核酸结构与功能PPT课件.ppt

第 二 章核酸的结构和功能 Structure and Function of Nucleic Acid1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。2一、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3二、核酸的分类及分布 90%90%以以上上分分布布于于细细胞胞核核，其其余余分分布布于于核外核外如线粒体，叶绿体，质粒等。如线粒体，叶绿体，质粒等。分布于胞核、胞液。分布于胞核、胞液。(deoxyribonucleic acid,DNA)(ribonucleic acid,RNA)脱氧核糖核酸脱氧核糖核酸 核糖核酸核糖核酸携带遗传信息，决定细胞和个携带遗传信息，决定细胞和个体的基因型体的基因型(genotype)。参与细胞内参与细胞内DNA遗传信息的表遗传信息的表达。某些病毒达。某些病毒RNA也可作为遗也可作为遗传信息的载体。传信息的载体。4第一节核酸的化学组成及其一级结构The Chemical Component and Primary Structure of Nucleic Acid5核酸的化学组成 1.元素组成C、H、O、N、P（910%）2.分子组成分子组成 碱基碱基(base)：嘌呤碱，嘧啶碱：嘌呤碱，嘧啶碱 戊糖戊糖(ribose)：核糖，脱氧核糖：核糖，脱氧核糖 磷酸磷酸(phosphate)6嘌呤(purine)腺嘌呤腺嘌呤(adenine,A)鸟嘌呤鸟嘌呤(guanine,G)碱 基7嘧啶(pyrimidine)胞嘧啶胞嘧啶(cytosine,C)尿嘧啶尿嘧啶(uracil,U)胸腺嘧啶胸腺嘧啶(thymine,T)8 碱基的互变异构酮式烯醇 C=O C-OH N N氨基亚氨基 C-NH2 C=NH2+HN HN 受介质pH影响9戊 糖（构成（构成RNA）12345核糖核糖(ribose)（构成（构成DNA）脱氧核糖脱氧核糖(deoxyribose)H10核苷：AR,GR,UR,CR脱氧核苷：dAR,dGR,dTR,dCR一、核苷酸的结构1.核苷核苷(ribonucleoside)的形成的形成碱基和核糖（脱氧核糖）通过碱基和核糖（脱氧核糖）通过糖糖苷键苷键连接形成核苷（脱氧核苷）。连接形成核苷（脱氧核苷）。1111核苷酸：AMP,GMP,UMP,CMP脱氧核苷酸：dAMP,dGMP,dTMP,dCMP 2.核苷酸核苷酸(ribonucleotide)的结构与命名的结构与命名核苷核苷（脱氧核苷）和磷酸以脱氧核苷）和磷酸以磷酸酯键磷酸酯键连接形成核苷酸（脱氧核苷酸）。连接形成核苷酸（脱氧核苷酸）。12 电 脑 模 型图 简化式 酯键糖苷键13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 AMPl 多磷酸核苷酸：NMP，NDP，NTPl 环化核苷酸:cAMP，cGMPAMPAMPADPADPATPATPcAMPcAMPNADP+NAD+145端端3端端3.3.核苷酸的连接核苷酸的连接 核苷酸之间以核苷酸之间以磷酸二酯键磷酸二酯键连接形连接形成多核苷酸链，即成多核苷酸链，即核酸。核酸。CGA15二、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。55端端3端端CGA16A G P5 P T PG PC PT P OH 3 书写方法5 pApCpTpGpCpT-OH 3 5 A C T G C T 3 目 录17第二节DNA的空间结构与功能Dimensional Structure and Function of DNA18DNA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19一、DNA的二级结构双螺旋结构20（一）DNA双螺旋结构的研究背景和历史意义 碱基组成分析碱基组成分析Chargaff 规则规则：A=TG C 碱基的理化数据分析碱基的理化数据分析A-T、G-C以以氢键氢键配对较合理配对较合理 DNA纤维的纤维的X-线衍射图谱分析线衍射图谱分析 目 录21（二）DNA双螺旋结构模型要点（Watson,Crick,1953）uDNA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 2nm，形 成 大 沟(major groove)及 小 沟(minor groove)相间。目 录23（二）DNA双螺旋结构模型要点 （Watson,Crick,1953）u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）。u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24碱基互补配对 TAGC252627（二）DNA双螺旋结构模型要点 （Watson,Crick,1953）u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28（三）DNA双螺旋结构的多样性目 录29B-30313233二、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 34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。35（二）原核生物DNA的高级结构36（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：H1H2A，H2BH3H4373839三、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。402024/4/21 周日41第三节 RNA的结构与功能Structure and Function of RNA42RNA的种类、分布、功能43一、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44*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C2也是甲基化，形成帽子结构：m7GpppNm-。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。45帽子结构46mRNA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)47*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。DNAmRNA蛋白蛋白转录转录翻译翻译原核细胞原核细胞 细胞质细胞质细胞核细胞核DNA内含子内含子外显子外显子转录转录转录后剪接转录后剪接转运转运mRNAhnRNA翻译翻译蛋白蛋白真核细胞真核细胞 48*tRNA的一级结构特点 含 1020%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49N,N二甲基鸟嘌呤N6-异戊烯腺嘌呤双氢尿嘧啶4-巯尿嘧啶 稀有碱基 50*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51*tRNA的三级结构 倒L形*tRNA的功能活化、搬运氨基酸到核糖体，参与蛋白质的翻译。52*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。53*rRNA的种类（根据沉降系数）真核生物5S rRNA28S rRNA5.8S rRNA18S rRNA原核生物5S rRNA23S rRNA16S rRNA54核蛋白体的组成原核生物（以大肠杆菌为例）原核生物（以大肠杆菌为例）真核生物（以小鼠肝为例）真核生物（以小鼠肝为例）小亚基小亚基30S40SrRNA16S1542个核苷酸个核苷酸18S1874个核苷酸个核苷酸蛋白质蛋白质21种种占总重量的占总重量的40%33种种占总重量的占总重量的50%大亚基大亚基50S60SrRNA23S5S2940个核苷酸个核苷酸120个核苷酸个核苷酸28S5.85S5S4718个核苷酸个核苷酸160个核苷酸个核苷酸120个核苷酸个核苷酸蛋白质蛋白质31种种占总重量的占总重量的30%49种种占总重量的占总重量的35%55四、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)。snmRNAs56snmRNAs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。57RNA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58核酸和蛋白质的比较59核 酸 的 理 化 性 质The Physical and Chemical Characters of Nucleic Acid第 四 节目 录60611.DNA或RNA的定量OD260=1.0相当于50g/ml双链DNA40g/ml单链DNA（或RNA）20g/ml寡核苷酸2.判断核酸样品的纯度DNA纯品:OD260/OD280=1.8RNA纯品:OD260/OD280=2.0OD260的应用目 录62二、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：OD260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63DNA变性的本质是双链间氢键的断裂64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OD260增高的现象。目 录65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66 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67三、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OD260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68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)6970DNA-DNA杂交双链分子变性变性 复性复性 不同来源的DNA分子7172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73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。74第 五 节 核 酸 酶 Nuclease75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。76u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 u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 u在消化液中降解食物中的核酸以利吸收 u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 77 核 酶u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。u催化性RNA(ribozyme)作为序列特异性的核酸内切酶降解mRNA。78小 结DNA的组成与结构及性质 一级：碱基序列 二级：双螺旋结构 三级：核小体、超螺旋等RNA的组成与结构 mRNA：密码子、5帽子、3poly尾 tRNA：三叶草、倒L型结构、反密码子 rRNA：大、小亚基的组装DNA与RNA的区别：组成、结构、功能79核酸的性质OD260/OD280变性与复性增色效应与减色效应解链曲线与解链温度分子杂交与探针技术80DNA和RNA的比较812024/4/21 周日82