第1章核酸的结构与功能.ppt

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1、1,第一章、核酸的结构与功能 （nucleic acid）,2,本章内容提要：,第一节、核酸的发现与研究简史 第二节、核酸的种类、分布及功能 第三节、核酸的组成、结构 第四节、核酸的理化性质,3,第一节、核酸的发现与研究简史,1868年，瑞士的外科医生Friedrich Miescher从脓细胞中发现了DNA。 1944 年， O. Avery 通过肺炎双球菌转化实验证明DNA是遗传物质 1953年， Watson-Crick提出DNA双螺旋结构模型，为分子生物学的发展史奠定了基础。 2000年，人类基因组计划（HGP）基本完成：,返回,4,肺炎双球菌转化试验 研究对象：肺炎双球菌 SIII型

2、菌株：有荚膜，菌落表面光滑，有致病性 RII型菌株：无荚膜，菌落表面粗糙，无致病性,5,6,Watson-Crick的DNA双螺旋结构模型,7,人类基因组计划（HGP）：,1986年，著名生物学家H.Dulbecco在Science杂志率先提出；完成人类基因组DNA全序列测定；是生物学有史以来最巨大和意义深远的一项科学工程；将有益于人类健康、医疗、制药、人口、环境等方面，对生命科学也有极大贡献。 人类细胞有23对染色体，单倍体基因组大约有3109碱基对,8,第二节、核酸的种类、分布及功能,一、核酸的种类 脱氧核糖核酸（deoxyribonucleic acid，DNA）和核糖核酸（ribonu

3、cleic acid， RNA）两大类。,9,DNA：含有D-2-脱氧核糖；通常为双链结构，使DNA分子稳定；是主要的遗传物质，通过复制而将遗传信息由亲代传给子代。 RNA：含有D-核糖；通常为单链结构（某些病毒为双链RNA）；与遗传信息的表达有关。,10,、DNA的种类,1、线型双链DNA：真核生物染色体DNA、某些病毒DNA 。 2、环状双链DNA：原核生物染色体DNA、质粒DNA、真核生物细胞器DNA、某些病毒DNA 。 3、线型单链DNA：某些病毒DNA，如：小鼠微小病毒 4、环状单链DNA：某些病毒DNA，如：丝杆噬菌体fd,11,质粒（plasmid）：细菌中的染色体外的遗传成分；

4、为环状双链DNA分子；为重组DNA技术中的有用工具。,12,、RNA的种类,1、信使RNA （ mRNA） 占细胞总RNA的3%5%左右，含量最少；代谢活跃。在蛋白质的生物合成中起模板作用。 2、转运RNA (tRNA) 占细胞总RNA的15%左右；细胞中最小的一种RNA分子。在蛋白质的生物合成中起携带氨基酸和解译的作用。,13,3、核糖体RNA (ribosome RNA ，rRNA) 占细胞中总RNA80%左右，含量最大 。在蛋白质合成中起催化作用，催化肽键的形成（可以说，核糖体是一种核酶，蛋白质只是维持rRNA构象）。 原核细胞中rRNA有三种，分别是：16SrRNA（小亚基），23Sr

5、RNA、5SrRNA（大亚基） ； 高等真核细胞中rRNA有四种，分别是： 18SrRNA （小亚基）， 28SrRNA、5.8SrRNA、5SrRNA （大亚基） 。,14,二、核酸的分布,1、DNA的分布 核（ 98 %） ；浆（ 2 %） 原核细胞：核区；细胞质 真核细胞：细胞核；线粒体、叶绿体等细胞器 2、RNA的分布 核（%） 90 3、病毒或只含DNA，或只含RNA。,15,三、核酸的生物功能,1、是主要的遗传物质 2、RNA功能的多样性 控制蛋白质合成； 作用于RNA转录后加工与修饰； 基因表达与细胞功能的调控； 催化作用； 遗传信息的加工与进化； 在RNA病毒中是遗传信息的一级

6、载体,返回,16,第三节、核酸的组成、结构,17,18,一、核苷酸,包括核糖核苷酸（ RNA的结构单位）和脱氧核糖核苷酸（ DNA的结构单位） 细胞内还有各种游离的核苷酸和核苷酸衍生物，它们有重要的生理功能。 如：FAD、CoA、NAD+、NADP+、腺苷钴胺素,19,（一）碱基（base）,1、嘧啶碱(pyrimidine base) 嘧啶的衍生物。 核酸中常见的嘧啶：胞嘧啶(cytosine,C) 、尿嘧啶(uracil,U) （ RNA ）、胸腺嘧啶(thymine,T) （ DNA ）。 胸腺嘧啶在tRNA中也有少量存在。 2、嘌呤碱(purine base) 嘌呤的衍生物。 核酸中常

7、见的嘌呤：鸟嘌呤(guanine,G)、腺嘌呤(adenine,A),20,2-氧,4-氨基嘧啶,5-甲基尿嘧啶,2,4-二氧嘧啶,6-氨基嘌呤,2-氨基,6-氧嘌呤,21,核酸中五种碱基中的酮基和氨基，均位于碱基环中氮原子的邻位，可以发生酮式一烯醇式或氨基、亚氨基之间的结构互变，书写时用任何一种皆可。,22,3、稀有碱基（minorbase）,（1）稀有碱基：又称修饰碱基（modified base），稀有的微量碱基衍生物。 （2）稀有碱基种类极多，大多数都是甲基化（m）碱基。 修饰基团在碱基上的写在碱基符号左边，修饰基团在核糖上的写在碱基符号右边，修饰基团的位置写在右上角，数目写在右下角。

8、 （3）稀有碱基在各种类型核酸中的分布不均一，在tRNA中含量较高（可高达10%）,23,24,（二）核苷,1.核苷：由戊糖与碱基以糖苷键连接而成，是一种糖苷。 2.通常是戊糖的C1与嘧啶碱的N1或嘌呤碱的N9相连接。糖苷键为CN键，为N-糖苷键（核酸中均为-糖苷键）。 3.包括核糖核苷和脱氧核糖核苷。,25,4.糖环中的碳原子标号右上角加撇，而碱基中原子的标号不加撇。 5、稀有核苷包括修饰核苷和异构化核苷。 核糖也能被修饰，主要是甲基化； 稀有核苷主要在RNA中； 假尿苷：核糖的C1与尿嘧啶的C5相连。,26,（三）核苷酸,1.核糖核苷的糖环上有3个自由羟基，能形成3种不同的核苷酸； 脱氧核

9、糖核苷的糖环上有2个自由羟基，只能形成2种不同的核苷酸； 生物体内游离存在的核苷酸多是5-核苷酸。,27,28,29,2.多磷酸核苷酸,种类： 5-二磷酸核苷（ 5- NDP）、 5 -三磷酸核苷（ 5- NTP） 功能：核酸合成的前体；重要的辅酶和能量载体。,30,3、环化核苷酸,重要的有：cAMP、cGMP。 功能：细胞功能的调节因子和信号分子。,31,cAMP的产生,32,二、核酸的共价结构,核酸的共价结构：即核酸的一级结构，指核酸的核苷酸序列。 （一）核酸中核苷酸的连接方式 3,5磷酸二酯键 书写顺序：5 3,33,核酸共价结构的表示方法：,竖线式表达法： 用竖线代表戊糖，字母代表碱基

10、；P代表磷酸基团,文字表示法： P在碱基左侧，表示P在C5位置上， P在碱基右侧，表示P与C3相连，书写顺序5 3。,5 pCpApG 3,34,(二)DNA的一级结构,DNA的一级结构：构成DNA的脱氧核苷酸按照一定的排列顺序，通过3,5磷酸二酯键相连形成的线形结构。也称为碱基的排列顺序。,35,（三）RNA的一级结构,1、tRNA的一级结构 3端皆为CpCpAOH。,36,2、mRNA的一级结构,（1）原核细胞：多顺反子（cistron），即一条mRNA链上有多个编码区，5端和3端各有一段非翻译区（untranslated region，UTR） 顺反子：基因功能的单位；编码一条多肽链的一

11、段染色体；一种结构基因。,37,（2）真核生物的mRNA的结构特点,单顺反子。 5端有帽子结构：由甲基化鸟苷经焦磷酸与mRNA的的5末端核苷酸相连，形成5，5-三磷酸连接。（图） 三种类型：m7G5PPP5Np； m7G5PPP5NmpNp； m7G5PPP5NmpNmpNp三种。 作用：抗5核酸外切酶的降解作用；在蛋白质合成过程中，有助于核糖体对mRNA的识别与结合，使翻译得以正确起始。 3端有poly（A）：3端大约20250的聚腺苷酸，可能与mRNA从细胞核到细胞质的运输有关。,38,5-帽子：m7G 5 -ppp5-Nm（ Nm ）p-,39,40,三、DNA的高级结构,（一） Cha

12、rgaff规则 关于DNA碱基组成的规律，包括： 1.A=T； 2.G=C； 3.含氨基的碱基（A+C）=含酮基的碱基（G+T） 4.A+G=C+T 暗示了A与T， G与C相互配对的可能性。 DNA碱基组成具有生物种的特异性。,41,（二）DNA的二级结构,1、双螺旋结构模型-Watson-Crick，1953： 两条平行多脱氧核苷链以相反方向围绕同一轴盘绕；两条链都是右手螺旋（图）。 两条链配对偏向一侧，形成一条大沟和一条小沟（图） 。 碱基在螺旋内，其平面与中心轴垂直；磷酸与核糖在外，由3，5-磷酸二酯键连接，糖环平面与中心轴平行（图）。 螺旋平均直径为2nm，碱基对的堆积距离为0.34n

13、m，每10个核苷酸形成螺旋的一转（图）。 两条链由碱基对之间的氢键相连，在空间上可能的碱基对只有A与T（两个氢键）以及G与C（三个氢键）（图） 。,42,43,44,45,46,2、其他,DNA能以多种不同的构象存在。 1.B-DNA： Watson-Crick双螺旋，比较接近细胞正常状态下DNA存在的构象。 2. A-DNA：比较粗短，碱基倾角大一些，大沟深度明显超过小沟。 3. Z-DNA：细长，大沟平坦，磷酸和糖骨架呈Z字型；左手DNA螺旋。（图） DNA的变构效应可能与基因表达的调节有关。,47,48,49,3、特殊的DNA二级结构,(1) 回文结构 回文结构也称反向重复（invert

14、ed repeats）,50,(2) 发夹形和十字形,51,(3) H-DNA-三链螺旋,52,4、维持DNA二级结构的作用力,氢键 虽然它只是一种作用较弱的次级键，但当DNA分子中氢键数量众多，仍可产生足够的能量来维持DNA分子结构稳定性。 碱基堆积力 碱基堆积力实质是疏水相互作用和范德华力。它对维持DNA的二级结构起主要作用。,53,（三） DNA的三级结构,1、DNA三级结构： DNA分子（双螺旋）通过扭曲和折叠所形成的特定构象。 2.超螺旋(superhelix) ：环状双链DNA或两端固定的线形双链DNA进一步缠绕时形成的结构； DNA三级结构的一种形式；具有更致密的结构。,54,负

15、超螺旋（negative superhelix） ：向DNA双螺旋的相反方向缠绕而成的超螺旋，又称松弛缠绕；天然的超螺旋DNA均为负超螺旋；可使其二级结构处于松散状态，使分子内部张力减少，利于DNA复制、转录和基因重组。 正超螺旋（positive superhelix） ：向DNA双螺旋的相同方向缠绕而成的超螺旋，又称紧密缠绕；使分子内部张力加大，旋得更紧。,55,（四）DNA与蛋白质复合物的结构,生物体内的核酸通常都与蛋白质结合形成复合物，以核蛋白的形式存在。如：病毒、真核生物的染色体。,56,真核生物染色体的结构,基本单位核小体（nucleosome):由DNA和组蛋白核心构成； 组蛋白

16、：H2A、H2B、H3、H4、 H1 核心由H2A、H2B、H3、H4各两个组成八聚体； DNA以左手螺旋在组蛋白核心上盘绕1.8圈，共146bp， 核小体之间有连接DNA和组蛋白H1连接呈串珠状结构。（图）,57,58,四、RNA的高级结构,RNA通常是单链线形分子，但可自身回折形成局部双螺旋（二级结构），进而折叠（三级结构）。除tRNA外，几乎所有RNA都与蛋白质形成核蛋白复合物（四级结构） RNA二级结构：单链RNA自行盘绕形成局部双螺旋的多“茎”多“环”结构。螺旋部分称为“茎”或“臂”；非螺旋部分称为“环”；在螺旋区，A与U配对，G与C配对。（图）,59,60,（一）tRNA的高级结构

17、,1、tRNA的二级结构 （1）形状：三叶草形。 （2）组成：4臂4环组成 4臂：氨基酸接受臂、反密码臂、二氢尿嘧啶臂、TC臂。 4环：反密码环（次黄嘌呤I核苷酸常出现于反密码子中）、二氢尿嘧啶环、TC环和额外环（大小不同， tRNA分类的重要指标）（图）,61,62,（1）氨基酸臂：富含鸟嘌呤，末端为CCA，接受活化的氨基酸。 （2）二氢尿嘧啶环：由812个核苷酸组成，具有两个二氢尿嘧啶，故得名。 （3）反密码环：由7个核苷酸组成。环中部为反密码子，由3个碱基组成。次黄嘌呤核苷酸（I）常出现于反密码环中。 （4）额外环：有318个核苷酸组成。不同的tRNA有不同大小的额外环，故可作为tRNA

18、分类指标。 （5）TC环：由7个核苷酸组成。几乎所有tRNA在此环中都含有TC。,63,2、tRNA的三级结构,倒“L”形，所有的tRNA折叠后形成大小相似及三维构象相似的三级结构。,64,（二）rRNA的高级结构,大肠杆菌16SrRNA和5SrRNA的二级结构,返回,65,第四节、核酸的理化性质,一、核酸的水解 （一）核酸的酸解 糖苷键和磷酸酯键都能被酸水解；,66,糖苷键比磷酸酯键更易被酸水解； 嘌呤碱的糖苷键比嘧啶碱的糖苷键对酸更不稳定； 对酸最不稳定的是嘌呤与脱氧核糖之间的糖苷键。如： DNA在pH1.6于37对水透析，可完全除去嘌呤碱，得到无嘌呤酸（apurinic acid）。,6

19、7,（二）碱水解,1、RNA的磷酸酯键易被碱水解，产生核苷酸。 原因： RNA的核糖上有2-OH羟基，在碱作用下形成磷酸三酯；磷酸三酯极不稳定，随即水解，产生核苷2，3-环磷酸酯；环磷酸酯继续水解，产生2-核苷酸和3-核苷酸。（图） 2、 DNA的磷酸酯键不易被碱水解， DNA一般对碱稳定。,68,69,（三）酶水解,1、水解核酸的酶 （1）磷酸二酯酶：非特异性水解磷酸二酯键的酶。 催化寡核苷酸及多核苷酸中双重酯化的磷酸分子进行水解的酶类。如：3，5-cAMP磷酸二酯酶。 （2）核酸酶（nuclease）：专一水解核酸的磷酸二酯酶。,70,二、核酸的酸碱性质,核酸的磷酸基具有酸性，碱基具有碱性

20、，因此，核酸具有两性电离的性质，为两性电解质。 核酸中磷酸基的酸性大于碱基的碱性，其等电点偏酸性。DNA的pI约为45，RNA的pI约为2.02.5，在pH78电泳时泳向正极。,71,三、核酸的紫外吸收,（一）核酸的紫外吸收特性 嘌呤碱和嘧啶碱具有共轭双键，使碱基、核苷、核苷酸和核酸在240290nm的紫外波段有一强烈的吸收峰，最大吸收值在260nm附近。,72,（二）核酸的紫外吸收特性的应用,1. 作为定量测定核酸的方法。 2. 鉴定核酸样品的纯度。 A260/A280比值：纯DNA=1.8；纯RNA=2.0；样品中含有杂蛋白， A260/A280比值明显降低。 3.可判断核酸是否发生变性或

21、降解。 增色效应（hyperchromic effect）：当核酸变性或降解时，其紫外线吸收强度显著增高 减色效应（hypochromic effect）：变性的核酸在一定条件下恢复原有性质时，其紫外线吸收强度又可回复到原有水平。 双螺旋结构使碱基对的电子云发生重叠，减少了对紫外光的吸收。,73,四、核酸的变性、复性和杂交,（一）核酸的变性(denaturation) 1、核酸的变性：核酸双链螺旋区的氢键断裂，变成单链，不涉及共价键的断裂。 与核酸的降解区别开。 2、引起核酸变性的因素 加热、强酸、强碱、有机试剂（尿素、甲醛、甲醇、乙醇、甲酰胺等）或射线等一切可以破坏核酸分子氢键的处理，都可使

22、核酸变性。 3、变性DNA的特征 紫外吸收增强；粘度降低；浮力密度升高；比旋下降；生物功能减小或消失等。,74,4、DNA的热变性 DNA热变性是在一个很窄的温度范围内发生的。 DNA的融解温度(Tm)：或称熔点，在核酸加热变性过程中，核酸分子内50%的双螺旋结构被破坏时的温度，又称为核酸的解链温度。（即在260nm下光吸收达到最大光吸收一半是的温度） DNA的Tm值一般在8295之间。,75,与Tm值有关的因素, GC所占总碱基数的百分比成正相关 经验公式： Tm=69.30.41(G+C)% 或（G+C）%=（ Tm-69.3）2.44 离子强度 溶液的离子强度较低时，Tm值较低，融点范围

23、也较宽。因此，DNA制剂不应保存在离子强度过低的溶液中。 均一性 均质DNA：热变性温度范围较小； 异质DNA：热变性温度范围较宽。,76,5. RNA的变性,转变不如DNA明显，随着温度的升高， RNA 中双链部分的碱基堆积会逐渐减少，吸光值逐渐地、不规则地增大； Tm值较低。,77,（二）核酸的复性,1、DNA的复性：变性因素解除后，因变性而分开的DNA两条单链即可再聚合成原来的双螺旋，其原有的性质，可得到部分恢复。,78,2、DNA的复性主要制约因素,（1）降温速度 复性时温度下降必须是一缓慢过程，若在超过Tm的温度下迅速冷却至低温，复性几乎是不可能的。 退火(annealing)：热变性DNA一般经缓慢冷却后即可复性，此过程称之为。 （2）DNA浓度浓度较高时，易于复性。 （3）DNA片段的大小DNA片段越大，复性越慢。 （4）基因组大小具有很多重复序列的DNA，复性较快。,79,（三）核酸的杂交,1.核酸的杂交（hybridization）：不同来源的核酸变性后，合并在一处进行复性；这时，只要这些核酸分子的核苷酸序列含有可以形成碱基互补配对的片段，复性也会发生于不同来源的核酸链之间，即形成所谓的杂化双链。 杂交可以发生于DNA与DNA之间，也可以发生于RNA与RNA之间和DNA与RNA之间。,返回,