生物化学03.第三章_核酸结构的功能

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第三章,核酸结构与功能,(Structure and Function of Nucleic Acid),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。,一、什么是核酸,(nucleic acid),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。,二、核酸的发现和研究工作进展,1868,年,Fridrich,Miescher,从脓细胞中提取“,核素,”,1944,年,Avery,等人,证实DNA是遗传物质,1953年,Watson,和,Crick,发现,DNA,的双螺旋结构,1968,年,Nirenberg,发现,遗传密码,1975,年,Temin,和,Baltimore,发,现,逆转录酶,1981,年,Gilbert,和,Sanger,建,立,DNA,测序方法,1985,年,Mullis,发明,PCR,技术,1990,年 美国启动,人类基因组计划,(,HGP,),1994,年 中国人类基因组计划启动,2001,年 美、英等国,完成人类基因组计划基本框架,2003,年 人类基因组计划完成,约,3,4,万个基因,三、核酸的分类及分布,90%,以,上分布于细胞核，其余分布于核外,如线粒体，叶绿体，质粒等。,分布于胞核、胞液。,(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),。,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。,第一节,核酸,的化学组成,(The Chemical Component of Nucleic Acid),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,),分子组成,1.,碱基,(base),嘌呤碱，嘧啶碱,2.,戊糖,(ribose),核糖，脱氧核糖,3.,磷酸,(phosphate),稀有碱基：如次黄嘌呤、二氢尿嘧啶等。,(1),嘌呤,(,purine,),腺嘌呤,(adenine, A),鸟嘌呤,(guanine, G),1.,碱 基,N,N,N,H,N,1,2,3,4,5,6,7,8,9,N,N,N,H,N,N,H,2,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),N,H,N,1,3,2,4,5,6,尿嘧啶,(,uracil, U),N,H,N,H,O,O,N,N,H,N,H,2,O,N,H,N,H,O,O,C,H,3,2.,戊 糖,（构成,RNA,）,1,2,3,4,5,核糖,(ribose),（构成,DNA,）,脱氧核糖,(,deoxyribose,),O,H,O,CH,2,O,H,O,H,O,H,O,H,O,CH,2,O,H,O,H,二、基本单位,核苷酸,(,一,),核苷,(,ribonucleoside,),(,二,),核苷酸,(,ribonucleotide,),1.,碱基和核糖,(,脱氧核糖,),通过,糖苷键,连接形,成核苷,(,脱氧核苷,),。,2.,核苷种类,核苷：,AR, GR, UR, CR,脱氧核苷,：,dAR,dGR,dTR,dCR,1.,核苷,（,脱氧核苷）和磷酸以,磷酸酯键,连接,形成核苷酸（脱氧核苷酸）。,核苷酸,：,AMP, GMP, UMP, CMP,脱氧,核苷酸：,dAMP,dGMP,dTMP,dCMP,2.,核苷酸种类,Pi,糖苷键,O,O,H,O,CH,2,H,O,H,N,N,N,H,2,O,磷酸酯键,O,P,O,O,O,H,O,H,O,CH,2,H,O,H,N,N,N,H,2,O,(,三,),重要的游离核苷酸及其衍生物,1.,多磷酸核苷酸,NMP,，,NDP,，,NTP,2.,环化核苷酸,cAMP,，,cGMP,ATP,N,O,C,H,2,O,O,H,O,H,N,N,N,N,H,2,P,O,O,H,O,P,O,O,H,O,P,O,O,H,O,H,5,端,3,端,(,四,),核苷酸的连接,1.,核苷酸之间以,磷酸二酯键,连接形成多核苷酸链，即核酸。,C,A,NH,2,N,N,O,P,OH,HO,O,O,H,3,C,O,O,H,P,HO,O,O,H,3,C,O,OH,NH,2,N,N,N,N,磷酸二酯键,A,G,P,5,P,T,P,G,P,C,P,T,P,OH 3,2.,书写方法,5,p,A,p,G,p,T,p,G,p,C,p,T,-,OH,3,5,A,G,T,G,C,T,3,第二节,DNA,的结构与功能,(Structure and Function of,DNA),一、核酸的一级结构,(,一,),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,。,DNA,: A,、,T,、,G,、,C,RNA,: A,、,U,、,G,、,C,二、,DNA,的空间结构与功能,(,一,) DNA,的二级结构,1.,定义,即平行反向的右手双螺旋结构。,Watson, Crick,于,1953,提出。,2.,研究背景,(1),碱基组成分析,Chargaff,规则：,A,=,T,G,C,(2),碱基的理化数据分析,A-T,、,G-C,以,氢键,配对较合理,(3),X-,线,衍射图谱分析,3. DNA,双螺旋结构模型要点,(1),由两条,相互平行但走向相反,的脱氧多核苷酸链组成，以,右手螺旋,方式盘绕中心轴。螺旋直径为,2,nm,，,形成大沟及小沟相间。,这些沟结构与蛋白质、,DNA,之间的相互识别有关。,5,/,3,/,5,/,3,/,(2),碱基间距,0.34nm,，,螺旋一圈10对碱基，螺距3.4nm 。,A,T,C,G,H,N,N,N,N,N,H,O,H,N,N,CH,3,O,N,N,N,N,O,H,H,N,H,N,N,N,O,H,H,(4),糖与磷酸骨架居双螺旋外侧，碱基在内相互形成,氢键,配对,(A=T; G,C),。,(3),氢键,维持横向稳定性，,碱基堆积力,维持纵向稳定性。,4.DNA,双螺旋结构的多样性,不同类型,DNA,的结构参数,A,型,DNA,B,型,DNA,Z,型,DNA,螺旋旋向,右手螺旋,右手螺旋,左手螺旋,螺旋直径,2.55nm,2.37nm,1.84nm,每一螺旋的碱基对数目,11,10.4,12,螺距,2.53nm,3.54nm,4.56nm,相邻碱基对之间的垂直间距,0.23nm,0.34nm,0.38nm,Watson,和,Crick,当年提出的是理想化的,DNA,双螺旋模型，后来发现其各项参数均与实际的,DNA,双螺旋结构有一定差异。,(,二,),DNA的,三级结构,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,(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。,(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,核小体的组成,DNA,：,约,200bp,H1,H2A,，,H2B,H3,H4,组蛋白,2nm DNA,(,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,310,9,个碱基对。,第三节,RNA,的结构与功能,(Structure and Function of,RNA),RNA,的种,类、分布、功能,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,hnRNA,的剪接、转运,rRNA,的加工、修饰,蛋白质内质网定位合成,的信号识别体的组分,核仁小,RNA,核蛋白体,RNA,信使,RNA,转运,RNA,核内不均一,RNA,核内小,RNA,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,hnRNA,的剪接、转运,rRNA,的加工、修饰,蛋白质内质网定位合成,的信号识别体的组分,核仁小,RNA,根据,RNA,的功能可分为,mRNA,、,tRNA,、,rRNA,等多种。,(,一,) 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,。,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,。,3.,帽子结构和多聚,A,尾的功能,mRNA,核内向胞质的转位；,mRNA,的稳定性维系；翻译起始的调控 。,一、,mRNA,的结构与功能,7,甲基鸟苷三磷酸,帽子结构,多聚,A,尾结构,O,O,CH,2,O,OH,+,N,HN,N,O,H,2,N,N,CH,3,O,OH,H,2,C,O,-,O,P,O,O,P,O,-,O,P,鸟嘌呤,O,O,-,O,P,O,O,AAA-OH 3,/,AUG,GUGGCGAGGTGTATTGA,UAA,AAAA An,m,7,Gpppp,5,/,帽子结构,5,/,非编码区,编码区,3,/,非编码区,3,/,多聚,A,尾,(,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。,DNA,mRNA,蛋白,转录,翻译,原核细胞,细胞质,细胞核,DNA,内含子,外显子,转录,转录后剪接,转运,mRNA,hnRNA,翻译,蛋白,真核细胞,(,一,),tRNA,的特点,1.,含,10,20%,稀有碱基，如,DHU,、,T,C,。,2. 3,末端为, CCA-OH,；,5,末端大多数为,G,。,二、,tRNA,的结构与功能,N,N,二甲基鸟嘌呤,N,6,-,异戊烯腺嘌呤,双氢尿嘧啶,4-,巯尿嘧啶,稀,有,碱,基,O,N,N,H,N,H,N,N,C,H,3,C,H,3,N,H,N,H,S,O,N,H,N,H,O,O,H,H,H,H,N,N,N,H,N,N,H,C,H,2,C,H,C,C,H,3,C,H,3,(,二,),tRNA,的结构,氨基酸,臂,额外环,OH,ACC,AGAGGGC,CCCCC,GCAAG,CCG,CUCUCGUA,U,C,T,C,C,GGGGG,GGC,A,A,G,m,D,D,G,G,D,D,D,A,A,C,A,G,U,U,A,A,A,A,GUUC,C,D,m,A,A,C,A,T,环,DUH,环,反密码,环,反密码子,tRNA,的二级结构,(1),tRNA,的二级结构为平面卷曲的,三叶草构型。,(2),由单链卷曲形成局部环状双链。,(3),反密码环，带有反密码子可破译遗传密码。,(4),氨基酸臂，直接结合被活化的氨基酸。,2. tRNA,的三级结构,倒,L,形,(,三,),t,RNA,的功能,破译遗传密码；活化、搬运氨基酸到核糖体，参与蛋白质的翻译。,X,线衍射结构证明，,tRNA,的共同三级结构为倒,L,形。,(,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,，作为蛋白质生物合成的场所。,(,一,),rRNA,占总,RNA,的,80,以上。,(,四,),根据沉降系数,，,rRNA,在,原核生物,中有,5S,23S,16S,三,种,；在,真核生物,中有,5S,28S,5.8S,18S,四,种,。,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 (small non-messenger,RNAs,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,有催化功能的核酸称为核酶。,底物部分,(,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 。,核酸是含磷酸和碱基的两性电解质，通常表现为较强的酸性。可用电泳和离子交换分离纯化核酸。,在碱性条件下，,RNA,不稳定，可在室温下水解。利用这个性质可以测定,RNA,的碱基组成，也可清除,DNA,溶液中混杂的,RNA,。,核酸是线性的大分子，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,。,第四节 核酸的理化性质,(The Physical and Chemical Characters of Nucleic Acid),一、核酸的一般性质,二、紫外吸收,(,一,),由于嘌呤和嘧啶中含有共轭双键，核酸在,260nm,处有最大吸收峰。,碱基的紫外光谱,240 250 260 270 280,波长,(nm),2000,4000,6000,8000,10000,12000,14000,分子消光系数,AMP,GMP,UMP,CMP,dTMP,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,(,二,) OD,260,的应用,三、,DNA,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,OD,260,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。,(2),增色效应：,DNA,变性时其溶液,OD,260,增高的现象。,DNA,的紫外吸收光谱,200,250,260,300,1.5,1.0,0.5,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,(melting temperature, 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,A,260,为纵坐标作图，所得的曲线称为解链曲线。,76 80 84 88 92 96 100 ,OD,260,0.70,0.65,0.60,0.55,0.50,Tm,(,二,),复性,1.DNA,复性,(,renaturation,),的定义,(3),减色效应,：,DNA,复性时，其溶液,OD,260,降低。,(1),当变性因素去除后，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。,(2),热变性的,DNA,经缓慢冷却后即可复性，这一过程称为退火,(annealing),。,1.,在,DNA,复性过程中，将不同种类的,DNA,单链分子或,RNA,分子置同一溶液中，就可以形成,杂化双链,(,heteroduplex,),。,2.,杂化双链可以在不同的,DNA,与,DNA,之间形成，也可在,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,。,(,三,),核酸分子杂交,(hybridization),3.,核酸分子杂交的应用,（,1,）研究,DNA,分子中某一种基因的位置,（,2,）确定两种核酸分子间的序列相似性,（,3,）检测待检样品中是否存在某些专一序列,（,4,）该方法是基因芯片技术的基础,