核酸的结构与功能医学知识.ppt

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acid,RNA),脱氧核糖核酸,核糖核酸,携带遗传信息，并通过复制传递给下一代。,是,DNA,转录的产物，参与遗传信息的复制与表达。某些病毒,RNA,也可作为遗传信息的载体,一、核酸可以分为,核糖核酸,及,脱氧核糖核苷酸,二、,核苷酸,是构成核酸的基本组成单位,核酸,(DNA,和,RNA),核苷酸,核苷和脱氧核苷,磷酸,戊糖,碱基,嘌呤,嘧啶,核糖,脱氧核糖,核酸组成,碱基,(base),是含氮的杂环化合物。,碱基,嘌呤,嘧啶,腺嘌呤,鸟嘌呤,尿嘧啶,胸腺嘧啶,胞嘧啶,存在于,DNA,和,RNA,中,仅存在于,RNA,中,仅存在于,DNA,中,（一）碱基,1,、嘌呤,(purine,，,Pu),腺嘌呤,(adenine,A),鸟嘌呤,(guanine,G),2,、嘧啶,(pyrimidine,，,Py),胞嘧啶,(cytosine,C),尿嘧啶,(uracil,U),胸腺嘧啶,(thymine,T),3,、“稀有碱基”（,tRNA,中最多）,5,m,C,（二）戊糖,（构成,RNA,）,1,2,3,4,5,核糖,(ribose),（构成,DNA,）,脱氧核糖,(deoxyribose),嘌呤,N,-9,或,嘧啶,N,-1,与核糖,C-1,通过,-,N,-,糖苷键,相连形成,核苷,(ribonucleoside),。,（三）核苷,N,N,N,N,9,N,H,2,O,O,H,O,H,H,H,H,C,H,2,O,H,H,1,2,糖苷键,1,1,AR,GR,UR,CR,脱氧核苷,1,1,H,dAR,dGR,dTR,dCR,嘌呤,N-9,或,嘧啶,N-1,与,脱氧核糖,C-1,通过,-N-,糖苷键,相连形成,脱氧核苷,(deoxyribonucleoside),。,核苷或脱氧核苷与磷酸通过,酯键,结合构成,核苷酸,(ribonucleotide),或,脱氧核苷酸,(deoxyribonucleotide),。,（四）核苷酸,(ribonucleotide),1,、核糖核苷酸：,AMP,GMP,UMP,CMP,2,、脱氧核苷酸：,dAMP,dGMP,dTMP,dCMP,N,N,N,N,9,N,H,2,O,O,H,O,H,H,H,H,C,H,2,H,1,2,O,P,O,-,H,O,O,糖苷键,酯键,3,、多磷酸核苷酸,环化核苷酸,：,cAMP,、,cGMP,，是细胞信号转导中的第二信使。,cAMP,4,、核苷酸衍生物,三、核苷酸通过,3,5-,磷酸二酯键连接形成的大分子,一个核苷酸或脱氧核苷酸的,3,的,羟基,与另一个核苷酸或脱氧核苷酸,5,的,-,磷酸基团,缩合形成,磷酸二酯键,(phosphodiester bond),。,多个核苷酸或脱氧核苷酸通过磷酸二酯键构成了具有,方向性,的线性分子，称为多聚核苷酸或多聚脱氧核苷酸，即,RNA,链,或,DNA,链,。,交替的磷酸基团和戊糖构成了,RNA/DNA,的骨架,(backbone),。,核苷酸链的,方向是,5,3,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,。,5,端,3,端,C,G,A,四、核酸的一级结构是核苷酸的排列顺序,A,G,P,5,P,T,P,G,P,C,P,T,P,OH 3,书写,方法,5,-,p,A,p,C,p,T,p,G,p,C,p,T,-OH 3,5,-,A C T G C T-3,第二节,DNA,的结构与功能,Dimensional Structure and Function of DNA,DNA,的空间结构又分为,二级结构,(secondary structure),和,高级结构,。,DNA,的空间结构,(spatial structure),构成,DNA,的所有原子在三维空间具有确定的相对位置关系。,一、,DNA,的二级结构是双螺旋结构,Watson and Crick:,1953,年提出,双螺旋结构,模型,The Nobel Prize in Physiology or Medicine 1962,。,Double helix,：,The natural coiled conformation of two complementary,antiparallel DNA chains by the formation of A-T and G-C base pairs.,不同生物种属的,DNA,的碱基组成不同,同一个体的不同器官或组织的,DNA,碱基组成相同。,A=T,，,G=C,Chargaff,规则,（一）,DNA,双螺旋结构的研究背景,获得了高质量的,DNA,分子的,X,射线衍射照片。,提出了,DNA,分子双螺旋结构,(double helix),模型。,（二）,DNA,双螺旋结构模型要点（,B,型）,两条多聚核苷酸链在空间的走向呈反向平行,(anti-parallel),。两条链围绕着同一个螺旋轴形成右手螺旋,(right-handed),的结构。双螺旋结构的直径为,2nm,，螺距为,3.4nm,。,脱氧核糖和磷酸基团组成的亲水性骨架位于双螺旋结构的外侧，疏水的碱基位于内侧。,双螺旋结构的表面形成了一个大沟,(major groove),和一个小沟,(minor groove),。,1.,DNA,是反向平行、右手螺旋的双链结构,2.,DNA,双链之间形成了互补碱基对,碱基配对关系称为,互补碱基对,(complementary base pair),。,DNA,的两条链则互为,互补链,(complementary strand),。,碱基对平面与螺旋轴垂直。,相邻两个碱基对会有重叠，产生了疏水性的,碱基堆积力,(base stacking interaction),。,碱基堆积力,和互补碱基对的,氢键,共同维系着,DNA,结构的稳定。,3.,疏水作用力和氢键共同维系着,DNA,双螺旋结构的稳定。,碱基堆积作用力,Z,（三）,DNA,双螺旋结构的多样性,二、,DNA,的三级结构是超螺旋结构,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。,（一）原核生物,DNA,的,闭合环状超螺旋结构,原核生物,DNA,多为环状，以负超螺旋的形式存在，平均每,200,碱基就有一个超螺旋形成。,DNA,超螺旋结构的电镜图象,右旋，再右旋,右旋后，左旋,（二）真核生物,DNA,的高度有序、高度致密,真核生物,DNA,以非常有序的形式存在于细胞核内。,在细胞周期的大部分时间里，,DNA,以松散的,染色质,(chromatin),形式存在，在细胞分裂期，则形成高度致密的,染色体,(chromosome),。,DNA,染色质呈现出的,串珠样结构,。,染色质的基本单位是,核小体,(nucleosome),。,DNA,染色质的电镜图像,DNA,：约,200bp,组蛋白：,H1,H2A,，,H2B,H3,H4,核小体的组成,核小体：是真核生物染色体的基本结构单元。,核心颗粒,核小体,连接区,核小体串珠样的结构,core particles,Particles resulting from micrococcal nuclease digestion of nucleosomes,consisting of 140-bp DNA and the histone octamer of a nucleosome.,真核生物的染色体,8000-10000,倍,DNA,的基本功能是,以基因的,形式,负载,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。,三、,DNA,是遗传信息的物质基础,两种最重要的生物大分子比较,项 目,蛋 白 质,核 酸,组成单位,氨基酸,核苷酸,种 类,20,种,A,、,C,、,G,、,T(DNA)A,、,C,、,G,、,U(RNA),连接方式,肽键,磷酸二酯键,一级结构,AA,排列顺序,碱基序列,空间结构,二、三、四级结构,双螺旋、超螺旋、蛋白,-,核酸非共价结合,功 能,生命活动直接执行者,遗传信息贮存、传代、表达,决定蛋白结构,第三节,RNA,的结构与功能,Structure and Function of RNA,DNA,并非是蛋白质的直接合成模板,DNA,首先需要转录成为,RNA,（细胞核），再由,指导合成蛋白（细胞质）。,RNA,通常以单链的形式存在，但有复杂的局部二级结构或三级结构。,RNA,比,DNA,小的多。,RNA,的种类、大小和结构远比,DNA,表现出多样性。,RNA,的种类、分布、功能,细胞质中含量最少，约占。,种类最多，一个基因往往有一种甚至多种,mRNA,。,一级结构差异很大。,一、,mRNA,是蛋白质合成中的模板,1,、,mRNA,的特点：,hnRNA,内含子,(intron),mRNA,2,、,mRNA,成熟过程：,外显子,(exon),卵清蛋白,mRNA,的成熟,成熟的,mRNA,由氨基酸,编码区和非编码区,构成。,5,-,末端的帽子,(cap),结构和,3,-,末端的多聚,A,尾,(poly-A tail),结构。,从,AUG,开始，每三个核苷酸为一组编码了一个氨基酸，称为,三联体密码,(codon),。,3,、成熟的真核生物,mRNA,帽子结构,:,m7GpppNm,mRNA,的帽结构可以与帽结合蛋白,(cap binding protein,，,CBP),结合。,真核生物的,mRNA,的,3-,末端转录后加上一段长短不一的聚腺苷酸。,Poly,（,A,）尾巴,AAAAAAAAAAAAAAAAA,mRNA,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,4,、,mRNA,依照自身的碱基顺序指导蛋白质氨基酸顺序的合成,从,mRNA,分子,5,末端起的第一个,AUG,开始，每,3,个核苷酸为一组称为,密码子,(codon),或三联体密码,(triplet code),。,AUG,被称为,起始密码子,；决定肽链终止的密码子则称为,终止密码子,。,位于起始密码子和终止密码子之间的核苷酸序列称为,开放阅读框,(open reading frame,ORF),，决定了多肽链的氨基酸序列。,转运,RNA(transfer RNA,tRNA),在蛋白质合成过程中作为各种氨基酸的载体,将氨基酸转呈给,mRNA,。,由,70,120,核苷酸,组成；,占细胞总,RNA,的,15%,；,具有很好的稳定性。,二、,tRNA,是蛋白质合成中的氨基酸载体,（一）,tRNA,中含有多种稀有碱基,*tRNA,的一级结构特点,含,10,20%,稀有碱基（,最多,），,如,DHU,3,末端,为,-,CCA-OH,5,末端大多数为,G,具有,T,C,tRNA,具有局部的茎环,(stem-loop),结构或发卡,(hairpin),结构。,（二）,tRNA,具有茎环结构,tRNA,的二级结构,三叶草形,氨基酸臂,DHU,环,反密码环,T,C,环,附加叉,tRNA,的二级结构,主要特征,：,1.,三环四臂（部分还有额外环）,2.,氨基酸臂,3,端有,CCA-OH,的共有结构,3.D,环上有二氢尿嘧啶（,D,）,4.,反密码环上的反密码子与,mRNA,相互作用,5.,可变环上的核苷酸数目可以变动,6.T,C,环含有,T,和,7.,含有修饰碱基和不变核苷酸,tRNA,的倒,L,三级结构,核蛋白体,RNA(ribosomal RNA,，,rRNA),是细胞内,含量最多,的,RNA(80,),。,rRNA,与核蛋白体蛋白结合组成核蛋白体,(ribosome),，,为蛋白质的合成提供场所,。,三、以,rRNA,为组分的核蛋白体是蛋白质合成的场所,核蛋白体的组成,原核生物（以大肠杆菌为例）,真核生物（以小鼠肝为例）,小亚基,30S,40S,rRNA,16S,1542,个核苷酸,18S,1874,个核苷酸,蛋白质,21,种,占总重量的,40%,33,种,占总重量的,50%,大亚基,50S,60S,rRNA,23S,5S,2940,个核苷酸,120,个核苷酸,28S,5.85S,5S,4718,个核苷酸,160,个核苷酸,120,个核苷酸,蛋白质,31,种,占总重量的,30%,49,种,占总重量的,35%,18S rRNA,的二级结构,四、小分子,RNA,参与了基因表达的调控,细胞的不同部位存在的许多其他种类的小分子RNA，统称为,非编码小,RNA(small non-messenger RNAs,snmRNAs,),其功能是调节基因表达。,snmRNAs,核酶,某些小,RNA,分子具有催化特定,RNA,降解的活性，这种具有催化作用的小,RNA,亦被称为,核酶,(ribozyme),或,催化性,RNA(catalytic RNA),。,RNA,具有酶活性的发现,Sidney Altman,，,Thomas R.Cech,（,1939-,）（,1947-,）,The Nobel Prize in Chemistry 1989,for their discovery of,catalytic properties of RNA,核酸的理化性质,The Physical and Chemical Characters of Nucleic Acid,第四节,一、核酸是具有很,强酸性的生物大分子,核酸的酸碱及溶解度性质,核酸为多元酸，具有较强的酸性。,核酸的高分子,性质,核酸在波长,260nm,处有强烈的吸收，是由碱基的,共轭双键,所决定的。这一特性常用作核酸的定性和定量分析。,二、核酸分子具有强烈的紫外吸收,碱基的紫外吸收光谱,三、,DNA,变性是双链解离为单链的过程,在某些理化因素作用下，,DNA,双链解开成两条单链的过程，其,本质是双链间氢键的断裂,。,定义,常见因素：,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。,协同性的,DNA,解链,高温或极端的,pH,DNA,的变性,部分变性,DNA,的电镜图像,变性后理化性质变化：,OD,260,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,增色效应,(hyperchromic effect),：,DNA,变性时其溶液,OD,260,增高的现象。,DNA,解链时的紫外吸收变化,DNA,的解链曲线,连续加热,DNA,的过程中以温度相对于,A260,值作图，所得的曲线称为,解链曲线,。,解链过程中，紫外吸光度的变化达到最大变化值的一半时所对应的温度。,解链温度（,Tm,）：,G+C,含量越高，解链温度就越高。,解链曲线的变化,三、核酸的变复性是分子杂交的基础,当变性条件缓慢地除去后，两条解离的互补链可重新配对，恢复原来的双螺旋结构，这一现象称为,DNA,复性,(renaturation),。,减色效应：,DNA,复性时，其溶液,OD,260,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),。,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),核酸分子杂交,第五节,（自习）,常用的核酸分离纯化技术,Technology of DNA Isolation and Purification,酚,-,氯仿、酚,-,异戊醇抽提法,层析法（离子交换,/,凝胶,/,亲和层析）,密度梯度离心法,凝胶电泳法,思考题：,名词解释：,Tm,、,ribozyme,、,增色效应,、,核酸分子杂交,试比较蛋白质与核酸的异同,?,简述,tRNA,二级结构的特点和三级结构？,DNA,双螺旋结构模型的要点是什么？,请简要回答,DNA,与,RNA,组成上的异同。,