核酸的结构ppt.ppt
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1、第二节 核酸的结构,一、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。,可以用碱基序列表示核酸的一级结构,核酸的一级结构,核苷酸间的连接键是: 3, 5-磷酸二酯键 相间排列的戊糖和磷酸构成主链,碱基是有秩序连接的侧链基团 线性核酸链都有一个3-末端和一个5-末端 可以碱基序列表示核酸的一级结构,核酸一级结构的简写表示,5 pApGpTpGpCpT-OH 3,5 A G T G C T 3,核酸一级结构书写规则,用p表示磷酸基团。p在核苷左侧时,表示磷酸与糖环的5 -羟基结合;在右侧表示与3 -羟基结合。 举例:pApCpGpU pApC
2、p GpU:表示水解后C的3 -羟基连有磷酸基; pApC pGpU:表示水解后C的3 -羟基是游离的 P可省略,用字母表示。pACGU,简写式的读向是从左到右,碱基序列是5到3,二、DNA的二级结构-双螺旋结构,(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; 其他组合易相互排斥;如 G:T,DNA纤维有相似的X-线衍射图谱, 说明DNA可能有共同的空间结构。,Chargaff规则: (1)A=T (2)G=C (3)A+C=G+T (4)A+G=C+T,(二) DNA双螺旋结构模型要点 (Wat
3、son, 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。 碱基对糖苷键的角度差异,使得形成大沟及小沟相间排列。大沟和小沟处碱基基团分布不同,可以与蛋白质特异作用。两个核苷酸间的夹角36,(二) DNA双螺旋结构模型要点,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; GC) 。碱基在一条链上的排列顺序不受任何限制。但根据碱基配对原则,一条核苷酸链序列可决定另一条互补链的序列。 双螺旋的直径为2nm,相邻碱基平面距离0.34nm,螺旋一圈螺距3.4nm,一圈10对碱基。D
4、NA分子大小常用碱基对数(bp)表示,碱基互补配对,T,A,G,C,碱基平面与纵轴垂直,糖环平面与纵轴平行,(二) DNA双螺旋结构模型要点 (Watson, Crick, 1953),大多数天然DNA属于双链DNA,某些病毒中DNA属于单链DNA. 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。,DNA,双螺旋,正反向,互补链。 A对T,GC连,配对时,用氢键(AT2,GC3) 十碱基,转一圈,螺距34点中间。 碱基力和氢键,维持螺旋结构坚。 PS: AT2,GC3:指AT之间二个氢键,GC间三个. 螺距34点中间即3.4。,DNA双螺旋结构记忆歌诀,碱基堆积力形成疏水环境(主要因素
5、) 。 碱基配对的氢键。GC含量越多,越稳定。 磷酸基上的负电荷与介质中的阳离子或组蛋白的正离子之间形成离子键,中和了磷酸基上的负电荷间的斥力,有助于DNA稳定。 碱基处于双螺旋内部的疏水环境中,可免受水溶性活性小分子的攻击。,稳定双螺旋结构的因素,类型 结晶状态 螺距 碱基距离 每圈 旋转 (nm) (nm) bp数 方向 A 相对湿度75% 2.3 0.255 11 右手 DNA钠盐 B 相对湿度92% 3.4 0.34 10 右手 DNA钠盐 C 相对湿度66% 3.1 0.332 9.3 右手 DNA锂盐 Z d(GCGCGC) 4.5 0.37 12 左手,三、 DNA二级结构的其他
6、类型,DNA单键可以旋转,所以DNA会呈现不同二级结构类型,DNA双螺旋结构的多样性,DNA双螺旋结构的多样性,Z型DNA,B型DNA,A型DNA,DNA的其他结构类型,二重对称结构: 一条链碱基序列的正读与另一条链 碱基序列的反读相同。(回文顺序) 2. 镜像重复 此重复序列可能形成三螺旋DNA结构。 三螺旋结构可以阻止DNA的体外合成。 3. 四链结构 由串联重复的鸟苷酸链构成。4条主链平行排列。,(一)定义 DNA双螺旋通过扭曲和折叠所形成的特定构象。 包括: 不同二级结构单元间的相互作用 单链与二级结构单元间的相互作用 DNA的拓扑特征 超螺旋是DNA三级结构的主要形式。,第四节 DN
7、A的高级结构,超螺旋结构(supercoil) DNA双螺旋链再盘绕即形成超螺旋结构。 超螺旋DNA结构致密,增加了其稳定性。,正超螺旋(positive supercoil) 盘绕方向与DNA双螺旋方向相同 ,可增加螺旋圈数。DNA复制时,可在拓扑异构酶的作用下消除正超螺旋的扭曲张力。,负超螺旋(negative supercoil) 盘绕方向与DNA双螺旋方向相反 ,可减少螺旋圈数。解开负超螺旋,双螺旋部分区域会形成单链区。生物体内以负超螺旋存在,意义 DNA超螺旋结构整体或局部的拓扑学变化及其调控对于DNA复制和RNA转录过程具有关键作用。,(二)环状DNA的三种典型构象,(1)、 松弛
8、环形DNA(开环DNA) 超螺旋DNA的一条链断裂,释放扭曲张力形成的DNA (2)、 解链环形DNA (线性DNA) 超螺旋DNA的两条链均断裂形成的DNA (3)、 正超螺旋与负超螺旋DNA,连环数(linking number , L) DNA双螺旋中,一条链以右手螺旋绕另一条链缠绕的次数 扭转数(twisting number , T) DNA分子中的Watson-Crick螺旋数目,以T表示 超螺旋数(缠绕数 , writhing number , W),L=T+W,(三)拓扑异构酶 改变DNA拓扑异构体的L值。 拓扑异构酶酶I(解旋酶) 能使双链负超螺旋DNA转变成松驰形环状DNA
9、,每次催化使L值增加1。 拓扑异构酶酶II(促旋酶) 能使松驰环状DNA转变成负超螺旋形DNA,每次催化使L减少2。,核小体由DNA链连在一起形成念珠状结构,(四)真核生物染色体的结构,1、染色体,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)。,DNA的存在形式,核小体的组成及性质,1. 核小体的组成 DNA:在组蛋白核心外面缠绕1.75圈(约146bp) 组蛋白:H1 H2A,H2B H3 H4,2. 核小体核心颗粒含H2A, H2B,H3和H4各两分子。连接核心颗粒的DNA片段结合一分子H1,串珠状核小体结构,染色体的形成,串珠状结构,螺线管,突环,微带
10、,染色体(DNA的长度压缩近10000倍),常染色质:间期细胞核中压缩程度较低的,转录活性较高的染色体 异染色质:压缩程度较高,转录活性较低的染色体,串珠状核小体,DNA双螺旋片段,染色质纤维,伸展形染色质片段,密集形染色质片段,整个染色体,2、序列特异性DNA结合蛋白(SDBP),指染色体中含有的非组蛋白,其主要与特异的DNA序列结合,SDBP种类: 高迁移率蛋白(HMG)、转录因子、DNA聚合酶、RNA聚合酶、参与基因表达调控的蛋白质、染色体骨架蛋白等,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。
11、,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。,第五节 DNA和基因组,一、基因和基因组的概念,基因: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)。 DNA分子中最小的功能单位,结构基因:为RNA或蛋白质编码的基因,调节基因:只有调节基因表达的功能,并不转录 生成RNA的基因 间隔序列:既不转录生成RNA,也没有调节基因表达功能的序列,基因组:某物质所含的全套遗传物质,二、病毒和细菌基因组的特点,1、共同点 基因组较小,只有一个环形或线性的DNA分子 多数序列用来编码蛋白质,基因间的间隔序列很短 功能相关的基因常串联在一起,由共
12、同的调控元件调控,并转录成同一mRNA分子,指导蛋白质合成,称为操纵子。,2. 病毒基因组的特点,1)病毒基因组可以由DNA或RNA组成,但每种病毒只含一种核酸(单、双链,环形、线性)。,2)根据合成蛋白质的方式分类:,正链病毒:RNA进入宿主细胞后, 直接指导蛋白质的合成 负链病毒:RNA进入宿主细胞后,先合成与其碱基序列互补的RNA, 再指导蛋白质合成 双链病毒:RNA为双链,在宿主细胞中先以负链为模板合成正链RNA来指导蛋白质合成,随后合成负链RNA, 构成双链RNA,并和蛋白质组装成新的病毒 逆转录病毒:RNA进入宿主后,在逆转录酶作用下,合成与其互补的DNA(cDNA), cDNA转
13、录生成mRNA指导蛋白质合成。,3)重叠基因 一段可以编码多个肽链的核酸序列 重叠基因普遍存在,超过基因总量的10%,3. 细菌基因组的特点,细菌染色体有一环形或线性DNA分子,只有一个复制起点 编码蛋白质的基因是单拷贝的,但rRNA基因是多拷贝的 基因组有多种调控区和少量重复序列 基因组中存在可移动的DNA序列(转座子),三、真核生物基因组特点,基因组较大 核基因由多条线性染色体构成,每条染色体含有一线性DNA分子,DNA分子含有多个复制起点。 不存在操作子 功能相关的基因组成基因簇,基因是在多种调控因子的作用下协调表达。,3. 存在大量的重复序列,高度重复序列 中度重复序列 低度重复序列
14、单一序列(非重复序列),4. 有断裂基因,大多数为蛋白质编码的基因都含有不编码的内含子和编码的外显子。 内含子将基因分割成断裂基因(不连续基因) 真核生物的基因组含有大量重复序列和内含子,外显子所占比例较小。(人类:1.5%),第六节 RNA的结构与功能,1. 碱基组成 A、G、C、U (AU/GC) 稀有碱基较多,稳定性较差,易水解 多为单链结构; 少数局部自身回折形成双螺旋(40%70%), 不能配对的碱基形成突环 分子较小,组成特点,RNA通常是单链线形分子(一级结构) 2. 自身回折形成局部双螺旋(二级结构) 3. 进而折叠(三级结构) 4.多数形成核蛋白复合物(四级结构) 如:核糖体
15、、拼接体、编辑体等。,结构特点,核糖核苷酸通过 3,5,-磷酸二酯键相连形成长链,RNA的种类、分布、功能,除了上述三种RNA外,细胞的不同部位存在的许多其他种类的小分子RNA,统称为非mRNA小RNA(small non-messenger RNAs, snmRNAs)。,核糖体,RNA,核内不均一,RNA,核内小,RNA,细胞核和胞液,线粒体,功,能,rRNA,mRNA,mt,rRNA,tRNA,mt,mRNA,mt,tRNA,HnRNA,SnRNA,SnoRNA,scRNA/7SL,-,RNA,核糖体组分,蛋白质合成模板,转运氨基酸,成熟,mRNA,的前体,参与,hnRNA,的剪接、转运
16、,rRNA,的加工、修饰,蛋白质内质网定位合成,的信号识别体的组分,RNA,信使RNA,转运RNA,RNA,核内小,胞浆小RNA,细胞核和胞液,线粒体,功,能,rRNA,mRNA,mt,rRNA,tRNA,mt,mRNA,mt,tRNA,HnRNA,SnRNA,SnoRNA,scRNA/7SL,-,RNA,蛋白质合成模板,转运氨基酸,的前体,的加工、修饰,蛋白质内质网定位合成,的信号识别体的组分,核仁小RNA,含量,80 5 10-15,一、转运RNA的结构与功能,tRNA占细胞RNA总量的15%,在细胞核内形成,分子量最小; tRNA在细胞质中将氨基酸转运到核糖体-mRNA中,指导蛋白质合成
17、; 细胞内有50种以上的tRNA; tRNA分子较小,沉降系数平均为4S。,由7090个核苷酸组成 含 1020% 稀有碱基 3末端为 CCA-OH 5末端大多数为G 具有 TC,(一)tRNA的一级结构特点,稀有碱基,(二)tRNA的二级结构三叶草型模型,1,2,3,反密码子环,反密码子,载运氨基酸,四环四臂,氨基酸臂:由7对bp组成,富含G, 末端为CCA,接受活化AA 二氢尿嘧啶环(D环) 由814个核苷酸组成,含有二氢尿嘧啶核苷(D),与氨基酰tRNA合成酶的结合有关 反密码环:识别mRNA上的密码子 可变环:大小是tRNA分类的重要指标 假尿嘧啶核苷-胸腺嘧啶核苷环(T C环): 含
18、有保守的T C顺序,可识别核蛋白体上的rRNA, 促使tRNA与核蛋白体结合,(三) tRNA的三级结构 倒L形,tRNA三级结构像倒写的字母“L” 氨基酸臂和T C臂同轴排列,形成12bp的连续双螺旋 反密码子臂和D臂同轴排列,跟氨基臂所在轴垂直 D环和T C环组成倒L的转角,两环间的氢键和碱基堆积力稳定了转角构象 D环, T C环和可变环中核苷酸残基形成了特定的碱基对,稳定了tRNA的三级结构,tRNA三级结构特点,tRNA的功能: 结合活化氨基酸( 3-CCA-OH ),搬运氨基酸到核糖体 识别mRNA密码子。 参与蛋白质的翻译。,rRNA的特点 rRNA占细胞RNA总量的80%,分子量
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