CDESIGNA第二章核酸的结构和功能Zhang课件

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,*,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。,一、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,1965,年,Nirenberg,发现,遗传密码,1970,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,二、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%,）,2.,分子组成,碱基,(base),：嘌呤碱，嘧啶碱,戊糖,(ribose),：核糖，脱氧核糖,磷酸,(phosphate),嘌呤,(purine),腺嘌呤,(adenine, A),鸟嘌呤,(guanine, G),碱 基,嘧啶,(pyrimidine),胞嘧啶,(cytosine, C),尿嘧啶,(uracil, U),胸腺嘧啶,(thymine, T),碱基的互变异构,酮式烯醇,C=O C-OH,N N,氨基亚氨基,C-NH,2,C=NH,2,+,+,HN HN,受介质,pH,影响,戊 糖,（构成,RNA,）,1,2,3,4,5,核糖,(ribose),（构成,DNA,）,脱氧核糖,(deoxyribose),H,核苷：,AR, GR, UR, CR,脱氧核苷：,dAR, dGR, dTR, dCR,一、核苷酸的结构,1.,核苷,(ribonucleoside),的形成,碱基和核糖（脱氧核糖）通过,糖苷键,连接形成核苷（脱氧核苷）。,1,1,核苷酸,：,AMP, GMP, UMP, CMP,脱氧,核苷酸：,dAMP, dGMP, dTMP, dCMP,2.,核苷酸,(ribonucleotide),的结构与命名,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）。,电 脑 模 型图 简化式,酯键,糖苷键,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,NADP,+,NAD,+,5,端,3,端,3.,核苷酸的连接,核苷酸之间以,磷酸二酯键,连接形成多核苷酸链，即核酸。,C,G,A,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,C,G,A,A,G,P,5,P,T,P,G,P,C,P,T,P,OH 3,书写方法,5,p,A,p,C,p,T,p,G,p,C,p,T,-,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,DNA,的二级结构,-,双螺旋结构,DNA,双螺旋结构的研究背景和历史意义,DNA,双螺旋结构模型要点,DNA,的超螺旋结构及其在染色质中的组装,DNA,的超螺旋结构,原核生物,DNA,的高级结构,DNA,在真核生物细胞核内的组装,DNA,的功能,一、,DNA,的二级结构,双螺旋结构,（一）,DNA,双螺旋结构的研究背景和历史意义,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-C,以,氢键,配对较合理,DNA,纤维的,X-,线衍射图谱分析,目 录,Chargaff,规则,任何一种生物中各碱基相对比例相同,即：,A=T,，,G=C,；,不同生物的,DNA,其碱基组成不同；,同一个体不同器官、组织的,DNA,其碱基组成相同。,DNA,双螺旋结构发现的历史意义：,揭示了生物体遗传信息储存及表达的分子机制,开创了现代分子生物学,是生物学发展史上的里程碑,（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,nm,，,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; G,C,） 。,相邻碱基平面距离,0.34nm,，,螺旋一圈螺距3.4nm，一圈10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,双螺旋结构的多样性,目 录,B-,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,H4,三、,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基因的功能。,第三节,RNA,的结构与功能,Structure and Function of RNA,RNA,的种类、分布、功能,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,),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,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,eIF4A,帽结合蛋白（,CBPs,),polyA,结合蛋白,(PAB),* 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。,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,*,tRNA,的一级结构特点,含,10,20%,稀有碱基，如,DHU,3,末端为, CCA-OH,5,末端大多数为,G,具有,T,C,二、转运,RNA,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,*,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,的三级结构,倒,L,形,*,t,RNA,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,核蛋白体的组成,原核生物（以大肠杆菌为例）,真核生物（以小鼠肝为例）,小亚基,30S,40S,rRNA,16S,1542,个核苷酸,18S,1874,个核苷酸,蛋白质,21,种,占总重量的,40%,33,种,占总重量的,50%,大亚基,50S,60S,rRNA,23S,5S,2940,个核苷酸,120,个核苷酸,28S,5.85S,5S,4718,个核苷酸,160,个核苷酸,120,个核苷酸,蛋白质,31,种,占总重量的,30%,49,种,占总重量的,35%,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,核仁小,RNA,胞质小,RNA,催化性小,RNA,小片段干涉,RNA,snmRNAs,的,功能,参与,hnRNA,和,rRNA,的加工和转运。,RNA,组学研究细胞中,snmRNAs,的种类、结构和功能。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,核酸和蛋白质的比较,核 酸 的 理 化 性 质,The Physical and Chemical Characters of Nucleic Acid,第 四 节,目 录,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,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。,变性后其它理化性质变化：,OD,260,增高粘度下降,比旋度下降浮力密度升高,酸碱滴定曲线改变生物活性丧失,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,变性时其溶液,OD,260,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),。,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,变性,复性,不同来源的,DNA,分子,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,探针,在核酸杂交的基础上发展起来的一种用于研究核酸和基因诊断的新技术称为,探针技术,。,探针,：单链的核苷酸聚合体标记后，就可以称为探针。,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),：,专一降解,DNA,。,RNA,酶,(ribonuclease, RNase),：,专一降解,RNA,。,依据切割部位不同,核酸内切酶：,分为限制性核酸内切酶和非特异性限制性核酸内切酶。,核酸外切酶：,53,或,35,核酸外切酶。,参与,DNA,的合成与修复及,RNA,合成后的剪接等重要基因复制和基因表达过程,负责清除多余的、结构和功能异常的核酸，同时也可以清除侵入细胞的外源性核酸,在消化液中降解食物中的核酸以利吸收,体外重组,DNA,技术中的重要工具酶,生物体内的核酸酶负责细胞内外催化核酸的降解,核酸酶的功能,核 酶,催化性,DNA (DNAzyme),人工合成的寡聚脱氧核苷酸片段，也能序列特异性降解,RNA,。,催化性,RNA (ribozyme),作为序列特异性的核酸内切酶降解,mRNA,。,