Biochemistry B(8.2)核酸的结构.ppt
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1、,请做好,上课准备,Chapter 9 核酸的结构,Nucleic Acid,一、核酸的发展简史 (一)核酸的发现 (二)著名的肺炎球菌转化试验 (三)噬菌体转化试验 (四)核酸的早期研究和DNA双螺旋结构模型的建立 二、核酸的种类和分布 (一)核酸的分类 (二)核酸的分布 三、核酸的功能 (一)DNA的生物学功能 (二)RNA的生物学功能 四、核酸的组成 (一)核酸的元素组成 (二)核酸的基本结构单位核苷酸 (三)多聚核苷酸,五、核酸的结构(重点、难点) (一)DNA的一级结构 (二)DNA的二级结构 (三)DNA的三级结构 (四)RNA的结构 六、核酸的水解 (一)核酸的酸水解 (二)核酸
2、的碱水解 (三)核酸的酶水解 七、核酸的理化性质 (一)核酸的一般物理性质 (二)核酸的沉降特性 (三)核酸的紫外吸收(重点) 八、核酸的变性、复性和分子杂交(重点) (一)核酸的变性 (二)核酸的复性 (三)核酸的杂交,四、核酸的组成,(一)核酸的元素组成 (二)核酸的基本结构单位核苷 (三)多聚核苷酸,(一)核酸的元素组成,平均含磷量: DNA 9.9% RNA 9.4%,(二)核酸的基本结构单位核苷酸,核酸(DNA和RNA)是一种线性多聚核苷酸,它的基本结构单元是核苷酸。 核苷酸本身由核苷和磷酸组成, 而核苷则由戊糖和碱基形成 DNA与RNA结构相似,组成成份略有不同。,DNA的结构,(
3、二)核酸的基本结构单位核苷酸,1、组成核酸的碱基 2、戊糖(pentose) 3、核苷 nucleoside 4、核苷酸 nucleotide 5、修饰成分 6、核苷酸的衍生物,核 酸,核苷酸,磷 酸,核 苷,戊 糖,含氮碱,1、组成核酸的碱基,腺嘌呤 adenine 鸟嘌呤 guanine 胞嘧啶 cytosine 尿嘧啶 uracil 胸腺嘧啶 thymine,(1)组成核酸的碱基嘌呤,嘌呤,腺嘌呤 adenine,鸟嘌呤 guanine,(2)组成核酸的碱基嘧啶,嘧啶,胞嘧啶 cytosine,尿嘧啶 uracil,嘧啶,胸腺嘧啶 thymine,嘧啶,RNA: D-核糖, A、G、C、
4、U碱基 DNA: D-2-脱氧核糖, A、G、C、T碱基,组成核酸的碱基的结构特征,碱基都具有芳香环的结构特征。 嘌呤环和嘧啶环均呈平面或接近于平面的结构。 碱基的芳香环与环外基团可发生酮式-烯醇式或胺式-亚胺式互变异构。 嘌呤碱和嘧啶碱分子中都含共轭双键体系,紫外区有吸收(260 nm左右),2、戊糖(pentose),3、核苷 nucleoside,糖与碱基之间的C-N键,称为C-N糖苷键。,4、核苷酸 nucleotide,核苷酸是核苷的磷酸酯。 作为DNA或RNA结构单元的核苷酸分别是5-磷酸-脱氧核糖核苷和5-磷酸-核糖核苷。,3 种腺苷酸的结构式,5,3,2,2 种脱氧腺苷酸的结构
5、式,5,3,嘧啶碱: C1 N1,嘌呤碱: C1 N9。 核酸中的核苷与脱氧核苷均为-型 碱基平面与核糖平面互相垂直,DNA:dAMP、dGMP、dCMP、dTMP RNA: AMP、 GMP、 CMP、 UMP,5、修饰成分,核酸中也存在一些不常见的稀有碱基。 稀有碱基种类很多,多是碱基甲基化的产物。,6、核苷酸的衍生物,ATP (腺嘌呤核糖核苷三磷酸) GTP (鸟嘌呤核糖核苷三磷酸) cAMP (3,5-环腺嘌呤核苷一磷酸) cGMP (3,5-环鸟嘌呤核苷一磷酸),(1)ATP(腺嘌呤核糖核苷三磷酸),ATP 最显著特点:含两个高能磷酸键,水解可释放大量自由能。 ATP 是生物体内最重
6、要 能量转换中间体。其水 解释放出来能量用于推 动生物体内各种需能的 生化反应。,(2)GTP(鸟嘌呤核糖核苷三磷酸),GTP是生物体内游离存在的另一种重要的核苷酸衍生物。它具有ATP 类似的结构, 也是一种高能化合物。 GTP主要是作为蛋白质合成中磷酰基供体。在许多情况下, ATP 和 GTP 可以相互转换。,ATP GTP,(3)cAMP 和 cGMP,cAMP(3,5- 环腺嘌呤核苷一磷酸)和 cGMP(3,5-环鸟嘌呤核苷一磷酸)的主要功能是作为细胞之间传递信息的信使。 cAMP 和 cGMP 的环状磷酯键是一个高能键。在 pH 7.4 条件下, cAMP 和 cGMP 的水解能约为4
7、3.9 kj /mol,比 ATP 水解能高得多。,cAMP(3,5- 环腺嘌呤核苷一磷酸) cGMP(3,5-环鸟嘌呤核苷一磷酸),细胞内的游离核苷酸及其衍生物,核苷5-多磷酸化合物 ATP、GTP、CTP、ppppA、ppppG 在能量代谢和物质代谢及调控中起重要作用。 环核苷酸 3,5-cAMP, 3,5-cGMP 信号分子,cAMP调节细胞的糖代谢、脂代谢。 核苷5多磷酸3多磷酸化合物 ppGpp pppGpp ppApp 核苷酸衍生物 HSCoA、 NAD+、NADP+、FAD等辅助因子。 GDP-半乳糖、GDP-葡萄糖等是糖蛋白生物合成的活性糖基供体。,(三)多聚核苷酸,多聚核苷酸
8、是通过核苷酸的5-磷酸基与另一分子核苷酸的C3-OH形成磷酸二酯键相连而成的链状聚合物。 由脱氧核糖核苷酸聚合而成的称为DNA链; 由核糖核苷酸聚合而成的则称为RNA链。,5,3,脱氧核糖核酸 (deoxyribonucleic acid , DNA) 原核:裸露的DNA分子集中于核区 真核:细胞核DNA:与组蛋白、非组蛋白形成染色体 细胞器DNA:双链环形,一般裸露,多聚核苷酸的特点,两个核苷酸之间形成的磷酸二酯键称为3,5-磷酸二酯键。 其一端C5带有一个自由磷酸基,称为5-磷酸端(常用5-P表示); 另一端C3带有自由的羟基,称为3-羟基端(常用3-OH表示)。 多聚核苷酸链具有方向性,
9、表示时,必须注明它的方向是53或是35。,在多聚核苷酸(DNA或RNA)链中,构成核苷酸单元的戊糖和磷酸基是相同的,体现核苷酸差别的实际上只是它所带的碱基,所以多聚核苷酸链结构也可表示为:,多聚核苷酸的特点,A DNA的一级结构 B 线条式表示法 C 文字表示法,方向性,在讨论有关核酸问题时,一般只关心其中碱基的种类和顺序,所以上式可以进一步简化为: 5PAPCPGPCPTPGPTPA 3 或5 ACGCTGTA 3,五、核酸的结构,(一)核酸的一级结构 (二)DNA的二级结构 (三)DNA的三级结构 (四)RNA的结构,核酸的结构,一级结构:脱氧核苷酸分子间连接方式及排列顺序。 二级结构:D
10、NA的两条多聚核苷酸链间通过氢键形成的双螺旋结构。 三级结构:DNA双链进一步折叠卷曲形成的构象。,由四种不同的核苷酸单元按特定顺序组合而成的线性结构聚合物,具有一定的核苷酸顺序,即碱基顺序。 核酸的碱基顺序是核酸的一级结构。,DNA的一级结构: 5-AGTCCATG-3 AGTCCATG 3-TCAGGTAC-5 RNA的一级结构: 5-AGUCCAUG-3 AGUCCAUG,(一)核酸的一级结构,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。 而mRNA(信息RNA)的碱基顺序,则直接为蛋白质的氨基酸编码,并决定蛋
11、白质的氨基酸顺序。,(一)核酸的一级结构,1953年,Watson和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。,(二)DNA的二级结构,1953年,Watson和Crick根据Chargaff 规律和DNA Na盐纤维的X光衍射分析提出了DNA的双螺旋结构模型。,a. 所有生物的DNA中,A=T,G=C 且A+G=C+T。 b. DNA的碱基组成具有种的特异性。 c. DNA碱基组成没有组织和器官的特异性。 d. 年龄、营养状况、环境等因素不影响DNA的碱基组成。,Chargaff 规
12、律 1950年,(二)DNA的二级结构,1DNA双螺旋结构的特点 2DNA双螺旋结构的稳定性, DNA的Na盐纤维和DNA晶体的X光衍射分析,Franklin,Watson-Crick双螺旋结构模型(B-DNA),两条反平行的多核苷酸链绕同一中心轴相缠绕,形成右手双股螺旋,一条53,另一条35 磷酸与脱氧核糖彼此通过3、5-磷酸二酯键相连接,构成DNA分子的骨架 磷酸与脱氧核糖在双螺旋外侧,嘌呤与嘧啶碱位于双螺旋的内侧 碱基平面与纵轴垂直,糖环平面与纵轴平行 两条核苷酸链之间依靠碱基间的氢链结合在一起 螺圈之间主要靠碱基平面间的堆积力维持 每圈螺旋含10个核苷酸,碱基堆积距离0.34nm,双螺
13、旋平均直径2nm 大沟:宽1.2nm ,深0.85nm, 小沟 :宽0.6nm,深0.75nm,1DNA双螺旋结构的特点,(1)由两条多聚脱氧核糖核苷酸链(简称DNA单链)组成。 两条链沿着同一根轴平行盘绕,形成右手双螺旋结构。,螺旋中的两条链方向相反 一条链的方向为53 另一条链的方向为35, 两条反向平行的多核苷酸链绕同一中心轴相缠绕,形成右手双股螺旋,一条53, 另一条35,(2)嘌呤碱和嘧啶碱基位于螺旋的内侧; 碱基环平面与螺旋轴垂直。 磷酸和脱氧核糖基位于螺旋外侧; 糖基环平面与碱基环平面成90角。,1DNA双螺旋结构的特点, 磷酸与脱氧核糖彼此通过3,5-磷酸二酯键相连接,构成DN
14、A分子的骨架。,磷酸与脱氧核糖在双螺旋外侧,嘌呤与嘧啶碱位于双螺旋内侧。,1DNA双螺旋结构的特点,(3)螺旋横截面直径约为2 nm 每条链相邻两个碱基平面之间的距离为0.34 nm, 每10个核苷酸形成一个螺旋,其螺矩(即螺旋旋转一圈)高度为3.4 nm。, 每圈螺旋10.4 nt ,碱基堆积距0.34nm,双螺旋平均直径2nm 大沟:宽1.2nm ,深0.85nm 小沟 :宽0.6nm,深0.75nm,(4)两条DNA链相互结合以及形成双螺旋的力是链间的碱基对形成的氢键。碱基的相互结合具有严格的配对规律,即A-T结合,G-C结合,这种配对关系,称为碱基互补。A和T之间形成两个氢键,G与C之
15、间形成三个氢键。 在DNA分子中,嘌呤碱基的总数与嘧啶碱基的总数相等。,1DNA双螺旋结构的特点,碱基平面与纵轴垂直,糖环平面与纵轴平行, 两条核苷酸链之间依靠碱基间的氢链结合在一起,螺圈之间主要靠碱基平面间的堆积力维持,2DNA双螺旋结构的稳定性,DNA双螺旋结构在生理条件下很稳定。 维持这种稳定性的因素包括: 两条DNA链之间形成的氢键; 疏水作用力:双螺旋结构内部形成的疏水区,消除了介质中水分子对碱基之间氢键的影响;介质中的阳离子(如Na+、K+和Mg2+)中和了磷酸基团的负电荷,降低了DNA链之间的排斥力、范德华引力等。 改变介质条件和环境温度,影响双螺旋的稳定性。,碱基堆积力形成疏水
16、环境(主要因素) 。 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,其他类型DNA双螺旋,A-DNA:右手螺旋 B-DNA:右手螺旋 Z-DNA:左手螺旋,环状DNA的三种典型构象,(1) 松弛环形DNA 线形DNA直接环化 (2) 解链环形DNA 线形DNA拧松后再环化 (3)正超螺旋与负超螺旋DNA,(三)DNA的三级结构,超螺旋结构 正超螺旋:过旋,上劲 负超螺旋:欠旋,卸劲,正超螺旋:过旋,上
17、劲 负超螺旋:欠旋,卸劲,正超螺旋:过旋,上劲 负超螺旋:欠旋,卸劲,DNA的存在形式,绝大多数原核生物的DNA都是共价封闭的环状双螺旋。如果再进一步盘绕则形成麻花状的超螺旋结构(cccDNA) 。,DNA的存在形式,组蛋白:H1,H2A,H2B,H3,H4 核小体核心颗粒:2(H2A,H2B,H3,H4)+146bp DNA,H1,H1,衔接DNA: 54bp DNA H1(与DNA和核小体核心颗粒均相连),核小体、染色质与染色体,(四)RNA的结构,1、RNA的种类、分布与功能 2、RNA的二级结构,唐人街DNA灯,RNA的种类、分布与功能,2、RNA的二级结构,RNA是单链分子 不遵守碱
18、基种类的数量比例关系 嘌呤碱基总数不一定等于嘧啶碱基总数 RNA分子的双螺旋 部分区域能形成双螺旋结构 不能形成双螺旋的部分,则形成突环 这种结构形象地称为“发夹型”结构,2、RNA的二级结构,RNA的双螺旋结构,碱基的配对情况不严格 G 与C 配对 G与U 配对,G-U 配对形成的氢键较弱 tRNA中除了常见的碱基外,还存在一些稀有碱基,这类碱基大部分位于突环部分。,G C G U,稀有碱基,tRNA在甲基转移酶催化下,嘌呤生成 甲基嘌呤。如,AmA,GmA。 尿嘧啶还原为双氢尿嘧啶。 尿嘧啶核苷转变不假尿嘧啶核苷。 腺苷酸脱氨基为成为次黄嘌呤核苷酸()。,稀有碱基,1、mRNA的结构与功能
19、,mRNA可形成局部双螺旋结构的二级结构。 mRNA在真核生物中的初级产物称为hnRNA。,内含子(intron)编码序列,外显子 (exon)编码序列,加工,(1) 原核生物mRNA结构特点,mRNA结构简单,多含几个功能上相关的蛋白质的编码序列,可翻译出几种蛋白质,为多顺反子。 mRNA转录后一般不需加工,直接进行蛋白质翻译。转录和翻译发生在同一细胞空间,且几乎是同时进行。 mRNA编码序列之间有间隔序列,可能与核糖体的识别和结合有关。 在5端与3端有与翻译起始和终止有关的非编码序列。 mRNA中没有修饰碱基, 5端没有帽子结构,3端没有polyA尾巴。 mRNA的半衰期比真核生物的要短,
20、一般认为,转录后1min,mRNA就开始降解。,(2) 真核生物mRNA结构特点,mRNA为单顺反子结构,即一个mRNA分子只包含一条多肽链的信息。 成熟mRNA是由其前体核内不均一RNA(heterogeneous nuclear RNA,hnRNA)剪接并经修饰后才能进入细胞质中参与蛋白质合成。 mRNA的合成和表达发生在不同的空间和时间。 成熟的mRNA中5端有m7GpppN的帽子结构,与翻译起始有关;3端有polyA尾巴与mRNA的稳定性有关。 mRNA半衰期通常较短。,(2) 真核生物mRNA结构特点,mRNA为单顺反子结构,即一个mRNA分子只包含一条多肽链的信息。 成熟mRNA是
21、由其前体核内不均一RNA(heterogeneous nuclear RNA,hnRNA)剪接并经修饰后才能进入细胞质中参与蛋白质合成。 mRNA的合成和表达发生在不同的空间和时间。 成熟的mRNA中5端有m7GpppN的帽子结构,帽子结构可保护mRNA不被核酸外切酶水解,与帽结合蛋白结合识别核糖体并与之结合,与翻译起始有关。 3端有polyA尾巴,长度为20250个腺苷酸,功能可能与mRNA的稳定性有关,少数成熟mRNA没有polyA尾巴,如组蛋白mRNA。 mRNA半衰期通常较短。,大多数真核生物的成熟的mRNA分子具有 (1)5-端7-甲基鸟苷三磷酸(m7GTP)帽子结构 (2)3-端多
22、聚腺苷酸(polyA)尾巴结构,1、mRNA的结构与功能,鸟嘌呤 guanine,m7GTP,7,5-P,3-OH,5,1,m7GTP,mRNA的5末端有一个7-甲基鸟嘌呤核苷三磷酸(m7Gppp)的“帽”式结构 m7Gppp结构作用 促进核糖体与mRNA的结合,与翻译起始有关 加速翻译起始速度 增强mRNA的稳定性,防止mRNA从头水解(核酸外切酶),(1)真核生物mRNA 5-端帽子结构,真核生物mRNA 5-端帽子结构,6,(2)真核生物mRNA 3-端的polyA结构,3末端一段含30-200个核苷酸残基组成的多聚腺苷酸(polyadenylate tail,polyA尾巴) poly
23、A并非DNA直接转录而来,而是转录后逐个添加 polyA也称为mRNA的“靴” 原核生物一般无polyA的结构 与mRNA由胞核转位胞质及维持mRNA结构稳定有关,其长度决定mRNA半衰期 少数成熟mRNA没有polyA尾巴,如组蛋白mRNA,tRNA的二级结构呈” 三叶草” 形状。结构上共同之处,一般可将其分为四臂四环:包括氨基酸接受区、反密码区、二氢尿嘧啶区、TC区和可变区。除了氨基酸接受区外,其余每个区均含有一个突环和一个臂。,2、tRNA的二级结构,单链分子,但其某些局部也可形成双螺旋结构。 含7393核苷酸,分子质量24 00031 000,沉降系数4S。 分子最小,含稀有碱基最多,
24、稀有碱基的含量可多达10-20%。如二氢尿嘧啶(DHU)、核糖胸腺嘧啶(rT)和假尿苷()以及不少碱基被甲基化. 3端为CCA-OH,5端多为pG 分子中大约30%的碱基是不变的或半不变的,tRNA是保守性最强的RNA。,2、tRNA的二级结构,配对碱基形成局部双螺旋而构成臂 不配对的单链部分则形成环,氨基酸接受区 反密码区 二氢尿嘧啶区 TC区 可变区,四臂四环,氨基酸臂由7对碱基组成,双螺旋区的3末端为一个4个碱基的单链区-NCCA-OH 3,腺苷酸残基的羟基可与氨基酸羧基结合起携带氨基酸的作用。,(1)氨基酸接受区,tRNA-CCA-OHHOOC-aa,反密码臂由5对碱基组成 反密码环由
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- Biochemistry B8.2核酸的结构 8.2 核酸 结构
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