核酸的结构与功能.ppt

第三章遗传的分子基础 十堰市医药卫生学校基础教研室洪波 学习目标 掌握 核酸的种类及化学组成 基因的概念 基因突变的概念 特性及类型 熟悉 真核生物基因的结构特点及功能 基因突变的后果 了解 核酸的分子结构 人类基因组计划 生命体中两种关键大分子 DNA 蛋白质 生物大分子 biopolymer biomacromolecule 是指生物体内由分子量较低的基本结构单位首尾相连形成的多聚化合物 包括核酸 蛋白质和多糖 基本结构单位的排列顺序构成生物大分子的一级结构 生物大分子在其一级结构的基础上形成复杂的空间结构 自然界典型的生物大分子的分子量在10 103 之间 核酸核酸 nucleicacid 是以核苷酸为基本组成单位 通过3 5 磷酸二酯键连接而成的生物大分子 科学证明 一切生物都含有核酸 4种三磷酸脱氧核糖核苷以3 5 磷酸二酯键相连构成一个没有分枝的绒性大分子 它们的两个末端分别称5 末端 游离磷酸基 和3 末端 核酸的基本组成单位 核苷酸 磷酸 戊糖和碱基 核酸有两类 一类为脱氧核糖核酸 deoxyribonucleicacid DNA 另一类为核糖核酸 ribonuleicacidRNA DNA存在细胞核和线粒体内 携带和传递遗传信息 决定细胞和个体的基因型 genetype RNA存在于细胞质和细胞核内 参入细胞内DNA遗传信息的表达 病毒中 RNA也可作为遗传信息的载体 DNA和RNA都是由一个一个核苷酸 nucleotide 头尾相连而形成的 由C H O N P5种元素组成 RNA平均长度大约为2000个核苷酸 而人的DNA却是很长的 约有3X109个核苷酸 核酸的种类 分布及功能 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 功能 遗传信息的贮存和携带者 分布于胞质 核 胞液 deoxyribonucleicacid ribonucleicacid 脱氧核糖核酸 DNA 核糖核酸 RNA 参与遗传信息的表达的各过程 某些病毒RNA也可作为遗传信息的载体 阿委瑞OswaldAvery 1877 1955 R型细菌 无毒型肺炎球菌S型细菌 有毒型肺炎球菌 肺炎球菌转化实验 DNA是遗传的物质基础 核酸的发现和研究工作进展 1868年FridrichMiescher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 为了说明三十年来核酸研究的大体进展过程和科学界对核酸研究成果的重视程度 现在把近三十年来因从事这方面的研究而获得诺贝尔奖金的科学家列表如下 核酸在实践应用方面有极重要的作用 现已发现近2000种遗传性疾病都和DNA结构有关 如人类镰刀形红细胞贫血症 SCD 是由于患者的血红蛋白分子中一个氨基酸的遗传密码发生了改变 白化病患者则是DNA分子上缺乏产生促黑色素生成的酪氨酸酶的基因所致 肿瘤的发生 病毒的感染 射线对机体的作用等都与核酸有关 70年代以来兴起的遗传工程 使人们可用人工方法改组DNA 从而有可能创造出新型的生物品种 如应用遗传工程方法已能使大肠杆菌产生胰岛素 干扰素等珍贵的生化药物 第一节核酸的结构与功能 一DNA的化学组成 分子结构与功能 我们经过学习 已经知道DNA是主要的遗传物质 它能使亲代的性状在子代表现出来 那么 DNA为什么能起遗传作用呢 我们来学习DNA的结构 为了理解DNA的结构 先来学习DNA的化学组成 一 DNA的化学组成 DNA分子是由几千至几千万个脱氧核苷酸聚合而成的生物大分子 组成DNA的基本单位是脱氧核苷酸 它由一个脱氧核糖 一个磷酸和一个含氮碱基组成 组成DNA的碱基有四种 腺嘌呤 A 鸟嘌呤 G 胞嘧啶 C 胸腺嘧啶 T DNA的每一条链由四种不同的脱氧核苷酸聚合而成多脱氧核苷酸链 脱氧核糖 磷酸 碱基 DNA基本组成单位 脱氧核苷酸 碱基有四种 腺嘌呤A鸟嘌呤G胞嘧啶C胸腺嘧啶T 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 思考 脱氧核苷酸应该有几种 鸟嘌呤脱氧核苷酸 胞嘧啶脱氧核苷酸 胸腺嘧啶脱氧核苷酸 脱氧核苷酸的种类 面对DNA双螺旋模型的美国生物学家沃森 左 和英国生物物理学家克里克 右 二 DNA的分子结构 组成DNA分子的脱氧核糖核苷酸主要有四种 即脱氧腺苷酸 dAMP 脱氧鸟苷酸 dGMP 脱氧胞苷酸 dCMP 和脱氧胸苷酸 dTMP DNA分子的一级结构就是这四种脱氧核糖核苷酸的排列顺序 或者四种碱基的顺序 DNA的一级结构 核苷酸的排列序列 DNA的一级结构 连接 DNA分子的平面结构 氢键 A A A T T T G G G G C C C A T C 磷酸 脱氧核糖 含氮碱基 A A A T T T G G G G C C C A T C 你注意到了吗 两条长链上的脱氧核糖与磷酸交替排列的顺序是稳定不变的 长链中的碱基对的排列顺序是千变万化的 两条长链上的脱氧核糖与磷酸交替排列的顺序是稳定不变的 长链中的碱基对的排列顺序是千变万化的 DNA分子的特异性就体现在特定的碱基 对 排列顺序中 DNA的结构模式图 从图中可见DNA具有规则的双螺旋空间结构 放大 DNA的二级结构 DNA双螺旋结构示意图 不同类型的DNA双螺旋结构 DNA双螺旋结构模型内容 Watson Crick 1953 DNA分子是由两条走向相反的多脱氧核苷酸链构成 双螺旋的极性 一条链为5 3 另一条链为3 5 中心轴 两条多脱氧核苷酸链平行地围绕同一中心轴向右盘旋 形成右手双螺旋 相邻碱基平面距离0 34nm 每10个碱基上升一个螺旋 3 4nm 螺旋直径2nm DNA分子中磷酸和脱氧核糖交替连接 排列在双螺旋结构的外侧 构成DNA分子的基本骨架 即脱氧核糖 磷酸骨架 DNA分子两条链上的碱基垂直螺旋轴居双螺旋内側 与对側碱基形成氢键配对 碱基配对 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 互补配对形式 A T G C 中心轴 碱基互补配对原则 在DNA分子结构中 由于碱基之间的氢键具有固定的数目和DNA两条链之间的距离保持不变 使得碱基配对必须遵循一定的规律 这就是Adenine A 腺嘌呤 一定与Thymine T 胸腺嘧啶 配对 Guanine G 鸟嘌呤 一定与Cytosine C 胞嘧啶 配对 反之亦然 碱基对 另一碱基对 嘌呤和嘧啶之间通过氢键配对 形成碱基对 且A只和T配对 C只和G配对 这种碱基之间的一一对应的关系就叫做碱基互补配对原则 A T G C 氢键 碱基互补配对 A T G C T A G C 碱基互补配对规律是DNA双螺旋结构的精髄 根据碱基互补配对的原则 一条链上的A一定等于互补链上的T 一条链上的G一定等于互补链上的C 反之如此 因此 可推知多条用于碱基计算的规律 规律一 在一个双链DNA分子中 A T G C 即 A G T C或A C T G 也就是说 嘌呤碱基总数等于嘧啶碱基总数 各占全部碱基总数的50 规律二 DNA分子中一条链中的两个不互补碱基之和的比值 如 A G C T 是另一个互补链的这一比值的倒数 规律三 在一个双链DNA分子中 某碱基占碱基总量的百分数等于它在每条链中的平均百分数 若在其中一条链多占A 则在另一条链应少占A 不同生物的DNA分子中 其互补配对的碱基之和的比值 A T G C 不同 代表了每种生物DNA分子的特异性 习题练习 例1 某DNA的碱基中 鸟嘌呤的分子数占22 那么胸腺嘧啶的分子数占多少 分析 由于G与T是两个不互补的碱基 在DNA双链中之和应为50 所以T占28 例2 在双链DNA分子中 当T C A G在一条多核苷酸链上的比例是0 5时 则在另一条互补链和整个DNA分子中 这种比例应分别是多少 分析 A与G不互补 T与C不互补 根据规律二 0 5的倒数是2 例3 DNA的一条单链中A G T C 0 4 在互补单链和整个DNA分子中分别是多少 分析 A与G不互补 T与C不互补 根据规律二 0 4的倒数是2 5 又根据规律一 在双链中A与T相等 G与C相等 比值为1 练习4 在一个双链DNA分子中 A和T之和占碱基总量的56 其中甲链中G占24 那么乙链中G占多少 分析 依据规律四 20 DNA是生物的遗传物质 主要功能是 储存 复制和转录遗传信息 1储存遗传信息遗传信息蕴藏在4中碱基的顺序之中 碱基排列顺序的千变万化 构成了DNA分子的多样性 而碱基的特定的排列顺序 又构成了每一个DNA分子的特异性 三 DNA的功能 组成DNA分子的碱基虽然只有四种 配对方式也只能A T C G两种 但是 由于碱基可以任何顺序排列 构成了DNA分子的多样性 例如 某DNA分子的一条多核苷酸链由100个不同的碱基 A T C G 组成 它的可能排列方式就是4的100次方 实际上 每条多核苷酸链中的碱基总数远远超过100个 所以 它们的排列方式几乎是无限的 每个DNA分子所具有的特定的碱基排列顺序构成了DNA分子的特异性 不同的DNA链可以编码出完全不同的多肽 2DNA的复制 定义 以亲代DNA为模板合成子代DNA的过程 时间 有丝分裂间期 减数第一次分裂前的间期 场所 真核生物 细胞核 主要 线粒体原核生物 细胞质 模板 亲代DNA分子的两条链 条件 原料 游离的4种脱氧核苷酸 A G C T 能量 ATP 呼吸作用提供 酶 解旋酶 DNA聚合酶等 DNA复制的过程 解旋 合成子链 形成子代DNA 利用线粒体提供的能量 ATP 在解旋酶的作用下 把两条螺旋的双链解开 以解开的每一段母链为模板 在DNA聚合酶等酶的作用下 以游离的4种脱氧核苷酸为原料 遵循碱基互补原则 合成与母链互补的子链 每条子链与其对应的模板链盘旋成双螺旋结构 形成一个与亲代完全相同的DNA A A A T T T G G G G C C C A T C A G C T C G T 游离的脱氧核苷酸 A A A T T T G G G G C C C A T C C A G T C G T 在解旋酶的催化下氢键已被打开 DNA分子利用细胞提供的能量 ATP 在解旋酶的作用下 把两条扭成螺旋的双链解开 这个过程叫解旋 A A A T T T G G G G C C C A T C C A G T C G T 亲代DNA的一条链作为模板 A A A T T T G G G G C C C A T C C T A G T C G 还未解旋 刚解旋 所以DNA复制特点之一是 边解旋边复制 在DNA聚合酶的作用下通过碱基互补配对脱氧核苷酸结合到母链上 T T T G G C T C A A A T T T G G G G C C C A T C A A A G G C C A 新合成的另一条链 所以DNA复制特点之二是 进行半保留复制 DNA复制后产生的每个子代DNA分子中 都有一条单链是原DNA保留下来的 而另一条单链是新合成的 这种复制方式我们称其为半保留复制 亲代DNA分子 第一子代分子 第二子代分子 15N DNA 14N DNA 混合 123 DNA半保留复制及实验依据 A A A T T T G G G G C C C A T C A A A T T T G G G G C C C A T C 形成两条完全相同的子代DNA DNA复制的特点 原则 是一个的过程 边解旋边复制 由于新合成的DNA分子中 都保留了原DNA的一条链 因此叫 半保留复制 原则 碱基互补配对原则 人细胞DNA复制电镜照片 DNA的转录转录是遗传信息由DNA转换到RNA的过程 作为蛋白质生物合成的第一步 转录是mRNA以及非编码RNA tRNA rRNA等 的合成步骤 转录 特点转录是通过碱基互补的原则来生成一条带有互补碱基的mRNA 通过它携有的密码子到核糖体中可以实现蛋白质的合成 与DNA的复制相比 有很多相同或相似之处 亦有其自己的特点 转录中 一个基因会被读取被复制为mRNA 就是说 以特定的DNA片断作为模板 以DNA依赖的RNA合成酶作为催化剂 合成前体mRNA 在体内 转录是基因表达的第一阶段 并且是基因调节的主要阶段 转录可产生DNA复制的引物 在反转录病毒感染中也起到重要作用 转录仅以DNA的一条链作为模板 被选为模板的单链叫模板链 又称信息链 有义链 另一条单链叫非模板链 DNA上的转录区域称为转录单位 transcriptionunit DNA模板被转录方向是从3 端向5 端 RNA链的合成方向是从5 端向3 端 在DNA转录成RNA时 有两种方法根据碱基互补配对原则判断 1 将模板链根据原则得出一条链 再将得出的链中的T改为U 尿嘧啶 即可 2 将非模板链的T改为U即可 如 DNA ATCGAATCG 将此为非模板链 TAGCTTAGC 将此为模板链 转录 AUCGAAUCG转录出的mRNA AUCGAAUCG 可看出只是将非模板链的T改为U 这也是碱基互补配对原则的体现 二RNA的结构与功能 核糖 磷酸 碱基 RNA基本组成单位 核苷酸 碱基有四种 腺嘌呤A鸟嘌呤G胞嘧啶C尿嘧啶U 鸟嘌呤核苷酸 胞嘧啶核苷酸 尿嘧啶核苷酸 核苷酸的种类 腺嘌呤核苷酸 1信使RNA mRNA mRNA特点 有帽子结构和尾巴 有遗传密码 寿命最短 mRNA功能 mRNA是合成蛋白质的直接模板 每一种多肽链都有一种特定的mRNA做模板 因此细胞内mRNA的种类也是很多的 它将DNA上的遗传信息转录下来 携带到核糖体上 在那里以密码的方式控制蛋白质分子中氨基酸的排列顺序 作为蛋白质合成的直接模板 5 端有一个特殊结构 7mG 5 ppp5 Nm 3 P 称为帽子结构 3 端有一段长约20 250个核苷酸的多聚腺苷酸 polyA 称为多聚A尾巴 polyAtail mRNA分子上的每三个核苷酸为一组 构成遗传密码 geneticcode 可以决定多肽链上某一个氨基酸 又称为三联体密码 tripletcode 帽子结构与A尾巴 帽子结构功能 能被核糖体小亚基识别 促使mRNA和核糖体的结合 m7Gppp结构能有效地封闭RNA5 末端 以保护mRNA免疫5 核酸外切酶的降解 增强mRNA的稳定 mRNAPoly A 尾的功能是 可能有助mRNA从核到细胞质转运 避免在细胞中受到核酶降解 增强mRNA的稳定性 转运RNA tRNA 转运RNA约占细胞中RNA总量的10 15 是分子量最小的一类核酸 由74 95个核苷酸构成 tRNA的功能是转运氨基酸 按照mRNA上的遗传密码的顺序将特定的氨基酸运到核糖体进行蛋白质的合成 转运RNA的结构与功能 tRNA的一级结构特点 含10 20 稀有碱基 如DHU3 末端为 CCA OH 氨基酸臂 5 末端大多数为G具有T C有反密码子 tRNA的空间结构示意图 tRNA的二级结构 三叶草形氨基酸臂DHU环反密码环额外环T C环 氨基酸臂 额外环 tRNA的三级结构 倒L形 tRNA的功能蛋白质合成原料的转运工具 活化 搬运氨基酸到核糖体 参与蛋白质的翻译 3核糖体RNA rRNA 核糖体RNA rRNA 是细胞内含量最多的RNA 约占RNA总量的82 rRNA与蛋白质共同构成核糖体或称为核蛋白体 ribosome 是细胞内蛋白质生物合成的场所 原核生物与真核生物的核糖体均由大亚基和小亚基构成 rRNA的结构特征 rRNA分子内部局部碱基互补 形成许多 茎 环 结构 为核糖体蛋白的结合与组装提供了结构基础 rRNA单独存在时不执行其功能 它与多种蛋白质结合成核糖体 作为蛋白质生物合成的 装配机 rRNA的种类 根据沉降系数 真核生物5SrRNA28SrRNA5 8SrRNA18SrRNA 原核生物5SrRNA23SrRNA16SrRNA S为大分子物质在超速离心沉降中的一个物理学单位 可间接反应分子量的大小 原核生物和真核生物的核糖体均由大 小两种亚基组成 三种RNA的比较 mRNA tRNA rRNA 分布部位 常与核糖体结合 细胞质中 与蛋白质结合形成核糖体 功能 翻译时作模板 翻译时作搬运氨基酸的工具 翻译时核糖体为场所 结构 单链 单链 常有部分碱基配对形成三叶草结构 单链 共同点 都是转录产物 基本单位相同 都与翻译过程有关 腺嘌呤 A 鸟嘌呤 G 胞嘧啶 C 胸腺嘧啶 T DNA 尿嘧啶 U RNA 构成DNA的碱基 构成RNA的碱基 腺嘌呤 A 鸟嘌呤 G 胞嘧啶 C DNA与RNA的比较 比较项目 DNA RNA 全称 脱氧核糖核酸 核糖核酸 分布 主要存在于细胞核中 主要存在于细胞质中 化学组成 基本组成单位 碱基 五碳糖 无机酸 嘌呤 脱氧核糖核苷酸 核糖核苷酸 腺嘌呤A 鸟嘌呤G 腺嘌呤A 鸟嘌呤G 胞嘧啶C 胸腺嘧啶T 胞嘧啶C 尿嘧啶U 脱氧核糖 核糖 磷酸 磷酸 空间结构 规则的双螺旋结构 通常呈单链结构 分类 通常只有一类 mRNA tRNA rRNA三类 功能 主要的遗传物质 只要生物体内存在DNA DNA就是遗传物质 嘧啶 生物体内若无DNA时 RNA是遗传物质 若存在DNA时 RNA辅助DNA完成功能 少数RNA具有催化作用 相同点 化学组成成分中都有磷酸及碱基A C G 二者都是核酸 核酸中的碱基序列就是遗传信息 联系 RNA是以DNA的一条链为模板转录产生的 即RNA的遗传信息来自DNA 谢谢观赏