核酸的结构与功能.ppt
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1、第一部分: 生物大分子的结构和功能 (核酸,蛋白质,脂类) 第二部分: 新陈代谢(糖代谢,脂类代谢,核酸代谢) 第三部分: 遗传信息的存储、传递和表达,1.1 核酸的种类、分布和化学组成 1.2 核酸的分子结构 1.3 核酸的理化性质及其应用,1 核酸的结构与功能,1.1.1 核酸的生物学功能 1.1.2 核酸的种类和分布 1.1.3 核酸的组成,1.1 核酸的种类、分布及化学组成,核酸是生物体内最重要的生物大分子,任何生物 体,甚至无细胞结构的病毒和噬菌体都含有核酸。核酸在生物的个体发育、生长繁殖、遗传变异等生命过程中起着极为重要的作用。,1.1.1 核酸的生物学功能,核酸主要存在于细胞核中
2、,含量占细胞干重的515%。 核酸根据核酸的化学组成和生物学功能,将核酸分为: 核糖核酸(ribonucleic acid RNA) 脱氧核糖核酸(deoxyribonucleic acid DNA),1.1.2 核酸的种类和分布,核酸 核糖核酸 nucleic acid ribonucleic acid RNA 信使RNA(messenger RNA, mRNA ) 核糖体RNA(ribosome RNA, rRNA) 转运RNA(transfer RNA, tRNA) 脱氧核糖核酸 deoxyribonucleic acid DNA,DNA 主要存在于细胞核,是染色质的主要成分;原核生物D
3、NA主要存在于类核(nucleoid)中;在核外也存在有少量DNA,如线粒体DNA、叶绿体DNA以及细菌的质粒(plasmid)。 RNA 主要存在于细胞质(90%),少量存在于核仁中 mRNA 存在于细胞质中,占总RNA的510%。 tRNA 存在于细胞质中,占总RNA的1015% rRNA 存在于核糖体中, 占总RNA的7580%,核酸 核苷酸 核苷 磷酸 碱基(嘌呤和嘧啶)核糖或脱氧核糖,1.1.3 核酸的化学组成,1.1.3.1 核糖和脱氧核糖,核糖,脱氧核糖,1.1.3.2 碱基(base),嘌呤,嘧啶,腺嘌呤,鸟嘌呤,胞嘧啶,胸腺嘧啶,尿嘧啶,1.1.3.3 核苷,腺苷,胞苷,1.
4、1.3.4 核苷酸和稀有核苷酸,Chemical structures of (a) ribonucleotides and (b) deoxyribonucleotides,腺苷酸,鸟苷酸,尿苷酸,胞苷酸,脱氧腺苷酸,脱氧鸟苷酸,脱氧胸腺苷酸,脱氧胞苷酸,稀有核苷酸:核酸中的稀有核苷酸是碱基或戊糖被修饰后形成的。 核酸中的稀有核苷酸常以其核苷的形式表示。常见的为甲基化修饰以“m”(methy-)表示,修饰基团在碱基上的写在碱基符号的左方,修饰基团在戊糖上的写在碱基符号的右方,修饰基团个数写在其右下角,修饰位置写在右上角。,常见稀有核苷,细胞中还有一些游离的核苷酸及其衍生物,其中较重要的为多磷
5、酸核苷酸、环式单核苷酸和辅酶类单核苷酸。,1.1.3.5 胞内的游离核苷酸及其衍生物,多核苷酸与环化核苷酸,辅酶A,泛酸,巯基乙胺,烟酰胺,辅酶 I (烟酰胺腺嘌呤二核苷酸),FAD (黄素腺嘌呤二核苷酸),核黄素,1.2 核酸的分子结构 1.2.1 DNA的分子结构 1.2.1.1 DNA的一级结构 DNA的一级结构是组成DNA分子的脱氧核苷酸的连接方式和排列顺序。 DNA是由很多个dAMP、dGMP、dCMP和dTMP通过3,5 -磷酸二酯键连成的无分支双链线状或环状多核苷酸。 E. coli DNA 4106bp,1.4 106nm; 人DNA 2.9 109bp 9.9 108nm,D
6、NA分子中链骨架是固定不变的,脱氧核糖核苷酸的排列顺序实质上是碱基的排列顺序。 核酸链的简写式:核酸分子的简写式可简明表示高度复杂的核酸分子。简写式表示的是核酸分子的一级结构,即核酸分子中的核苷酸(或碱基)排列顺序。 书写方式由5 3 端。,线条式:以竖线和斜线分别表示糖基和磷酸酯键。,糖基的C-3位,糖基的C-5位,字符式:用A、T、G、C、U代表碱基,用P代表磷酸残基。核酸分子中的糖基、糖苷键和酯键等均省略不写,将碱基和磷酸相间排列即可。 省略了糖基,简写式中出现T的为DNA链,出现U则为RNA链。以5和3表示链的末端及方向,分别置于简写式的左右二端。 5pApCpTpTpGpApApCp
7、G3 DNA 5pApCpUpUpGpApApCpC3 RNA,简化为: 5pACTTGAACG3 DNA 5pACUUGAACG3RNA 简写式的5-末端均含有一个磷酸残基(与糖基的C-5位上的羟基相连),3-末端含有一个自由羟基(与糖基的C-3位相连),若5端不写P,则表示5-末端为自由羟基。,双链DNA分子的简写式是在一条简式的基础上再增加一条互补链,链间的配对碱基用短纵线相连或省略 5GGAATCTCAT3 3CCTTAGAGTA5 注: bp(base pair),代表碱基对。,1.2.1.2 DNA的二级结构及其多态性 Watson和Crick集各项对DNA的研究成果于一体,在19
8、53年以立体化学上的最适构型建立了与DNA X-射线衍射资料相符的分子模型DNA双螺旋结构模型。 它可在分子水平上阐述遗传的基本特征。,DNA双螺旋结构的主要依据 1949-1951年Chatgaff应用紫外分光光度法和纸层析等技术,对不同来源的DNA进行碱基定量分析,得出组成DNA四种碱基的比例关系。,不同来源DNA碱基组成的比例关系,碱基组成的共同规律:不同来源的DNA中A=T、C=G;A+G=T+C 。,Wilkins及其同事Franklin等用X-射线衍射方法获得的DNA结构资料。 用电位滴定法证明DNA的磷酸基可以滴定,而嘌呤和嘧啶的-NH、-CO则不能滴定,因此它们之间形成氢键。,
9、双螺旋结构特征 主链:脱氧核糖和磷酸基通过酯键交替连接成反向平行的两条主链,它们绕一共同轴心向右盘旋形成双螺旋构型。 主链处于螺旋的外则。,碱基对 (base pair): 碱基位于螺旋的内则,它们以垂直于螺旋轴的取向。同一平面的碱基在二条主链间形成碱基对。,大沟和小沟:大沟和小沟分别指双螺旋表面凹下去的较大沟槽和较小沟槽。小沟位于双螺旋的互补链之间,而大沟位于相毗邻的双股之间。,结构参数: 螺旋直径2nm; 螺旋周期包含10bp; 螺距3.4nm; 相邻碱基对平面的间距 0.34nm。,双螺旋结构的稳定因素 DNA结构稳定的最主要因素是碱基堆积力。 层层堆积的芳香族碱基上的电子云交错形成了碱
10、基堆积力,使DNA双螺旋结构内部形成疏水核心而不存在游离的水分子,有利于互补碱基间形成氢键; 同时,双螺旋外侧带负电荷的磷酸基团同带正电荷的阳离子之间形成的离子键可减少双链间的静电斥力,因而对DNA双螺旋结构也有一定的稳定作用。,DNA二级结构的多态性 A-DNA和B-DNA DNA结构的研究手段主要是X射线衍射技术,它是通过间接观测多个DNA分子有关结构参数的平均值而获得的。 根据X-射线衍射图谱在溶液中的DNA一般为B-构象,这是最常见的DNA构象。,在多核苷酸链中,戊糖能折叠成多种构象,同时,分子还可绕C-N糖苷键以及3,5 -磷酸二酯键旋转一定角度,使得具有同样碱基配对的DNA双螺旋可
11、以采取不同的构象,这种构象上的差异称为多态性。 即DNA的结构是动态的。在以钠、钾或铯作反离子,相对湿度为75时,DNA分子的X-射线衍射图显示的是A-构象。,B-DNA与A-DNA的比较,DNA锂盐在相对湿度为66,其构象为C-构象。这种构象仅在实验室中观察到。 DNA的构象是可变的,在不同的条件下构象不同。但这些DNA都是右手双螺旋;这些螺旋中都有两个螺旋沟,分为大沟与小沟,只是它们的宽窄和深浅程度有所不同。,Z-DNA Wang和Rich等在研究人工合成的d(CGCGCG)单晶的X-射线衍射图谱时,发现这种六聚体的构象不同于B-构象。 它是左手双螺旋,在主链中各个磷酸根呈锯齿(Zigza
12、g)状排列,因此称Z-构象。,B-DNA与Z-DNA的比较,B-DNA structure: Ball-and-stick and space-filling models viewed perpendicular to the helical axis,B-DNA structure: Ball-and-stick and space-filling models viewed parallel to the helical axis,A-DNA structure: Ball-and-stick and space-filling models viewed perpendicular t
13、o the helical axis,A-DNA structure: Ball-and-stick and space-filling models viewed parallel to the helical axis,Z-DNA structure: Ball-and-stick and space-filling models viewed perpendicular to the helical axis,Z-DNA structure: Ball-and-stick and space-filling models viewed parallel to the helical ax
14、is,Structural features of ideal A-, B-, and Z-DNA,A-DNA B-DNA Z-DNA,DNA构象的可变性,即DNA二级结构的多态性的发现拓宽了人们的视野。 生物体中最为稳定的遗传物质也可以采用不同的姿态来实现其丰富多采的生物的奥妙。,三链DNA(H-DNA) 含(TC)n和(AG)n这样的同型嘧啶和同型嘌呤,并形成镜像重复的序列,在低pH值条件下,双链DNA拆开后产生的多聚嘧啶链回折,并嵌入剩下的双链DNA大沟中形成分子内的三链DNA。,在三链DNA中,位于大沟中的多聚嘧啶链与双链DNA中的多聚嘌呤链成平行走向,碱基按照Hoogsteen方式配
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