生物化学和分子生物学：第2章核酸的结构与功能.pptx

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,#,目录,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,目录,第二章,核酸的结构与功能,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。,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。,核酸研究的发展简史,核酸的分类及分布,分布于细胞核、细胞质、,线粒体,(deoxyribonucleic acid,DNA),(ribonucleic 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,90%,以上分布于细胞核，其余分布于核外,如线粒体，叶绿体，质粒等。,核酸的功能,DNA-,遗传,RNA,功能的多样性,1,、参与蛋白质的合成,2,、,RNA,的转录后加工与修饰,3,、参与基因表达的调控,4,、生物催化作用,第一节,核酸的化学组成及其一级结构,The Chemical Component and Primary Structure of Nucleic Acid,核酸的分子组成,1,、元素组成,C H O N,P,（恒定，,9-10%,）,2,、基本结构单位,-,核苷酸,核 酸（,nucleic acid,）,核苷酸,(nucleotide),磷酸,(phosphoric acid),核苷,(nucleoside),戊糖,(pentose),碱基,(base),分子组成,碱基,(base),：嘌呤碱，嘧啶碱,戊糖,(ribose),：核糖，脱氧核糖,磷酸,(phosphate),一、核苷酸是构成核酸的基本组成单位,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,碱基,嘌呤,(purine,，,Pu),腺嘌呤,(adenine,A),鸟嘌呤,(guanine,G),嘧啶,(pyrimidine,，,Py),胞嘧啶,(cytosine,C),尿嘧啶,(uracil,U),胸腺嘧啶,(thymine,T),碱基的互变异构体,戊糖,（构成,RNA,）,1,2,3,4,5,核糖,(ribose),（构成,DNA,）,脱氧核糖,(deoxyribose),脱氧核苷,嘌呤,N-9,与脱氧核糖,C-1,通过,-N-,糖苷键,相连形成,脱氧核苷,(deoxyribonucleoside),，反式结构是天然常见状态。,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),。,核苷酸,(ribonucleotide),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,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,核苷酸衍生物,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,AMP,ADP,ATP,cAMP,1,、构成,DNA,、,RNA,的核苷酸,DNA,dAMP,、,dGMP,、,dCMP,、,dTMP,RNA,：,AMP,、,GMP,、,CMP,、,UMP,2,、细胞内的游离核苷酸及其衍生物,核苷,5-,多磷酸化合物,ATP,、,GTP,、,CTP,、,ppppA,、,ppppG,在能量代谢和物质代谢及调控中起重要作用。,环核苷酸,3,5-cAMP,，,3,5-cGMP,是信号分子，参与调节细胞的糖代谢、脂代谢。,核苷,5,多磷酸,3,多磷酸化合物,ppGpp pppGpp ppApp,、核苷酸衍生物：,HSCoA,、,NAD,+,、,NADP,+,、,FAD,等辅助因子，,GDP-,半乳糖、,GDP-,葡萄糖等是糖蛋白生物合成的活性糖基供体。,抗代谢药物,6MP,，,5-FU,二、,DNA,是脱氧核苷酸通过,3,5-,磷酸二酯键连接形成的大分子,一个脱氧核苷酸,3,的,羟基,与另一个核苷酸,5,的,-,磷酸,基团缩合形成,磷酸二酯键,(phosphodiester bond),。,多个脱氧核苷酸通过,磷酸二酯键,构成了具有,方向性,的线性分子，称为,多聚脱氧核苷酸,(polydeoxynucleotide),，,即,DNA,链,。,5,-,末,端,3,-,末,端,C,G,A,磷酸二酯键,磷酸二酯键,交替的,磷酸,基团,和戊糖,构成了,DNA,的骨架,(backbone),。,DNA,链的方向是,5,3,三、,RNA,也是具有,3,5-,磷酸二酯键的线性大分子,RNA,也是多个核苷酸分子通过酯化反应形成的线性大分子，并且具有方向性；,RNA,的戊糖是核糖；,RNA,的嘧啶是胞嘧啶和尿嘧啶。,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,核酸分子的大小常用碱基,(base,或,kilobase),数目来表示。,小的核酸片段,(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%,大肠杆菌的核蛋白体,18,S,rRNA,的二级结构,蛋白质合成时形成的复合体,四、组成型非编码,RNA,直接或间接参与蛋白质合成,催化小,RNA,（核酶）,类,mRNA,指导,RNA,tmRNA,端粒酶,RNA,胞质小,RNA,（,scRNA,）,核内小,RNA,（,snRNA,）,核仁小,RNA,（,snoRNA,）,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),。,核内小,RNA,核仁小,RNA,胞质小,RNA,催化性小,RNA,小片段干涉,RNA,参与,hnRNA,的加工剪接,snmRNAs,的,种类,snmRNAs,的,功能,五、调控型非编码,RNA,参与基因表达调控,lncRNA,miRNA,siRNA,piRNA,调控型非编码,RNA,的种类和功能,原核生物基因表达的特异性,五、核酸在真核细胞和原核细胞中表现了不同的时空特性,真核生物基因表达的特异性,核酸的理化性质,The Physical and Chemical Characters of Nucleic Acid,第四节,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,粘度：,DNARNA dsDNA ssDNA,沉降行为,:,不同构象的核酸分子的沉降的速率有很大差异，这是超速离心法提取和纯化核酸的理论基础。,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。,一、核酸分子具有强烈的紫外吸收,碱基的紫外吸收光谱,DNA,或,RNA,的定量,A,260,=1.0,相当于,50,g/ml,双链,DNA(,dsDNA),40,g/ml,单链,DNA(ssDNA or RNA),20,g/ml,寡核苷酸,确定样品中核酸的纯度,纯,DNA:A,260,/A,280,=1.8,纯,RNA:A,260,/A,280,=2.0,紫外吸收的应用,二、核酸的分子结构决定其特性,核酸本质 ：,多元酸，线性高分子，高级结构多样,对应特性：,pH,值,7,，黏度高，分子沉降速度差异大,三、核酸链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。,DNA,变性,DNA,变性的本质是双链间氢键的断裂。,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,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,(melting temperature,，,Tm),G+C,含量越高，解链温度就越高。,解链,曲线,的变化,四、变性的核酸可以复性或形成杂交双链,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,OD260,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,研究,DNA,分子中某一种基因的位置。,监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。,核酸分子杂交的应用,核酸和核酸,核酸和蛋白质,核酸和有机小分子,五、核酸和其他分子相互作用,DNA,碱基：,G7m,，,A6m,，,C5m,，脱氨，嘧啶交联,戊糖：,C2 OCH3,磷酸骨架,:,磷酸酰化,2.RNA,多样化,tRNA,：稀有碱基修饰,mRNA,：加帽，甲基化修饰,其他小,RNA,六、核酸的化学修饰,第五节 核酸酶,Nuclease,依据底物不同分类,DNA,酶,(deoxyribonuclease,DNase),：,专一降解,DNA,。,RNA,酶,(ribonuclease,RNase),：,专一降解,RNA,。,依据切割部位不同,核酸内切酶：分为限制性核酸内切酶和非特异性限制性核酸内切酶。,核酸外切酶：,53,或,35,核酸外切酶。,核酸酶,是指所有可以水解核酸的酶。,5,5,3,3,外切位点,外切位点,内切位点,内切位点,参与,DNA,的合成、修复以及,RNA,的剪接。,清除多余的、结构和功能异常的核酸，以及侵入细胞的外源性核酸。,降解食物中的核酸。,体外重组,DNA,技术中的重要工具酶。,核酸酶的功能,本章小结,核苷酸的组成、结构,DNA,的结构，结构和功能的关系,RNA,的种类、结构特点、功能,核酸的物理化学特性,思考题,为什么往,DNA,溶液中加入,NaAc,和无水乙醇会使,DNA,形成沉淀？,为什么高盐溶液会使,DNA,的,Tm,上升？,Lehninger,生物化学原理（第,3,版）,Lehninger,生物化学原理（第,3,版）,页数,:,第,138,作者,:David L.Nelson/Michael M.Cox,译者,:,周海梦,/,昌增益,出版社,:,高等教育出版社,出版年,:2005,丛书,:,国外优秀生命科学教材译丛,Reference,David L.Nelson,Michael M.Cox,2009,Lehningers Principles of Biochemistry(5,th,),H.R.Horton,2002,Principles of Biochemistry(3,th,),