第三章核酸的结构与功能.ppt

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1、1,第三章 核酸的结构与功能,2,3,第一节 核苷酸 碱基 (bases) （嘌呤、嘧啶 ） N糖苷键 核苷 戊糖 (pentose ) (nucleoside) 磷酸酯键 （脱氧核糖 核糖） 核苷酸 磷酸 (nucleotide) (phosphate),4,5,一、 碱基 1. 碱基 是含氮杂环化合物，嘧啶和嘌呤两类 腺嘌呤(A, adenine) 嘌呤(purine) 鸟嘌呤(G, guanine) 胞嘧啶 (C,cytosine) 嘧啶(pyrimidine) 胸腺嘧啶(T, thymine) 尿嘧啶 (U, uracil),6,7,嘌呤 嘧啶 DNA A G C T RNA A G

2、C U * 核酸分子中含有稀有碱基(rare bases),8,2. 碱基可随PH变化 出现酮式，烯醇式互变。,9,10,11,二、 戊糖 * 核酸中有两种戊糖 DNA为D-2-脱氧核糖(D-2- deoxyribose) RNA为D-核糖(D-ribose),12,三、核苷 1.核苷是戊糖与碱基之间以糖苷键（glycosidic bond）相连接而成，称为N-糖苷键,13,表3-1 各种常见的核苷,14,15,16,17,环核苷酸：环腺苷酸(cyclic AMP,cAMP) 和环鸟苷酸(cyclic GMP cGMP ),18,5. 单核苷酸的生理作用,1)核酸的构件分子 2)参与物质代谢(

3、UTP、CTP)、能量代谢(ATP) 3)作为第二信使(cAMP)，在信号传递过程中起 重要作用,参与代谢调节 4)参与某些生物活性物质的组成 (NAD+ 、NADP+),19,第二节 核酸的分子结构 * 核酸的构件分子是核苷酸 组成RNA的核苷酸是核糖核苷酸 主要有四种AMP、CMP、GMP、UMP 组成DNA的核苷酸是 脱氧核糖核苷酸 主要有四种dAMP、dCMP、dGMP 、dTMP * 核酸中核苷酸以3, 5磷酸二酯键相连,20,一、核酸的一级结构 概念： 核酸的一级结构是指其多核苷酸中的碱基的排列顺序 *DNA的一级结构是指DNA中脱氧核糖 核苷酸的排列顺序。 *RNA的一级结构是指

4、RNA中核糖核苷 酸的排列顺序。,21,5端,3端,3,5磷酸二酯键,(a),22,图3-10 DNA的分子书写方式 (a) 分子结构式 (b) 线条式 （c）字母式,23,2. 书写方式 *简写形式 5-AGGCU-3 （5末端含磷酸， 3 末端含羟基）,3. 多核苷酸（polynucleotide） 寡核苷酸 (oligo nucleotide),24,二、DNA的空间结构 1.DNA的二级结构 1） DNA双螺旋结构研究背景 （double helix structure）,25, Chargaff的碱基分析 不同种生物DNA分子中的碱基组成不同 同一生物不同组织其DNA分子的碱基组 成

5、相同 某一特定生物其DNA碱基组成是固定的 任何生物DNA碱基组成都符合 Chargaff 定律 A=T， G=C 即 A+G=T+C DNA纤维晶体的x-衍射研究显示DNA是双链 的螺旋形分子,26,27,2） DNA双螺旋（B型）结构特点 由两条DNA互补链反向平行。 右手螺旋，直径为2nm。, DNA双螺旋亲水骨架是脱氧核糖和磷酸, 在螺旋分子的外侧，而疏水碱基对在 螺旋分子内部。,28, 碱基对之间的 距离为0.34nm，并有一个 36的夹角，每一螺旋内含10个 碱基对， 螺距为3.4nm., 螺旋表面有大沟 (major groove)和小沟 (minor groove).是DNA与

6、蛋白质结合的部位,29, DNA双螺旋通过中的碱基氢键配对生成。 A与T 配对，形成二个氢键。 G与C 配对，形成三个氢键。,30,3）维持DNA二级结构稳定性的因素 碱基对间的氢键, 碱基的堆积力（stacking force） 相邻碱基对相距0.34nm存在 Van der waals力。 碱基对的疏水性使之在水溶液中相互 间聚集而形成疏水键。,31, DNA链上存在大量的磷酸基团,带负电荷， 能使两条互补链分开，在生理条件下，双 螺旋表面存在着可中和磷酸基团的碱性蛋 白质和带正电荷的Na+ ,降低静电斥力。,32,4）DNA双螺旋的种类： DNA构象与核苷酸顺序、碱基组成有 关，并取决于

7、环境条件（盐类、相对 湿度）,生理条件下，右手DNA双螺旋大多以 B型形式存在,还有A型、C型、D型、 E型,33,34,35, 左手双螺旋DNA Z-DNA, 发现: 1979年，Rich等人工合成六聚体 d（CGCGCG）单晶进行X射线衍射 分析，数据表明主链的走向呈“之”字型， 左手双螺旋DNA,36, ZDNA的结构特点: a. 每个螺旋由12个碱基对构成，螺距 4.46nm直径 1.8nm b. 碱基组成特殊，为嘌呤和嘧啶交替 排列，如 CGCGCG 主链呈锯齿状 （Zig-Zag）走向。 c. 只有一条沟 d. 体内ZDNA的存在, ZDNA的功能：与基因转录调节有关,37,（4）

8、三股螺旋DNA 概念： 三股螺旋DNA中通常是一条同型寡核苷酸 与寡嘧啶核苷酸-寡嘌呤核苷酸双螺旋的大 沟结合，三股螺旋中的第三股可以来自分 子间，也可以来自分子内。 三股螺旋DNA存在于基因调控区和其他 重要区域，具有重要生理意义。,38,39,2. DNA的三级结构超螺旋结构 1） DNA三级结构是指DNA链进一步扭曲盘 旋形成超螺旋结构 2）大多数原核生物和病毒的基因组DNA以双 链环状DNA形式存在。真核细胞中的线粒 体DNA、叶绿体DNA都是环状的,40,3）超螺旋可分正超螺旋和负超螺旋。几乎 所有天然DNA中都存在负超螺旋结构,图3-15 原核生物DNA超螺旋,41,42,* 核小

9、体的结构 a.由146bp长的双链DNA绕组蛋白八聚体 核心(H2A,H2B,H3,H4 )2 1.75 圈组成 核心颗粒。 b.各核心颗粒间有一个连接区，由60bp 的DNA和1个分子组蛋白H1构成。,43,图3-17 真核生物染色体DNA组装不同层次的结构,2）核小体又进一步盘绕折叠，最后形成染色体,44,三、 基因和基因组 1.基因（gene） 基因的现代分子生物学概念是指能编码有 功能的蛋白质多肽链或合成RNA所必需的 全部核酸序列，是核酸分子的功能单位。,45,图3-18 真核生物基因结构示意,46,2. 基因组（genome） 基因组是指一个细胞或病毒所有基因及间隔 序列，储存了一

10、个物种所有的遗传信息。,47, 病毒基因组 病毒DNA的大小差别很大 每种病毒只有一种核酸，DNA或RNA组成 肝炎病毒（hepatitis virus): 甲肝病毒（ HAV ) RNA病毒 乙肝病毒 （HBV ）DNA病毒 丙肝病毒（ HCV） RNA病毒 丁肝病毒 （HDV ）RNA病毒 戊肝病毒 （HEV ）RNA病毒,48, 病毒基因组最 大的特点是出 现重叠基因,49,50,51,真核生物基因组,基因组比原核生物大得多,真核生物中进化的复杂程度与DNA含量并 不完全一致 存在大量非编码的间隔序列，基因序列 占整个基因组10不到,52,53,真核生物基因组中存在单拷贝序列 和低度重复

11、序列、中度重复序列和 高度重复序列,54,四、各类RNA的结构 RNA的一般特点： 1. RNA主要存在于胞浆,含量比DNA多， 分子大小不均一 2.主要有四种核糖核糖核苷酸A、G、C、U 通过3，5磷酸二酯键连接形成单链多 核苷酸 3.空间结构主要为单链及局部双螺旋 5.在局部双螺旋中除A与U配对、G与C配对外 还存在非标准配对，如G与U配对,55,图3-19 RNA局部空间结构 (a) 在二级结构中的凸出、环、发夹结构 （b）发夹结构,56,57,1.tRNA的结构 tRNA的一级结构 tRNA是单链分子，含7393核苷酸， 含有10%的稀有碱基 3端为CCA-OH，5端多为pG 分子中大

12、约30%的碱基是不变的或半不 变的, 决定了它们的二级结构都是三叶 草型。,58,59,60,2）四环四臂,氨基酸臂 a. 7个bp组成 b. 3末端均为 NCCAOH3结构 c. 携带氨基酸,61,二氢尿嘧啶环（D环） a.含有两个二氢尿嘧啶（DHU） b.8-14个碱基组成 c.识别氨基酰tRNA合成酶 二氢尿嘧啶臂3-4bp,62, 反密码环 a.7个碱基组成，其中3个组成 反密码子(anticodon) b.反密码子与mRNA上相应密码配对 反密码臂有5对碱基组成,63,64,65,66,4) TC环位于倒型的拐角，有利与 核糖体5sRNA相互作用,碱基在疏水作用下相互堆集，对形成 t

13、RNA空间结构有重要意义,67,2.mRNA . mRNA概述： 1) 占细胞中总的 2) 分子大小不均一 3) 有编码序列与非编码序列,68,69,3) 端有与翻译终止有关的非编码序列 4) 有少量的间隔序列 5)端无帽子结构 ， 端没有polyA尾巴,70,71,72,73,3) 3末端多聚腺苷酸尾巴结构,结构：3 有20-250个多聚腺苷酸 结构（poly A）。,功能：与稳定mRNA有关,74,3.rRNA的结构 rRNA占细胞总RNA的80%左右 rRNA分子为单链，局部有双螺旋区域,75, 原核生物主要的rRNA有三种，即5S、16S和 23S rRNA，真核生物则有4种，即5S、

14、5.8S、 18S和28S rRNA。 rRNA与多种核糖体蛋白（Ribosomal protein,rP） 装配成核糖体，是蛋白质合成的场所 ，,76,原核生物： 23SrRNA、5SrRNA 50S大亚基 34种蛋白质 核糖体 16SrRNA 70S 30S小亚基 21种蛋白质 真核生物： 5SRNA、5.8SrRNA、 28SrRNA 60S大亚基 核糖体 49种Pro 80S 18S rRNA 40S小亚基 33种Pro,77, 原核生物 小亚基 上16S rRNA 3端有一 保守序列ACCUCCU与mRNA SD序列互补与蛋 白质合成起始有关。 原核生物5S与真核生物5.8SrRNA

15、 中有 CGAAC的保守序列能识别tRNA中TC环中 GTCG序列 。,78,4.其他RNA分子 1) 细胞核内小分子RNA（small nuclear RNA，snRNA），参与mRNA前体的剪 接以及成熟的mRNA由核内向胞浆中转运 的过程。 2) 核仁小分子RNA（small nucleolar RNA， snoRNA）参与rRNA前体的加工以及核 糖体亚基的装配。,79,3) 胞质小分子RNA（small cytosol RNA， scRNA） 如：7S LRNA与蛋白质一起组成信号识别 颗粒，参与蛋白质的合成。 4)反义RNA（antisense RNA）能调节基因表达。 5)核酶是

16、具有催化活性的RNA分子或RNA片段 6)微RNA（microRNA，miRNA），长度一般 为20-24个核苷酸，在mRNA翻译过程中起到 开关作用，它与靶mRNA结合，产生转录后 基因沉默作用 。,80,五、RNA组 RNA组是研究细胞的全部RNA基因和RNA的 分子结构与功能。RNA组的研究将在探索生 命奥秘中做出巨大贡献。,81,第三节 核酸的理化性质 一、核酸的大小及测定 1. DNA分子大小 2. 测定方法： 电泳，超速离心法以及测定DNA序列 （ Sanger的双脱氧DNA链末端合成终止法 ）,82,83,二、 核酸的水解 1 . 化学法 1)在很低pH条件下DNA和RNA都会发

17、生 磷酸二酯键水解。 2) 在高pH时，RNA的磷酸酯键易被水解， 而DNA的磷酸酯键不易被水解。,84,2. 酶法 核酸酶(nucleases) 包括： 核糖核酸酶(RNase) 脱氧核糖核酸酶(DNase) 核酸外切 酶(exonuclease) 核酸内切 酶(endonuclease),85,3 p p p p OH 3 5,限制性内切酶(restriction endonuclease) 5 G AATT C 3 3 C TTAA G 5 EcoR I,核酸外切 酶,核酸内切 酶,86,三、核酸的变性、复性与杂交 .变性（denaturation） 1) 定义： 在一定理化因素作用下，

18、核酸双螺旋等空 间结构中碱基之间的氢键断裂，变成单链 的现象称为变性（denaturation）。 2) 引起核酸变性的常见理化因素有加热、 酸、碱、尿素和甲酰胺等。,87,88,89, 影响因素 a.DNA分子中，C.G对含量 与Tm成正比 C.G对含量增加1, Tm增加0.40C。 b.Tm 与 DNA 溶液中 的离子强度成正比。 在0.4mol/L盐溶液 中DNA保存较为稳定。,离子强度对Tm影响,90,DNA的Tm值可以根据G+C含量计算： Tm=69.3+0.41（%GC） 2. 复性(renaturation) 1)复性的概念: 变性DNA在适当条件下，可使两条分开的 单链重新形成

19、双螺旋DNA的过程称为复性。 2)退火（annealing） 当热变性的DNA经缓慢冷却后复性称为退 火。,91,2) 影响因素: DNA浓度高，复性快 DNA分子大， 复性慢 合适的复性温度： Tm-25 适当的离子强度：一般在0.4mol/L,92,图3-26 DNA热变性过程的两种冷却过程示意图,93,3. 杂交（hybridization） 1)概念 具有互补序列的不同来源的单链核酸 分子,按碱基配对原则结合在一起称 为杂交。杂交可发生在DNA-DNA、 RNA-RNA和DNA-RNA之间。,94,95,2) 核酸杂交是分子生物学研究中常用 的技术之一，用来分析基因组织的 结构，定位，表达等。 方法： Southern 印迹法 Northern 印迹法,