核酸的结构与功能.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,*,资料仅供参考,不当之处，请联系改正。,学习目的：,学会使用科学的语言和方式来描述核酸的分子结构。,理,解核酸的分子结构与其功能属性之间的关系。,为学习有关,DNA,复制及基因表达的分子机制打下基础。,核酸,存在于细胞中的一类大分子酸性物质。,核糖核酸,（ribonucleic acid,RNA,）,脱氧核糖核酸,（deoxyribonucleic acid,DNA,）,RNA和DNA,的基本组成单位,单核苷酸,（nucleotide）,多核苷酸链。,主要生理功能,RNA,主要参与遗传信息的,表达,。,DNA是遗传信息的,载体,。,Section 1 The Chemical Composition and Primary Structure of Nucleic Acid,核酸的水解产物,1.嘧啶碱,（pyrimidine）,(一)核苷酸中的碱基组成,(Bases in Nucleotides),一、核苷酸是构成核酸的基本单位,The Basic Units of Nucleic Acids are Nucleotides,2.嘌呤碱,（purine）,(二)戊糖与核苷,(Pentose and Nucleoside),1戊糖,（pentose）,：,2核苷,（nucleoside）,：,核苷是由戊糖与含氮碱基经脱水缩合（,，N糖苷键）,而生成的化合物。,“稀有核苷”是由“稀有碱基”所生成的核苷。,(三)核苷酸的结构与命名,(Structure and Nomenclature,of,Nucleotide),核苷酸,由,核苷,与,磷酸,脱水缩合后生成的磷酸酯类化合物。,核糖核苷酸,脱氧核糖核苷酸,核苷酸,5,-核苷酸,2,-核苷酸,3,-核苷酸,最常见的核苷酸是,5,-核苷酸,（5,常被省略）。,5,-,核苷酸又可按其在,5,位,缩合的磷酸基数目的多少，分为：,一磷酸核苷,（核苷酸）,二磷酸核苷,三磷酸核苷,环核苷酸的分子结构,环一磷酸鸟苷,（环鸟苷酸）,环一磷酸腺苷,（环腺苷酸核苷酸的命名及缩写符号,脱氧,碱基,磷酸基数目,磷酸,d,A,M,P,G,D,T,T,C,U,二、核酸的一级结构是核苷酸的排列顺序,Primary Structure of Nucleic Acid Is Sequence of Nucleotides,一分子核苷酸的3,-位羟基与另一分子核苷酸的5,-位磷酸基通过脱水可形成,3,5,-磷酸二酯键,，从而将两分子核苷酸连接起来。,核酸就是由许多,核苷酸单位,通过,3,5,-磷酸二酯键,连接起来形成的不含侧链的长链状化合物，称为,多核苷酸链,。,3,5-磷酸二酯键的形成,核酸是,具有方向性,的长链状化合物，多核苷酸链的两端，一端称为5,-端，另一端称为3,-端。,5,端,3,端,C,G,A,DNA分子主要由,dAMP、dGMP、dCMP和dTMP,四种脱氧核糖核苷酸所组成。,重要概念：,primary structure of DNA,DNA,的一级结构,就是指,DNA,分子中脱氧核糖核苷酸的排列顺序及连接方式（,3,5,-,磷酸二酯键,）。,RNA分子主要由,AMP，GMP，CMP，UMP,四种核糖核苷酸组成。,重要概念：,primary structure of RNA,RNA,的一级结构,就是指,RNA,分子中核糖核苷酸的排列顺序及连接方式。,DNA的一级结构：,5,-AGTCCATG-3,AGTCCATG,3,-TCAGGTAC-5,RNA的一级结构：,5,-AGUCCAUG-3,AGUCCAUG,核酸一级结构的表示方法,Section 2 Dimensional Structure and Function of DNA,一、DNA的二级结构双螺旋结构模型,Secondary Structure of DNA Double-helix Structural Model,DNA双螺旋结构是DNA二级结构的一种重要形式，它是,Watson,和,Crick,两位科学家于1953年提出来的一种结构模型（获1962年度诺贝尔奖）。,James Watson(L)and Francis Crick(R),and the model they built of the structure of DNA,(一)对DNA双螺旋结构模型作出贡献的科学家,Oswald Avery,(1877-1955),Erwin Chargaff,(1905-2002),Chargaff,研究小组的贡献,19501953，Chargaff研究小组对DNA的化学组成进行了分析研究，发现：,DNA碱基组成有,物种差异,，且物种亲缘关系越远，差异越大；,相同物种,，不同组织器官中DNA碱基,组成相同,，而且不因年龄、环境及营养而改变；,DNA分子中四种碱基的摩尔百分比具有一定的规律性，即,A=T、G=C、A+G=T+C,。这一规律被称为,Chargaff规则,。,Linus Pauling,(1901-1994),Rosalind Franklin,(1920-1958),Maurice Wilkins,(1916-2004),1953年由,Franklin,和,Wilkins,等人完成的研究工作，发现了DNA晶体的X线衍射图谱中存在两种周期性反射，并证明DNA是一种螺旋构象。,Fig.51,James Dewey Watson,(1928-),Francis Crick,(1916-2004),(二)DNA双螺旋结构模型,（Double-helix Model of DNA）,目前已知DNA双螺旋结构可分为A、B、C、D及Z型等数种，除Z型为左手双螺旋外，其余均为右手双螺旋。,B型DNA双螺旋结构模式图,碱基配对及氢键形成,1.为,右手、反平行双螺旋,；,2.,主链位于螺旋外侧，碱基位于内侧,；,3.两条链间存在,碱基互补,：,A与T,或,G与C,配对形成氢键，称为碱基互补原则（,A与T为两个氢键，G与C为三个氢键,）；,4.螺旋的稳定因素为,氢键,和,碱基堆砌力,；,5.螺旋的,螺距为3.54nm,，,直径为2.37nm,。,B型双螺旋DNA的结构特点,除,B构象,之外，DNA的二级结构还包括右手双螺旋结构的,A构象,、,C构象,和,D构象,等多种构象，以及左手双螺旋结构的,Z构象,。,A form,Z form,B form,(三)DNA双螺旋结构的多态性,二、DNA的高级结构是超螺旋结构,Superhelix is Super-structure of DNA,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。,绝大多数原核生物的DNA都是共价封闭的环状双螺旋。如果再进一步盘绕则形成麻花状的超螺旋结构。,（一）原核生物DNA的高级结构,（Super-structure of DNA in Prokaryote）,（二）DNA在真核生物细胞核内的组装,（Assembly of DNA in Nuclei of Eukaryotic Cells）,在真核生物中，双螺旋的DNA分子围绕一蛋白质八聚体进行盘绕，从而形成特殊的串珠状结构，称为,核小体（nucleosome）,。,核小体的结构,核小体、染色质与染色体,三、DNA是遗传信息的载体,DNA is a Carrier of Inherit Information,DNA的基本功能是作为,遗传信息的载体,，为生物遗传信息复制以及基因信息的转录提供模板。,重要概念：,gene,DNA,分子中具有特定生物学功能的片段称为,基因,。重要概念：,genome,一个生物体的全部,DNA,序列称为,基因组,。,基因组的大小与生物的复杂性有关，如病毒,SV40,的基因组大小为,5.110,3,bp,，大肠杆菌为,5.710,6,bp,，人为,3.210,9,bp,。,Section 3 Structure and Function of RNA,RNA通常以单链形式存在，但也可形成局部的双螺旋结构。,RNA分子的种类较多，分子大小变化较大，功能多样化。,主要的RNA种类有rRNA、mRNA、tRNA、HnRNA、SnRNA、SnoRNA、ScRNA等。,RNA,的种类、分布与功能,一、mRNA是蛋白质合成的模板,mRNA is a Template for Protein Synthesis,mRNA可形成局部双螺旋结构的二级结构。,mRNA在真核生物中的初级产物称为hnRNA，经剪接过程转变为成熟的mRNA。,hnRNA,内含子(,intron,)编码序列,mRNA,外显子,(,exon,)编码序列,大多数,真核,成熟的mRNA分子具有典型的5,-端的,7-甲基鸟苷三磷酸（m,7,GTP）,帽子结构和3,-端的,多聚腺苷酸(polyA),尾巴结构。,真核生物,mRNA 5,-端帽子结构,m,7,GTP,真核生物,mRNA 3,-端的polyA,结构,mRNA分子中带有遗传密码，其功能是为蛋白质的合成提供,模板（template）,。,重要概念：,genetic codon,mRNA,分子中每三个相邻的核苷酸组成一组，在蛋白质翻译合成时代表一个特定的氨基酸，这种核苷酸三联体称为,遗传密码,。,二、tRNA是蛋白质合成的氨基酸载体,tRNA is a Carrier of Amino Acids for Protein Synthesis,tRNA是分子最小，但含有,稀有碱基最多,的RNA，其稀有碱基的含量可多达20%。,tRNA是,保守性最强,的RNA。,tRNA是单链核酸，但其分子中的某些,局部,也可形成,双螺旋,结构。,(一)tRNA的二级结构,tRNA的二级结构由于局部双螺旋的形成而呈现“三叶草”形，故称为,“三叶草”结构,。,携带氨基酸,辨认并结合氨基酰tRNA合成酶,识别mRNA上的密码,识别并结合核糖体,氨基酸臂,DHU臂,反密码臂,可变臂,TC臂,(二)tRNA的三级结构,三、以rRNA为组分的核糖体是蛋白质合成的场所,Ribosome Containing rRNA is a Place for Protein Synthesis,rRNA是细胞中,含量最多,的RNA，占总量的80%。,rRNA与蛋白质一起构成核糖体（核蛋白体），作为蛋白质生物合成的场所。,大肠杆菌16S rRNA的二级结构,四、snmRNA参与基因表达调控,snmRNA Takes Part in Regulation of Gene Expression,细胞内不同部位存在的其他种类的小分子RNA统称为,非mRNA小RNA（snmRNA）,。,RNA组学,主要研究细胞中snmRNA的种类、结构与功能。,这些snmRNA的主要功能是参与基因表达的调控。,重要概念：,ribozyme,某些小分子,RNA,具有催化特定,RNA,降解的活性，这种具有催化作用的小,RNA,被称为,核酶,。,核酶通常具有特殊的分子结构，如锤头结构。,核酶的锤头结构,Section 4 The Physical and Chemical Characters of Nucleic Acids,核酸具有酸性；粘度大；能吸收紫外光，最大吸收峰为,260nm,。,故常用紫外分光光度法测定核酸的含量。,一、核酸能吸收紫外光,Nucleic Acids could Absorb Ultraviolet,二、DNA变性是双链解离为单链的过程,Denaturation of DNA is a Process of Double-helix Separated into Single Chains,重要概念：,denaturation,of DNA,在理化因素作用下，,DNA,双螺旋的两条互补链松散而分开成为单链，从而导致,DNA,的理化性质及生物学性质发生改变，这种现象称为,DNA,的变性,。,引起,DNA,变性的因素主要有高温,，,强酸强碱,，,有机溶剂,等。,增色效应（hyperchromic effect）,：指DNA变性后对260nm紫外光的光吸收度增加的现象；,旋光性下降；,粘度降低；,生物学功能丧失或改变。,DNA变性后的性质改变,重要概念：,melting temperature of DNA,加热,DNA,溶液，使其对,260nm,紫外光的吸收度突然增加，达到其最大值一半时的温度，就是,DNA,的变性温度,（融解温度，,Tm,）,。,Tm的高低与DNA分子中G+C的含量有关，,G+C的含量越高，则Tm越高,。,三、DNA的复性与分子杂交,Renaturation of DNA and Molecular Hybridization,将热变性后的DNA溶液缓慢冷却，在低于变性温度约2530的条件下保温一段时间（退火，annealing），则变性的两条单链DNA可以重新互补而形成原来的双螺旋结构并恢复原有的性质。,将变性DNA经退火处理，使其重新形成双螺旋结构的过程，称为,DNA的复性,。,重要概念：,hybridization of nucleic acid,两条来源不同的单链核酸（,DNA,或,RNA,），,只要它们有大致相同的互补碱基顺序，经退火处理即可复性，形成新的杂种双螺旋，这一现象称为,核酸的分子杂交,。,核酸杂交可以是DNA-DNA，也可以是DNA-RNA杂交。,不同来源的，具有大致相同互补碱基顺序的核酸片段称为,同源顺序（homologous sequence）,。,DNA-DNA,杂交双链分子,变性,复性,不同来源的DNA分子,DNA-DNA杂交示意图,DNA-RNA杂交示意图,利用核酸的分子杂交，可以确定或寻找不同物种中具有同源顺序的DNA或RNA片段。,常用的核酸分子杂交技术有：,原位杂交,、,斑点杂交,、,Southern杂交,及,Northern杂交,等。,在核酸杂交分析过程中，常将已知顺序的核酸片段用放射性同位素或生物素进行标记。,带有一定标记的已知顺序的核酸片段称为,探针（probe）,。,Section 5 Nuclease,凡是能水解核酸的酶都称为,核酸酶(nuclease),。,凡能从多核苷酸链的末端开始水解核酸的酶称为,核酸外切酶,。,凡能从多核苷酸链的中间开始水解核酸的酶称为,核酸内切酶,。,重要概念：,restriction endonuclease,能识别特定的核苷酸顺序，并从特定位点水解核酸的内切酶称为,限制性核酸内切酶,（限制酶，,restriction enzyme,）,。,