生物化学 核酸.ppt

第三章 核酸,本章内容,核酸的化学组成 DNA的结构 RNA的结构与功能 核酸的性质 核酸的序列测定（自学）,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。,核酸的发现和重要的相关研究,1868年Fridrich Miescher从脓细胞核中提取“核素” 1944年Avery等人证实DNA是遗传物质 1953年Watson和Crick发现DNA的双螺旋结构 1968年Nirenberg破译了遗传密码 1975年Temin和Baltimore发现逆转录酶 1981年Gilbert和Sanger建立DNA 测序方法 1985年Mullis发明PCR 技术 1990年美国启动人类基因组计划(HGP) 1994年中国人类基因组计划启动 2001年美、英等国完成人类基因组计划基本框架 2002年中国率先绘就水稻（籼稻）基因组的工作框架图,并完成水稻第四号染色体精确测序。,一、核酸的组成成分,核糖和脱氧核糖,嘌呤碱和嘧啶碱,核苷 嘌呤碱N9或嘧啶碱N1与核糖或脱氧核糖C1通过N-糖苷键相连形成核苷或脱氧核苷。,核苷酸,核苷酸是核苷的磷酸脂。核苷酸可分为核糖核苷酸与脱氧核糖核苷酸两大类 ： 核糖核苷酸 AMP，GMP，UMP，CMP 脱氧核糖核苷酸 dAMP，dGMP，dTMP，dCMP,核苷酸的连接 核苷酸之间以3, 5-磷酸二酯键连接形成多核苷酸链，即核酸。,二、DNA的结构,(一) DNA的一级结构,DNA分子的脱氧核苷酸组成与排列（sequence）,(二) DNA的二级结构-双螺旋结构 1 DNA双螺旋结构的研究背景 碱基组成分析 Chargaff规则： (1) A=T，G=C； (2)不同生物种属的DNA碱基 组成不同； (3)同一个体的不同器官或 组织的DNA碱基组成相同。 (4)一种生物DNA碱基组成不随 生物体的年龄、营养状态或 环境变化而改变。,碱基的理化数据分析 A-T、G-C以氢键配对较合理 DNA纤维的X-线衍射图谱分析,用来阐明DNA结构的关键的X射线衍射照片。它证明了DNA是螺旋形结构。照片中心的十字形的X射线反射图形表明了螺旋的形式；位于顶端和底部的很深的黑色区域表明相距0.34nm的嘌呤和嘧啶碱基是规则的相邻叠加的，并垂直于螺旋轴。,1953年，Watson 和Crick提出了B型DNA双螺旋结构模型。,2 DNA双螺旋结构模型的要点,(1)主链。两条反向平行的脱氧多核苷酸链围绕同一中心轴相互缠绕，两条链均为右手螺旋，其中一条为5 3,另一条为3 5, 3 5者为正向链。 脱氧核糖基-磷酸基骨架位于螺旋外侧，彼此通过3, 5-磷酸二酯键连接。碱基位于内侧，碱基平面与螺旋的长轴垂直，糖环的平面则与纵轴平行。 （2）碱基配对。两条链通过碱基间的氢键相连，A对T有两个氢键，C对G有三个氢键，这种A-T、C-G配对的规律，称为碱基互补规则。,(3)螺旋参数。DNA双链是右手螺旋结构螺旋直径2nm，每圈螺旋含10个碱基对(bp)，螺距为3.4nm。 （4）螺旋表面。配对碱基并不充满双螺旋的全部空间，而且碱基对占据的空间不对称，因此在双螺旋的表面形成两条螺形凹沟，一条较深称为大沟(majorgroove)，一条较浅称为小沟(minor groove)。 (5)维持双螺旋稳定的因素：横向为互补碱基间的氢键，纵向为碱基平面间的疏水性堆积力。磷酸基团上的负电荷与带正电荷的组蛋白或介质中的阳离子之间形成离子键;范德华力。（参见P92),见P92,3 DNA双螺旋结构的多样性化（自学）,B型DNA双螺旋是核酸二级结构的重要形式。当改变了溶液的离子强度和相对湿度时，DNA螺旋结构可以改变，除B型外，还有Z型及A型。 在体内，不同构象的DNA可能与基因表达的调控有关。,见P76,(三) DNA的三级结构,DNA双螺旋链再盘绕,形成一种比双螺旋更高层次的空间构象。 包括线形DNA形成的纽结、超螺旋和多重螺旋、环状DNA形成的结、超螺旋和连环等结构,正超螺旋(positive supercoil) 指左手方向的超螺旋, 增加螺旋圈数。 负超螺旋(negative supercoil) 指右手方向的超螺旋, 减少增加螺旋圈数。 生物体内多数超螺旋以负超螺旋的形式存在。 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。,真核生物染色体由DNA和蛋白质构成 （自学 ） 其基本单位是核小体(nucleosome)。 核小体的组成 DNA：约200bp 组蛋白：H1、H2A，H2B、H3、H4,见P80-81,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。 基因是指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、RNA的结构与功能,RNA： 通常以单链形式存在，但也有复杂的局部二级结构或三级结构。 种类较多 功能多样 分子大小不一 结构各具特点,(一) 信使RNA的结构与功能,mRNA含量最少(约占总RNA的15%) 种类最多 半衰期最短(几分钟到数小时) 初级转录产物被称为不均一核RNA (heterogeneous nuclear RNA, hnRNA) 经过加工修饰成为成熟的mRNA 。,见P88,见P84-85,* 真核生物mRNA结构特点,1. 5末端的帽结构: 以7-甲基鸟嘌呤三磷酸鸟苷为起始结构这种m7GpppN结构被称为帽结构(capsequence) 2. 3末端多聚A尾结构： 大多数mRNA的3末端有一段由几十个到百余个腺苷酸聚合而成的多聚腺苷酸结构，称为多聚腺苷酸尾(poly A tail) 与poly A结合蛋白(poly(A)-binding protein, PABP)相结合而存在。,见P380-385,5帽结构的作用： mRNA的帽结构可与帽结合蛋白(cap binding protein, CBPs)结合。 参与翻译的起始 保护mRNA免受RNase的水解 与mRNA从细胞核向细胞质转运有关。 3末端多聚A尾结构的作用： 与mRNA 由核内向胞质的转位有关 增加mRNA的稳定性 参与翻译起始的调控,* mRNA的功能 把DNA所携带的遗传信息，按碱基互补配对原则，抄录并传送至核糖体，用以决定其合成蛋白质的氨基酸排列顺序。,(二) 转运RNA的结构与功能,蛋白质生物合成中的结合体 氨基酸的载体 一种氨基酸可有一种以上的tRNA，细胞内一般有4050多种tRNA 分子量最小的一类核酸(7495个核苷酸) 约占细胞总RNA的15%左右,见P85,* 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,见P66,假尿嘧啶核苷,次黄苷或肌苷,二氢尿嘧啶核苷,7-甲基鸟苷,* tRNA的二级结构 三叶草形 DHU环 反密码环 TC环 额外环 氨基酸臂,(三) 核蛋白体RNA的结构与功能,细胞内含量最多的RNA(80%以上) 蛋白质合成场所即核蛋白体的组成成分 大亚基 rRNA +核蛋白体蛋白核蛋白体 (ribosome) 小亚基,见P87,rRNA的功能： 参与构成核蛋白体 核蛋白体是蛋白质合成的场所 为肽链合成所需要的mRNA、tRNA以及多种蛋白因子提供了相互结合的位点和相互作用的空间环境。,见P397,四、核酸的性质,（一）一般理化性质 较强的酸性 DNA粘度极大，RNA粘度比DNA小得多。 在碱性条件下，DNA稳定，RNA不稳定。 在260nm波长有最大紫外吸收峰，是由碱基的共轭双键决定的。 在260nm的紫外吸收光密度值称OD值,OD260的应用,1. DNA或RNA的定量 OD260=1.0相当于50g/ml双链DNA 40g/ml单链DNA（或RNA） 20g/ml寡核苷酸 2.判断核酸样品的纯度 DNA纯品: OD260/OD280 = 1.8 RNA纯品: OD260/OD280 = 2.0,（二）DNA的变性(denaturation) 定义：在某些理化因素作用下，DNA双链互补碱基之间氢键断裂，双螺旋结构松散，解开成两条单链的过程。 DNA变性只改变其二级结构，而不改变其核苷酸序列。,方法：过量酸、碱，加热， 变性试剂如尿素、酰胺； 某些有机溶剂如乙醇、丙酮等。 变性后其它理化性质变化： OD260增高 粘度下降 比旋度下降 浮力密度升高 酸碱滴定曲线改变 生物活性丧失,见P93,Tm：变性是在一个相当窄的温度范围内完成，在这一范围内，紫外光吸收值达到最大值的50%时的温度称为DNA的解链温度，又称熔解温度(melting temperature, Tm)。,见P93,Tm就是DNA的热变性过程中，50%的DNA双链打开时的温度。 Tm值的高低与以下因素有关： 所含碱基中的G和C所占比例 GC含量越高, Tm值越高 DNA分子大小 DNA越长, Tm值越高 溶液的离子强度 增高, Tm值增高 DNA的均一性 DNA越纯,相变范围越小 溶液的pH,见图3-33,DNA的Tm与其G+C含量的关系,（三）DNA的复性与分子杂交,DNA复性(renaturation)的定义 在适当条件下，变性DNA的两条互补链可恢复天然的双螺旋构象，这一现象称为复性。 热变性的DNA经缓慢冷却后即可复性，这一过程称为退火(annealing) 。 比Tm值低25 的温度是DNA复性的最佳条件。 减色效应 DNA复性时，其溶液OD260降低。,核酸分子杂交(hybridization)（自学）,在DNA变性后的复性过程中，如果将不同种类的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（温度及离子强度）下，就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。,见P85,核酸分子杂交的应用 研究DNA分子中某一种基因的位置 鉴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 是基因芯片技术的基础,本章总结,1 重要名词: DNA的变性; DNA复性;退火;熔解温度（Tm）;增色效应 2 结构层次 组成:DNA与RNA的组分的异同;核苷酸的类型与功能 一级结构: 3, 5-磷酸二酯键； 5端 3端； RNA的类型与结构和功能特点 二级结构：DNA双螺旋； tRNA的“三叶草形” 三级结构： DNA超螺旋结构； tRNA的“倒L”结构 3 重要性质：紫外吸收；变性；复性,课外作业 P101思考题 ：4、9、12、13、14,