--多聚核苷酸与核酸.pptx
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1、目目 录录第第 三三 章章多聚核苷酸与核酸多聚核苷酸与核酸Polynucleotides AND Nucleic Acids目目 录录多聚核苷酸多聚核苷酸(Polynucleotides)多多聚聚核核苷苷酸酸是是核核苷苷酸酸通通过过3,5-磷磷酸酸二二酯酯键键连连接接的的聚聚合合物物,是是核核酸酸(nucleic acid)分子中的基本形式。分子中的基本形式。目目 录录n核酸的分类及分布核酸的分类及分布存在存在于细胞核和于细胞核和线粒体线粒体分布于细胞核、细胞质、分布于细胞核、细胞质、线粒体线粒体(deoxyribonucleic acid,DNA)(ribonucleic acid,RNA)
2、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,并通过复制传递携带遗传信息,并通过复制传递给下一代。给下一代。是是DNADNA转录的产物,参与遗传信转录的产物,参与遗传信息的复制与表达。某些病毒息的复制与表达。某些病毒RNARNA也可作为遗传信息的载体也可作为遗传信息的载体目目 录录第一节第一节多聚核苷酸多聚核苷酸Polynucleotides目目 录录一、多聚核苷酸就是核苷酸的多聚物一、多聚核苷酸就是核苷酸的多聚物多多个个核核苷苷酸酸(nucleitide)通通过过3,5-磷磷酸酸二二酯酯键键(phosphodiester bond)连连接接、形形成成的的 链链 状状 聚聚 合合 物
3、物,即即 多多 聚聚 核核 苷苷 酸酸(polynucleotides)。)。目目 录录 3,5-磷酸二酯磷酸二酯键键(一)(一)3,5-磷酸二酯键是核酸的基本结磷酸二酯键是核酸的基本结构键构键目目 录录5 端端3 端端CGA(二)多聚核苷酸(二)多聚核苷酸链有方向性链有方向性 目目 录录A G P5 P T PG PC PT P OH 3 (三)书写方法(三)书写方法5 pApCpTpGpCpT-OH 3 5 A C T G C T 3 目目 录录目目 录录(四)核酸分为核糖核酸和脱氧核糖核酸两类(四)核酸分为核糖核酸和脱氧核糖核酸两类nRNA是单链多聚核糖核苷酸是单链多聚核糖核苷酸 nDN
4、A是单链或双链多聚脱氧核糖核酸是单链或双链多聚脱氧核糖核酸目目 录录二、多聚核苷酸链在细胞内通过复制和二、多聚核苷酸链在细胞内通过复制和转录而合成转录而合成生生物物体体内内的的DNA链链或或RNA链链的的合合成成是是在在包包括括DNA聚聚合合酶酶或或RNA聚聚合合酶酶在在内内的的一一组组酶酶共共同同参参与与下下完完成成的的。这这个个合合成成过过程程以以dNTP或或NTP为为原原料料,以以单单链链DNA链链为为模板,逐步地完成从模板,逐步地完成从5-末端到末端到3-末端的合成。末端的合成。以以DNA为为模模板板合合成成DNA链链和和RNA链链的的过过程程分分别别称称为为复制复制(第十六章)和(第
5、十六章)和转录转录(第十七章)。(第十七章)。目目 录录三、多聚核苷酸链可在体外经多种方式合成三、多聚核苷酸链可在体外经多种方式合成(一)(一)DNA聚合酶链反应是当前获得聚合酶链反应是当前获得DNA片段最片段最常用技术常用技术(二)单链寡脱氧核糖核苷酸链可利用亚磷酰胺(二)单链寡脱氧核糖核苷酸链可利用亚磷酰胺三酯方法合成三酯方法合成(三)核糖核苷酸链可利用体外转录体系合成(三)核糖核苷酸链可利用体外转录体系合成 目目 录录(一)(一)DNA聚合酶链反应是当前获得聚合酶链反应是当前获得DNA片片段最常用技术段最常用技术DNA聚聚合合酶酶链链反反应应(DNA polymerase chain r
6、eaction,PCR)是是在在体体外外条条件件下下复复制制DNA片片段段的的方方法法。将将专专用用的的DNA聚聚 合合 酶酶(DNA polymerase)、dNTP、一一 对对 引引 物物(primer)及及模模板板DNA混混合合在在一一起起,经经过过多多个个升升温温解解链链-降降温温退退火火-恒恒温温延延伸伸的的循循环环过过程程,DNA聚聚合合酶酶将将合合成成出出与与模模板板完全相同的双链完全相同的双链DNA片段。片段。每每一一个个循循环环过过程程都都将将被被复复制制的的DNA片片段段数数目目按按指指数数增增长长,因因此此采采用用PCR技技术术获获得得DNA的的过过程程,又又称称为为体体
7、外外扩扩增增(in vitro amplification)技术,应用极广(第二十三章)。)技术,应用极广(第二十三章)。目目 录录(二)单链寡脱氧核糖核苷酸链可利用亚磷(二)单链寡脱氧核糖核苷酸链可利用亚磷酰胺三酯方法合成酰胺三酯方法合成该该合合成成通通常常是是在在DNA自自动动合合成成仪仪的的固固相相载载体体上上完完成成的的,连连接接一一个个核核苷苷酸酸需需要要4个个步步骤骤。然然后后,通通过过氨氨水水高高温温处处理理将将核苷酸链从固相载体上分离下来。核苷酸链从固相载体上分离下来。利利用用DNA自自动动合合成成仪仪合合成成的的寡寡核核苷苷酸酸DNA单单链链一一般般为为几十个核苷酸。几十个核
8、苷酸。值值得得注注意意的的是是,该该方方法法中中的的合合成成方方向向是是从从3-末末端端向向5-末末端端合合成成。用用于于基基因因检检测测的的寡寡核核苷苷酸酸探探针针(probe)以以及及用于用于PCR反应的反应的引物引物都是利用该方法得到的。都是利用该方法得到的。目目 录录(三)核糖核苷酸链可利用体外转录体系合成(三)核糖核苷酸链可利用体外转录体系合成利利用用体体外外转转录录体体系系(in vitro transcription system)合合成成RNA(链链)是是分分子子生生物物学学常常用用技技术术。这这种种体体外外转转录录体体系系是是现现代代发发展展起起来来的的体体外外转转录录(in
9、 vitro transcription)技技术术在在含含有有RNA聚聚合合酶酶(转转录录酶酶)、必必要要的的蛋蛋白白质质因因子子、核核苷苷三三磷磷酸酸等等条条件件的的体体外外无无细细胞胞体体系系中中,加加入入DNA模模板板,模模仿仿体体内内转转录、生成录、生成RNA的过程(第二十四章)。的过程(第二十四章)。利利用用真真核核细细胞胞核核抽抽提提物物(nuclear extract)建建立立再再造造体体系系是是当当前前生生物物技技术术商商家家提提供供体体外外转转录录商商品品试试剂剂盒盒(kit)的的主主要来源。要来源。目目 录录四、核苷酸的排列顺序就是多聚核苷酸四、核苷酸的排列顺序就是多聚核苷
10、酸链的一级结构链的一级结构 n定义定义多多聚聚核核苷苷酸酸链链的的核核苷苷酸酸从从5-末末端端到到3-末末端的排列顺序。端的排列顺序。由由于于核核苷苷酸酸间间的的差差异异主主要要是是碱碱基基不不同同,所所以也称为以也称为碱基序列碱基序列。5 5 端端3 端端CGA目目 录录第二节第二节DNA的结构和功能的结构和功能 Structure and Function of DNA 目目 录录一、一、DNA的二级结构是右手双螺旋的二级结构是右手双螺旋目目 录录(一)(一)DNA的碱基组成遵循的碱基组成遵循Chargaff法则法则 Chargaff 规则规则不同种属生物的不同种属生物的DNA碱基组成不同
11、;碱基组成不同;同一个体不同器官、不同组织的同一个体不同器官、不同组织的DNA具具有相同的碱基组成;有相同的碱基组成;对于一个特定的组织的对于一个特定的组织的DNA,其碱基组,其碱基组份不随其年龄、营养状态和环境而变化;份不随其年龄、营养状态和环境而变化;腺嘌呤与胸腺嘧啶的摩尔数相等,鸟嘌呤腺嘌呤与胸腺嘧啶的摩尔数相等,鸟嘌呤与胞嘧啶的摩尔数相等。与胞嘧啶的摩尔数相等。A=TG C 目目 录录不同生物来源的不同生物来源的DNA碱基组分的相对比例碱基组分的相对比例来源来源AGCTA/TG/CG+C嘌呤嘌呤/嘧啶嘧啶大肠杆菌大肠杆菌26.024.925.223.91.090.9950.11.04结
12、核杆菌结核杆菌15.134.935.414.61.030.9970.31.00酵母酵母31.718.317.432.60.971.0535.71.00猪猪29.820.720.729.11.021.0041.41.01牛胸腺牛胸腺28.221.522.527.81.010.9644.00.99牛脾牛脾27.922.722.127.31.011.0144.71.04牛精子牛精子28.722.222.027.21.061.0144.21.04人人30.419.919.930.11.011.039.81.01 包括包括5-甲基胞嘧啶甲基胞嘧啶 比值偏离比值偏离1:1是实验误差所致是实验误差所致目目
13、录录uDNA是是反反向向平平行行、右右手手螺螺旋旋的的双链结构双链结构p两两条条多多聚聚核核苷苷酸酸链链相相互互平平行行但但走走向向相相反反,围围绕绕着着同同一一个个螺螺旋旋轴轴形形成成右右手手双双螺旋结构螺旋结构p由由脱脱氧氧核核糖糖和和磷磷酸酸基基团团构构成成的的亲亲水水性性骨骨架架(backbone)位位于于双双螺螺旋旋结结构构的的外外侧侧,而而疏疏水水的的碱碱基基位位于于内内侧侧。直直径径为为2 nm,螺距为,螺距为3.4 nmp从从外外观观上上看看,DNA双双螺螺旋旋结结构构的的表表面面存存在在一一个个大大沟沟(major groove)和和一一个个小沟小沟(minor groove
14、)(二)(二)DNA二级结构是右手双螺旋二级结构是右手双螺旋(Watson,Crick,1953)目目 录录uDNA双双链链之之间间具具有有碱碱基基互互补关系补关系p碱碱基基垂垂直直螺螺旋旋轴轴居居双双螺螺旋旋内内側側,与与对对側側碱碱基基形形成成氢氢键键配配对对(互互补补配对形式:配对形式:A=T;G C)p相相邻邻碱碱基基平平面面距距离离0.34nm,螺螺旋旋一一圈圈螺螺距距3.4nm,一一圈圈10对对碱碱基基目目 录录 DNA双链模型双链模型 目目 录录碱基互补配对碱基互补配对 TAGC目目 录录u疏疏水水作作用用力力和和氢氢键键维维系系DNA双螺旋结构的稳定双螺旋结构的稳定p相相邻邻的
15、的两两个个碱碱基基对对平平面面在在旋旋进进过过程程 中中 发发 生生 相相 互互 重重 叠叠(overlapping),由由此此产产生生了了疏疏水水性性的的碱碱基基堆堆积积力力(base stacking interaction)。)。p这这种种碱碱基基堆堆积积力力和和互互补补碱碱基基对对的的氢氢键键共共同同维维系系着着DNA双双螺螺旋旋结结构构的的稳稳定定,并并且且碱碱基基堆堆积积力力在在双双螺螺旋旋结结构构的的稳稳定定中中起起着着更更为为重重要要的作用。的作用。目目 录录(三)(三)DNA双螺旋结构有多种类型双螺旋结构有多种类型目目 录录 不同类型的不同类型的DNA双螺旋结构双螺旋结构 目
16、目 录录A 型型-DNAB 型型-DNAZ 型型-DNA螺旋旋向螺旋旋向右手螺旋右手螺旋右手螺旋右手螺旋左手螺旋左手螺旋螺旋直径螺旋直径2.55 nm2.37 nm1.84 nm每一螺旋的碱基对数目每一螺旋的碱基对数目1110.512螺距螺距2.53 nm3.54 nm4.56 nm相邻碱基对之间的垂直距离相邻碱基对之间的垂直距离0.23 nm0.34 nm0.38 nm糖苷键构象糖苷键构象反式反式反式反式嘧啶为反式嘧啶为反式,嘌呤为顺式,嘌呤为顺式,反式和顺式交替反式和顺式交替 相邻碱基对之间的转角相邻碱基对之间的转角33 34.2 每个二聚体为每个二聚体为-60 使构象稳定的相对环境湿度使
17、构象稳定的相对环境湿度 75%92%碱基对平面法线与主轴的夹角碱基对平面法线与主轴的夹角19 1 9 大沟大沟窄深窄深宽深宽深相当平坦相当平坦小沟小沟宽浅宽浅窄深窄深窄深窄深不同构象不同构象DNA的结构参数的结构参数目目 录录(四)某些状态下(四)某些状态下DNA可形成多链结构可形成多链结构1.Hoogsteen碱基配对碱基配对 形成三股螺旋形成三股螺旋DNA H-DNA的结构的结构 目目 录录 Watson-Grick和和Hoogsteen DNA螺旋中碱基对间氢键的位置螺旋中碱基对间氢键的位置目目 录录2 4条多聚鸟嘌呤核苷酸链形成四螺旋条多聚鸟嘌呤核苷酸链形成四螺旋DNA目目 录录二、二
18、、DNA在二级结构基础上形成超螺旋结构在二级结构基础上形成超螺旋结构(一)超螺旋结构具有不同的拓扑异构体(一)超螺旋结构具有不同的拓扑异构体 DNA在双螺旋结构基础上通过在双螺旋结构基础上通过盘绕和折盘绕和折叠所形成的空间构象称为叠所形成的空间构象称为三级结构三级结构。目目 录录超螺旋结构超螺旋结构(superhelix 或或supercoil)将将DNA的的两两端端固固定定,使使之之旋旋进进过过分分或或旋旋进进不不足足,DNA双双链链上上就就会会产产生生额额外外的的张张力力而而发发生生扭扭曲曲,以以抵抵消张力。这种扭曲称为消张力。这种扭曲称为DNA双链的超螺旋结构。双链的超螺旋结构。正超螺旋
19、正超螺旋(positive supercoil)旋进过分的方向与旋进过分的方向与DNA双链的螺旋方向相同双链的螺旋方向相同 负超螺旋负超螺旋(negative supercoil)旋进过分的方向与旋进过分的方向与DNA双链的螺旋方向相反双链的螺旋方向相反 松弛态松弛态DNA(relaxed DNA)在溶液中是以能量最低的状态存在的线性在溶液中是以能量最低的状态存在的线性DNA。目目 录录目目 录录自自然然条条件件下下的的DNA都都是是以以负负超超螺螺旋旋的的构构象象存存在在的的,也也就就是是说说,DNA的的实实际际螺螺旋旋数数要要少少于于它它含含有有的的碱碱基对数目应该对应的螺旋数。基对数目应
20、该对应的螺旋数。负超螺旋状态有利于解开负超螺旋状态有利于解开DNA双链。双链。DNA的的复复制制、转转录录、组组装装等等许许多多过过程程都都需需要要解解开双链才能进行。开双链才能进行。生生物物体体可可以以通通过过DNA的的不不同同超超螺螺旋旋结结构构来来控控制制其功能状态。其功能状态。目目 录录(二)原核生物(二)原核生物DNA和线粒体和线粒体DNA是环状是环状DNA的结构的结构原原核核生生物物的的DNADNA都都是是闭闭合合环环状状的的双双螺螺旋旋结结构构。它它在在细细胞胞内内紧紧密密缠缠绕绕形形成成了了致致密密的的小小体体,称称为为类类核核(nucleoidnucleoid)。)。目目 录
21、录线线粒粒体体和和叶叶绿绿体体是是真真核核细细胞胞中中含含有有核核外外遗遗传传物物质质的的细细胞胞器器。线线粒粒体体DNA(mitochondrial DNA,mtDNA)是是一一个个封封闭闭的的双双链链环环状状分分子子。人人mtDNA全全长长16,569个个碱碱基基对对,共共计计37个个基基因因,分分别别编编码码13个个蛋蛋白白质质、2个个rRNA、22个个tRNA。目目 录录核核小小体体(nucleosome)是是染染色色质质的的基基本本组组成成单单位,由位,由DNA和蛋白质构成和蛋白质构成。1双链双链DNA缠绕在组蛋白核心上构成核小体缠绕在组蛋白核心上构成核小体DNA:约约200bp 组
22、蛋白:组蛋白:H1、H2A、H2B、H3、H4(三)真核生物(三)真核生物DNA与组蛋白组成高度有序与组蛋白组成高度有序的染色质的染色质目目 录录 核小体的结构示意图核小体的结构示意图a.组蛋白八聚体核心组蛋白八聚体核心 b.核小体核小体 c.直径直径30nm纤维的剖面图显示纤维的剖面图显示H1的位置的位置 d.核小体组成串珠样的染色质核小体组成串珠样的染色质acbd目目 录录目目 录录2组蛋白是小分子量的碱性蛋白质组蛋白是小分子量的碱性蛋白质 组组蛋蛋白白分分子子质质量量在在11kD到到21kD之之间间,组组蛋蛋白白中中富富含含精精氨氨酸酸和和赖赖氨氨酸酸。各各种种真真核核细细胞胞都都有有5
23、种种组组蛋蛋白白,但但分分子子质质量量和和氨氨基基酸酸的的顺顺序序有有些些差差异异。在在所所有有真真核核生生物物中中H3,H4组组蛋蛋白白氨氨基基酸酸序序列列高高度度保保守守,提提示示功功能能是是相相同同的的。但但是是各各种种生生物物的的H1、H2A、H2B的的相相似似性很少。性很少。目目 录录核小体核小体进一步组装成染色质进一步组装成染色质/染色体染色体1核小体组成核小体组成30nm纤维纤维 2螺线管进一步折叠、包装为染色质和染色体螺线管进一步折叠、包装为染色质和染色体 目目 录录目目 录录三、三、DNA是生物遗传信息的载体是生物遗传信息的载体早早在在20世世纪纪30年年代代,人人们们就就已
24、已经经知知道道了了染染色色体体是是遗遗传物质,也知道了传物质,也知道了DNA是染色体的组成部分。是染色体的组成部分。直直到到Avery等等人人采采用用细细菌菌转转化化实实验验(1944年年),后后经经Hershey和和Chase通通过过同同位位素素标标记记噬噬菌菌体体DNA感感染染细细菌实验菌实验(1952年)才直接证明了年)才直接证明了DNA是遗传的物质基础是遗传的物质基础。(一)(一)DNA是遗传的物质基础是遗传的物质基础 目目 录录DNA的遗传信息是以的遗传信息是以基因基因的形式存在的。的形式存在的。基基因因(gene)是是编编码码RNA或或多多肽肽的的DNA片片段段,其中的核苷酸排列顺
25、序决定了基因的功能。其中的核苷酸排列顺序决定了基因的功能。DNA利利用用四四种种碱碱基基的的不不同同排排列列对对生生物物体体的的所所有有遗遗传传信信息息进进行行编编码码,经经过过复复制制遗遗传传给给子子代代,并并通通过过转转录录和和翻翻译译确确保保生生命命活活动动中中所所需需的的各各种种RNA和蛋白质在细胞内有序合成。和蛋白质在细胞内有序合成。目目 录录(二)(二)DNA全部核苷酸序列组成基因组全部核苷酸序列组成基因组 基基因因组组(genome)就就是是一一个个生生物物体体的的全全部部遗遗传传信信息息,即即DNA的的全全部部核核苷苷酸酸序序列列。绝绝大大多多数数生生物物个个体体的的基基因因组
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- 核苷酸 核酸
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