第3章核酸的化学.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,*,核酸的发现,1,一.,核酸的概念和重要性,二.,核酸的组成成分,三.,DNA的结构,四.,DNA和基因组,五.,RNA的结构和功能,六.,核酸的性质,七.,核酸的研究方法,第三章 核酸的化学,2,一、核酸的概念和重要性,1889,年，,Altmann,首先制备了不含蛋白的核酸制品，并引入,“核酸”,这一名词。,20,世纪,20,年代测定了核酸的化学组成，并将核酸分为,DNA,和,RNA,。,1943,年,E.Chargaff,的工作：嘌呤,:,嘧啶,=1:1,，由此推理出,碱基配对,的理论。,(一)核酸的研究历史,3,一、核酸的概念和重要性,研究历史,噬菌体感染实验,6,肺炎双球菌转化实验和噬菌体感染实验证明,遗传物质即为,DNA,。,一、核酸的概念和重要性,研究历史,1953,年,Watson,和,Crick,创立的,DNA,双螺旋结构模型,，不仅阐明了,DNA,分子的结构特征，并提出了遗传信息的传递方式及高度保真性。,7,核酸的概念和重要性,研究历史,8,（二）核酸的重要性,除少数病毒（,RNA,病毒）以,RNA,作为遗传物质外，多数有机体的遗传物质是,DNA,。,生物多样性。,RNA,的主要作用是从,DNA,转录遗传信息，并指导蛋白质的合成。,一、核酸的概念和重要性,9,脱氧核糖核酸（,DNA,）,D,eoxyribo,n,ucleic,A,cid,核糖核酸（,RNA,）,R,ibo,n,ucleic,A,cid,（三）核酸的类别和分布,一、核酸的概念和重要性,10,DNA,分子含有生物物种的所有,遗传信息,，分子量一般都很大。,DNA,为,双链,分子。,脱氧核糖核酸 （,DNA,）,一、核酸的概念和重要性,类别和分布,11,核糖核酸（,RNA,）,RNA,主要负责,DNA,遗传信息的翻译和表达，分子量要比,DNA,小得多。,RNA,为单链分子。,mRNA,、,tRNA,和,rRNA,。,一、核酸的概念和重要性,类别和分布,12,RNA,含量,功能,mRNA(信使RNA),messenger,RNA,5%,将DNA的遗传信息传递到核糖核蛋白体,tRNA(转移RNA),Transfer RNA,10-15%,翻译氨基酸信息，并将相应氨基酸转运到核糖核蛋白体,rRNA(核糖体RNA),Ribosomal,RNA,80%,核糖核蛋白体的主要组分，与蛋白质生物合成相关,一、核酸的概念和重要性,类别和分布,13,真核生物,原核生物,DNA,细胞核（95%）,线粒体、叶绿体(5%),核质区(拟核),RNA,细胞质（75%）,线粒体、叶绿体(15%),细胞核（10%）,细胞质,一、核酸的概念和重要性,类别和分布,14,（四）核酸的功能,1、核酸是生物体遗传变异的物质基础，DNA是大多数生物体的遗传物质。,2、RNA主要参与蛋白质的生物合成。,3、RNA的功能多样性。主要有：参与基因表达的调控、催化作用、遗传信息的加工、病毒RNA是遗传信息的载体。,4、核酸与分子病。,一、核酸的概念和重要性,15,核酸（DNA和RNA）是一种,线性多聚核苷酸,，它的基本结构单元是,核苷酸,。,核苷酸本身由,核苷,和,磷酸,组成,而核苷则由,戊糖,和,碱基,形成,DNA与RNA结构相似，但在组成成份上略有不同。,二、核酸的组成成分,核酸的化学组成,16,二、核酸的组成成分,（一）戊糖,17,组成核酸的戊糖有两种。,DNA,所含的糖为,-D-2-,脱氧核糖,；,RNA,所含的糖则为,-D-,核糖,。,二、核酸的组成成分,戊糖,18,（二）含氮碱,二、核酸的组成成分,19,嘌呤 腺嘌呤 鸟嘌呤,Adenine guanine,A,G,9,N,N,N,N,1,2,3,4,6,5,8,7,二、核酸的组成成分,含氮碱,20,嘧啶 尿嘧啶 胞嘧啶 胸腺嘧啶,uracil cytosine thymine,N,N,6,5,4,3,2,1,U C T,H,3,C,二、核酸的组成成分,含氮碱,21,（三）核苷 nucleoside,糖与碱基之间的,C-N,键，称为,C-N,糖苷键,。,二、核酸的组成成分,22,（四）核苷酸 nucleotide,1、核苷酸的结构和功能,二、核酸的组成成分,23,24,25,二、核酸的组成成分,核苷酸,26,二、核酸的组成成分,核苷酸,27,各种核苷三磷酸和脱氧核苷三磷酸是体内合成,RNA,和,DNA,合成的直接原料,。,在体内能量代谢中的作用：,ATP,能量“货币”,UTP,参加糖的互相转化与合成,CTP,参加磷脂的合成,GTP,参加蛋白质和嘌呤的合成,第二信使,cAMP,二、核酸的组成成分,核苷酸,（2）核苷酸的功能,28,2、核苷酸的性质,嘌呤碱和嘧啶碱分子中均具共轭双键体系，在紫外区有吸收,（,260 nm,左右）,。,二、核酸的组成成分,29,核酸,核苷酸,核苷,戊糖,碱基,磷酸,核糖,脱氧核糖,嘌呤碱,嘧啶碱,二、核酸的组成成分,30,三、核酸的一级结构,聚合酶,5,3,31,（一）核酸的一级结构,各核苷酸残基沿多核苷酸链排列的顺序或序列。,核苷酸通过,3,5-,磷酸二酯键相连。,核苷酸只在它们所携带的碱基上有区别，碱基序列表示核酸的一级结构。,具方向性：一端为,5,端，另一端为,3,端。,用,p,表示磷酸基团，左侧表示与糖环的,5-,羟基结合，右侧表示与,3-,羟基结合。,表示方法：,pA,、,Ap,、,pC,、,Cp,三、核酸的结构,32,33,三、核酸的结构,一级结构,DNA,一级结构,表示方法：,5,P,A,P,C,P,G,P,C,P,T,P,G,P,T,P,A 3,或5,P,A-C-G-C-T-G-T-A 3,或5,P,ACGCTGTA 3,核酸酶的水解部位,P,A,P,C,P,G,P,C,P,T,P,G,P,T,P,A,P,A,P,C,P,G,P,C,P,T,P,G,P,T,P,A,34,（二）核酸,的二级结构,1953年,J.Watson,和,F.Crick,三、DNA的结构,35,三、DNA的结构,二级结构,主要依据,36,三、DNA的结构,二级结构,主要依据,37,由两条DNA单链组成。,双螺旋结构,是DNA二级结构的最基本形式。,三、DNA的结构,二级结构,38,DNA,双螺旋的结构要点,DNA,分子是由两条反向平行的多核苷酸链构成，并围绕同一中心轴缠绕形成一个右手的双螺旋。,三、DNA的结构,二级结构,39,DNA,双螺旋的结构要点,脱氧核糖和带负电荷的磷酸基团骨架位于双螺旋的外侧，两条链上的碱基堆积在双螺旋的内部，,G,与,C,配对，,A,与,T,配对。,G,和,C,之间可以形成三个氢键，,A,和,T,之间形成二个氢键。,三、DNA的结构,二级结构,40,DNA,双螺旋的结构要点,成对的碱基大致处于同一平面，该平面与螺旋轴基本垂直。相邻碱基对的距离为,0.34nm,，沿螺旋的长轴每一转含有,10,个碱基对，其螺距为,3.4nm,。,三、DNA的结构,二级结构,41,DNA,双螺旋的结构要点,由于碱基对不处于两条主链的中间，向一侧突出，,DNA,分子的表面形成大沟和小沟。大沟和小沟可以特异性地与蛋白质相互作用。,三、DNA的结构,二级结构,42,DNA,双螺旋的结构要点,大多数天然,DNA,属双链,DNA,，某些病毒的为单链,DNA,。,双链,DNA,分子主链上的化学键受碱基配对等因素影响旋转受到限制，使,DNA,分子比较刚硬。但有些化学键可在一定范围旋转，使,DNA,分子有一定柔韧性。,三、DNA的结构,二级结构,43,A-DNA、B-DNA和Z-DNA的主要结构特点,三、DNA的结构,二级结构,几种不同类型的双螺旋,44,三、DNA的结构,二级结构,45,大多数,DNA,以,B-DNA,的形式存在，但在螺旋的一定区域内会出现短序列的,A-DNA,。,A-DNA,中的碱基相对于螺旋轴大约倾斜,20,，每一转含有,11,个碱基对，螺旋比,B-DNA,宽。,Z-DNA,是左手双螺旋结构，每一转含有,12,个碱基对；只有小沟没有大沟；生物体的基因组中很少出现,Z-DNA,。,B-DNA,和,Z-DNA,的转化与基因表达有关。,三、DNA的结构,二级结构,46,稳定,DNA,二级结构的作用力：,氢键（横向作用力）,碱基堆积力（纵向作用力）,三、DNA的结构,二级结构,47,三、DNA的结构,二级结构,与DNA碱基顺序相关的特殊二级结构:,(1)回文序列（二重对称结构）,所谓回文序列就是指DNA某一片段旋转,180,。,后,顺序不变的序列，回文序列中的单链可形成,发夹结构,。双链可形成,十字架结构,。这种发夹结构或十字架结构在,大肠杆菌细胞DNA,中已有发现.,48,三、DNA的结构,二级结构,核酸分子中的回文序列,49,回文序列中的单链可形成发卡结构,三、DNA的结构,二级结构,50,三、DNA的结构,二级结构,双链回文序列可形成十字架结构,51,三、DNA的结构,二级结构,（2）镜象结构（镜像重复）,所谓镜象结构就是指DNA某一片段在一条链上出现,颠倒重复,的序列。,52,三、DNA的结构,二级结构,多嘌呤-多嘧啶的镜象序列,可形成,三螺旋,结构(H-螺旋或Hoogsteen螺旋):该螺旋常处在许多真核细胞基因的表达调节区。可能与,基因表达的调节,有关.,53,三、DNA的结构,二级结构,54,三、DNA的结构,二级结构,四链DNA：可能存在于真核细胞染色体的端粒中。,55,在生物体内，绝大多数双链环形DNA可进一步扭转盘曲,形成超螺旋,(supercoil)DNA，,还可被称为共价闭环DNA,。,体积进一步压缩。,（三）DNA高级结构,环状,DNA,的超螺旋结构,三、DNA的结构,高级结构,56,57,58,DNA超螺旋结构的形成,三、DNA的结构,高级结构,59,60,DNA,的三级结构与蛋白质的结合有关。,与,DNA,相结合的蛋白质有组蛋白、和非组蛋白。,组蛋白,相互聚合并与,DNA,结合,形成,串珠状的结构,即高等动物,染色质,的基础结构，串珠状结构进一步卷曲折叠形成染色单体。,真核生物染色体的结构,三、DNA的结构,高级结构,61,62,三、DNA的结构,高级结构,63,DNA,Transcription,RNA,Translation,Protein,基因,(Gene)：,是DNA片段的核苷酸序列，DNA分子中最小的功能单位。,四、DNA与基因组,基因组,(Genome),:,某物种所含的全套遗传物质。,64,（一）病毒和细菌基因组的特点,1、共同点：,基因组较小，通常只有一个环形或线形的,DNA,分子；,基因组的大部分序列是用来编码蛋白质的，基因之间的间隔序列很短；,具有操纵子结构。,四、DNA与基因组,65,2、病毒基因组的特点,病毒基因组可以由DNA或RNA组成，但每种病毒只含有一种核酸；,不少病毒以RNA为遗传物质，称为RNA病毒；可分为正链病毒、负链病毒、双链病毒、逆转录病毒；,有重叠基因，即一段核酸序列可以编码多个肽链。,四、DNA与基因组,66,3、细菌基因组的特点,基因组通常仅由一条环形或线形双链DNA分子构成，只有一个复制起点;,编码蛋白质的结构基因为单拷贝的，但rRNA基因一般是多拷贝的;,基因组中有多种调控区，和少量重复序列;,基因组中存在与真核生物基因组类似的可移动的DNA序列（转座子）。,四、DNA与基因组,67,(二)真核生物基因组的特点,基因组较大,不存在操纵子结构,存在大量的重复序列,单一序列,:,绝大多数蛋白质基因只有,1,个或几个拷贝；,低度重复序列：蛋白质的基因只有数个拷贝；,中度重复序列,:,有数十到数十万拷贝的序列；,高度重复序列,:,重复率达到,10,6,以上。,四、DNA与基因组,68,有断裂基因,mRNA,1 872bp,内含子（intron)：,基因中不为多肽编码，不在mRNA中出现。,A,B,C,D,E,G,7 700bp,F,外显子（exons）：,为多肽编码的基因片段。,transcription,四、DNA与基因组,69,RNA的二级结构,单链RNA自行盘绕，A与U配对，G与C配对，形成局部双螺旋的多,“臂”,多,“茎”,结构，不能配对的碱基形成“单链突环”。,RNA分子中40-70%的核苷酸参与多螺旋的形成，因此RNA分子可以形成多环多臂的二级结构。,五、RNA的结构与功能,70,tRNA,五、RNA的结构与功能,71,D,臂,T,臂,反密码子臂,受体臂,五、RNA的结构与功能,tRNA,结合氨基酸的部位,与mRNA密码子配对,与核糖体结合,72,五、RNA的结构与功能,反密码子臂,受体臂,73,rRNA,五、RNA的结构与功能,原 核 生 物,真 核 生 物,核糖体,rRNA,核糖体,rRNA,70S(30S,50S),16S,5S,23S,80S(40S,60S),18S,5S,5.8S,28S,74,五、RNA的结构与功能,高级结构,rRNA,75,76,五、RNA的结构与功能,mRNA,和,hnRNA,核内不均一,RNA,（,hnRNA,),是,mRNA,的前体，经过剪接和加工，转化为成熟的,mRNA,。,77,五、RNA的结构与功能,snRNA,和,snoRNA,核小,RNA,（,snRNA,),，,主要存在于细胞核中，,5,有帽子结构，分子内含,U,较多称,U-RNA,，均与蛋白质连在一起，以核糖核蛋白（,RNP,）的形式存在。,U-RNP,在,hnRNA,剪接和加工过程中有重要作用，其他的,anRNA,在控制细胞分裂和分化、协助细胞内物质运输，构成染色质等方面有重要作用。,核仁小,RNA,（,snoRNA,），,广泛分布于核仁区，主要参与,rRNA,前体的加工，指导完成部分,snRNA,及,tRNA,中某些核苷酸的甲基化修饰。,78,五、RNA的结构与功能,asRNA,和,RNAi,反义,RNA,（,asRNA,),，,可通过互补序列与特定的,DNA,，或,mRNA,结合，抑制,DNA,的复制和转录，以及,mRNA,的翻译。,RNA,干扰（,RNAi,），,利用一段与,asRNA,核苷酸序列互补的,RNA,，与,asRNA,形成双链，去抑制特定基因表达的技术，广泛用于探索基因功能，开展基因治疗和新药开发，研究信号转导通路等领域。,79,五、RNA的结构与功能,ncRNA,的多样性,非编码,RNA,（,ncRNA,),，根据功能分为：,催化,RNA,（,cRNA,）：,亦称核酶，具有催化功能；,类似,mRNA,的,RNA,：,不编码蛋白质，是与细胞的生长和分化、胚胎的发育、肿瘤的形成和抑制密切相关的调节因子；,指导,RNA,（,gRNA,）：,指导,mRNA,编辑的小分子；,tmRNA,：,既有,tRNA,的功能，又有,mRNA,的功能；,端粒酶,RNA,：,是真核染色体端粒复制的模板；,信号识别颗粒（,SRP,）,RNA,：,与细胞内蛋白质的转运有关；,微小,RNA,（,miRNA,）：,在基因表达、细胞周期及个体发育的调控中发挥重要作用；,小干扰,RNA,（,siRNA,）：,在,RNAi,途径中介导靶的降解,.,80,五、RNA的结构与功能,ncRNA,的多样性,非编码,RNA,（,ncRNA,),，根据在细胞内的分布分为：,核小,RNA,（,cRNA,）：,剪接体,U1-6snRNA,是,mRNA,前体剪接体的重要组分，,U7snRNA,负责组蛋白前体,mRNA3-,末端的形成；,核仁小,RNA,（,snoRNA,）：,主要参与,rRNA,及其他,RNA,的修饰、加工、成熟等过程；,胞质小,RNA,（,scRNA,）：,主要在蛋白质合成过程中起作用；,Cajal,小体（,CBs,）小,RNA,：,可能参与甲基化和假尿嘧啶的形成。,81,五、RNA的结构与功能,ncRNA,的多样性,非编码,RNA,（,ncRNA,),，根据大小分为：,21-25nt,的,ncRNA,：,包括,miRNA,和,siRNA,家族两种类型；,21-25nt,的,smallRNA,：,是细菌细胞的翻译调节因子；,大于,10000nt,的,ncRNA,：,参与高级真核生物的基因沉默。,82,(一)物理性质,形状：,RNA,的纯品都呈白色的粉末或结晶；,DNA,纯品为白色纤维状固体。,溶解性：,均微溶于水，不溶于乙醇、氯仿等有机溶剂。,粘性：,核酸的水溶液粘度很大，粘度,DNA,大于,RNA,。,核酸变性后，粘度下降。,六、核酸的性质,83,核酸的水解,六、核酸的性质,84,六、核酸的性质,水解,酸或碱水解,碱,易水解,磷酸二酯键,，DNA和RNA对酸或碱的耐受程度不同，DNA对碱相对较稳定。,酸,易水解,N糖苷键,，嘌呤碱基比嘧啶碱基易被酸水解，RNA相对较稳定。,85,酶水解,六、核酸的性质,水解,按底物分：,核糖核酸酶(RNase)，脱氧核糖核酸酶(DNase)、非特异性核酸酶,按作用方式分：,核酸内切酶，核酸外切酶,颜色反应：,D-核糖与浓盐酸和苔黑酚（甲基间苯二酚）共热产生绿色化合物，D-2-脱氧核糖与酸和二苯胺加热产生蓝绿色化合物。,86,六、核酸的性质,水解,87,(二),紫外吸收性质,六、核酸的性质,增色效应,减色效应,88,（三）核酸的稳定性,碱基对间的氢键,碱基堆积力,环境中的正离子,六、核酸的性质,核酸结构的稳定性,89,六、核酸的性质,变性,双链核酸的变性：,指,双螺旋区的氢键断裂，,空间结构破坏，形成,单链无规线团状态的,过程。,（四）核酸的变性,90,六、核酸的性质,变性,热变性和T,m,91,六、核酸的性质,变性,影响T,m,的因素,G,C,对含量,溶液的离子强度,溶液的,PH,变性剂,（G+C）%=（T,m,69.3）2.44,92,六、核酸的性质,复性,93,六、核酸的性质,（2）影响复性速度的因素,复性的温度,单链片段的浓度,单链片段的长度,单链片段的复杂度,溶液的离子强度,94,六、核酸的性质,(六)核酸的杂交,在退火条件下，不同来源的DNA互补区形成双链，或DNA单链和RNA链的互补区形成DNARNA杂交双链的过程。,95,Southern印迹法,：,将电泳分离后的DNA片段从凝胶转移到硝酸纤维素膜上，再进行杂交。,Northern印迹法,：,将电泳分离后的RNA吸印到纤维素膜上再进行分子杂交。,六、核酸的性质,杂交,DNA芯片技术：,或DNA微列阵，也是以核酸的分子杂交为基础的。,探针,：,用放射性同位素或荧光标记的DNA或RNA片段。,96,六、核酸的性质,杂交,97,七、核酸的研究方法,测序,Sanger,测序法,98,99,DNA的Sanger测序法,未知序列的单链DNA,放射性标记的引物,二脱氧核苷酸（ddNTP）,聚合 酶 I,反应混合物,凝胶电泳,读出核苷酸序列,反应产物,100,DNA酶法序列分析的原理,与模板DNA互补序列,模板引物,101,两种最重要的生物大分子比较,组成单位 氨基酸 核苷酸,组成单位 20种,A、C、G、T(DNA),的种类,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 螺旋、超螺旋、蛋白,级结构 -核酸非共价结合,功能 生命活动 遗传信息贮存、传代、,直接执行者 表达,决定蛋白结构,蛋白质 核酸,102,