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,*,*,*,第四章 核酸的结构与功能,Chapter 4 Structure and Function of Nucleic Acid,主要内容,核酸的化学组成 核酸的一级结构 DNA的空间结构与功能 RNA的空间结构与功能 核酸的理化性质及其应用 核酸酶,教学目的,:,1.了解核酸的化学组成,2.掌握核酸的结构与功能,3.掌握核酸的理化性质及应用,教学重点难点,:,DNA的双螺旋结构;mRNA的结构与功能;DNA的复性与分子杂交,教学课时,:8,核酸是存在于细胞中的一类大分子酸性物质，包括,核糖核酸（,ribonucliec acid,RNA,）,脱氧核糖核酸（,deoxyribonucliec acid,DNA,）,RNA和DNA都是以,单核苷酸,为基本单位所组成的多核苷酸长链。,RNA主要参与遗传信息的,表达,，而DNA则是遗传信息的,载体,。,核酸的发现及发展,1869年，瑞士外科医生Miescher从伤口绷带的脓细胞核中分离出酸性很强的物质，称为核素。,1944年，Avery通过肺炎双球菌转化实验证实了DNA是遗传的物质基础。,1953年Watson和Crick提出DNA的双螺旋结构模型，从此，核酸的研究成了生命科学中最活跃的领域之一,。,1944年，Avery肺炎双球菌转化实验,噬菌体转化实验,1953.Watson&Crick,Right handed B-form DNA,Double helix Model,Sectiom 1 核酸的化学组成,核酸的水解产物：,1.嘧啶碱(,Pyrimidinebases,)：,尿嘧啶 胞嘧啶 胸腺嘧啶,2.嘌呤碱(,Purinebases,)：,腺嘌呤 鸟嘌呤,二、戊糖与核苷,1戊糖(,pentose,)：,-D-核糖 -D-2-脱氧核糖,2核苷：,核苷,是由戊糖与含氮碱基经脱水缩合而生成的化合物。,在大多数情况下，核苷是由核糖或脱氧核糖的C1-羟基与嘧啶碱N1或嘌呤碱N9进行缩合，故生成的化学键称为,，N糖苷键,。,腺苷(AR)脱氧胞苷(dCR),1,N9-糖苷键 1,N1-糖苷键,1,1,N9,N1,“稀有核苷”是由“稀有碱基”所生成的核苷。,假尿苷（）,1,C5-糖苷键,1,C5,三、核苷酸的结构与命名,核苷酸,是由核苷与磷酸经脱水缩合后生成的磷酸酯类化合物，包括,核糖核苷酸,和,脱氧核糖核苷酸,两大类。,由于与磷酸基缩合的位置不同而分别生成2-核苷酸、3-核苷酸和5-核苷酸。最常见者为,5-核苷酸,（5 常被省略）。,核苷酸的分子结构,5-,核苷酸又可按其在,5,位缩合的磷酸基的多少，分为一磷酸核苷,(,NMP,),（核苷酸）、二磷酸核苷,(,NDP,),和三磷酸核苷,(,NTP,),。,环核苷酸的分子结构,环一磷酸腺苷 环一磷酸鸟苷,核苷酸的命名及缩写符号,脱氧,碱基,磷酸基数目,磷酸,d,A,M,P,G,D,T,T,C,U,Section 2 核酸的一级结构,一分子的核苷酸的3-位羟基与另一分子核苷酸的5-位磷酸基通过脱水可形成,3,5-磷酸二酯键,，从而将两分子核苷酸连接起来。,多核苷酸链：,核酸就是由许多,核苷酸单位,通过3,5-磷酸二酯键连接起来形成的不含侧链的长链状化合物。,核酸是,具有方向性,的长链状化合物，多核苷酸链的两端，一端称为5-端，另一端称为3-端。,DNA分子主要由,dAMP、dGMP、dCMP和dTMP,四种脱氧核糖核苷酸所组成。,DNA的一级结构,就是指DNA分子中脱氧核糖核苷酸的排列顺序及连接方式。,RNA分子主要由,AMP，GMP，CMP，UMP,四种核糖核苷酸组成。,RNA的一级结构,就是指RNA分子中核糖核苷酸的排列顺序及连接方式。,5-AGTCCATG-3 A G T C C,P P P P P OH,5-AGUCCAUG-3,核酸一级结构的表示方法,Section 3 DNA的空间结构与功能,一、DNA的二级结构双螺旋结构模型,DNA双螺旋结构是DNA二级结构的一种重要形式，它是,Watson,和,Crick,两位科学家于1953年提出来的一种结构模型。,一、DNA分子模型建立,1.Chargaff碱基组成规律,2.DNA晶体的X-射线图谱研究,各原子之间的键长、键角,（一）DNA双螺旋结构的研究背景：,19501953，Chargaff研究小组对DNA的化学组成进行了研究，发现：,DNA碱基组成有物种差异，且物种亲缘关系越远，差异越大；,相同物种，不同组织器官中DNA碱基组成相同，而且不因年龄、环境及营养而改变；,DNA分子中四种碱基的摩尔百分比具有一定的规律性，即,A=T、G=C、A+G=T+C,。这一规律被称为,Chargaff原则,。,1953年由Wilkins研究小组完成的研究工作，发现了DNA晶体的X线衍射图谱中存在两种周期性反射，并证明DNA是一种螺旋构象。,（二）DNA双螺旋结构模型的要点：,目前已知DNA双螺旋结构可分为A、B、C、D及Z型等数种，除Z型为左手双螺旋外，其余均为右手双螺旋。,B型双螺旋DNA的结构特征,碱基配对及氢键形成,B型双螺旋DNA的结构特点：,1.,由两条反向平行的脱氧多核苷酸（两条链的走向为53和35），围绕一中心轴（假想轴）构成,右手双螺旋,结构。,2.,磷酸基与脱氧核糖在外侧彼此间以磷酸二酯键相连，构成的骨架,主链，碱基位于内侧,；,碱基平面与中心轴垂直，各相邻平面部分重叠;糖环平面与中心 轴平行。,3.两条链间存在,碱基互补,：,A与T,或,G与C,配对形成氢键，称为碱基互补原则（,A与T为两个氢键，G与C为三个氢键,）；,4.螺旋的稳定因素为,氢键和碱基堆砌力,；,5.螺旋的,直径为2nm,沿轴向，每个碱基平面的距离为0.34nm,每圈螺旋含有10对核苷酸,螺距为3.4nm，,二、DNA的超螺旋结构,（一）原核生物DNA的三级结构：,绝大多数原核生物的DNA都是共价封闭的环状双螺旋。如果再进一步盘绕则形成麻花状的超螺旋三级结构。,（二）真核生物中的核小体结构：,在真核生物中，双螺旋的DNA分子围绕一蛋白质八聚体进行盘绕，从而形成特殊的串珠状结构，称为,核小体,。核小体结构属于DNA的三级结构。,三、DNA的功能,DNA的基本功能是作为遗传信息的载体，为生物遗传信息复制以及基因信息的转录提供模板。,DNA分子中具有特定生物学功能的片段称为基因（gene）。一个生物体的全部DNA序列称为基因组（genome）。基因组的大小与生物的复杂性有关，如病毒SV40的基因组大小为5.1103bp，大肠杆菌为5.7106bp，人为3109bp。,嘌呤,Section 4 RNA的空间结构与功能,RNA通常以单链形式存在，但也可形成,局部的双螺旋,结构。,RNA分子的种类较多，分子大小变化较大，功能多样化。,主要的RNA种类有rRNA、mRNA、tRNA、HnRNA、SnRNA、SnoRNA、ScRNA等。,一、mRNA的结构与功能,mRNA可形成局部双螺旋结构的二级结构。,mRNA在真核生物中的初级产物称为HnRNA。,大多数真核成熟的mRNA分子具有典型的5-端的,7-甲基鸟苷三磷酸（m,7,GTP）,帽子结构和3-端的,多聚腺苷酸(polyA),尾巴结构。,真核生物mRNA 5-端帽子结构,真核生物mRNA 3-端的polyA结构,mRNA分子中带有遗传密码，其功能是为蛋白质的合成提供,模板,。,mRNA分子中每三个相邻的核苷酸组成一组，在蛋白质翻译合成时代表一个特定的氨基酸，这种核苷酸三联体称为,遗传密码,（coden）,二、tRNA的结构与功能,tRNA是分子最小，但含有,稀有碱基最多,的RNA，其稀有碱基的含量可多达20%。,tRNA是保守性最强的RNA。,tRNA是单链核酸，但其分子中的某些局部也可形成双螺旋结构。,（一）tRNA的二级结构：,tRNA的二级结构由于局部双螺旋的形成而呈现“三叶草”形，故称为,“三叶草”结构。,tRNA的“三叶草”形结构包括：,氨基酸臂、DHU臂、反密码臂、可变臂和TC臂,五部分。,氨基酸臂,可变臂,DHU臂,反密码臂,TC臂,（二）tRNA的三级结构：,三、rRNA的结构与功能,rRNA是细胞中,含量最多,的RNA，占总量的80%。rRNA与蛋白质一起构成核蛋白体，作为蛋白质生物合成的场所。,在原核生物中，rRNA有三种：,5S，16S，23S,。其中，16S的rRNA参与构成核蛋白体的小亚基，而5S和23S的rRNA参与构成核蛋白体大亚基。,在真核生物中，rRNA有四种：,5S，5.8S，18S，28S,。其中，18S的rRNA参与构成核蛋白体小亚基，其余的rRNA参与构成核蛋白体大亚基。,大肠杆菌16S rRNA的二级结构,四、核酶,具有自身催化作用的RNA称为核酶（ribozyme），核酶通常具有特殊的分子结构，如锤头结构。,Section 5 DNA的理化性质及其应用,一、核酸的一般理化性质,1、性状：,RNA及其组分核苷酸、核苷、嘌呤碱、嘧啶碱的纯品都呈白色的粉末或结晶；DNA则为疏松的石棉一样的纤维状固体,。,核酸具有酸性；粘度大；能吸收紫外光，最大吸收峰为,260nm,。,2、溶解性：,RNA和DNA是极性的化合物都微溶于水不溶于乙醇乙醚、氯仿等有机溶剂。它们的钠盐易溶于水。,在生物细胞内都与蛋白质结合成,核蛋白,。DNA核蛋白(DNP)与RNA核蛋白(RNP)的溶解度受溶液的盐浓度的影响而不同。,DNP溶于水和浓盐溶液，在1mol/L的NaCl溶液中溶解度比纯水高2倍，但在0.14mol/L的NaCl溶液中溶解度最低，仅为水的1%，几乎不溶解；,RNP在盐溶液中其溶解度受盐浓度的影响较小，在0.14mol/L的NaCl溶解度较大。因此，,在核酸的提取中，常用此法将两种核蛋白分开，然后用蛋白质变性剂去除蛋白质,。（如用苯酚抽提）,3、沉降特性（DNA）,不同构象的核酸（线形、环形、超螺旋），浮力密度和沉降速率不同，用Cs-Cl密度梯度离心就可以将它们区分开来，这一方法常用于质粒DNA的纯化。,相对沉降常数：,线型双螺旋分子 1.00,松驰双链闭环 1.14,切刻双链环 1.14,单链环 1.14,线型单链 1.30,正超或负超螺旋双链环状 1.41,离心机结构示意图,转头,转头腔,沉降样品,驱动马达,真空,冷冻,沉降系数,生物大分子在单位离心力场作用下的沉降速度称为沉降系数。即沉降系数是微颗粒在离心力场的作用下，从静止状态到达极限速度所需要的时间。,数学定义式为：,沉降系数单位,：由于蛋白质、核酸、病毒等的沉降系数介于110,-13,到20010,-13,秒的范围，为方便起见，把作为沉降系数的一个单位，用Svedberg单位，用即S表示。,沉降系数（s）与相对分子量（Mr）的关系:,Mr=,RTs,D(1-,),Svedberg方程:,d,/dt,2,s=,4、UV吸收,核酸分子中含有嘌呤碱和嘧啶碱，因而具有紫外吸收的的性质。在260nm处核酸紫外吸收最强。核酸的紫外吸收是核酸定量测定的基础。,1)鉴定纯度,纯DNA的A260/A280应为1.8（），若大于1.8，表示污染了RNA。,纯RNA的A260/A280应为2.0。,若溶液中含有杂蛋白或苯酚，则A260/A280比值明显降低。,2)含量计算(p195),天然DNA,变性DNA,核苷酸总吸收值,1,2,3,220,240,260,280,0.1,0.2,0.3,0.4,波长（nm）,光吸收,1,2,3,3)、增色效应与减色效应,增色效应：在DNA的变性过程中，摩尔吸光系数增大,减色效应：在DNA的复性过程中，摩尔吸光系数减小。,DNA的紫外吸收光谱,二、DNA的变性,在理化因素作用下，DNA双螺旋的两条互补链松散而分开成为单链，从而导致DNA的理化性质及生物学性质发生改变，这种现象称为,DNA的变性,。,引起DNA变性的因素主要有：高温，强酸强碱，有机溶剂等。,DNA的变