第一章核酸.ppt
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1、第一篇 生物分子的结构与功能 (Structures & Functions of Biomolecules),第一章 核 酸 ( Nucleic Acid),内容纲要,核酸的种类与分子组成 DNA的一级结构、二级结构及组装 RNA的种类、结构与功能 核酸的理化性质 核酸具有催化活性 真核生物基因组的特点 人类基因组计划,1868年,一位年青的瑞士外科医生Friedrich Miescher发现核素(nuclein),即现在人们所知的脱氧核糖核蛋白。,天然存在的核酸有两类:一类是核糖核酸(ribonucleic acid,RNA),另一类是脱氧核糖核酸(deoxyribonucleic aci
2、d,DNA)。 在真核细胞中,DNA主要分布于细胞核里, RNA主要分布于细胞质中。 DNA是贮存和携带遗传信息的载体。RNA的主要功能是参与生物体内蛋白质生物的合成。 RNA病毒,后者的RNA分子中也携带有遗传信息。,核酸分子的元素组成:主要有C、H、O、N、P(占9%10% )等。 核酸的水解: 核苷酸是核酸的 基本组成单位。,第一节 核酸的基本组成单位核苷酸,一、核苷酸的组成 核苷酸由碱基、戊糖和磷酸共价连接而成。,问题:DNA与RNA分子的碱基 组成有何异同?,碱基的化学结构,稀有碱基(rare bases):指核酸中含有的一些微量碱基,多是甲基化的衍生物。,碱基的互变异构,碱基的紫外
3、吸收性质,嘌呤环和嘧啶环中含有共轭双键,因而都有吸收紫外光的性质,吸收高峰在波长260nm左右。,H,(二)戊糖(pentose),(三)核苷 核苷(nucleoside)是碱基与戊糖通过-N-糖苷键共价相连而形成的一种糖苷,(四)核苷酸 核苷酸(nucleotide)是核苷的戊糖羟基与磷酸之间脱水缩合的产物。,dAMP dGMP dTMP dCMP,AMP GMP UMP CMP,(五)核苷酸的生物学功能 dNTP和NTP分别是DNA和RNA合成的原料 核苷酸可参与细胞内物质代谢的调节 ATP是体内直接供能的物质,参与肌肉收缩、物质转运等过程 核苷酸的衍生物是许多物质代谢的活性中间物。 UD
4、P-葡糖是糖原和糖蛋白合成的活性中间物;CDP-胆碱、CDP-乙醇胺、CDP-二酰甘油是甘油磷脂合成的活性中间物 AMP是某些重要辅助因子的构成成分,如NAD+、NADP+ 、CoA和FAD等分子中均含有AMP cAMP和cGMP作为第二信使,参与细胞的信号转导等。,要求:结合后续章节的学习, 掌握核苷酸的生物学功能,二、核苷酸的连接方式: 3,5 -磷酸二酯键 核酸一级结构就指核苷酸的排列顺序,即碱基排列顺序,书写核酸一级结构的方式有结构式、竖线式和字母式,其中字母式最为常用。,第二节 DNA的结构,一、DNA的一级结构 四种脱氧核糖核苷酸的排序,第二节 DNA的二级结构,研究背景:1928
5、年英国的Griffith,F的转化实验,问题: 根据你所掌握的知识和想象, 怎样解释这个实验现象呢?,1944年Avery等人的体外肺炎球菌转化实验 提取S型细菌的多糖荚膜、蛋白质、DNA,分别与R型活菌混合培养。,Charggff原则: A的摩尔数=T的摩尔数,G的摩尔数=C的摩尔数 (嘌呤碱的摩尔数=嘧啶碱的摩尔数) 不同生物的DNA碱基组成不同 同一生物体的DNA碱基组成没有组织器官特异性,1951年英国女物理学家Rosalind Franklin拍到DNA的X衍射照片,1953年James Watson和Francis Crick 提出DNA双螺旋结构模型,(一)DNA二级结构模型双螺
6、旋结构 DNA 由两条反相平行的脱氧核苷酸链组成. 碱基配对:A与T,G与C DNA 是右手螺旋结构 氢键维持 DNA 双链横向稳定性,碱基堆积力维持双链纵向稳定性(主要因素),问题: 请详述DNA双螺旋模型的特点,碱基互补原则: 指腺嘌呤(A)与胸腺嘧啶(T)配对, 鸟嘌呤(G)与胞嘧啶(C)配对,这种配对关系 成为碱基互补原则。,(二)DNA 结构的多样 DNA双螺旋结构并非刚性,DNA双螺旋具有构象多样性。当溶液的相对湿度和离子强度发生变化时,会出现不同构象的DNA双螺旋,三、DNA的高级结构 (一)原核生物细胞中DNA组装 二级结构为闭环双螺旋 三级结构为超螺旋 若闭环双螺旋沿右手方向
7、缠绕,使原来的双螺旋变得更松弛,此为负超螺旋(主要形式)。 若沿左手方向缠绕,使原来的双螺旋变得更紧,此为正超螺旋。 真核生物染色体DNA的二级结构为线性双螺旋,当其两个末端被蛋白质结合固定时,也可产生超螺旋结构,(二)真核生物细胞中DNA的组装,1.核小体(nucleosome) 是真核生物大量存在的DNA三级结构形式。 20世纪70年代末的研究表明:双链DNA分子盘绕核小体八聚体组蛋白核心约1. 75圈,约有166bp,其中有80bp紧密与八聚体相连。两个核小体之间的连接区DNA链长约35bp。核小体上的DNA总量约200bp。,2.染色质与染色体 染色质(chromatin)(间期) 染
8、色体(chromosome)(分裂期) 它们是DNA的更高级形式。,四、线粒体DNA 1963年,M. Nass和S. Nass在电镜下观察到线粒体,并证实线粒体存在DNA 1981年,Anderson等测定了线粒体DNA基因组全长( 16569bp ) 线粒体DNA(mtDNA)为环状双链分子(纤毛虫线粒体DNA 为线性) 每个线粒体中有10个相同的拷贝。每个细胞一般含有几百几千个线粒体 基因总数为37个基因。,线粒体基因,线粒体与疾病: 肌肉病:骨骼肌中含有大量异常的线粒体。 Leber遗传性视神经病(1988年Wallace确定):线粒体DNA第11778核苷酸发生G/A错义点突变,引起
9、视觉神经坏死导致突然失明。,第三节 RNA的结构与功能,RNA的一级结构: 四种核糖核苷酸排序。,三类基本RNA的功能 信使RNA(messenger RNA, mRNA): 作为指导蛋白质合成的模板) 转运RNA(transfer RNA,tRNA): 在蛋白质合成过程中起转运氨基酸的作用 核糖体RNA(ribosomal RNA,rRNA): 与蛋白质形成核糖体,作为蛋白质合成的场所,表1-3 RNA与DNA的比较,表1-4 真核细胞内RNA的种类及功能,(续表)表1-4 真核细胞内RNA的种类及功能,一、信使RNA(mRNA)蛋白质合成的模板,(一)mRNA的一般特点: 种类繁多。 大小
10、不一:5006000个碱基。 半衰期短:原核生物13分钟,真核生物数小时或几天。 占细胞总RNA:1%2%。 真核mRNA的5端有N7-甲基鸟苷的“帽状”结构:具有稳定mRNA及有助于翻译起始的作用。 3 端有20250个多聚腺苷酸(PolyA)的“尾状”结构:具有维持mRNA翻译模板的活性。 *(组蛋白除外),mRNA的功能: 蛋白质合成的模板,遗传密码(genetic code ):指mRNA分子中,从5至3端记数,三个相邻的核苷酸为一组,代表某中氨基酸或其它信息,这相邻的三个核苷酸称为一个遗传密码。,二、转运RNA(tRNA)运输氨基酸的工具,tRNA的特点: 占RNA总量的10 % 1
11、5%。 是分子量最小的一类核酸,由7495个核苷酸构成。 含有较多的稀有碱基。 5端大多为pG, 3端均为-CCA。 反密码子的第一位碱基常出现次黄嘌呤(I)。 细菌中有3040种;真核细胞中有50种。 功能是转运氨基酸。,tRNA的结构特征 二级结构三叶草形(cloverleaf) 分子内局部存在互补配对的核苷酸序列,可以形成局部双链。,D臂: 氨酰-tRNA合成 识别位点,氨基酸臂: 与氨基酸结合,TC环(臂): 与核蛋白体rRNA结合,反密码子: 识别并结合mRNA密码子,tRNA的三级结构倒 L 形,三、核糖体RNA(rRNA)与蛋白质构成核糖体成为蛋白质合成的场所,(一)rRNA的特
12、点 种类:原核生物有5S 、 23S、16S rRNA;真核生物有28S、18S、5.8S、5S rRNA 含量最多:占细胞总RNA 80%90% rRNA与蛋白质构成核糖体,四、其他小分子RNA,1.小分子RNA的种类 小核RNA、核仁小RNA、胞质小RNA、催化性小RNA、信号识别蛋白RNA、小干扰RNA、微小RNA、与睾丸Piwi蛋白作用的RNA。 2.小分子RNA的功能 催化作用、转录后加工及转运、基因表达调控以及参与细胞生长和发育等过程。,第四节 核酸的理化性质,一、核酸的一般性质 核酸溶液具有较大的黏度,特别是DNA溶液的黏度远大于RNA溶液。 核酸分子既含有酸性基团(磷酸基),又
13、含有碱性基团(碱基),故核酸是两性电解质。而且核酸分子中磷酸基的解离程度强,所以核酸溶液表现出酸性。 核酸分子在电场中具有泳动的特性,利用电泳技术可对大小不同的核酸片段进行分离。 溶液中的核酸分子在离心场力的作用下具有沉降特性,利用这一特性可分离不同构象的核酸分子。,二、核酸的紫外吸收 碱基含有共轭双键,因此核苷、核苷酸和核酸具有吸收紫外线的性质,可吸收250nm280nm波长的紫外光,最大的吸收波长为260nm。 测定核酸溶液的A260值可用于核酸含量的测定。,三、核酸的变性与复性及分子杂交 (一)核酸的变性(denaturation) 在某些理化因素的作用下 ,核酸分子互补碱基之间的氢键断
14、裂。但一级结构未变。 DNA:双链解体 RNA:局部双链解体 理化因素: 随着核酸的变性,其理化性质也会随之发生改变,,热变性(退火 annealing) 通常将A260值达到最大值的50%时的温度称为DNA的解链温度(melting temperature,Tm)。 Tm大小与碱基组成有关 Tm计算: DNA 的 Tm = 69.3 + 0.41 (G + C) % 1020碱基的寡聚脱氧核苷酸: Tm =(A+T) 2 +(G+C) 4。 注意:热变性的DNA退火时,温度不能骤然下降到4以下,此时不能发生复性,(二)核酸的复性 变性是可逆的。DNA的复性是指去除变性因素后,变性的DNA在可
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