《生物化学》教学课件：第02章核酸的结构与功能（改）

1、第二章核酸的结构与功能,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。,元素组成：C、H、O、N、P,核酸的分类及分布,存在于细胞核和线粒体,分布于细胞核、细胞质、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，决定细胞和个体的基因型(genotype)。 遗传信息的载体,是DNA转录的产物,传递遗传信息 RNA也可作为遗传信息的载体,第一节 核酸的化学组成及其一级结

2、构The Chemical Component and Primary Structure of Nucleic Acid,核酸,(DNA和RNA),核苷酸,核苷和脱氧核苷,磷酸,戊糖,碱基,嘌呤,嘧啶,核糖,脱氧核糖,核酸组成,一、核苷酸是构成核酸的基本组成单位,碱基(base)是含氮的杂环化合物。,碱基,嘌呤,嘧啶,腺嘌呤A,鸟嘌呤G,尿嘧啶U,胸腺嘧啶T,胞嘧啶C,存在于DNA和RNA中,仅存在于RNA中,仅存在于DNA中,碱基,嘌呤(purine，Pu),腺嘌呤(adenine, A),鸟嘌呤(guanine, G),嘧啶(pyrimidine，Py),胞嘧啶(cytosine, C)

3、,尿嘧啶(uracil, U),胸腺嘧啶(thymine, T),碱基的互变异构体,戊糖,核苷,N,N,N,N,9,N,H,2,O,O,H,O,H,H,H,H,C,H,2,O,H,H,1,2,糖苷键,嘌呤N-9 或嘧啶N-1与核糖C-1通过糖苷键相连形成核苷。,核苷或脱氧核苷与磷酸通过酯键结合构成核苷酸,核苷酸(ribonucleotide),如:环化核苷酸：cAMP、cGMP，是细胞信号转导中的第二信使。,cAMP,核苷酸衍生物,二、DNA是脱氧核苷酸通过3 ,5 -磷酸二酯键连接形成的大分子,一个脱氧核苷酸3-OH与另一个核苷酸5-Pi缩合形成3 ,5 -磷酸二酯键。 多个脱氧核苷酸通过磷

4、酸二酯键构成了具有方向性的线性分子，称为多聚脱氧核苷酸，即DNA链。,C,G,A,三、RNA也是具有3,5-磷酸二酯键的线性大分子,RNA也是多个核苷酸分子通过酯化反应形成的线性大分子，并且具有方向性；,RNA的戊糖是核糖； RNA的嘧啶是胞嘧啶和尿嘧啶。,定义 核酸中核苷酸的排列顺序，即碱基序列。,四、核酸的一级结构是核苷酸的排列顺序,书写方法：,5 pApCpTpGpCpT-OH 3,5 A C T G C T 3,核酸分子的大小常用碱基(base或kilobase)数目来表示。 小的核酸片段(50bp)常被称为寡核苷酸(oligonucleotide)。自然界中的DNA和RNA的长度可以

5、高达几十万个碱基。,DNA和RNA的区别,dNMP,NMP,第二节 DNA的空间结构与功能Dimensional Structure and Function of DNA,DNA的空间结构又分为二级结构(secondary structure)和高级结构。,DNA的空间结构(spatial structure),构成DNA的所有原子在三维空间具有确定的相对位置关系。,一、DNA的二级结构是双螺旋结构,A = T，G = C 不同生物种属的DNA的碱基组成不同 同一个体的不同器官或组织的DNA碱基组成相同。,Chargaff 规则,（一）DNA双螺旋结构的研究背景,获得了高质量的DNA分子的X

6、射线衍射照片,Erwin Chargaff （19051995）,Chargaff s rule： A%T% G%C%,DNA 分子 X射线衍射照片,Rosalind Franklin,1953年：Watson and Crick DNA双螺旋（double helix）结构模型,（二）B-DNA(Watson-Crick)结构要点：,先分析结构图,要点小结：,（三）DNA双螺旋结构的多样性,（四）DNA的多链螺旋结构,Hoogsteen氢键,三链结构,四链结构,二、DNA的高级结构是超螺旋结构,超螺旋结构(superhelix 或supercoil) DNA双螺旋链再盘绕即形成超螺旋结构。,

7、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。,（一）原核生物DNA的环状超螺旋结构,原核生物DNA多为环状，以负超螺旋的形式存在，平均每200碱基就有一个超螺旋形成。,DNA超螺旋结构的电镜图象,（二）真核生物DNA的高度有序和高度致密的结构,真核生物DNA以非常有序的形式存在于细胞核内。 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)。,DNA染色质呈现出的串珠样结构。 染色质的基

8、本单位是核小体(nucleosome)。,DNA染色质的电镜图像,DNA：约200bp 组蛋白：H1 H2A，H2B H3 H4,核小体的组成,核小体的构成,核心颗粒,连接区,核心组蛋白：,组蛋白八聚体H2A、H2B、H3 、H4各2分子,DNA双螺旋分子(140bp)在核心组蛋白缠绕 1.75圈,DNA（60bp）,组蛋白H1,核小体结构图,核小体的折叠及染色体组装,逐级盘曲折叠,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基因的功能。,三

9、、DNA是遗传信息的物质基础,第三节 RNA的结构与功能,Structure and Function of RNA,RNA与蛋白质共同负责基因的表达和表达过程的调控。 RNA通常以单链的形式存在，但有复杂的局部二级结构或三级结构。 RNA比DNA小的多。 RNA的种类、大小和结构远比DNA表现出多样性。,RNA的种类、分布、功能,信使RNA(messenger RNA, mRNA)是合成蛋白质的模板。 其前体hnRNA含有内含子(intron)和外显子(exon)。 外显子是氨基酸的编码序列，而内含子是非编码序列。 寿命最短的RNA,一、mRNA是蛋白质合成中的模板,内含子 (intron)

10、,mRNA成熟过程,外显子 (exon),5-末端的m7Gppp帽子结构 3-末端的poly A尾。 从AUG 开始，每三个核苷酸为一组编码了一个氨基酸，称为三联体密码(codon)。 成熟的mRNA由氨基酸编码区和非编码区构成。,成熟的真核生物mRNA,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的遗传信息，转录成mRNA的密码、 指导蛋白质合成的氨基酸排列顺序。,DNA（遗传信息）,mRNA（密码载体）,蛋白质,(氨基酸序列),3. tRNA的三级结构 倒L形,二、tRNA是蛋白质合成中的氨基酸载体,1. tRNA的一级

11、结构,2. tRNA的二级结构三叶草形,4.tRNA的功能：,把活化的aa搬运到核糖体，tRNA的反密码子与mRNA的密码子特异性结合，使氨基酸对号入座。,2.rRNA的结构：,参与组成核蛋白体， 为蛋白质生物合成的场所。,3.rRNA的种类：,4.rRNA的功能：,多个茎环结构组成,三、以rRNA为组分的核蛋白体是蛋白 质合成的场所,1.含量最多的RNA,蛋白质合成时形成的复合体,tRNA,rRNA,mRNA,CCAOH 3 含稀有碱基多 二级:三叶草形 三级:倒L形,5 -m7GpppNm、 3 -polyA,结构,蛋白质合成的模板,搬运活化的aa 到核糖体,组成核蛋白体,三种RNA内容小

12、结,功能,细胞的不同部位存在的其他种类的小分子RNA，统称为非mRNA小RNA/snmRNAs.,snmRNAs,核内小RNA、核仁小RNA 胞质小RNA、催化性小RNA 小片段干扰RNA,snmRNAs的种类:,四、snmRNA参与了基因表达的调控,snmRNAs的功能:,参与hnRNA和rRNA的加工、转运及表达调控。,具有催化作用的RNA被称为核酶(ribozyme),核酶:,小片段干扰RNA,原核生物基因表达的特异性,五、核酸在真核细胞和原核细胞中表现了不同的时空特性,真核生物基因表达的特异性,核酸的理化性质 The Physical and Chemical Characters o

13、f Nucleic Acid,第四节,核酸在波长 260nm 处有强烈的吸收，是由碱基的共轭双键所决定的。 这一特性常用作核酸的定性和定量分析。,一、核酸分子具有强烈的紫外吸收,240290nm范围，最大吸收峰在260nm,各种碱基的紫外吸收光谱,DNA或RNA的定量 A260 = 1.0 相当于 50g/ml 双链DNA(dsDNA) 40g/ml 单链DNA (ssDNA or RNA) 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,核酸的酸碱及溶解度性质 核酸为多元酸，具有较强的酸

14、性。 核酸的高分子性质 粘度：DNARNA dsDNA ssDNA 沉降行为:不同构象的核酸分子的沉降的速率有很大差异，这是超速离心法提取和纯化核酸的理论基础。,二、DNA变性是双链解离为单链的过程,在某些理化因素作用下，DNA双链解开成两条单链的过程。,定义,DNA变性的本质：碱基堆积力和双链间氢键的破坏。,DNA热变性：,特点 骤然、突发式 融解温度Tm：A260变化值达到最大变化值一半时的温度，即50DNA双链被解开时候的温度。 Tm与G+C含量成正比,增色效应： DNA变性时其溶液A260增高的现象,G+C 含量越高，解链温度就越高。,解链曲线的变化,三、变性的核酸可以复性或形成杂交双链,当变性条件缓慢地除去后，两条解离的互补链可重新配对，恢复原来的双螺旋结构，这一现象称为DNA复性。,减色效应：DNA复性时，其溶液A260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。,只要两种单链分子之间存在着一定程度的碱基配对关系，在适宜的条件可以在不同的分子间形成杂化双链。 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变性、复性及分子杂交,形成单链,杂化双链,+,注：也可发生在DNA