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1、核酸的结构与功能,Yingzi Kang Ph.D Dept. of Biochemistry, Tianjin Medical University,Chapter 2,掌握核酸的化学组成及分类 掌握核酸的基本结构单位核苷酸的组成、分类及连接方式 了解DNA的分子结构与功能 掌握双螺旋结构的结构特点及生物学意义 了解RNA的分类、各类RNA的分子结构与功能 熟悉核酸的理化性质,本章要点,Chapter 2,主要内容,核苷酸分子结构及连接方式 DNA的分子结构与功能：二级结构 RNA的分子结构与功能：三种RNA的结构特点 核酸的理化性质：紫外吸收、变性及复性、Tm 杂交,Chapter 2,核
2、酸(nucleic acid)的分类,核酸是遗传的物质基础，基因位于DNA分子上 核酸的发现-1868年 核酸不是唯一的遗传物质,Chapter 2,核酸的元素组成,组成核酸的主要元素是C、H、O、N、P 其中磷含量基本恒定(9%-10%)，可以用来做定量分析,Chapter 2,基本结构单位核苷酸(nucleotide),Chapter 2,Chapter 2,胺式-亚胺式互变异构,Chapter 2,酮式烯醇式互变异构,Chapter 2,戊糖,核糖（ribose） 脱氧核糖（deoxyribose）,Chapter 2,核苷,戊糖C1与嘧啶N1或嘌呤N9形成N-C糖苷键,Chapter
3、2,核苷酸,Chapter 2,多核苷酸的连接,3,5-磷酸二酯键 多聚核苷酸是通过磷酸基一分子核苷酸的C3-OH与另一分子核苷酸的5-磷酸基形成磷酸二酯键相连而成的链状聚合物 由脱氧核糖核苷酸聚合而成的称为DNA链 由核糖核苷酸聚合而成的则称为RNA链 多核苷酸链的方向性: 5 磷酸末端、3 羟基末端 表示方法,Chapter 2,Chapter 2,3,5,1,P,P,P,OH,A,T,G,pGpTpAOH,pG-T-A,pGTA,Chapter 2,DNA与RNA组成对比,Chapter 2,核酸的一级结构,指核苷酸的排列顺序，即碱基序列 遗传信息就储存于核酸的一级结构中,Chapter
4、 2,DNA的二级结构,Watson和Crick的DNA双螺旋结构 反向平行 两条多核苷酸链，右手螺旋 直径2nm，每个螺旋结构含10对碱基，螺距3.4nm，大沟与小沟 脱氧核糖基交替出现在双螺旋外侧，组成DNA骨架，碱基位于内部 碱基互补配对 A-T G-C 维系双螺旋稳定：氢键、碱基堆积力,Chapter 2,Chapter 2,Watson-Crick碱基配对原则,Chapter 2,B型-DNA,Chapter 2,Chapter 2,Chapter 2,双螺旋结构的稳定因素,（1）氢键（太弱） （2）碱基堆积力（base stacking force，由芳香族碱基电子间的相互作用引起
5、的，能形成疏水核心，是稳定DNA最重要的因素 （3）离子键（减少双链间的静电斥力）,Chapter 2,其它构象的双螺旋结构,B-DNA：92%相对湿度，接近细胞内的DNA构象，与Watson和Crick提出的模型相似。 A-DNA：75%相对湿度，与溶液中DNA-RNA杂交分子的构象相似，推测转录时发生BA。其碱基平面倾斜20，螺距与每一转碱基对数目都有变化。 Z-DNA：主链呈锯齿型左向盘绕，直径约1.8nm，螺距4.5nm，每一转含12个bp，只有小沟。B-DNA与Z-DNA的相互转换可能和基因的调控有关。 C-DNA：4446%相对湿度，螺距3.09nm，每转螺旋9.33个碱基对，碱基
6、对倾斜6。可能是特定条件下B-DNA和A-DNA的转化中间物。 D-DNA：60%相对湿度，DNA中A、T序列交替的区域。每个螺旋含8个bp，螺距2.43nm，碱基平面倾斜16。,Chapter 2,遗传信息表达,Chapter 2,碱基的氢键平面,Chapter 2,二面角,DNA双螺旋中的碱基平面与氢键平面之间形成的夹角,Chapter 2,DNA双螺旋结构的多样性,右手螺旋：B型、A型、C型、D型 左手螺旋：Z型,Chapter 2,DNA分子微结构,发卡环 内部环 鼓泡 缺刻 双链区,Chapter 2,胡格斯汀碱基配对原则,Chapter 2,由沃森-克里克碱基对和胡格斯汀碱基对组成
7、的三链DNA中的碱基配对结构,Chapter 2,富G区的四链结构,Chapter 2,三级结构,指DNA双螺旋进一步折叠、盘曲形成超螺旋（正、负）结构 环状DNA均以超螺旋形式存在 真核生物染色体（chromosome）DNA呈线性，染色体的基本结构单位是核小体（nucleosome） 核心组蛋白(H2A、H2B、H3、H4）组成核小体的核心颗粒，染色质丝由核小体和线性DNA构成串珠样结构 超螺旋的生物学意义,Chapter 2,染色体包装的结构模型,压缩倍数 7 6 40 5 （8400） DNA 核小体 螺线管 超螺线管 染色单体 2nm 10nm 30(10)nm 400nm 2-10
8、m 一级包装 二级包装 三级包装 四级包装,Chapter 2,Chapter 2,RNA分子结构特点及种类,由四种核苷酸通过3,5-磷酸二酯键形成的多聚核苷酸链；主要为单链，可局部互补（A-U、C-G）形成双链（发卡结构） mRNA 信使RNA tRNA 转运RNA rRNA 核糖体RNA hnRNA 核内不均一RNA snRNA 小分子核内RNA,Chapter 2,mRNA是功能性蛋白质生物合成的模板 真核生物 5端帽子结构 3端polyA尾 单顺反子mRNA 原核生物 无帽子结构和polyA尾 多顺反子,信使RNA （messenger RNA，mRNA）的功能与结构特点,Chapte
9、r 2,mRNA转录后加工,Chapter 2,Chapter 2,真核mRNA的5末端帽子及甲基化,真核细胞的mRNA的甲基化具有明显的种属特异性，其功能在于自己的特异性分子保护。,Chapter 2,转运特异氨基酸至核糖体,参与蛋白质生物合成 一级结构 稀有碱基:DHU、甲基化碱基、次黄嘌呤 3端CCA-OH携带氨基酸部位 二级结构-三叶草形 局部互补配对形成双链结构（茎环样结构） 具有四环四臂 三级结构倒L形 结合氨基酸部位 反密码子环,转运RNA 功能及结构特点,Chapter 2,Chapter 2,细胞内含量最丰富 功能：与蛋白质构成核糖体(ribosome)，是蛋白质生物合成的场
10、所 原核生物70S 小亚基30S (16S rRNA) 大亚基50S (5S 23S rRNA) 真核生物80S 小亚基40S (18S rRNA) 大亚基60S (28S 5.8S 5S rRNA),核糖体RNA 的功能,Chapter 2,大肠杆菌5Sr RNA,Chapter 2,*核内不均一RNA（hnRNA） 真核细胞mRNA的前体 *小分子核内RNA（snRNA） 与蛋白质组装成小分子核内核蛋白颗粒（snRNPs) 参与mRNA的剪接 *核酶（ribozyme) 具有催化活性的RNA,其它RNA,Chapter 2,生物大分子 较强酸性 黏度 DNARNA 紫外吸收性质 碱基中含有
11、共轭双键，最大吸收峰260nm，OD260 可用于核酸的定量测定 OD260 / OD280,一般理化性质,Chapter 2,变性 (denaturation) 理化因素，破坏氢键、碱基堆积力，导致DNA二级结构破坏 变性后理化性质的改变： 黏度降低 增色效应(hyperchromic effect) 吸光度：天然DNA变性后DNA游离核苷酸混合物吸光度之和 融解温度(melting temperature Tm) 50%双螺旋结构被破坏 影响Tm值的因素,变性、复性与杂交,Chapter 2,双链DNA的溶解曲线,Chapter 2,紫外吸收,Chapter 2,增色效应和影响Tm的因素,
12、Chapter 2,复性（renaturation)/ 退火（annealing) 发生于变性分开的互补序列之间 适宜条件 分子基础：碱基互补配对 两个阶段 杂交（hybridization) 发生于不同来源的核酸链之间（DNA、RNA） 分子基础：碱基互补配对 探针,变性、复性与杂交,Chapter 2,Chapter 2,Chapter 2,水解核酸 分类： 按底物：DNA酶、RNA酶 按催化部位：外切核酸酶(exonuclease) 内切核酸酶(endonuclease) 一般核酸内切酶 限制性核酸内切酶 核苷酸序列测定,核酸酶（nuclease）,Chapter 2,Chapter 2,模板,引物,GGC,GGCC,GGCCATC,C,ddCTP,GGCCA,GGCCATCGTTGA,ddATP,A,GGCCATCG,GGCCATCGTTG,G,ddGTP,GGCCAT,GGCCATCGT,GGCCATCGTT,T,ddTTP,Chapter 2,