核酸的结构和功能专业知识讲解.ppt

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糖,（构成,RNA,）,1,2,3,4,5,核糖,(ribose),（构成,DNA,）,脱氧核糖,(deoxyribose),核苷：,AR,GR,UR,CR,脱氧核苷：,dAR,dGR,dTR,dCR,一、核苷酸的结构,1.,核苷,(ribonucleoside),的形成,碱基和核糖（脱氧核糖）通过,糖苷键,连接形成核苷（脱氧核苷）。,1,1,核苷酸：,AMP,GMP,UMP,CMP,脱氧核苷酸：,dAMP,dGMP,dTMP,dCMP,2.,核苷酸,(ribonucleotide),的结构与命名,核苷（脱氧核苷）和磷酸以,磷酸酯键,连接形成核苷酸（脱氧核苷酸）。,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,NADP,+,NAD,+,5,端,3,端,3.,核苷酸的连接,核苷酸之间以,磷酸二酯键,连接形成多核苷酸链，即核酸。,C,G,A,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,C,G,A,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,目 录,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,(secondary structure),双螺旋结构,(double helix),（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,目 录,（二）,DNA,双螺旋结构模型要点,（,Watson,Crick,1953,）,DNA,分子由两条,相互平行但走向相反,的脱氧多核苷酸链组成，两链以,-,脱氧核糖,-,磷酸,-,为骨架，以,右手螺旋,方式绕同一公共轴盘。螺旋直径为,2.37,nm,，形成大沟,(major groove),及小沟,(minor groove),相间。,目 录,（二）,DNA,双螺旋结构模型要点,（,Watson,Crick,1953,）,碱基垂直螺旋轴居双螺旋内側，与对側碱基形成,氢键配对,（互补配对形式：,A=T;G,C,）。,相邻碱基平面距离,0.34nm,，,螺旋一圈螺距3.,5,4nm，一圈10,.5,对碱基。,目 录,碱基互补配对T,A,G,C,（二）,DNA,双螺旋结构模型要点,（,Watson,Crick,1953,）,氢键,维持双链,横向稳定性,，,碱基堆积力,维持双链,纵向稳定性,。,目 录,（三）,DNA,双螺旋结构的多样性,目 录,常见的,DNA,双螺旋有,A-DNA,、,B-DNA,、,Z-DNA,几种类型，这三者都是双螺旋，不过,A-DNA,、,B-DNA,都是,右手螺旋,，,Z-DNA,是,左手螺旋,；三者的内径、螺距、每转碱基对数目等都有所不同。,DNA,纤维的构象主要有,A,、,B,两种类型，不过，在生物体内，,DNA,主要是以,B,型,存在（就是我们常说的,DNA,双螺旋结构模型），,B,型和Z,型可以相互转化，这与基因的调控有关。,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,relaxed,supercoiled,Telephone cord,（二）原核生物,DNA,的高级结构,（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,由许多核小体形成的串珠样结构又进一步盘曲成直径为,30nm,的中空的染色质纤维，称为螺线管。,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。,第三节,RNA,的结构与功能,Structure and Function of RNA,RNA,的分子结构,A,MP,G,MP,C,MP,U,MP,稀有碱基,单链，局部双螺旋,RNA,分子中相邻的两个核糖核苷酸也是以,3,，,5-,磷酸二酯键,连接形成多聚核糖核苷酸链。,RNA,的一级结构,是指多聚核糖核苷酸链中核糖核苷酸的排列顺序。,RNA,分子是,单链结构,，其核苷酸残基数目在数十至数千之间，分子量一般在数百至数百万之间。,RNA,的多核苷酸链可以在某些部分弯曲折叠，形成,局部双螺旋结构,，此即,RNA,的二级结构,。在,RNA,的局部双螺旋区，腺嘌呤（,A,）与尿嘧啶（,U,）、鸟嘌呤（,G,）与胞嘧啶（,C,）之间进行配对，无法配对的区域以环状形式突起。这种短的双螺旋区域和环状突起称为,发夹结构,。,RNA,在二级结构的基础上进一步弯曲折叠就形成各自特有的,三级结构,。,RNA,的种类、分布、功能,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,),目 录,*,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,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,10,20%,稀有碱基，如,DHU,3,末端为,CCA-OH,5,末端大多数为,G,具有,T,C,二、转运,RNA,的结构与功能,N,N,二甲基鸟嘌呤,N,6,-,异戊烯腺嘌呤,双氢尿嘧啶,4-,巯尿嘧啶,稀有碱基,*,tRNA,的二级结构,三叶草形,氨基酸臂,DHU,环,反密码环,额外环,TC,环,氨基酸,臂,额外环,*tRNA,的三级结构,倒,L,形,*,t,RNA,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。,*rRNA,的种类（根据沉降系数）,真核生物,5S rRNA,28S rRNA,5.8S rRNA,18S rRNA,原核生物,5S rRNA,23S rRNA,16S rRNA,核 酸 的 理 化 性 质,The Physical and Chemical Characters of Nucleic Acid,第 四 节,目 录,一、核酸的紫外吸收,呤,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,目 录,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。,方法：,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。,变性后理化性质变化：,OD,260,增高生物活性丧失,目 录,DNA,变性的本质是双链间氢键的断裂,例：变性引起紫外吸收值的改变,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。,目 录,热变性,解链曲线：,如果在连续加热,DNA,的过程中以温度对,A260,（,absorbance,，,A,，,A260,代表溶液在,260nm,处的吸光率）值作图，所得的曲线称为解链曲线,。,目 录,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),。其大小与,G+C,含量成正比。,目 录,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),。,目 录,在,DNA,变性后的复性过程中，如果将不同种类的,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（温度及离子强度）下，就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),DNA-DNA,杂交双链分子,变性,复性,不同来源的,DNA,分子,核酸探针,能特异性地探测带某一特定序列的,DNA,或,RNA,分子的标记核酸分子。可用,放射性同位素,或,非放射性物质,标记特定,DNA,或,RNA,顺序,与样品中互补顺序发生特异的碱基配对结合,然后用放射自显术或其他显示系统高敏感性地检测出来。主要方法有,Southern,、,Northern,、原位杂交,等,这些均已广泛应用于分子生物学中基因的检测和定位。,第 五 节 核 酸 酶,Nuclease,核酸分解的第一步是水解核苷酸之间的磷酸二酯键，在高等动植物中都有作用于,磷酸二酯键,的,核酸酶,。不同来源的核酸酶，其专一性、作用方式都有所不同。有些核酸酶只能作用于,RNA,，称为,核糖核酸酶,（,RNase,），有些核酸酶只能作用于,DNA,，称为,脱氧核糖核酸酶,（,DNase,），有些核酸酶专一性较低，既能作用于,RNA,也能作用于,DNA,，因此统称为核酸酶（,nuclease,）。根据核酸酶作用的位置不同，又可将核酸酶分为,核酸外切酶,（,exonuclease,）和,核酸内切酶,（,endonuclease,）。,一、核酸外切酶,有些核酸酶能从,DNA,或,RNA,链的一端逐个水解下单核苷酸，所以称为核酸外切酶。只作用于,DNA,的核酸外切酶称为,脱氧核糖核酸外切酶,，只作用于,RNA,的核酸外切酶称为,核糖核酸外切酶,；也有一些核酸外切酶可以作用于,DNA,或,RNA,。核酸外切酶从,3,端开始逐个水解核苷酸，称为,35,外切酶,，水解产物为,5,核苷酸,；核酸外切酶从,5,端开始逐个水解核苷酸，称为,53,外切酶,，水解产物为,3,核苷酸,。,二、核酸内切酶,核酸内切酶催化水解多核苷酸内部的,磷酸二酯键,。有些核酸内切酶仅水解,5,磷酸二酯键,，把磷酸基团留在,3,位置上，称为,5-,内切酶,；而有些仅水解,3-,磷酸二酯键,，把磷酸基团留在,5,位置上，称为,3-,内切酶,。还有一些核酸内切酶对磷酸酯键一侧的碱基有专一要求。,20,世纪,70,年代，在细菌中陆续发现了一类核酸内切酶，能专一性地识别并水解双链,DNA,上的,特异核苷酸顺序,，称为,限制性核酸内切酶,（,restriction endonuclease,，简称限制酶）。当外源,DNA,侵入细菌后，限制性内切酶可将其水解切成片段，从而限制了外源,DNA,在细菌细胞内的表达，而细菌本身的,DNA,由于在该特异核苷酸顺序处,被甲基化酶修饰,，不被水解，从而得到保护。,近年来，限制性核酸内切酶的研究和应用发展很快，目前已提纯的限制性核酸内切酶有,100,多种，许多已成为,基因工程,研究中必不可少的工具酶。,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细胞内外催化核酸的降解,核酸酶的功能,