核酸的结构和功能-优质PPT课件.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,*,核酸的结构和功能,核 酸(nucleic acid),是以,核苷酸,为基本组成单位的生物大分子，携带和传递遗传信息。,核酸的种类、分布和功能,分布于细胞核（98），线粒体，叶绿体，质粒。,分布于胞核、胞质（90）。,(deoxyribonucleic acid,DNA,),(ribonucleic acid,RNA,),脱氧核糖核酸,核糖核酸,携带遗传信息，决定细胞和个体的基因型(genotype)。,参与细胞内DNA遗传信息的表达。某些病毒RNA也可作为遗传信息的载体。,第一节 核酸的化学组成及一级结构,元素组成,C、H、O、N、,P,等，,P,含量最稳定，,9 10%,核酸的定量,(与蛋白质相比不含S）,一、核酸的基本结构单位核苷酸（,nucleotide,）,核酸（DNA和RNA）是由多个单核苷酸聚合而成的多聚核苷酸（,polynucleotides,)。,核酸,核苷酸,磷酸,核苷,戊糖,碱基,水,解,核酸的基本结构单元是,核苷酸,。核苷酸水解成,核苷,和,磷酸,而核苷又可水解成,戊糖,和,碱基,。,核苷酸的组成及结构,磷酸,戊糖,碱基,嘧啶,嘌呤,（一）碱基(,base,),含氮杂环化合物,N,N,N,N,H,H,H,H,N,N,N,N,H,H,H,H,1,2,3,4,5,6,7,8,9,嘌呤,NH,2,腺嘌呤 adenine,（,A,）,N,N,N,N,H,H,H,H,O,H,2,N,鸟嘌呤 guanine,（,G,）,2种嘌呤：,N,N,H,H,H,H,嘧啶,1,2,3,4,5,6,N,N,H,H,H,H,NH,2,O,H,胞嘧啶 Cytosine,（,C,）,N,N,H,H,H,H,O,O,H,H,尿嘧啶 uracil,（,U,）,N,N,H,H,H,H,O,O,H,H,CH,3,胸腺嘧啶 thymine,（,T,）,3种嘧啶,腺嘌呤(A),鸟嘌呤(G),胞嘧啶(C),胸腺嘧啶(T),DNA,尿嘧啶(U),RNA,-D-2-核糖,-D-2-脱氧核糖,O,O,HOH,2,C,OH,O,H,OH,1,2,3,4,5,O,HOH,2,C,OH,H,OH,1,2,3,4,5,核糖(Ribose),构成 RNA,脱氧核糖(Deoxyribose),构成 DNA,（二）戊糖,碱基戊糖 核苷，二者以,糖苷键,相连,（三）,核 苷,（nucleoside）,O,H,H,OH,H,OH,HOCH,2,H,碱基,O,H,H,H,H,OH,HOCH,2,H,碱基,核 苷,脱氧核苷,糖苷键,糖苷键,O,HOH,2,C,OH,OH,OH,1,2,3,4,5,核 糖,N,N,N,N,H,H,H,H,9,腺嘌呤,腺 苷,O,HOH,2,C,OH,OH,OH,1,2,3,4,5,核 糖,N,N,O,O,H,H,H,尿嘧啶,H,1,尿苷,各种嘌呤,N,9,C,1,核糖（2-脱氧核糖）,各种嘧啶,N,1,C,1,核糖（2-脱氧核糖）,核苷（脱氧核苷）,戊糖,（四）,核苷酸,（nucleotide）,核苷磷酸，以,磷脂键,相连,核糖:2，3和,5核糖核苷酸,脱氧核糖：3和,5脱氧核糖核苷酸,O,H,H,OH,H,OH,OCH,2,H,碱基,P,O,H,H,H,H,OH,OCH,2,H,碱基,P,5-核苷酸,5-脱氧核苷酸,酯键,酯键,戊糖+碱基+磷酸,H,2,O,H,2,O,碱基,磷酸,戊糖,糖苷键,酯键,（对DNA为H）,碱基,核苷,5核苷酸,A,G,C,U,腺苷,鸟苷,胞苷,尿苷,腺苷酸（AMP）,鸟苷酸（GMP）,胞苷酸（CMP）,尿苷酸（UMP）,RNA,碱基,核苷,5脱氧核苷酸,A,G,C,T,脱氧腺苷,脱氧鸟苷,脱氧胞苷,胸 苷,脱氧腺苷酸（dAMP）,脱氧鸟苷酸（dGMP）,脱氧胞苷酸（dCMP）,脱氧胸苷酸（dTMP）,DNA,核苷酸的命名,核苷酸名称中的缩写符号,脱氧,碱基,磷酸基数目,磷酸,d,A,M,P,G,D,T,T,C,U,DNA、RNA组成异同,DNA与RNA在组成成份上略有不同：,DNA,RNA,磷酸,磷酸,磷酸,碱基,腺嘌呤（A）,腺嘌呤（A）,鸟嘌呤（G）,鸟嘌呤（G）,胞嘧啶（C）,胞嘧啶（C）,胸腺嘧啶（T）,尿嘧啶（U）,戊糖,D-2脱氧核糖（dR）,D-核糖,（五）体内重要的游离核苷酸及其衍生物,1、多磷酸核苷酸,N,D,P N,T,P,(A，G,C,U,）,dNDP dNTP,(A，G,C,T,）,O,HOH,2,C,OH,OH,OH,1,2,3,4,5,核 糖,N,N,N,N,H,H,H,H,9,腺嘌呤,胸 苷,P,O,-,-,O,O,腺苷-5-磷酸,AMP(dAMP),O,P,O,-,-,O,O,ADP(dADP),ATP(dATP),P,O,-,-,O,O,M-,单,D-,二,T,三,P-,磷酸,功能,能量物质,ATP,（,能量“货币”）,UTP,（,糖的合成）,GTP,（,蛋白质和嘌呤的合成）,CTP,（,磷脂的合成）,合成核酸的原料,NTP,（,RNA,）,dNTP,（,DNA,）,2、环化核苷酸,3，5-环化腺苷酸,cAMP,3，5-环化鸟苷酸,cGMP,-第二信使,参与体内代谢调节和细胞信号转导,3、含核苷酸的生物活性物质,辅酶I（NAD,+,）,辅酶II（NADP,+,）,辅酶A (CoA-SH）,黄素腺嘌呤二核苷酸（FAD),均含腺苷酸（AMP）,参与生物氧化、物质代谢,FAD,NAD、NADP,HSCoA,二、DNA和RNA是多聚,核苷酸,（polynucleotides）,核酸（DNA和RNA）是由多个单核苷酸通过,3，5磷酸二酯键,相连而成的多聚核苷酸长链。核苷酸的多少和排列顺序不同，但连接方式一样,寡聚,核苷酸（oligonucleotides）：,50,bp,脱,H,2,O,酯键相连,3，5,-磷酸二酯键,3,5,5-,磷酸端（常用,5-P,表示）；,3-,羟基端（常用,3-OH,表示）,核苷酸链具有,方向性,，当表示一个核苷酸链时，必须注明它的方向是,53,或是,35,。,概念：,构成核酸的核苷酸或脱氧核苷酸从5-末端到3-末端的排列顺序，也就是核苷酸序列（nucleotide sequence)。也即碱基的序列（base sequence)。,DNA,分子的一级结构储存了大量的遗传信息,(4,n,),核酸分子的大小,：,base/,kilobase,或者,bp/kbp,（,base pair/,kilobase,pair,）表示,三、核酸的一级结构（primary structure）,核酸分子一级结构的表示方法有三种:,53,结构式,（1）结构式表示法：,（2）线条式表示法：,（3）文字式表示法：,戊糖,3-OH,5-磷酸,P,A,核苷酸,线条式,文字表示：,5pApTpGpCpA3或 5ATGCA3,一、核酸的基本结构单位：核苷酸(nucleotide),小结,核苷酸的组成：碱基、戊糖和磷酸。,DNA:碱基（A T G C），脱氧核糖,RNA：碱基（A U G C），核糖,核苷酸的连接方式：3,5,磷酸二酯键,末端：5,端、3,端,多核苷酸链的方向：5,端3,端(由左至右),二、核酸的基本结构形式：多聚核苷酸,（polynucleotide,),三、核酸的一级结构,一、,DNA的二级结构,-,双螺旋,结构模型,（一）DNA双螺旋结构研究的背景,1,、,DNA,是遗传的物质基础,2,、,Chargaff,原则,3,、,DNA,分子,X,射线衍射分析,4,、双螺旋结构模型的建立,第二节 DNA的空间结构与功能,1950年前后，Erwin Charggff等人采用纸层析及紫外吸收技术测定了多种生物体DNA的碱基组成。,不同来源的DNA碱基组成（摩尔%）,DNA来源 腺嘌呤 胸腺嘧啶 鸟嘌呤 胞嘧啶,人 30.4 30.1 19.6 19.9,绵羊 23.9 28.7 21.1 20.9,公牛 29.0 28.7 21.2 21.2,大鼠 28.6 28.4 21.4 20.4,母鸡 28.0 28.4 22.0 21.6,大肠杆菌 24.7 23.6 25.7 25.7,2、Charggff,原则：,所有,DNA,分子中,，,A%T%,G%C%,（嘌呤碱的摩尔数=嘧啶碱的摩尔数）,有种属特异性：不同生物的DNA碱基组成不同,同一生物体的DNA碱基组成没有组织器官特异性,这预示着碱基互补配对的可能性，即A与T配对，G与C配对。,Erwin Chargaff（,19051995,）,这些结果后来为DNA的双螺旋结构模型提供了一个有力的佐证。,DNA 分子,X射线衍射照片,3、,DNA 分子X射线衍射照片,4、DNA双螺旋结构模型（double-helical structure）,James Watson,&,Francis Crick,1953,年，,James,Watson&Francis,1、螺旋中的两条链,反向平行,，即其中一条链的方向为53，而另一条链的方向为35，两条链共同围绕一个假想的中心轴呈,右手双螺旋,结构。亲水磷酸、戊糖为骨架，疏水碱基向内；,（二）DNA,双螺旋结构要点,2、,碱基对互补，,碱基之间,氢键,连接，,AT,GC；,每个碱基对处于同一平面，碱基平面垂直于中心轴；,由于几何形状的限制，碱基对只能由嘌呤和嘧啶配对，即A与T，G与C。这种配对关系，称为,碱基互补,。A和T之间形成两个氢键，G与C之间形成三个氢键。,碱基配对和氢键形成,3、双螺旋横截面的,直径,约为,2 nm,，相邻两个碱基平面之间的距离（,轴距,）为,0.34 nm,，每,10,个核苷酸形成一个螺旋，其,螺距,（即螺旋旋转一圈的高度）为,3.4,nm。,4、,由于碱基对排列的方向性，使得碱基对占据的空间是不对称的，因此，,在双螺旋的表面形成大小两个凹槽，分别称为,大沟,（major groove),和小沟,(minor groove),二者交替出现，,是蛋白质DNA相互作用的基础,。,氢键,维持,DNA,双链,横向,稳定性，,碱基堆积力,维持双链,纵向,稳定性,(,主要）,。,2.0 nm,小沟,大沟,离子键,磷酸基团上的负电荷与介质中的阳离子之间形成离子键，减少双链间的静电排斥力。,5.稳定双螺旋结构的力,其中碱基堆集力是使DNA结构稳定的最主要因素,其他螺旋形式,Z-DNA,（,左手双螺旋）,A-DNA,DNA,的多链螺旋结构,Watson-Crick双螺旋结构模型称为B型结构,小结,1、碱基组成规则(Chargaff规则),A=T,，,G=C,；,A+G=T+C,有种属特异性,无组织、器官特异性,不受年龄、营养、性别及其他环境等影响,（2）碱基互补配对：AT配对（两个氢键），GC配对（三个氢键）；碱基对平面垂直纵轴,（3）右手双螺旋：螺距为3.4 nm，直径为2.0 nm，10.5 bp/圈,（4）表面功能区：小沟较浅；大沟较深，是蛋白质识别DNA碱基序列的基础,（5）维持结构稳定的力量：氢键维持双链横向稳定，碱基堆积力维持螺旋纵向稳定,2、Watson-Crick,双螺旋结构模型(B-DNA),（1）反平行双链：脱氧核糖-磷酸骨架位于外侧，碱基对位于内侧,超螺旋结构(superhelix 或supercoil),DNA,双螺旋链,进一步盘曲所形成的构象即,超螺旋结构。,二、,DNA的超螺旋结构与染色质组装,正超螺旋(,positive supercoil,)-右手超螺旋,盘绕方向与DNA双螺旋方向相同,负超螺旋(,negative supercoil,)-左手超螺旋,盘绕方向与DNA双螺旋方向相反,（一）原核生物DNA的结构,是共价闭环双链,DNA,天然状态下以负超螺旋形式存在,（二）真核生物细胞中DNA的组装,核,小,体,核小体,是真核细胞染色体的基本结构单位。,核小体的组成,DNA,：,约,200bp,组蛋白：,H1,H2A,，,H2B,H3,H4,核小体结构,组蛋白,H,2,A,H,2,B,H,3,H,4,各两分子构成一个,八聚体,，,由,146bp,DNA,双螺旋沿着组蛋白八聚体核心绕,1.75,圈，形成,核心颗粒,(,core particle,),各核心颗粒间有一个连接区，由,60bp,的,DNA,链和,1,个分子组蛋白,H,1,构成。,核心颗粒,2(H,2,AH,2,B H,3,H,4,),60bp,缠绕1.75圈,约140160bp,染色质纤维,人类,46,条染色体的,DNA,总长可达,1.7m,，经过螺旋化压缩，实际总长只有,200nm。,Reverse,transcription,中心法则(,Central Dogma,),Replication,RNA的种类、分布、功能,第三节 RNA的结构与功能,（一）RNA的一级结构,RNA分子中核糖核苷酸的排列顺序,核糖核苷酸的种类：,A,、,G,、,C,、,U,（,A,-U,，,G-C,）,连接方式：,3,，,5,磷酸二酯键,（二）RNA的二级结构,（三）RNA的三级结构 “假结”,一、RNA的一般结构,为,单链,结构，少数局部,形成,发夹结构or茎环结构,二、信使,RNA（messenger RNA，mRNA),结构特点：,1、5末端帽子结构：m,7,GpppN（7-甲基鸟嘌呤核苷三磷酸）,与mRNA核质转运、蛋白质翻译的起始、维持mRNA稳定等有关,2、3末端多聚A尾：多,聚腺苷酸(polyA),功能同5帽,3、mRNA的碱基顺序指导蛋白质的氨基酸顺序合成序列,密码子(codon):起始密码子：5-末端起的第一个AUG开始,开放阅读框,4、成熟过程是不均一核RNA的剪接过程：剪切内含子，连接,外显子（,heterogeneous nuclear RNA,hnRNA,),真核细胞的,基因结构,hn RNA,成熟 mRNA,与蛋白质合成的正确起始有关。,避免mRNA被核酸酶降解，增强其稳定性。,3、功能：,作为蛋白质合成的模板,。,三、转运RNA（transfer RNA，,tRNA,）,结构特点：,1,、含稀有碱基（,DHU,，,假尿嘧啶，,m,G,，,m,A,）；,2,、,二级结构为,三叶草形,；,4,环,1,臂,3,、,3,末端为,CCA-OH,连接氨基酸，,4,、三级结构为倒“,L”,形；,分子最小。,功能：,转运氨基酸至蛋白质合成场所,DHU 环,反密码环,T,C 环,额外环(可变的),tRNA,的二级结构,三叶草形,反密码子,氨基酸臂,反密码子环,反密码子,载运氨基酸,tRNA三叶草型二级结构特点,tRNA的,“倒L”,型三级结构,反密码子环,3氨基酸臂,在三叶草型二级结构的基础上，,突环上未配对的碱基由于整个分子的扭曲而配成对，目前已知的,tRNA,的三级结构均为,倒,L,型,四、核糖体,RNA（ribosomal RNA,rRNA）,含量最多。,功能：,与多种蛋白质结合成核糖体或核蛋白体,（,ribosome,），,是细胞内,蛋白质合成的场所。,rRNA是核糖体的组成成分,其种类和大小用S表示,21种,原核,真核,小亚基,rRNA,蛋白质,rRNA,蛋白质,大亚基,16 S,18 S,33种,5S，23S,5S，5.8S，28S,49种,34种,大 小,30 S,40 S,大 小,50 S,60 S,核蛋白体,大 小,70 S,80 S,核蛋白体的组成,原核生物与真核生物的核糖体均由大亚基和小亚基构成,五、,snmRNA,参与基因表达的调控（,small non-messenger RNA,）,核内小,RNA,（,s,mall,nuclear RNA,）,核仁小,RNA,（,small,nucleolar,RNA,）,胞质小,RNA,（,small,cytoplasmic,RNA,scRNA,）,催化性小,RNA,（,small catalytic RNA,）,小片断干扰,RNA,（,small interfering RNA,）,功能：,在hnRNA和rRNA的转录后加工，转运以及基因表达过程的调控等方面具有重要的生理作用,六、核酸在真核与原核细胞中的不同时空特性,核膜结构存在与否导致复制、转录、翻译过程的时空差异,紫外吸收,变性、,复性与杂交,第四节、核酸的理化性质,一、核酸的紫外吸收 260nm,根据A,260,/A,280,的比值判断核酸样品的,纯度,纯DNA：A,260,/A,280,=1.8,纯RNA：A,260,/A,280,=2.0,纯的核酸样品可根据260nm的光吸收值算出其,含量,若,260nm光吸收值,为,1,相当于,50g/ml双螺旋DNA,或相当于,40g/ml单链DNA或RNA,或相当于,20g/ml寡核苷酸,。,二、,DNA,的变性,(denaturation),定义,：,在某些理化因素作用下，DNA双链解开成两条单链的过程。,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。,变性后其它理化性质的变化：,粘度下降,DNA双螺旋是紧密的刚性结构，变性后转化成柔软而松散的无规则单股线性结构，因此粘度明显下降。,比旋度下降,变性后整个DNA分子的对称性及分子构型改变，使DNA溶液的旋光性发生变化。,OD260,增高,增色效应,(hyperchromic effect)：指DNA变性后其紫外吸收,明显增强的效应。,减色效应：,DNA复性时，其溶液,OD,260,降低。,在DNA双螺旋结构中碱基藏入内侧，,变性时DNA双螺旋解开,，于是,碱基外露,，碱基中电子的相互作用更有利于紫外吸收，故而产生增色效应。,DNA变性的本质,：维持双螺旋稳定性的,氢键,断裂，,碱基间的堆积力,遭到破坏，但不涉及到其一级结构,(,磷酸二酯键),的改变。,更具典型意义,加热引起的DNA变性称为。,由于DNA的热变性是加热引起DNA双螺旋结构解体,成为单链的过程,所以又称为,DNA解链或融解作用,.,DNA的热变性,80 90 100,100%,50%,OD,260（254）,Tm,变性温度范围,Tm,：,变性是在一个相当窄的温度范围内完成，在这一范围内，紫外光吸收值达到最大值的,50%,时的温度称为,DNA,的解链温度，又称融解温度,(melting temperature,Tm,),。,影响Tm值的因素,1、G-C的相对含量,G+C的含量高，,T,m,高（因G-C之间有三个氢键，,A-T有两个氢键，故G-C较A-T稳固）。,2、核酸分子长度,核酸分子越长，解链时所需能量越高，Tm值越大,3.与离子强度有关：,溶液的离子强度,较高,时，,Tm值较高，,反之亦然。,三、核酸的复性与分子杂交,DNA复性(renaturation)的定义,在适当条件下，变性DNA的两条互补链可恢复天然的双螺旋结构，这一现象称为,复性,。,热变性的DNA经缓慢冷却后即可复性，这一过程称为,退火(annealing),。,将不同种类的DNA单链或RNA放在同一溶液中，只要2种单链分子间存在着一定程度的碱基互补配对关系，就可能形成局部双链，即所谓的,杂化双链(,heteroduplex,),。这种现象叫杂交或,核酸分子杂交。,核酸分子杂交(hybridization),是以核酸的,变性,和,复性,为基础的。,探针（,probe),：采用同位素或其它发光物质标记一小段已知序列的核酸，通过杂交反应就可以确定待测序列中是否含有与其相同的序列。这段已知序列的核酸称为,探针,。,DNA,DNA(,Southern,Blot,）,DNA,RNA,（,Northern,Blot,）,RNA,RNA,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,分子杂交的应用,细菌、病毒、肿瘤、分子病等的诊断,如地中海贫血、分子病,遗传病的产前诊断,杂交和探针技术是许多分子生物学技术的基础，在生物学和医学的研究中，以及临床诊断中得到了日益广泛的应用。,第五节 核酸酶,核酸酶是所有可以水解核酸的酶。,DNA,酶,(deoxyribonuclease,DNase),RNA,酶,(ribonuclease,RNase),根据底物的不同，可分为,根据对底物的作用方式不同，可分为,核酸外切酶（,exonuclease,）,:5-3,3-5,核酸内切酶（,endonuclease,）,:,限制性核酸内切酶,（,restriction endonuclease,）,本章主要内容,核酸的种类,核酸的分子组成（核苷酸、磷酸、戊糖、碱基）,DNA,和,RNA,分子组成的异同,DNA,双螺旋结构,三类,RNA,的结构特点及功能,核酸的理化性质,