[生化]核酸的结构与功能.ppt

第 二 章 核酸的结构和功能,Structure and Function of Nucleic Acid,核 酸(nucleic acid),是以核苷酸为基本组成单位的生物大分子，携带和传递遗传信息。,核酸的分类及分布,存在于细胞核和线粒体,分布于细胞核、细胞质、线粒体,(deoxyribonucleic acid, DNA),(ribonucleic acid, RNA),脱氧核糖核酸,核糖核酸,本章主要内容,第一节 核酸的化学组成及一级结构,第二节 DNA的空间结构与功能,第三节 RNA的结构与功能,第四节 核酸的理化性质,第五节 核酸酶,第一节 核酸的化学组成及其一级结构The Chemical Component and Primary Structure of Nucleic Acid,核酸组成,嘌呤(purine，Pu),腺嘌呤(adenine, A),鸟嘌呤(guanine, G),碱 基,嘧啶(pyrimidine，Py),胞嘧啶(cytosine, C),尿嘧啶(uracil, U),胸腺嘧啶(thymine, T),戊糖,（1）核苷：AR, GR, UR, CR （2）脱氧核苷：dAR, dGR, dTR, dCR,脱氧核苷,嘌呤N-9 或嘧啶N-1与脱氧核糖C-1通过-N-糖苷键相连形成脱氧核苷(deoxyribonucleoside)。,核苷酸： AMP, GMP, UMP, CMP 脱氧核苷酸： dAMP, dGMP, dTMP, dCMP,5.体内重要的游离核苷酸及其衍生物,含核苷酸的生物活性物质： NAD+、NADP+、CoA-SH、FAD 等都含有 AMP,多磷酸核苷酸：NMP，NDP，NTP,环化核苷酸: cAMP，cGMP,AMP,ADP,ATP,cAMP,多磷酸核苷酸,5-核苷酸又可按其在5位缩合的磷酸基的多少，分为一磷酸核苷（核苷酸）、二磷酸核苷和三磷酸核苷。,二、DNA是脱氧核苷酸通过3,5-磷酸二酯键连接形成的大分子,一个脱氧核苷酸3的羟基与另一个核苷酸5的-磷酸基团缩合形成磷酸二酯键(phosphodiester bond)。 多个脱氧核苷酸通过磷酸二酯键构成了具有方向性的线性分子，称为多聚脱氧核苷酸(polydeoxynucleotide)，即DNA链。,3',5'-磷酸二酯键的形成,C,G,A,三、RNA也是具有3,5-磷酸二酯键的线性大分子,RNA也是多个核苷酸分子通过酯化反应形成的线性大分子，并且具有方向性；,RNA的戊糖是核糖； RNA的嘧啶是胞嘧啶和尿嘧啶。,不同点,1.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。,四、核酸的一级结构是核苷酸的排列顺序,2.书写方法：,5 pApCpTpGpCpT-OH 3,5 A C T G C T 3,小的核酸片段(50bp)常被称为寡核苷酸。自然界中的DNA和RNA的长度可以高达几十万个碱基。,*单链DNA和RNA用碱基数目表示。,*双链DNA和RNA用碱基对数目表示（bp或Kbp）。,3.核酸分子的大小表示方法,（一）掌握核酸的分类、生物学功能、分子组成、化学结构特点。 （二）掌握核酸一级结构的概念及连接键。 （三）掌握DNA的碱基组成及Chargaff规则、DNA的双螺旋结构要点。 （四）熟悉DNA的超螺旋结构、核小体的组成。 （五）掌握RNA的分类、mRNA的结构特点、tRNA一级结构及二级结构的特点、rRNA的 功能。 （六）掌握DNA的变性、DNA的复性及分子杂交。 （七）了解DNA双螺旋结构的多样性；其他小分子RNA及RNA组学；核酸的一般理化性 质；核酸酶的概念、分类及作用,1.掌握核酸的分类、生物学功能、分子组成、化学结构特点。 2.掌握核酸一级结构的概念及连接键。,本节:,第二节 DNA的空间结构与功能Dimensional Structure and Function of DNA,DNA的空间结构又分为二级结构(secondary structure)和高级结构。,DNA的空间结构(spatial structure),构成DNA的所有原子在三维空间具有确定的相对位置关系。,一、DNA的二级结构是双螺旋结构,（一）DNA双螺旋结构的研究背景,目 录,首先Chargaff等人用层析和紫外吸收研究了DNA的碱基组成。提出了Chargaff规则： A=T；G=C。 不同生物种属的DNA碱基组成不同。 同一个体不同器官.不同组织的DNA 碱基组成相同。 并提出DNA分子中A-T,G-C相互配对。,此后，Franklin用X线衍射法获得DNA分子三维空间照片，提出双螺旋。,再后， Watson和Crik在总结前人试验认识和数据的基础上提出DNA了的双螺旋结构模型。又叫Watson和Crik结构模型。,两条多聚核苷酸链在空间的走向呈反向平行。围绕着同一个螺旋轴形成右手螺旋的结构。双螺旋结构的直径为2.37nm，螺距为3.54nm。 脱氧核糖和磷酸基团组成的亲水性骨架位于双螺旋结构的外侧，疏水的碱基位于内侧。 双螺旋结构的表面形成了一个大沟和一个小沟。,（二） DNA双螺旋结构模型要点,1.DNA是反向平行、右手螺旋的双链结构,2.4nm,3.54nm,亲水性的骨架位于双链的外侧。 疏水性的碱基位于双链的内侧。,骨架与碱基,2.DNA双链之间形成了互补碱基对,碱基配对关系称为互补碱基对 DNA的两条链则互为互补链碱基对平面与螺旋轴垂直。,（二） DNA双螺旋结构模型要点,维持两条DNA链相互结合的力是链间碱基对形成的氢键。碱基结合具有严格的配对规律:A与T结合，G与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之间形成三个氢键。,碱基互补配对: G=C,A=T,相邻两个碱基对会有重叠，产生了疏水性的碱基堆积力。 碱基堆积力和互补碱基对的氢键共同维系着DNA结构的稳定。,3.疏水作用力和氢键共同维系着DNA双螺旋结构的稳定。,（二） DNA双螺旋结构模型要点,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。,（三）DNA双螺旋结构的多样性,以上由Watson和Crick提出的右手螺旋DNA，被称为B-DNA，是生理条件下最稳定的结构形式。后来发现DNA结构不是一成不变的，在溶液的离子强度或相对湿度改变时，DNA双螺旋结构的螺距、直径、旋转角及沟的深浅等都会发生一些变化，定义为A-DNA。 此外，Rich等人发现了左手螺旋DNA，被称为Z-DNA。因此，右手双螺旋结构不是自然界DNA的唯一存在形式。不同构象形式的DNA在功能上可能有所不同。,（三）DNA双螺旋结构的多样性,（四）DNA的多链螺旋结构,在酸性的溶液中，胞嘧啶的N-3原子被质子化，可与鸟嘌呤的N-7原子形成氢键；同时，胞嘧啶的N-4的氢原子也可与鸟嘌呤的O-6形成氢键，这种氢键被称为Hoogsteen氢键。,Hoogsteen氢键,Hoogsteen氢键，不破坏Watson-Crick氢键，由此形成了CGC的三链结构(triplex)。,二、DNA的高级结构是超螺旋结构,超螺旋结构(superhelix 或supercoil) DNA双螺旋链再盘绕即形成超螺旋结构。,正超螺旋(positive supercoil) 盘绕方向与DNA双螺旋方同相同。,负超螺旋(negative supercoil) 盘绕方向与DNA双螺旋方向相反。,原核生物DNA多为环状，以负超螺旋的形式存在，平均每200碱基就有一个超螺旋形成。,（二）真核生物DNA的高度有序和高度致密的结构,真核生物DNA以非常有序的形式存在于细胞核内。 在细胞周期的大部分时间里，DNA以松散的染色质(chromatin)形式存在，在细胞分裂期，则形成高度致密的染色体(chromosome)。,DNA染色质呈现出的串珠样结构。 染色质的基本单位是核小体(nucleosome)。,DNA染色质的电镜图像,核小体的组成 DNA：约200bp 组蛋白：H1 H2A，H2B H3 H4,DNA盘绕组蛋白八聚体1.75周，形成核小体重复单位,“Beads-on-a-string” conformation.,每六个核小体盘绕一周形成单玫瑰花环,chromosome,Chromatin fiber,nucleosome,histone,Chromatin filament,DNA经过多次折叠，被压缩了800010000倍，组装在直径只有为数微米的细胞核内。,真核生物的染色体,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。,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。,三、DNA是遗传信息的物质基础,第三节 RNA的结构与功能,Structure and Function of RNA,RNA与蛋白质共同负责基因的表达和表达过程的调控。 RNA通常以单链的形式存在，但有复杂的局部二级结构或三级结构。 RNA比DNA小的多。 RNA的种类、大小和结构远比DNA表现出多样性。,RNA的种类、分布、功能,信使RNA(messenger RNA, mRNA)是合成蛋白质的模板。 不均一核RNA(hnRNA)含有内含子(intron)和外显子(exon)。 外显子是氨基酸的编码序列，而内含子是非编码序列。 hnRNA经过剪切后成为成熟的mRNA。,一、mRNA是蛋白质合成中的模板,内含子 (intron),mRNA成熟过程,外显子 (exon),从AUG 开始，每三个核苷酸为一组编码了一个氨基酸，称为三联体密码(codon)。 成熟的mRNA由氨基酸编码区和非编码区构成。 5-末端的帽子(cap)结构和3-末端的多聚A尾(poly-A tail)结构。,成熟的真核生物mRNA,帽子结构:m7GpppNm,（一）大部分真核细胞mRNA的5'末端都以7-甲基鸟嘌呤-三磷酸核苷为起始结构,mRNA的帽结构可以与帽结合蛋白(cap binding protein，CBP)结合。,加帽过程,真核生物的mRNA 的3-末端转录后加上一段长短不一的聚腺苷酸。,（二）在真核生物mRNA的3'末端有多聚腺苷酸结构,加尾过程,mRNA核内向胞质的转位 mRNA的稳定性维系 翻译起始的调控,帽子结构和多聚A尾的功能,（三）mRNA依照自身的碱基顺序指导蛋白质氨基酸顺序的合成,从mRNA分子5'末端起的第一个AUG开始，每3个核苷酸为一组称为密码子(codon)或三联体密码(triplet code)。,AUG被称为起始密码子；决定肽链终止的密码子则称为终止密码子。,位于起始密码子和终止密码子之间的核苷酸序列称为开放阅读框(open reading frame, ORF)，决定了多肽链的氨基酸序列 。,（四）mRNA的成熟过程是hnRNA的剪接过程,卵清蛋白mRNA的成熟,* tRNA的一级结构特点 含 1020% 稀有碱基，如 DHU 3´末端为 CCA-OH 5´末端大多数为G 具有 TC,二、转运RNA,* tRNA的功能 活化、搬运氨基酸到核糖体，参与蛋白质的翻译。,tRNA是分子最小，但含有稀有碱基最多的RNA，其稀有碱基的含量可多达20%。 tRNA是保守性最强的RNA。 tRNA是单链核酸，但其分子中的某些局部也可形成双螺旋结构。,N,N二甲基鸟嘌呤,N6-异戊烯腺嘌呤,双氢尿嘧啶,4-巯尿嘧啶,1.稀有碱基,tRNA具有局部的茎环(stem-loop)结构或发卡(hairpin)结构。,（二）tRNA具有茎环结构,tRNA的二级结构 三叶草形,氨基酸臂 DHU环 反密码环 TC环 附加叉,tRNA的倒L三级结构,tRNA的3-末端都是以CCA结尾。 3-末端的A与氨基酸共价连结，tRNA成为了氨基酸的载体。 不同的tRNA可以结合不同的氨基酸。,（三）tRNA的3-末端连接氨基酸,tRNA的反密码子环上有一个由三个核苷酸构成的反密码子(anticodon)。 tRNA上的反密码子依照碱基互补的原则识别mRNA上的密码子。,（四）tRNA的反密码子识别mRNA的密码子,核蛋白体RNA(ribosomal RNA，rRNA)是细胞内含量最多的RNA(80)。 rRNA与核蛋白体蛋白结合组成核蛋白体(ribosome)，为蛋白质的合成提供场所。,三、以rRNA为组分的核蛋白体是蛋白质合成的场所,核蛋白体的组成,大肠杆菌的核蛋白体,18S rRNA的二级结构,蛋白质合成时形成的复合体,RNA组学是研究细胞内snmRNA的种类、结构和功能。同一生物体内不同种类的细胞、同一细胞在不同时空状态下snmRNAs表达谱的变化，以及与功能之间的关系。,四、snmRNA参与了基因表达的调控,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)。,snmRNAs,核内小RNA 核仁小RNA 胞质小RNA 催化性小RNA 小片段干涉 RNA,参与hnRNA的加工剪接,snmRNAs的种类,snmRNAs的功能,核酶,某些小RNA分子具有催化特定RNA降解的活性，这种具有催化作用的小RNA亦被称为核酶(ribozyme)或催化性RNA(catalytic RNA)。,siRNA是生物宿主对外源侵入的基因表达的双链RNA进行切割所产生的特定长度和特定核酸序列的小片段RNA。 siRNA可以与外源基因表达的mRNA相结合，并诱发这些mRNA的降解。 基于此机理，人们发明了RNA干扰(RNA interference，RNAi)技术。,小片段干扰RNA,原核生物基因表达的特异性,五、核酸在真核细胞和原核细胞中表现了不同的时空特性,真核生物基因表达的特异性,核酸的理化性质 The Physical and Chemical Characters of Nucleic Acid,第四节,核酸的酸碱及溶解度性质 核酸为多元酸，具有较强的酸性。 核酸的高分子性质 粘度：DNARNA dsDNA ssDNA 沉降行为:不同构象的核酸分子的沉降的速率有很大差异，这是超速离心法提取和纯化核酸的理论基础。,核酸在波长 260nm 处有强烈的吸收，是由碱基的共轭双键所决定的。这一特性常用作核酸的定性和定量分析。,一、核酸分子具有强烈的紫外吸收,碱基的紫外吸收光谱,DNA或RNA的定量 A260 = 1.0 相当于 50g/ml 双链DNA(dsDNA) 40g/ml 单链DNA (ssDNA or RNA) 20g/ml 寡核苷酸 确定样品中核酸的纯度 纯 DNA: A260/A280 = 1.8 纯 RNA: A260/A280 = 2.0,紫外吸收的应用,二、DNA变性是双链解离为单链的过程,在某些理化因素作用下，DNA双链解开成两条单链的过程。,定义,DNA变性的本质是双链间氢键的断裂。,协同性的DNA解链,高温或极端的pH,DNA的变性,部分变性DNA的电镜图像,增色效应(hyperchromic effect)：DNA变性时其溶液OD260增高的现象。,DNA解链时的紫外吸收变化,DNA的解链曲线,连续加热DNA的过程中以温度相对于A260值作图，所得的曲线称为解链曲线。,解链过程中，紫外吸光度的变化达到最大变化值的一半时所对应的温度。,解链温度(melting temperature，Tm),G+C 含量越高，解链温度就越高。,解链曲线的变化,三、变性的核酸可以复性或形成杂交双链,当变性条件缓慢地除去后，两条解离的互补链可重新配对，恢复原来的双螺旋结构，这一现象称为DNA复性(renaturation) 。,减色效应：DNA复性时，其溶液OD260降低。,热变性的DNA经缓慢冷却后即可复性，这一过程称为退火(annealing) 。,不同种类的DNA单链分子或RNA分子放在同一溶液中，只要两种单链分子之间存在着一定程度的碱基配对关系，在适宜的条件可以在不同的分子间形成杂化双链(heteroduplex)。 这种杂化双链可以在不同的DNA与DNA之间形成，也可以在DNA和RNA分子间或者RNA与RNA分子间形成。这种现象称为核酸分子杂交。,核酸分子杂交(hybridization),核酸分子杂交,研究DNA分子中某一种基因的位置。 监定两种核酸分子间的序列相似性。 检测某些专一序列在待检样品中存在与否。,核酸分子杂交的应用,第五节 核酸酶 Nuclease,依据底物不同分类 DNA酶(deoxyribonuclease, DNase)： 专一降解DNA。 RNA酶 (ribonuclease, RNase)： 专一降解RNA。 依据切割部位不同 核酸内切酶：分为限制性核酸内切酶和非特异性限制性核酸内切酶。 核酸外切酶：5´3´或3´5´核酸外切酶。,核酸酶是指所有可以水解核酸的酶。,5,5,3,3,外切位点,外切位点,内切位点,内切位点,参与DNA的合成、修复以及RNA的剪接。 清除多余的、结构和功能异常的核酸，以及侵入细胞的外源性核酸。 降解食物中的核酸。 体外重组DNA技术中的重要工具酶 。,核酸酶的功能,