核酸的结构、功能生物学作用.ppt

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第一章 核酸的结构与功能,主要内容,：,介绍核酸的分类和化学组成，重点讨论DNA和RNA的结构特征，初步认识核酸的结构特征与其功能的相关性；介绍核酸的主要理化性质和核酸研究的一般方法,。,思考,核酸的结构与功能,第一节,核酸的研究历史和重要性,第二节,核酸的分类,和,基本结构单位核苷酸,第三节,DNA的分子结构,第四节,RNA的分子结构,第五节,核酸的某些理化性质及核酸研究常用技术,第六节,人类基因组计划简介,一、,核酸分类和分布,脱氧核糖核酸,（deoxyribonucleic acid,DNA,）:遗传信息的贮存和携带者，生物的主要遗传物质。在真核细胞中，DNA主要集中在细胞核内，线粒体和叶绿体中均有各自的DNA。原核细胞没有明显的细胞核结构，DNA存在于称为类核的结构区。每个原核细胞只有一个染色体，每个染色体含一个双链环状DNA。,核糖核酸,（ribonucleic acid,RNA,）：主要参与遗传信息的传递和表达过程，细胞内的RNA主要存在于细胞质中，少量存在于细胞核中，病毒中RNA本身就是遗传信息的储存者。另外在植物中还发现了一类比病毒还小得多的侵染性致病因子称为类病毒，它是不含蛋白质的游离的RNA分子，还发现有些RNA具生物催化作用（ribozyme）。,二、核酸的研究历史及其生物学功能,1869,Miescher从脓细胞的细胞核中分离出了一 种含磷酸的有机物，当时称为核素（nuclein）,后称为核酸（nucleic acid）,1944,Avery,等通过肺炎球菌转化试验证明DNA是遗传物质,1953,Watson和Crick提出DNA结构的双螺旋模型,1958,Crick提出遗传信息传递的中心法则,70年代,建立DNA重组技术,80年代以后,分子生物学、分子遗传学等学科突飞猛进发展，实施人类基因组计划（HGP）,肺炎球菌转化实验图解,光滑型细胞（有毒）,粗糙型细胞（无毒）,破碎细胞,DNAase降解后的DNA,粗糙型细胞接受光滑型,DNA,只有粗糙型,大多数仍为粗糙型,少数光滑型细胞被转化,S,S,R,R,R,+,DNA,生物学功能,1、DNA的功能,DNA是遗传物质，是遗传信息的载体，负责遗传信息的储存和发布，并通过复制将遗传信息传给子代。,2、RNA的功能,RNA主要负责遗传信息的表达，在蛋白质合成方面发挥着重要作用；另外，RNA也可作为遗传信息的载体负责遗传信息的储存、传递和表达。,碱基、核苷、核苷酸的概念和关系,Nitrogenous base,Pentose sugar,HOCH,2,H,OH,Doxyribose(in DNA),HOCH,2,HO,OH,Ribose(in RNA),Phosphate,Pyrimidines,Cytosine,Thymine,Uracil,C,U,T,Purihes,Adenine,Guanine,A,G,5-磷酸核苷酸的基本结构,O,O,（N=A、G、C、U、T）,H,H,(,O,)H,1,2,N,OH,CH,2,H,H,5,4,3,P,O,-,O,O,O,-,1、核糖,戊糖包括核糖和脱氧核糖,核糖和脱氧核糖,2、碱基,碱基分为嘌呤和嘧啶。,嘌呤包括腺嘌呤（A）和鸟嘌呤（G）,嘧啶包括胞嘧啶（C）、胸腺嘧啶（T）和尿嘧啶（U）,T只存在于DNA中，U只存在于RNA中。,基本碱基结构和命名,嘌呤,嘧啶,Adenine,(A),Guanine,(G),Cytosine,(C),Uracil,(U),Thymine,(T),3、核苷,核苷是由核糖或脱氧核糖与嘌呤或嘧啶碱缩合生成的糖苷，戊糖与碱基间以糖苷键相连。由戊糖第1位碳原子与嘌呤碱的第9位氮原子或与嘧啶碱的第1位氮原子相连接即N-C糖苷键。碱基与糖环的平面垂直。,Nitrogenous base,Pentose sugar,几种稀有核苷酸,假尿苷（,）,二氢尿嘧啶（,DHU,）,Am,CH,3,CH,3,H,3,C,m,2,6,G,H,H,5,4、核苷酸,核苷酸是核苷中戊糖的羟基被磷酸酯化所形成的，即核苷酸是核苷的磷酸酯。,核苷酸的结构和命名,腺嘌呤核苷酸（AMP）,Adenosine,monophosphate,脱氧腺嘌呤核苷酸（dAMP）,Deoxy,adenosine,monophosphate,O,H,鸟嘌呤核苷酸（GMP）,胞嘧啶核苷酸（CMP）,尿嘧啶核苷酸（UMP）,脱氧鸟嘌呤核苷酸（,d,GMP）,脱氧胞嘧啶核苷酸（,d,CMP）,脱氧胸腺嘧啶核苷酸（,d,TMP）,H,P,P,P,P,P,P,P,P,常见（脱氧）核苷酸的结构和命名,鸟嘌呤核苷酸（GMP）,尿嘧啶核苷酸（UMP）,胞嘧啶核苷酸（CMP）,腺嘌呤核苷酸（AMP）,脱氧腺嘌呤核苷酸（dAMP）,脱氧鸟嘌呤核苷酸（dGMP）,脱氧胞嘧啶核苷酸（dCMP）,脱氧胸腺嘧啶核苷酸（dTMP）,细胞内游离核苷酸及其衍生物,多磷酸核苷酸,环核苷酸,辅酶类核苷酸。,5,-NMP,5,-NDP,5,-NTP,N=,A,、,G,、,C,、,U,5,-dNMP,5,-dNDP,5,-dNTP,N=,A,、,G,、,C,、,T,腺苷酸及其多磷酸化合物,AMP,Adenosine,monophosphate,ADP,Adenosine,diphosphate,ATP,Adenosine,triphosphate,第三节 DNA的分子结构,一、DNA 一级结构,二、,DNA的二级结构,三、,DNA的三级结构,DNA 的一级结构,DNA分子中各脱氧核苷酸之间的连接方式（,3-5磷酸二酯键,）和排列顺序叫做DNA的一级结构，简称为碱基序列。一级结构的走向的规定为53。不同的DNA分子具有不同的核苷酸排列顺序，因此携带有不同的遗传信息。,一级结构的表示法,结构式，线条式，字母式,5,3,DNA一级结构的表示法,5,3,结构式,5,3,p,p,p,p,OH,3,A,C,T,G,1,线条式,5,ACTGCATAGCTCGA,3,字母式,DNA、RNA的一级结构,DNA一级结构,5,3,OH,OH,OH,5,3,RNA一级结构,DNA酶法序列分析的原理,酶反应,电泳方向,模板,CCGGTAGCAACT,3,5,GG,5,3,引物,dATPdCTPdGTPdTTP,+,ddATP,dATPdCTPdGTPdTTP,+,ddTTP,dATPdCTPdGTPdTTP,+,ddGTP,dATPdCTPdGTPdTTP,+,ddCTP,GGCCA,GGCCATCGTTGA,GGC,GGCC,GGCCATC,GGCCATCGTTG,GGCCATCG,GGCCAT,GGCCATCGT,GGCCATCGTT,A C G T,AGTTGCTACC,3,5,TCAACGATGG,5,3,读出模板互补序列,读出模板序列,DNA的二级结构,（,1）,DNA的,双螺旋结构,(Watson-Crick模型),DNA双螺旋结构,特征,及,意义,（2）,DNA双螺旋的,多态性,（3）某些其它DNA螺旋结构,DNA,回文结构,、,三股螺旋,DNA的双螺旋结构的形成,5,3,5,3,5,3,5,3,磷酸,核糖,碱基,T-A,碱基对,C-G碱基对,DNA的双螺旋模型特点,两条反向平行的多聚核苷酸链沿一个假设的中心轴右旋相互盘绕而形成。,磷酸和脱氧核糖单位作为不变的骨架组成位于外侧，作为可变成分的碱基位于内侧，链间碱基按AT，GC配对（碱基配对原则，Chargaff定律）,螺旋直径2nm，相邻碱基平面垂直距离0.34nm,螺旋结构每隔10个碱基对（base pair,bp）重复一次，间隔为3.4nm,氢键,碱基堆集力,磷酸基上负电荷被胞内组蛋白或正离子中和,碱基处于疏水环境中,DNA的双螺旋结构稳定因素,DNA的双螺旋结构的意义,该模型揭示了DNA作为遗传物质的稳定性特征，最有价值的是确认了,碱基配对,原则，这是DNA复制、转录和反转录的分子基础，亦是遗传信息传递和表达的分子基础。该模型的提出是本世纪生命科学的重大突破之一，它奠定了生物化学和分子生物学乃至整个生命科学飞速发展的基石。,DNA双螺旋的不同构象,三种DNA双螺旋构象比较,A-DNA,Z-DNA,B-DNA,A B,Z,外型 粗短 适中 细长,螺旋方向 右手 右手 左手,螺旋直径 2.55nm 2.37nm 1.84nm,碱基直升 0.23nm 0.34nm 0.38nm,碱基夹角 32.7,0,34.6,0,60.0,0,每圈碱基数 11 10.4 12,轴心与碱基对关系,2.46nm 3.32nm 4.56nm,碱基倾角 19,0,1,0,9,0,糖苷键构象 反式 反式 C、T,反式，,G顺式,大沟 很窄很深 很宽较深 平坦,小沟 很宽、浅 窄、深 较窄很深,DNA双螺旋构象的类型,A-DNA,Z-DNA,B-DNA,DNA回文序列及几种结构形式,回文序列,发夹式结构,十字形结构,中心区域,DNA二级结构的多样性,DNA分子中十字形结构的形成,富于AT,富于AT,Holliday结构,Southern,印迹法,DNA分子,限制片段,限制性酶切割,琼脂糖电泳,转移至硝酸纤维素膜上,与放射性标记DNA探针杂交,放射自显影,带有DNA片段的凝胶,凝胶,滤膜,用缓冲液转移DNA,吸附有DNA片段的膜,DNA三链间的碱基配对,DNA分子内的三链结构,多聚嘌呤,多聚嘧啶,DNA分子间的三链结构,DNA的三级结构,在细胞内，由于DNA分子与其它分子（主要是蛋白质）的相互作用，使DNA双螺旋进一步扭曲形成的高级结构.,实例：,超螺旋,染色体,（chromosome）,病毒,（,virus）,DNA超螺旋结构的形成,核小体盘绕及染色质示意图,组蛋白与DNA的结合,真核生物染色体DNA组装不同层次的结构,DNA,（2nm）,核小体链（11nm，每个核小体200bp）,纤丝（30nm，每圈6个核小体）,突环（150nm，每个突环大约75000bp）,玫瑰花结（300nm，6个突环）,螺旋圈（700nm，每圈30个玫瑰花）,染色体（1400nm）,第四节,RNA的分子结构,一、RNA,一级结构,和,类别,二、,tRNA 的分子结构,三、,rRNA的分子结构,四、,mRNA的分子结构,RNA的一级结构,RNA分子中各核苷之间的连接方式（,3,-5,磷酸二酯键,）和排列顺序叫做RNA的一级结构,OH,OH,OH,5,3,RNA与DNA的差异,DNA,RNA,糖 脱氧核糖 核糖,碱基 AGCT AGCU,不含稀有碱基 含稀有碱基,RNA,的类别,信使,RNA（messenger RNA，,mRNA,）：在蛋白质合成中起模板作用；,核糖体,RNA（ribosoal RNA，,rRNA,）：与蛋白质结合构成核糖体（,ribosome）,核糖体是蛋白质合成的场所；,转移,RNA（transfor RNA，,tRNA,）：在蛋白质合成时起着携带活化氨基酸的作用。,tRNA 的结构,二级结构,特征,：,单链,三叶草叶形,四臂四环,三级结构,特征：,在二级结构基础上,进一步折叠扭曲形成倒,L型,酵母,tRNA,Ala,的二级结构,DHU环,I,G,C,反密码子,反密码环,氨基酸臂,可变环,T,C,环,C,C,A,Ala,3,5,rRNA的分子结构,特征,：,单链，螺旋化程度较tRNA低,与蛋白质组成核糖体后方能发挥其功能,5sRNA的二级结构,mRNA的分子结构,原核生物mRNA特征,：,先导区+翻译区（,多顺反子,）+末端序列,真核生物mRNA特征,：,“,帽子”,（m,7,G-5,ppp5,-N-3,p）+,单顺反子,+,“尾巴”,（Poly A）,原核细胞mRNA的结构特点,5,3,顺反子,顺反子,顺反子,插入顺序,插入顺序,先导区,末端顺序,真核细胞mRNA的结构特点,AAAAAAA-OH,5,“,帽子,”,Poly,A,3,顺反子,m,7,G-5,ppp-N-3,p,第五节,核酸的某些理化性质及 核酸研究常用技术,一、核酸的两性解离性质,二、,核酸的紫外吸收特性,（,max=260nm,）,三、,核酸的变性,、,复性和分子杂交,四、,核酸的熔解温度,（Tm）,五、核酸的沉降特性,沉降系数,（s）的概念,DNA的紫外吸收光谱,天然DNA,变性DNA,核苷酸总吸收值,1,2,3,220,240,260,280,0.1,0.2,0.3,0.4,波长（nm）,光吸收,1,2,3,纯DNA:A260/A280=1.8,纯RNA:A260/A280=2.0,DNA的变性过程,加热,部分双螺旋解开 无规则线团 链内碱基配对,核酸,的变性、复性和杂交,变性（加热）,探针,杂交（缓慢冷却）,复性（缓慢冷却）,变性,：,在物理、化学因素影响下，DNA碱基对间的氢键断裂，双螺旋解开，这是一个跃变的过程，伴有A,260,增加（,增色效应,）,DNA的功能丧失。,复性,：在一定条件下，变性DNA 单链间碱基重新配对恢复双螺旋结构，伴有A,260,减小（,减色效应,）,DNA,的功能恢复。,分子杂交的原理示意图,不同来源的DNA单链间或单链DNA与RNA之间只要有碱基配对的区域，在复性时可形成局部双螺旋区，称核酸分子杂交（hybridization）制备特定的探针（probe）通过杂交技术可进行基因的检测和定位研究。实例：,southern印迹法,Southern,印迹法,DNA分子,限制片段,限制性酶切割,琼脂糖电泳,转移至硝酸纤维素膜上,与放射性标记DNA探针杂交,放射自显影,带有DNA片段的凝胶,凝胶,滤膜,用缓冲液转移DNA,吸附有DNA片段的膜,Tm,：,熔解温度（melting temperature）,Poly d(A-T),DNA,Poly d(G-C),DNA的变性发生在一个很窄的温度范围内，通常把热变性过程中A,260,达到最大值一半时的温度称为该DNA的熔解温度，用,Tm,表示。,Tm,的,大小与DNA分子中（G+C）的百分含量成正相关，测定Tm值可推算核酸碱基组成及判断DNA纯度。,某些DNA的Tm值,60,80,100,1.0,1.4,1.2,100%,A,260,t,0,C,Tm,Tm,Tm,1,2,3,1,2,3,第六节,DNA,研究进展,一,、,人类基因组计划简介,（Human Genome Project，HGP）,二,、,DNA芯片技术简介,（,DNA chip）,人类基因组计划简介,（Human Genome Project，HGP）,该计划是美国科学家在1985年率先提出，1990年正式启动。美、英、德、法、日先后参加了此项工作，1999年我国成为,HGP,的第六个成员国。,HGP,旨在阐明人类基因组DNA所具有的3,10,9,核苷酸的序列，发现所有的人类基因并阐明其在染色体上的位置，破译人类的全部遗传信息，使得人类第一次在分子水平上全面地认识自我。,到目前为止，已完成了人类基因组的框架图，测序的工作已基本完成。,HGP,的实施，揭开了生命科学新的一页，它可以造福于人类，但也面临的伦理的挑战。,HGP取得的成就,完成了人类基因组工作草图绘制,揭示了人类基因组若干细节,基本上测定了人类基因组上的碱基序列,一些模式生物(果蝇、拟南介等)和作物（如水稻）基因草图绘制成功，测序基本完成,促进了生物信息学、蛋白质组学、糖组学的迅猛发展,人类基因组草图绘就，中国科学家功不可没,HGP面临的挑战,基因的隐私权问题,基因组图谱和信息的使用与人的社会权利问题,基因资源问题,基因知识的滥用问题,DNA芯片技术简介,DNA芯片(,DNA chip,)技术是采用寡核苷酸原位合成或显微打印手段，将数以万计的DNA探针片段有序地固化于支持物表面上，产生二维DNA探针阵列，然后与标记的样品进行杂交，通过检测杂交信号来实现对生物样品的快速、并行、高效地检测或诊断。,由于常用硅芯片作为固相支持物，且在制备过程中运用了计算机芯片的制备技术，所以称为DNA芯片技术。,人类将进入生物经济时代,基因,操纵生命的工具,基因组,潜藏着巨大的经济价值,基因技术,21世纪的投资热点,谁掌握了人类基因图谱，就等于谁破译了人类的生命密码，获得了操纵生命的工具。,与互联网相比，网络只是对人类的信息沟通带来了巨大的革命，而基因领域的革命则能够从根本上改变人类的命运，基因工程所带来的商业机会将会大大超过网络。,沉降系数（S）,生物大分子在单位离心力场作用下的沉降速度称为沉降系数。即沉降系数是微颗粒在离心力场的作用下，从静止状态到达极限速度所需要的时间。其单位用Svedberg，即s表示，s=110,-13,秒。,沉降系数（S）与分子量（M）的关系,M=,RT,s,D(1-,),Svederg方程:,