生物化学核酸的结构与功能.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,第一章核酸的结构与功能,1,第一节 核酸是遗传物质的载体,第二节 核酸的基本化学组成,第三节 DNA的结构,第四节 RNA的结构与功能,第五节 核酸的性质,2,核酸是一类重要的生物大分子，担负着生命信息的储存与传递。,核酸是现代生物化学、分子生物学的重要研究领域，是基因工程操作的核心分子。,核酸概述,3,第一节 核酸是遗传物质的载体,一、核酸的研究发现史,1868年，F.Miescher从细胞核中分离得到一种酸性物质，即现在被称为核酸的物质。,4,1944年，Avery的转换转化实验,or,and,可分离,5,1952年，Hexshey、Chase T,2,噬菌体（捣碎器实验）,1953年，Watson、Crick DNA双螺旋模型,核酶（Ribozyme）,6,98核中（染色体中）,真核 线粒体（mDNA）,核外,叶绿体（ctDNA）,DNA 拟核或类核,原核,核外：质粒（plasmid）,病毒：DNA病毒,二、,核酸的种类和分布,核酸分为两大类：,脱氧核糖核酸 Deoxyribonucleic Acid（DNA）,核糖核酸 Ribonucleic Acid（RNA）,7,RNA主要存在于细胞质中,tRNA,rRNA,mRNA,其它,RNA,病毒：,SARS,三、分子生物学的中心法则,8,第二节 核酸的基本化学组成,核酸,核苷酸,核苷,磷酸,碱基,戊糖,元素组成：C H O N P,核酸完全水解产生嘌呤和嘧啶等碱性物质、戊糖（核糖或脱氧核糖）和磷酸的混合物。每个核苷分子含一分子碱基和一分子戊糖，一分子核苷酸部分水解后除产生核苷外，还有一分子磷酸。核酸的各种水解产物可用层析或电泳等方法分离鉴定。,9,组成核酸的戊糖有两种。DNA所含的糖为 -D-2-脱氧核糖；RNA所含的糖则为-D-核糖。,一、戊糖,Ribose,Deoxyribose,10,二、碱基,1.嘌呤（Purine）,1,2,3,4,5,6,9,7,8,腺嘌呤,Adenine,A,鸟嘌呤,guanine,G,11,2.嘧啶（Pyrimidine）,1,2,3,4,5,6,尿嘧啶,uracil,U,胞嘧啶,cytosine,C,胸腺嘧啶,thymine,T,12,核酸中也存在一些不常见的稀有碱基。稀有碱基的种类很多，大部分是上述碱基的甲基化产物。,13,三、核苷（nucleoside）,核苷 戊糖,+,碱基,糖与碱基之间的,C-N,键，称为,C-N,糖苷键,1,2,3,4,5,(OH),1,2,3,4,5,(OH),14,假尿苷（,）,次黄苷（肌苷）I,黄嘌呤核苷 X,二氢尿嘧啶核苷 DHU,2-O-甲基腺苷Am,取代核苷的表示方式,5-甲基鸟苷 m5G,5,OH,Adenosine Guanosine Cytidine Uridine,15,四、核苷酸（nucleotide）,核苷酸 核苷+磷酸 戊糖+碱基+磷酸,H,H,H,H,H,H,H,H,H,16,五、核苷酸衍生物,1.继续磷酸化,AMP,ADP,ATP,17,2.环化磷酸化,cAMP,cGMP,18,3.肌苷酸及鸟苷酸(强力味精),4.辅酶,NAD,(辅酶I，烟酰胺腺嘌呤二核苷酸)、,NADP,(辅酶II，烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸),、,FMN,（黄素单核苷酸）、,FAD,（黄素腺嘌呤二核苷酸）、,CoASH,（辅酶A）,IMP,GMP,19,六、多聚核苷酸（核酸）,多聚核苷酸是通过一个核苷酸的C,3,-OH 与另一分子核苷酸的5-磷酸基形成3,5-磷酸二酯键相连而成的链状聚合物。,5,5,3,3,20,21,5-,磷酸端（常用,5-P,表示）；,3-,羟基端（常用,3-OH,表示）,多聚核苷酸链具有方向性，当表示一个多聚核苷酸链时，必须注明它的方向是,53,或是,35,。,多聚核苷酸的表示方式,DNA RNA,5,P,dA,P,dC,P,dG,P,dT,OH,3 5,P,A,P,C,P,G,P,U,OH,或5ACGTGCGT 3 5ACGUAUGU 3,ACGTGCGT ACGUAUGU,T,5,3,OH,U,5,3,OH,OH,OH,OH,OH,22,第三节 DNA的结构,一、,DNA的,一级结构,脱氧核糖核酸的排列顺序,可以用碱基排列顺序表示,连接键：3，5-磷酸二酯键,磷酸与戊糖顺序相连形成主链骨架,碱基形成侧链,多核苷酸链均有5-末端和3-末端,DNA的碱基顺序本身就是遗传信息存储的分子形式。生物界物种的多样性即寓于DNA分子中四种核苷酸千变万化的不同排列组合之中。,23,核酸的序列测定,双脱氧链终止法（,Sanger,酶法）,2.Gilbert,化学降解法,24,2.基因与基因组,基因（gene）,：一段有功能的DNA片段，生物细胞中DNA分子的最小功能单位（交换单位）。,蛋白质（mRNA 蛋白质）,产物 tRNA,RNA,rRNA,调节功能：调节基因,无产物,作用未知,结构基因,25,基因组（genome）,：某生物体（完整单倍体）所含全部遗传物质的总和。,包括：核基因组（拟核/核DNA）及核外（质粒/质体DNA）,bp（碱基对,）,10,3,10,4,10,5,10,6,10,7,10,8,10,9,10,10,10,11,10,12,人,两栖类,鱼类,藻类,酵母,细菌,E.Coli,病毒,质粒,各种细胞、病毒和细菌质粒中基因组的大小,26,3.原核生物基因组特点,重复序列少，多位编码区,多为操纵子形式组织,有重叠基因存在,真核生物基因组特点,以染色体存在,重复序列多,基因组计划,人类基因组计划（Human Genome Project，HGP）,酵母基因组计划 （YGP）,大肠杆菌（E.Coli）,27,二、DNA的二级结构,DNA的双螺旋模型,1953年，J.Watson和F.Crick 在前人研究工作的基础上，根据DNA结晶的X-衍射图谱和分子模型，提出了著名的DNA双螺旋结构模型，并对模型的生物学意义作出了科学的解释和预测。,在DNA分子中，嘌呤碱基的总数与嘧啶碱基的总数相等。,28,DNA双螺旋模型要点,B型结构,两条链反向平行，右手螺旋,碱基在内（AT，GC）碱基平面垂直于螺旋轴,戊糖在外，双螺旋每转一周 为10碱基对（bp）,A型结构,碱基平面倾斜20，螺旋变粗变短，螺距23nm。,Z型结构,左手螺旋，只有小沟,2.0 nm,小沟,大沟,29,30,双螺旋DNA的结构参数,类型,旋转方向,螺旋直径（nm）,螺距（nm）,每转碱基对数目,碱基对间垂直距离（nm）,碱基对与水平面倾角,ADNA,BDNA,ZDNA,右,右,左,2.3,2.0,1.8,2.8,3.4,4.5,11,10,12,0.255,0.34,0.27,20,0,7,双螺旋稳定的力,氢键,碱基堆积力（疏水相互作用及范德华力）,离子键等,则:DNA变性剂（热、pH、脲/酰胺、有机溶剂）,31,三链DNA：Hoogsten方式配对,DNA的三链结构可能与基因表达调控有关。第三股链的存在可能阻碍了一些调控蛋白或RNA聚合酶与DNA的结合。,32,二、DNA的三级结构,DNA双螺旋的进一步扭曲构成三级结构，,负超螺旋,原核 双链环状DNA（dcDNA）,病毒 单链环状DNA（scDNA）,单链线性DNA（ssDNA）,33,34,DNA的存在形式,35,真核 双链线性DNA（dsDNA）,36,37,第四节 RNA的结构与功能,一、结构特点,碱基组成,A,、,G,、,C,、,U,（,A,U/GC,）稀有碱基较多，稳定性较差，易水解,多为单链结构，少数局部形成螺旋,分子较小,分类,mRNA,（,hnRNA,核不均一,RNA,）,tRNA,rRNA,（,snRNA/asRNA,）,少数,RNA,病毒,38,二、tRNA,占RNA总量的15,一种氨基酸对应最少一种RNA,分子量25000左右，大约由7090个核苷酸组成，沉降系数为4,S,左右。,分子中含有较多的修饰成分。,3-末端都具有,CpCpAOH,的结构。,39,tRNA的三级结构,40,41,三、rRNA,占RNA总量的80,原核生物,真核生物,核糖体,rRNA,核糖体,rRNA,30s,70s,50s,16s,5s、23s,40s,80s,50s,18s,5s、5.8s、28s,42,四、mRNA和hnRNA,占细胞总RNA的35,真核细胞mRNA的3-末端有一段长达200个核苷酸左右的聚腺苷酸(polyA)，称为“尾结构”，5-末端有一个甲基化的鸟苷酸，称为”帽结构“。,五、,snRNA （small nucleic RNA 小核RNA）,scRNA （small cytoplasmic RNA）,asRNA （antisense RNA）,帽子结构和3PolyA都有抗核酸外切酶,降解的作用。另外5帽子结构可能与蛋白质合成的正确起始作用及协助核糖体与mRNA相结合有关。,43,第五节 核酸的性质,一、一般的理化性质,两性解离,/,一般呈酸性（在中性溶液中带负电荷），微 溶于水，不溶于有机溶剂,线性大分子（粘度高。抗剪切力差）,可用电泳或离子交换（色谱）进行分离,室温条件下，,DNA,在碱中变性，但不水解，,RNA,水解,加热条件下，,D,核糖浓盐酸苔黑酚 绿色,D,2,脱氧核糖酸二苯胺 蓝紫色,44,二、核酸的紫外吸收特性,在核酸分子中，由于嘌呤碱和嘧啶碱具有共轭双键体系，因而具有独特的紫外线吸收光谱，一般在260nm,左右有最大吸收峰，可以作为核酸及其组份定性和定量测定的依据。,以A,260,/A,280,进行定性、定量,DNA和RNA溶液中加入溴化乙锭（EB），在紫外下发出荧光,核酸的光吸收值常比其各核苷酸成分的光吸收值之和少30一40。这是在有规律的双螺旋结构中碱基紧密地堆积在一起造成的。这种现象叫做DNA的减色效应。,45,三、核酸的变性、复性与分子杂交,1.变性,稳定核酸双螺旋次级键断裂，空间结构破坏，变成单链结构的过程。核酸的一级结构(碱基顺序)保持不变。,变性表征,生物活性部分丧失、粘度下降、浮力密度升高、紫外吸收增加（,增色效应：,260nm紫,外吸收值升高）,变性因素,pH（11.3或5.0）,变性剂（脲、甲酰胺、甲醛）,低离子强度,加热,46,DNA的变性过程,是突变性的，它在很窄的温度区间内完成。因此，通常将紫外吸收的量达最大量一半时的温度称熔解温度，用,T,m,表示。,一般DNA的,T,m,值在70-85,C之间。DNA的T,m,值与分子中的G和C的含量有关。,G和C的含量高，,T,m,值高。因而测定Tm,值，可反映DNA分子中G,C含量，可通过经验公式计算：（G+C)%=(Tm-69.3),2.44,2.热变性和T,m,47,48,3.核酸的复性,变性核酸的互补链在适当的条件下，重新缔合成为双螺旋结构的过程称为,复性,。,DNA复性后，一系列性质将得到恢复，但是生物活性一般只能得到部分的恢复，具有,减色效应,。,将热变性的DNA骤然冷却至低温时，DNA不可能复性。变性的DNA缓慢冷却时可复性，因此又称为“退火”。,退火温度T,m,25,复性影响因素,片段浓度/片段大小/片段复杂性（重复序列数目）/溶液离子强度,49,50,4.分子杂交,DNA单链与在某些区域有互补序列的异源DNA单链或RNA链形成双螺旋结构的过程。这样形成的新分子称为,杂交DNA分子,。,核酸的杂交在分子生物学和遗传学的研究中具有重要意义。,Southern 杂交（Southern bolting）,Northern 杂交（Northern bolting）,Western 杂交（Western bolting）,51,52,53,本 章 小 结,核酸是遗传物质载体的证明和研究历史,核酸的化学结构：戊糖、碱基（A、T、G、C、U），核苷、核苷酸及其衍生物的结构特点（原子编号）,DNA的结构：一级结构（核酸序列及其表示、基因及基因组、序列测定）、二级结构（,Watson,Crick双螺旋模型、ZDNA）、结构维持的化学键,RNA结构与功能：碱基组成特点、RNA的种类结构及功能,核酸的性质：酸碱性、变性与复性、分子杂交,54,习 题,1、比较DNA、RNA在化学组成上、分子结构上、生物学功能上的特点。,2、DNA双螺旋结构模型的要点有哪些？此模型如何能恰当地解释DNA的生物学功能？,3、RNA有哪些主要类型？比较其结构与功能。,4、从两种不同细菌提取得DNA样品，其腺嘌呤核苷酸分别占其碱基总数的32%和17%，计算这两种不同来源DNA四种核苷酸的相对百分组成。两种细菌中有一种是从温泉（64）中分离出来的，该细菌DNA具有何碱基组成？为什么？,5、解释下列名词：,增色效应与减色效应 DNA的变性与复性 Tm,55,