了核酸在生命现象中的地位。1944年，转化作用的发现，证实：

核酸遗传物质

1953年，Waston和Crick建立了双螺旋模型，这是核酸发展史上的重要里程碑。第6页/共85页2023/3/7核酸研究的历史早期的研究仅将核酸看成是细胞中的一种成分，后逐步证明核酸中含有戊糖，磷酸和碱基，是一种线状聚合物。第7页/共85页2023/3/7DNAisthecarrierofgeneticinformation第8页/共85页2023/3/7核苷酸的结构

左边是电脑模型，右边是简化的表示法酯键糖苷键第9页/共85页2023/3/7RiboseandDeoxyribose第10页/共85页2023/3/7

第一节

核酸的化学

组成第11页/共85页2023/3/7第一节核酸的化学组成

碱基水解完全水解核酸单核苷酸戊糖

磷酸第12页/共85页2023/3/7核酸的化学组成Nucleicacidnucleotide

phosphate+

nucleoside

base+pentose

purine、pyrimidineDNARNAdeoxyribonucleotideribonucleotidedeoxyribonucleosideribonucleosidedeoxyriboseribose第13页/共85页2023/3/7Thestructureofbase嘌呤嘧碇核酸中的碱基是含氮杂环化合物：第14页/共85页2023/3/7

碱基的互变异构酮式－烯醇

C=OC-OHNN氨基－亚氨基

C-NH2C=NH2+

+HNHN受介质pH影响第15页/共85页2023/3/7

碱基的共轭双键260nm波长的紫外吸收强。核酸测定的基础。第16页/共85页2023/3/7RiboseandDeoxyribose第17页/共85页2023/3/7pentose第18页/共85页2023/3/7核苷是碱基与戊糖以糖苷键相连接形成的化合物：核苷第19页/共85页2023/3/7核苷或脱氧核苷与磷酸通过酯键相连接分别构成核苷酸或脱氧核苷酸按组成分类：含有1个磷酸基团的核苷酸称为核苷一磷酸（NMP），如CMP含有2个磷酸基团的核苷酸称为核苷二磷酸（NDP），如GDP含有3个磷酸基团的核苷酸称为核苷三磷酸（NTP），如ATP核苷酸第20页/共85页2023/3/7核苷酸许多单核苷酸在体内具有许多重要的生理功能

ATP是体内能量的直接来源和利用形式。

腺苷酸是NAD＋、FAD、辅酶A等的组成成分。

cAMP与cGMP是细胞内信号转导过程中重要的调节因子。第21页/共85页2023/3/7核苷酸的连接方式AdenosineADPATPAMP第22页/共85页2023/3/7第23页/共85页2023/3/7

第二节

核酸的一级结构第24页/共85页2023/3/7核苷酸的连接(连接酶)第25页/共85页2023/3/7DNA的一级结构是通过3’,5’-磷酸二酯键构成一个没有分支的线性大分子，其两个末端分别是5’-末端（游离磷酸基）和3’-末端（游离羟基）。是指DNA分子中核苷酸的排列顺序。由于脱氧核苷酸之间的差别仅是其碱基的不同，所以DNA分子碱基的排列顺序就代表了核苷酸的排列顺序。DNA的一级结构第26页/共85页2023/3/75’3’DNA的

一级结构第27页/共85页2023/3/7核酸的书写方法5’：左侧（上）3’：右侧（下）AUGGC和AGUGC的碱基组成相同，但表示二段不同的核酸序列。第28页/共85页2023/3/7

第三节

DNA的空间结构与功能第29页/共85页2023/3/7Chargaff规则腺嘌呤与胸腺嘧啶的摩尔数相等，鸟嘌呤与胞嘧啶的摩尔数相等，即：A=T，G=C不同生物种属的DNA,其碱基组成不同同一个体不同器官、不同组织的DNA具有相同的碱基组成。提示：A与T，G与C之间可能以互补的方式存在。第30页/共85页2023/3/7第31页/共85页2023/3/7DNA的双螺旋结构第32页/共85页2023/3/7第33页/共85页2023/3/7第34页/共85页2023/3/7第35页/共85页2023/3/7第36页/共85页2023/3/7第37页/共85页2023/3/7

DNA的双螺旋结构DNA分子由两条脱氧核糖核酸作骨架的双链组成，以右手螺旋方式盘旋糖－磷酸骨架均位于外侧，碱基在内侧碱基平面之间距离为0.34nm。螺旋一周为10碱基对，螺距为3.4nm。双螺旋的两条链是反方向平行的。碱基配对：G=CA=T。稳定力：互补碱基之间的氢键疏水性堆积力-碱基堆积力B型-DNA第38页/共85页2023/3/7第39页/共85页2023/3/7第40页/共85页2023/3/7第41页/共85页2023/3/7第42页/共85页2023/3/7第43页/共85页2023/3/7DNA的三级结构原核生物和真核生物线粒体、叶绿体中的DNA是共价封闭的环状双螺旋，再形成超螺旋。环状双螺旋超螺旋第44页/共85页2023/3/7DNA的三级结构真核生物中DNA的三级结构与蛋白质有关。和DNA结合的蛋白质有组蛋白和非组蛋白。组蛋白H2A、H2B、H3和H4各两个分子形成八聚体，被两圈140-145碱基对的DNA所围绕。形成核小体。H1位于核小体之间的连接区，组成串珠状结构。第45页/共85页2023/3/7DNA的三级结构核小体第46页/共85页2023/3/7第47页/共85页2023/3/7第48页/共85页2023/3/7

DNA的功能基因：就是DNA大分子的一个片段，有复制、转录等主要功能，是生物遗传繁殖的物质基础。DNA的功能：作为生物遗传信息复制的模版和基因转录的模版。一个生物体的全部基因序列称为基因组。第49页/共85页2023/3/7

DNA功能是储存遗传信息，保证每一种生物机体合成它们独特的蛋白质和RNA，使机体按一定时间和空间顺序来合成细胞成分。

DNAisthestorehouse,orcellularlibrarythatcontainstheinformationrequiredtobuildacellororganism.

第50页/共85页2023/3/7生物体内DNA的大小第51页/共85页2023/3/7

第四节

RNA的空间结构

与功能第52页/共85页2023/3/7结构：RNA由一条多核苷酸链组成，经卷曲盘绕可形成局部双螺旋二级结构和三级结构RNA的结构和功能参与hnRNA的剪接转运snRNA小核RNA成熟mRNA的前体hnRNA不均一核RNA转运氨基酸mttRNAtRNA转运RNA蛋白质合成的模板mtmRNAmRNA信使RNA核蛋白体的组成成分mtrRNArRNA核蛋白体RNA功能线粒体细胞核与胞液动物细胞内主要RNA的分布与功能蛋白质合成的场所第53页/共85页2023/3/7一、信使RNA（mRNA）传递DNA遗传信息的RNA称为信使RNA（mRNA）。细胞核内初合成的mRNA前体是不均一核RNA（hnRNA），经剪接生成成熟的mRNA。去掉内含子（intron）转录后产物，留下外显子（extron）转录后产物，重新连在一起。第54页/共85页2023/3/7第55页/共85页2023/3/7mRNA的结构特点：⑴．大多数真核mRNA的5’-端在转录后均加上一个帽子结构。mRNA的帽子结构可保护mRNA免受核酸酶从5’端的降解作用，并在翻译起始中起重要作用。⑵．绝大多数真核mRNA的3’-端有200多个腺苷酸残基的尾巴（PolyA），其作用在于增加mRNA的稳定性和维持其翻译活动。第56页/共85页2023/3/7第57页/共85页2023/3/7m7GpppG第58页/共85页2023/3/7mRNA的功能

mRNA的功能是把核内DNA的碱基顺序（即遗传信息）按照碱基互补原则，抄录并转移到细胞质，决定蛋白质合成过程中的氨基酸排列顺序。mRNA通过三个核苷酸联成的密码子编码氨基酸。第59页/共85页2023/3/7二、转运RNA（tRNA）tRNA的结构特点：tRNA分子中含有较多的稀有碱基：DHU、ψ和mG、mA等所有的tRNA均是线性多核苷酸链，局部片断由于碱基互补而形成局部双螺旋区，而非互补区则形成环状结构。整个tRNA的二级结构呈现三叶草结构tRNA中的3个环分别是DHU环、TψC环和反密码环tRNA的三级结构呈现倒L型，一端为氨基酸臂，另一端为反密码子第60页/共85页2023/3/7tRNA的功能其功能是携带蛋白质合成所需的氨基酸，并按mRNA上的密码顺序“对号入座”地将其转运到mRNA分子上。第61页/共85页2023/3/7tRNA的三叶草结构第62页/共85页2023/3/7tRNA的三级结构tRNA的三级结构均呈倒L字母形，其3’末端含CAA-OH的氨基酸臂位于一端，反密码环位于另一端。tRNA的三级结构的稳定力是核苷酸之间的各种氢键。第63页/共85页2023/3/7三、核蛋白体RNA(rRNA)rRNA与蛋白质结合形成的核蛋白是细胞内蛋白质合成的场所。rRNA分子大小不均一，真核细胞的rRNA有4种，其沉降系数分别为28S、58S、5S和18S。大约与70种蛋白质结合而存在于的核蛋白体的大小亚基中rRNA的二级结构为茎环样结构。第64页/共85页2023/3/7第65页/共85页2023/3/7第66页/共85页2023/3/7

四、核酶(ribozyme)

rRNA前体的自我剪接是由内含子催化的，其本质是RNA。具有酶的催化活力的RNA就称为核酶，核酶的发现改变了酶都是蛋白质的传统概念。第67页/共85页2023/3/7第五节

核酸的理化性质及其应用第68页/共85页2023/3/7核酸的一般性质核酸分子通常表现为较强的酸性。由于DNA分子细长，其在溶液中的粘度很高；RNA分子比DNA短，在溶液中的粘度低于DNA。

核酸的紫外线吸收核酸分子中的碱基都含有共轭双键，在260nm波长处有最大紫外光吸收。蛋白质在280nm波长处有最大吸收，所以可利用溶液260nm和280nm处吸收光度（A）的比值来估计核酸的纯度。第69页/共85页2023/3/7DNA的理化性质及其应用变性复性增色效应减色效应解链温度杂交探针第70页/共85页2023/3/7DNA的理化性质及其应用变性复性增色效应减色效应解链温度杂交探针第71页/共85页2023/3/7核酸的变性与复性（一）变性DNA变性是指在某些因素的作用下，维系DNA双螺旋的次级键发生断裂，双螺旋DNA分子被解开成单链的过程。引起DNA变性的因素有加热和化学物质的作用。变性可使其粘度下降和紫外吸收值的改变等。2．增色效应和解链温度（Tm）。3．G＋C含量越高，Tm值越大；A＋T含量越高，Tm越值小。（二）复性1．解开的两条链重新缔合形成双螺旋，称为DNA的复性或退火。2．退火温度：比Tm低25℃。第72页/共85页2023/3/7变性和复性双链分开和重新形成双链这样的过程称为变性和复性。破坏氢键形成的因素都可能使DNA变性，如过量的酸、碱或加热。第73页/共85页2023/3/7变性与复性第74页/共85页2023/3/7增色效应和减色效应OD260:单核苷酸>单链DNA>双链DNADNA变性时，溶液的OD260增高，称为增色效应。在解链曲线中的中点称为中点解链温度，或解链温度(Tm)。变性和复性是可逆的，热变性的DNA经缓慢冷却后即可复性，故复性也称为退火(annealing)第75页/共85页2023/3/7第76页/共85页2023/3/7杂交杂交：不同的DNA链放在同一溶液中作变性处理，或把单链DNA和RNA放在一起，局部的碱基配对，就可以形成局部双链。这一过程称为杂交。杂交的应用。第77页/共85页

核酸分子杂交是根据两条核酸单链在一定条件下可按碱基互补原则退火形成双链的原理，用已知的单链核苷酸片段作为探针检测样本中是否存在与其互补的同源核酸序列的方法。

常用的核酸分子杂交方法：

Southern

印迹杂交、Northern

印迹杂交斑点杂交、狭缝杂交原位杂交（菌落原位杂交、细胞原位杂交、 组织片原位杂交）夹心杂交第78页/共85页202