生物化学2-核酸的结构和功能.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 二 章,核酸的结构和功能,Structure and Function of Nucleic Acid,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。,一、核酸的发现和研究工作进展,1868年,Fridrich Miescher,从脓细胞中提取“核素”,1944,年,Avery,等人,证实DNA是遗传物质,1953年,Watson,和,Crick,发现DNA的双螺旋结构,1968年,Nirenberg,发现,遗传密码,1975年,Temin,和,Baltimore,发现,逆转录酶,1981年,Gilbert,和,Sanger,建立,DNA 测序方法,1985年 Mullis发明,PCR 技术,1990年 美国启动,人类基因组计划(,HGP),1994年 中国人类基因组计划启动,2001年 美、英等国,完成人类基因组计划基本框架,人类基因组计划,Human Genome Project,年月：被誉为生命科学“,阿波罗登月计划,”的HGP启动。,年月：美国科学家,克里格,文特,创建的塞莱拉遗传公司，目标是投入亿美元，到年绘制出完整的人体基因组图谱，与国际HGP展开竞争。,年月日：国际HGP联合研究小组宣布，他们完整地破译出人体第对染色体的遗传密码。,年月日：当时的美国总统克林顿和英国首相布莱尔发表联合声明，呼吁将人类基因组研究成果公开，以便世界各国科学家都能自由地使用这些成果。,年月：国际HGP完成时间预计从原定的年月提前至年月。,年月日：科学家公布人类基因组“工作框架图”。,年2月：国际HGP(,美、英、日、德、法和中国,)的科学家和美国塞莱拉公司分别宣布完成绘制人类基因组测序草图。分别在15日出版的Nature和16日的Science公布。,青山衬托之下，是一片金灿灿的中国水稻梯田。4月5日以中国梯田为封面的 Science杂志以14页篇幅率先发表了一个重大成果中国人独立完成的论文水稻（籼稻）基因组的工作框架序列，显示对中国科学家成就充分肯定。,COVER Photograph of the Honghe Hani rice terraces in Yunnan Province,China.In this issue,two separate research groups report draft sequences of two strains of rice-,japonica,and,indica,.In addition,the Editorial,News Focus,Letters,and Perspectives highlight the significance of the rice genome to the worlds population.Image:Liwen Ma and Baoxing Qiu,Beijing Genomics Institute,核酸的基本组成单位是核苷酸,(nucleotide)。,碱基,戊糖,磷酸,核苷酸,核苷,核酸,DNA的基本组成单位是脱氧核糖核苷酸。,RNA的基本组成单位是核糖核苷酸。,嘌呤,嘧啶,碱基,腺嘌呤（A）,鸟嘌呤（G）,胞嘧啶（C）,胸腺嘧啶（T）,尿嘧啶（U）,DNA、RNA均有,DNA有,RNA有,一、核苷酸的结构,每种核酸都含有四种碱基。,嘌呤(purine),腺嘌呤(adenine,A),鸟嘌呤(guanine,G),碱 基,嘧啶(pyrimidine),胞嘧啶(cytosine,C),尿嘧啶,(uracil,U),胸腺嘧啶(thymine,T),五种碱基都能形成酮式-烯醇式或氨基-亚氨基的互变异构。这两种异构体的平衡关系受介质酸碱环境的影响。,戊 糖,（构成RNA）,核糖(ribose),（构成DNA,）,脱氧核糖(deoxyribose),碱基和核糖（或脱氧核糖）通过,糖苷键,连接形成,核苷,(nucleoside),（或脱氧核苷）。,核苷酸：,AMP,GMP,UMP,CMP,脱氧核苷酸：,dAMP,dGMP,dTMP,dCMP,核苷（脱氧核苷）和磷酸以,酯键,连接形成,核苷酸,（脱氧核苷酸）。,多磷酸核苷酸：,NMP,，,NDP,，,NTP,环化核苷酸,:cAMP,，,cGMP,体内重要的游离核苷酸及其衍生物,含核苷酸的生物活性物质：,NAD,+,、NADP,+,、CoA-SH、FAD,等都含有,AMP,多磷酸核苷酸：,NMP,，,NDP,，,NTP,环化核苷酸,:,cAMP,，,cGMP,NADP,+,NAD,+,二、核酸的一级结构,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,核苷酸之间以3,5,-,磷酸二酯键,连接形成多核苷酸链，即核酸。,C,G,A,书写方法,DNA 与RNA的区别,核酸,碱基,戊糖,DNA,A、G、C、,T,脱氧,核糖,RNA,A、G、C、,U,核糖,第二节,DNA,的空间结构与功能,Dimensional Structure and Function of DNA,一、DNA的二级结构,双螺旋结构,（一）DNA双螺旋结构的研究背景,碱基组成分析,Chargaff,规则：,A,=,T,G,=,C,碱基的理化数据分析,A-T,、,G-C,以,氢键,配对较合理,DNA,纤维的,X-,线衍射图谱分析,已知的核酸化学数据,（二）DNA双螺旋结构模型要点,1.两条链反向平行，围绕同一中心轴构成,右手双螺旋,(double helix)。螺旋,直径2nm,，表面有,大沟和小沟,。,2.磷酸-脱氧核糖骨架位于螺旋,外侧,，碱基垂直于螺旋轴而伸入,双螺旋,内侧,与对側碱基形成,氢键配对,（互补配对形式：A=T;G,C),。每圈螺旋含,10个碱基对,(bp)，,相邻碱基平面距离0.34nm，,螺旋一圈,螺距为3.4nm,。,碱基平面与纵轴,垂直,，糖环平面与纵轴,平行,3.两条链通过碱基间的氢键相连，A对T有两个氢键，C对G有三个氢键，这种A-T、C-G配对的规律，称为,碱基互补规则,。,4.维持双螺旋稳定的因素：横向为氢键，纵向为碱基间的堆积力。,碱基互补配对,T,A,G,C,（三）DNA双螺旋结构的多样性,Z型DNA,B型DNA,A型DNA,三链DNA（triple helix DNA）又称H-DNA,补充：,概念：三链DNA是由三条脱氧核苷酸链按一定的规律绕成的螺旋状结构。,结构：是在Watson-Crick双螺旋基础上形成的，其中大沟中容纳第三条链形成三股螺旋。在三螺旋DNA中三各个碱基配对（Hoogsteen base pairing）形成三碱基体:T-A-T，C-G-C。,作用：还不清楚,二、,DNA的超螺旋结构及其在染色质中的组装,（一）,DNA的超螺旋结构,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,意义,DNA超螺旋结构整体或局部的拓扑学变化及其调控对于DNA复制和RNA转录过程具有关键作用。,（三）DNA在真核生物细胞核内的组装,真核生物染色体由DNA和蛋白质构成，其基本单位是,核小体(nucleosome),。,核小体的组成,DNA：,约200bp,组蛋白：,H1,H2A，H2B,H3,H4,串珠状核小体结构,串珠状核小体,DNA双螺旋片段,染色质纤维,伸展形染色质片段,密集形染色质片段,整个染色体,核小体,螺线管,真核生物染色体DNA组装,Chromosome,chromatid,三、DNA的功能,DNA的基本功能是以,基因,的形式荷载遗传信息，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。,肺炎双球菌的转化实验,Oswald Avery(1944),实验二，,噬菌体的标记实验,第三节,RNA,的结构与功能,Structure and Function of RNA,动物细胞内主要RNA的种类及功能,RNA secondary and tertiary structures.(a),Stem-loops,hairpins,and other secondary structures,can form by base pairing between distant complementary segments of an RNA molecule.In stem-loops,the single-stranded loop(dark red)between the base-paired helical stem(light red)may be hundreds or even thousands of nucleotides long,whereas in hairpins,the short turn may contain as few as 6 8 nucleotides.(b)Interactions between the flexible loops may result in further folding to form tertiary structures such as the pseudoknot.This tertiary structure resembles a figure-eight knot,but the free ends do not pass through the loops,so no knot is actually formed.,一、信使RNA的结构与功能,hnRNA,内含子,(intron),mRNA,*mRNA成熟过程,外显子,(exon),*mRNA结构特点,1.大多数真核mRNA的5末端均在转录后加上一个7-甲基鸟苷，同时第一个核苷酸的C,2,也是甲基化，形成帽子结构：,m,7,GpppN,m,-,。,2.大多数真核mRNA的3末端有一个多聚腺苷酸,(polyA),结构，称为多聚A尾。,帽子结构,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,mRNA的功能：,作为蛋白质合成的模板。,*mRNA的功能,把DNA所携带的遗传信息，按碱基互补配对原则，抄录并传送至核糖体，用以决定其合成蛋白质的氨基酸排列顺序。,DNA,mRNA,蛋白,转录,翻译,原核细胞,细胞质,细胞核,DNA,内含子,外显子,转录,转录后剪接,转运,mRNA,hnRNA,翻译,蛋白,真核细胞,*,tRNA的一级结构特点,含稀有碱基较多,3,末端为,CCA-OH,5,末端大多数为,G,由,7090,个核苷酸组成,二、转运RNA的结构与功能,稀有碱基,*tRNA的二级结构,三叶草形,氨基酸,臂,额外环,*tRNA的三级结构,倒L形,*,tRNA的功能,活化、搬运氨基酸到核糖体，参与蛋白质的翻译。,*rRNA的结构,三、核蛋白体RNA的结构与功能,*,rRNA,的功能,参与组成核蛋白体，作为蛋白质生物合成的场所。,核糖体的组成,原核生物,真核生物,小亚基,30S,40S,rRNA,16S,18S,蛋白质,21种,33种,大亚基,50S,60S,rRNA,23S,5S,28S,5.8S,5S,蛋白质,33种,49种,核糖体,70S,80S,四、其他小分子RNA及RNA组学,除了上述三种RNA外，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mRNA小RNA,(small non-messenger RNAs，snmRNAs)。,snmRNAs,snmRNAs的,种类,核内小RNA(snRNA),核仁小RNA(snoRNA),胞质小RNA(scRNA),催化性小RNA,小片段干扰 RNA(siRNA),snmRNAs的,功能,参与hnRNA和rRNA的转录后加工和转运以及基因表达过程的调控等。,是研究细胞中snmRNAs的种类、结构和功能的科学。同一生物体内不同种类的细胞、同一细胞在不同时间、不同状态下snmRNAs的表达具有时间和空间特异性。,RNA组学(RNomics),核酸的理化性质,The Physical and Chemical Characters of Nucleic Acid,第 四 节,一、核酸的一般理化性质,核酸为多元酸，具有较强的,酸性,；,DNA,是线性高分子，,粘度极大,；,在,260nm,波长有最大吸收峰，是由,碱基的共轭双键,决定的。这一特性常用作核酸的定性、定量分析。,1.DNA或RNA的定量,OD,260,=1.0,相当于,50,g/ml双链DNA,40,g/ml单链DNA（或RNA）,20,g/ml寡核苷酸,2.判断核酸样品的纯度,DNA纯品:,OD,260,/OD,280,=1.8,RNA纯品:,OD,260,/OD,280,=2.0,OD,260,的应用,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。,变性因素：,过量酸，碱，加热等。,变性后理化性质的主要改变：,OD,260,增高粘度下降,DNA变性的本质是双链间氢键的断裂,DNA的紫外吸收光谱,增色效应：,DNA,变性时其溶液,OD,260,增高的现象。,解链曲线：,在连续加热,DNA,的过程中以温度对,A260,值作图，所得的曲线称为解链曲线,。,Tm,：,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),。其大小与,G+C,含量成正比。,T,m,值,一般DNA的Tm值是7085,o,C,影响T,m,值大小因素：,1、与核酸分子中的G+C比例相关,T,m,=69.3+0.41(G+C)%,小于20bp的寡核苷酸：,T,m,=4(G+C)+2(A+T),2、与核酸分子的长度相关,3、核酸纯度、溶液离子强度、酸碱度等,80,60,40,20,10,80,100,o,C,T,m,DNA,解链温度与GC含量的关系,70,90,30,50,70,60,M.phlei,Serratia,E.coli,Salmon sperm,Yeast,Bacteriophage T4,Calf thymus,S.Pneumoniae,AT-DNA,Percent guanine plus cytosine,三、DNA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构象，这一现象称为,复性,。,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),。,复性条件：,温度：缓慢下降至比Tm值低25,o,C；瞬间降至零度称淬火（quenching）,DNA,浓度：浓度较高，复性较快,DNA片段大小和复杂程度（最长的不重复序列的长度）,阳离子浓度,热变性的DNA在复性过程中，具有碱基序列部分互补的不同的DNA之间或DNA与RNA之间形成杂化双链的现象。,分子探针（probe）:带有某种标记物的分子，如核苷酸链片段,分子杂交和探针技术是许多分子生物学技术的基础，有广泛的应用价值。,核酸分子杂交,(hybridization)：,变性,复性,复性,DNA-DNA,杂交双链分子,变性,复性,不同来源的DNA分子,核酸分子杂交的应用,研究DNA分子中某一种基因的位置,定两种核酸分子间的序列相似性,检测某些专一序列在待检样品中存在与否,是基因芯片技术的基础,第五节,核 酸 酶,Nuclease,核酸酶,是指所有可以水解核酸的酶,依据底物不同分类,DNA,酶,(,deoxyribonuclease,DNase,),RNA,酶,(,ribonuclease,RNase,),依据切割部位不同分类,核酸内切酶：,限制性核酸内切酶,非特异性核酸内切酶,核酸外切酶：,53,或,35,核酸外切酶。,GGATCC,CCTAGG,5,5,3,3,CTGCAG,GACGTC,5,5,3,3,CCCGGG,GGGCCC,5,5,3,3,BamH I,Pst I,Sma I,G,3,5,GATCC,CCTAG,5,3,G,5,3,3,5,CTGCA,3,5,G,G,3,ACGTC,5,3,3,5,CCC,3,5,GGG,GGG,5,3,CCC,5,3,3,5,限制性核酸内切酶作用示意图,参与,DNA,的合成与修复及,RNA,合成后的剪接等重要基因复制和基因表达过程,负责清除多余的、结构和功能异常的核酸，同时也可以清除侵入细胞的外源性核酸,在消化液中降解食物中的核酸以利吸收,体外重组,DNA,技术中的重要工具酶,生物体内的核酸酶负责催化细胞内外核酸的降解,核酸酶的功能,核 酶,催化性,DNA(,DNAzyme,),人工合成的寡聚脱氧核苷酸片段，也能序列特异性降解,RNA,。,催化性,RNA(,ribozyme,),序列特异性的核酸内切酶,参与,RNA,转录后加工修饰,作为针对病毒或肿瘤基因的药物降解,mRNA,。,