核酸的结构与功能

,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,2020/11/3,*,*,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,2020/11/3,*,*,第二章 核酸的结构与功能,2020/11/3,1,第一节 核酸的一般概述,第二节 核酸的化学组成,第三节 DNA的结构与功能,第四节 RNA的结构与功能,第五节 核酸的理化性质及应用,2020/11/3,2,核 酸(nucleic acid),是以,核苷酸,作为基本组成单位的生物大分子，携带和传递遗传信息。核酸分为2种：,脱氧核糖核酸（,d,eoxyribo,n,ucleic,a,cid,DNA,）,核糖核酸（,r,ibo,n,ucleic,a,cid,RNA,）,P24,2020/11/3,3,1868年 瑞士的,Miescher 医生从脓细胞中提取核素（,核酸的发现）,1944,年 Avery用肺炎球菌转化试验等证实DNA是遗传物质（,核酸功能的认识）,1953年 Watson和Crick提出DNA的双螺旋结构模型（,现代分子生物学的基础）,一、核酸的发现与研究简史,P24,第一节 核酸的一般概述,2020/11/3,4,1968年,Nirenberg发现,遗传密码,1973年 美国斯坦福大学首次进行了体外,基因重组,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,启动人类基因组计划(,HGP),2003年,完成人类基因组计划,20世纪末 发现许多具有,特殊功能的RNA,P24,2020/11/3,5,二、核酸有固定的分布区域,并具有重要的生物学功能,核酸的分布区域特点：,核酸,位于细胞内，大部分都与蛋白质结合存,在，细胞外无核酸,DNA,存在于细胞核与线粒体,RNA,主要存在于细胞质，10% 存在于细胞核,分3类：信使RNA( messenger RNA,mRNA,),转运RNA ( transfer RNA,tRNA,),核蛋白体RNA ( ribosomal RNA,rRNA,),P25,2020/11/3,6,DNA 储存遗传信息并通过复制传递给下一代,RNA 是DNA转录的产物，与蛋白质一起参与,遗传信息的复制与表达,核酸的生物学功能：,核酸对生长、发育、遗传和变异具有重要意义,P25,2020/11/3,7,第一节 核酸的一般概述,第二节 核酸的化学组成,第三节 DNA的结构与功能,第四节 RNA的结构与功能,第五节 核酸的理化性质及应用,2020/11/3,8,第二节 核酸的化学组成,核酸的元素组成,C、H、O、N、P,RNA含磷 8.5%9%,DNA含磷 9%10%,P25,用于定量测定,2020/11/3,9,核酸的基本组成单位是,核苷酸,(nucleotide),核酸,(,DNA,和,RNA,),核苷酸,（,脱氧核糖核苷酸和核苷核糖酸）,脱氧核苷和核苷,磷酸,戊糖,碱基,嘌呤,嘧啶,脱氧核糖,核糖,P25,2020/11/3,10,一、戊糖是核苷酸组分之一,（构成RNA）,1,2,3,4,5,-,D-,核糖,（构成DNA,）,-,D-2-,脱氧核糖,P25,O,H,O,CH,2,O,H,O,H,O,H,2020/11/3,11,嘌呤碱,：A(adenine)、G(guanine),嘧啶碱,：C(cytosine)、T(thymine)、,U(uracil),稀有碱基：甲基化衍生物,二、嘌呤和嘧啶是核苷酸的,碱基组分,P26,2020/11/3,12,碱基中含共轭双键，对,260nm,左右的紫外光有较强的吸收，可用于定性定量分析。,P26,2020/11/3,13,碱基的互变异构体,P26,2020/11/3,14,三、碱基与戊糖相连形成核苷，核苷与磷,酸连接形成核苷酸,戊糖的,C,1,与嘌呤的,N,9,或,嘧啶的,N,1,以糖苷键相连形,成,核苷,(nucleoside)。,戊糖的碳原子编号加“,”,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,P27,2020/11/3,15,游离存在的多为,5-核苷酸,核苷的戊糖羟基与磷酸结合形成的磷酸酯即,核苷酸,常见的核苷酸/脱氧核苷酸（NMP/dNMP）,AMP、 GMP、 CMP、 UMP,dAMP、dGMP、dCMP、dTMP,P27,2-、3-、5-三种,核苷酸,3-、5-两种,脱氧核苷酸,2020/11/3,16,P28,2020/11/3,17,P28,2020/11/3,18,P28,2020/11/3,19,四、ATP等是体内重要的游离核苷酸,* NMP的磷酸基可以再和磷酸相连形成,NDP/dNDP、 NTP/dNTP,（RNA/DNA的原料）,* ATP是能量的直接供体，GTP、CTP和,UTP也可提供能量,P29,2020/11/3,20,P29,2020/11/3,21,核苷酸的其它功能,*,生成活性物质，如,UDPG、CDP-二脂酰,甘油、SAM、PAPS,*,构,成辅酶，如NAD,+,、FAD、CoA,*,环核苷酸cAMP和cGMP作为激素的,第二信使在信号转导中起重要作用,P29,2020/11/3,22,P30,2020/11/3,23,第一节 核酸的一般概述,第二节 核酸的化学组成,第三节 DNA的结构与功能,第四节 RNA的结构与功能,第五节 核酸的理化性质及应用,2020/11/3,24,一、核苷酸序列是核酸分子的一级结构,核酸由核苷酸以,3, 5,-磷酸二酯键,相连聚合而成,* 一个核苷酸的,C-3,-,羟基,和下一位核苷酸,C-5,-磷酸,之间,脱水缩合形成的酯键，即,磷酸二酯键,。,* 方向性： 5-磷酸 “头”, 3- OH “尾”,书写：按,5,3,方向,P30,第三节 DNA的结构与功能,2020/11/3,25,P31,2020/11/3,26,* 基本单位：,脱氧核糖核苷酸,（dAMP、dGMP、dCMP、dTMP）,* 基本结构键：,3,5-磷酸二酯键,*,DNA的一级结构,指DNA分子中脱氧核苷酸的排列顺序（也就是碱基排列顺序）。,DNA的一级结构,P30,2020/11/3,27,核酸分子大小常用碱基(base或kilobase, kb)或碱基对(base pair, bp或kilobase pair, kbp)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的长度可以高达几十万个碱基。,P31,2020/11/3,28,二、DNA的二级结构是右手双螺旋,20世纪50年代，Chargaff等，薄层层析和紫外吸收等,技术研究了DNA的碱基成分，得出,Chargaff规则,：,不同种属的DNA碱基组成不同，而同一个体不同,器官、组织的DNA碱基组成相同,某一特定生物DNA碱基组成不随年龄等因素改变,Pu=Py，A+G=T+C，且A=T，G=C,（一）DNA碱基组成具有重要特征（2个证据）,P31,2020/11/3,29,1952年，Franklin，,DNA的X-ray衍射图谱,-DNA是双链螺旋形分子,P31,2020/11/3,30,（二）DNA双螺旋结构为现代,分子生物学奠定了基础,1953年，Watson和Crick，,双螺旋(double helix)结构模型,要点如下,（四点）：,P32,2020/11/3,31,1、DNA 分子是,由,两条长度相同、方向相反,的平行多核苷酸链围绕同一中心轴构成的双螺旋结构；两条螺旋都是,右手螺旋,，双螺旋表面有,深沟、浅沟,。,5,3,5,3,P32,2020/11/3,32,2020/11/3,33,3.4nm,0.34nm,1nm,2020/11/3,34,2020/11/3,35,2、双螺旋,直径为2 nm,。,磷酸和脱氧核糖,相连而成的,糖-磷酸骨架,位于螺旋外侧，,碱基,位于内侧。脱氧核糖平面垂直于碱基,平面，碱基平面垂直于螺旋的纵轴。相邻,碱基间堆砌距离,0.34nm,，旋转夹角,36,o,每,旋转一周包括,10 个,脱氧核苷酸残基，螺,距为,3.4nm,。,P32,2020/11/3,36,T,C,A,G,2020/11/3,37,A,C,G,T,3、两条多核苷酸链,通过碱基间的,氢键,连接，遵从,碱基互补配对,原则，即：,A-T配对，形成,两个,氢键G-C配对，形成,三个,氢键,P32,2020/11/3,38,碱基的配对使得双螺旋DNA分子在复制时以半保留的形式进行。,2020/11/3,39,4、维持DNA,双螺旋结构稳定的因素：,碱基堆砌力（疏水力）和氢键,P32,2020/11/3,40,Watson-Crick,的DNA双螺旋,2.0 nm,2020/11/3,41,2020/11/3,42,DNA双螺旋结构存在多样性：,B-DNA：,右手螺旋，条件：相对湿度92%，生理盐水中,提取的DNA纤维的构象,A-DNA：,右手螺旋，条件：相对湿度72%,Z-DNA：,1979，Rich，左手螺旋，,条件：CG重复序列，天然也有,P33,2020/11/3,43,A,B,Z,P34,2020/11/3,44,DNA的超螺旋结构,是指DNA在双螺旋结构的基础上，进一步旋转折叠，在蛋白质的参与下组装成的空间构象。,正超螺旋：,与双螺旋同向，使之变紧,负超螺旋：,与双螺旋反向，使之变松,三、荷载遗传信息的DNA大分子,具有超螺旋结构,P35,2020/11/3,45,1、原核生物DNA形成超螺旋,原核生物DNA、线粒体、叶绿体、质粒、噬菌体及某些病毒的DNA是共价封闭的环，主要形成,负超螺旋,，,P35,2020/11/3,46,平均每200碱基就有一个超螺旋形成,P35,2020/11/3,47,11nm,5.5nm，盘状小颗粒,核心颗粒：,组蛋白H,2,A、H,2,B、H,3,、H,4,各两分子,组成八聚体，表面绕有146bp，,3,以1-圈负超螺旋组成,4,连接区：,组蛋白H,1,和60bpDNA链连结接,核,小,体,2、真核生物染色体DNA与组蛋白形成核小体,P35,2020/11/3,48,核小体,彼此相连成串珠状,染色质细丝,P36,2020/11/3,49,染色质细丝进一步螺旋化形成中空的线圈状螺线管，,每圈螺旋由 6个核小体组成，即,染色质纤维空管,。,再进一步盘曲、折叠形成,染色单体,。,P36,2020/11/3,50,压缩6倍,压缩40倍,2020/11/3,51,DNA经过多次折叠，被压缩了800010000倍,压缩1000倍,压缩10000倍,2020/11/3,52,真核生物的染色体DNA,2020/11/3,53,四、DNA是物种进化和世代繁衍的物质基础,基因(gene) ：,从结构上定义是指DNA分子中的功能性片段，即经过,复制,可以遗传给子代，能,编码,有功能的,蛋白质,或合成,RNA,所必需的完整序列，是核酸的功能单位 。,DNA的基本功能：,基因遗传,基因表达,P35,2020/11/3,54,生物体的,全部基因序列,称为基因组(genome)，包含了所有编码RNA和蛋白质的,编码序列,及所有的,非编码序列,，也就是DNA分子的全序列。,基因组,SV,40,病毒的基因组：5100bp,大肠杆菌的基因组：577kb,人的基因组3.0,10,9,bp,P35,2020/11/3,55,第一节 核酸的一般概述,第二节 核酸的化学组成,第三节 DNA的结构与功能,第四节 RNA的结构与功能,第五节 核酸的理化性质及应用,2020/11/3,56,第四节 RNA的结构与功能,AMP、GMP、CMP、UMP,RNA的基本组成单位是4种核苷酸,RNA的基本结构键是,3，5 ,磷酸二酯键,P36,RNA的一级结构即核苷酸的排列顺序,RNA的分子小，种类多，稀有碱基多,2020/11/3,57,发夹结构(hairpin)是RNA中最普遍的二级结构,多数RNA为线形单链,RNA分子内相邻区段可形成局部双螺旋，,区段间非配对碱基膨胀成凸出或突环,RNA进一步折叠成三级结构成为活性分子,P36,2020/11/3,58,RNA的分类和功能,信使RNA,是蛋白质生物合成的直接模板,转运RNA,是蛋白质合成时转运氨基酸的工具,核蛋白体RNA,是蛋白质合成的场所,细胞内存在多种功能各异的小分子RNA,P36,2020/11/3,59,一、信使RNA是蛋白质生物合成,的直接模板,信使RNA,（messenger RNA, mRNA ）,含量最少,（2-3%）；种类最多；半寿期短；,一级结构差异大（500-6000个NA）。,mRNA 转录DNA的基因序列信息，并携带至细胞,质，,作为蛋白质合成的模板，,指导蛋白质的合成。,P36,2020/11/3,60,不均一核RNA,（heterogeneous nuclear RNA, hnRNA),真核细胞成熟的mRNA来自不均一核RNA,含有内含子的转录产物，经加工成熟为mRNA。,hnRNA 加工修饰,包括：,剪接,5端加帽子结构,3端加尾,P36,2020/11/3,61,真核细胞mRNA5端有m,7,-GpppN的帽子结构,5端帽子结构的作用：,-增强mRNA稳定性，免受核酸酶降解,-促进核糖体与mRNA的结合,P36,2020/11/3,62,真核细胞mRNA的3端有,m,7,-GpppN,AAAAAA,30到200个,多聚腺苷酸尾（poly A）的作用：,多聚腺苷酸的尾,参与,mRNA从胞核到胞浆的转位,维持mRNA的稳定性,参与调控蛋白质的合成速度,P37,2020/11/3,63,* 成熟mRNA包括编码区和非编码区,mRNA的功能是指导蛋白质的合成,* 成熟mRNA分子编码序列上每3个相邻的核苷酸为一组，决定相应多肽链中某一个氨基酸，称为,三联体密码,(triplet code)或,密码子,(codon)。,P37,2020/11/3,64,原核生物mRNA与真核生物不同,无5帽子结构和3多聚腺苷尾,转录后很少加工，直接作为蛋白质合成的模板,P37,2020/11/3,65,二、转运RNA是蛋白质合成时,转运氨基酸的工具,占RNA总量15%左右,（一）tRNA一级结构的特点,70-90核苷酸，,分子量最小的RNA,富含稀有碱基（7-15个/分子）,5末端多为pG，3-末端都是-CCA,A的羟基是,氨基酸结合部位,P37,2020/11/3,66,P37,2020/11/3,67,（二）,tRNA的二级结构呈三叶草形,四个螺旋区,三个环,一个可变环,（附加叉）,P37,2020/11/3,68,（三）tRNA三级结构,呈倒“L”字母形,P37,2020/11/3,69,含量最多,，约占RNA总量80%；,与多种蛋白质构成,核糖体/核蛋白体,(,ribosome)，是蛋白质的“装配机”,三、,核蛋白体,RNA是蛋白质合成的场所,P38,2020/11/3,70,rRNA 蛋白质,大亚基,50S,5S、23S 34种,小亚基,30S,16S 21种,原核细胞核糖体,P38,2020/11/3,71,rRNA 蛋白质,大亚基,60S,5S、5.8S、28S 36-50种,小亚基,40S,18S 30-32种,真核细胞核糖体,P38,2020/11/3,72,rRNA有特定的二级结构，也可形成三级结构。,P38,2020/11/3,73,四、细胞内存在多种功能各异的,小分子RNA,非mRNA小RNA,( small non-messenger RNA, snmRNAs ),，,参与RNA的加工、转运及基因表达调控,核内小RNA（snRNA）,核仁小RNA （snoRNA）,胞质小RNA （scRNA）,催化性小RNA （ribozyme，核酶）,小片段干扰RNA （siRNA）,P38,2020/11/3,74,第一节 核酸的一般概述,第二节 核酸的化学组成,第三节 DNA的结构与功能,第四节 RNA的结构与功能,第五节 核酸的理化性质及应用,2020/11/3,75,一、核酸分子具有多种重要的理化性质,第五节 核酸的理化性质及应用,1、核酸是生物大分子,RNA比DNA短，在溶液中的粘度小于DNA。,P39,2020/11/3,76,2、核酸是两性电解质，酸性较强,*,酸性的磷酸基团,*,碱基上的碱性基团,依核酸分子大小及所带电荷不同，可用,电泳和离子交换法来分离不同的核酸,P39,2020/11/3,77,碱基共轭双键的最大吸收峰在,260nm,3、核酸的紫外线吸收性质,P39,应用：* 定性、定量分析,* 变性、复性的指标,2020/11/3,78,（一）变性,DNA变性,是指在某些理化因素的作用下，双螺旋DNA分子中互补碱基对之间的氢键断裂，双螺旋结构松散，变成单链的过程。不伴有共价键的断裂。,三、DNA具有变性和复性的特性,P39,2020/11/3,79,DNA,分子的变性,2020/11/3,80,部分变性DNA,2020/11/3,81,现象：,粘度下降,紫外吸收值增加，称,增色效应,监测指标：,260nm处吸光度的变化,变性因素,：,加热、碱、酸、有机溶剂、,尿素及酰胺等。,2020/11/3,82,增色效应,(hyperchromic effect),2020/11/3,83,DNA的热变性是爆发式的，,在很狭窄的温度范围内发生。,（S形）,DNA热变性的解链曲线,解链温度(melting temperature，Tm),通常将DNA分子达到50%解链时的,温度称为熔点或解链温度,2020/11/3,84,G-C,含量高,T,m,高；A-T含量高,T,m,低；链越长T,m,越高。,2020/11/3,85,变性DNA在适当条件下,如热变性后温度,缓慢下降,，两条互补链又可重新缔合而形成双螺旋,此过程称为,复性(renatruation),或,“退火”(annealing)。,（二）复性,2020/11/3,86,伴随复性会出现核酸溶液的紫外吸收降低的现象,称为,低色效应,。,最适宜的复性温度是比T,m,约低25,o,C,这个温,度又叫做,退火温度,。,变性后若温度迅速下降(4,o,C)，则复性不发生。,2020/11/3,87,在核酸变性后的复性过程中,具有一定互补序列的不同DNA单链，或DNA单链与同源RNA序列，在一定条件下按碱基互补原则结合在一起，形成异源双链的过程称为,分子杂交,(hybridization),。,（三）分子杂交,技术以,核酸,的,变性,和,复性,为,基础,2020/11/3,88,sdff,sdff,2020/11/3,89,杂交可以是:,DNA/DNA, RNA/RNA, DNA/RNA,应用：,标记一个来源的核酸，通过杂交可以检查,另一来源的核酸中是否含有相同的或相似,的互补片段，这种标记的核酸就称为,探针,.,(见第十九章，分子杂交技术）,2020/11/3,90,1、简答,简述三种RNA的生理功能。,2、论述,论述DNA双螺旋结构的要点。,第二章作业,2020/11/3,91,1、核酸的元素组成,2、组成核酸的碱基、戊糖、核苷及,核苷酸的基本结构,3、核苷酸的功能,4、核酸中核苷酸的连接方式,5、DNA的一级结构（概念，基本单位，,连接方式，书写方向）,6、DNA 的二级结构（DNA双螺旋结构,模型的要点）,7、信使RNA、转运RNA和核糖体RNA的,一、二级结构和功能。,第二章 掌握内容,2020/11/3,92,1、Chargaff 规则,2、核酶的概念,3、核酸的紫外吸收性质（最大吸收峰260nm）,4、核酸的变性、复性与杂交,第二章 熟悉内容,了解 DNA的超级结构,第二章 了解内容,2020/11/3,93,