《核酸的結構與功能》PPT課件.ppt

第2章 核酸的結構與功能,Structure and Function of Nucleic Acid 高國全 2010-09-19,核 酸(nucleic acid),是以核苷酸為基本組成單位的生物大分子，攜帶和傳遞遺傳信息。,1868年 Fridrich Miescher 從膿細胞中提取核素。 1944年 Avery等人證實DNA是遺傳物質。 1953年 Watson和Crick發(fā)現DNA的雙螺旋結構。 1968年 Nirenberg發(fā)現遺傳密碼。 1975年 Temin和Baltimore發(fā)現逆轉錄酶。 1981年 Gilbert和Sanger建立DNA測序方法。 1985年 Mullis發(fā)明PCR技術。 1990年 美國啟動人類基因組計劃(HGP)。 1994年 中國人類基因組計劃啟動。 2001年 美英等國完成人類基因組計劃。,核酸研究的發(fā)展簡史,核酸的分類及分布,存在于細胞核和線粒體,分布于細胞核、細胞質、線粒體,(deoxyribonucleic acid, DNA),(ribonucleic acid, RNA),脫氧核糖核酸,核糖核酸,第一節(jié) 核酸的化學組成及其一級結構The Chemical Component and Primary Structure of Nucleic Acid,核酸組成,一、核苷酸是構成核酸的基本組成單位,堿基(base)是含氮的雜環(huán)化合物。,堿基,嘌呤,嘧啶,腺嘌呤,鳥嘌呤,尿嘧啶,胸腺嘧啶,胞嘧啶,存在于DNA和RNA中,僅存在于RNA中,僅存在于DNA中,堿基,嘌呤(purine，Pu),腺嘌呤(adenine, A),鳥嘌呤(guanine, G),嘧啶(pyrimidine，Py),胞嘧啶(cytosine, C),尿嘧啶(uracil, U),胸腺嘧啶(thymine, T),堿基的互變異構體,戊糖,脫氧核苷,嘌呤N-9 或嘧啶N-1與脫氧核糖C-1通過-N-糖苷鍵相連形成脫氧核苷(deoxyribonucleoside)。,嘌呤N-9或嘧啶N-1與核糖C-1通過-N-糖苷鍵相連形成核苷(ribonucleoside)。,核苷,N,N,N,N,9,N,H,2,O,O,H,O,H,H,H,H,C,H,2,O,H,H,1,2,糖苷鍵,核苷或脫氧核苷與磷酸通過酯鍵結合構成核苷酸(ribonucleotide)或脫氧核苷酸(deoxyribonucleotide)。,核苷酸(ribonucleotide),多磷酸核苷酸,環(huán)化核苷酸：cAMP、cGMP，是細胞信號轉導中的第二信使。,cAMP,核苷酸衍生物,二、DNA是脫氧核苷酸通過3,5-磷酸二酯鍵連接形成的大分子,一個脫氧核苷酸3的羥基與另一個核苷酸5的-磷酸基團縮合形成磷酸二酯鍵(phosphodiester bond)。 多個脫氧核苷酸通過磷酸二酯鍵構成了具有方向性的線性分子，稱為多聚脫氧核苷酸(polydeoxynucleotide)，即DNA鏈。,交替的磷酸基團和戊糖構成了DNA的骨架 (backbone)。,DNA鏈的方向是5 3,C,G,A,三、RNA也是具有3,5-磷酸二酯鍵的線性大分子,RNA也是多個核苷酸分子通過酯化反應形成的線性大分子，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。,定義 核酸中核苷酸的共價連接和排列順序。 由于核苷酸間的差異主要是堿基不同，所以也稱為堿基序列。,四、核酸的一級結構是核苷酸的排列順序,書寫方法：,5 pApCpTpGpCpT-OH 3,5 A C T G C T 3,核酸分子的大小常用堿基(base或kilobase)數目來表示。 小的核酸片段(50bp)常被稱為寡核苷酸(oligonucleotide)。自然界中的DNA和RNA的長度可以高達幾十萬個堿基。,DNA和RNA的區(qū)別,第二節(jié) DNA的空間結構與功能Dimensional Structure and Function of DNA,DNA的空間結構又分為二級結構(secondary structure)和高級結構。,DNA的空間結構(spatial structure),構成DNA的所有原子在三維空間具有確定的相對位置關系。,一、DNA的二級結構是雙螺旋結構,DNA stores genetic information The first direct evidence that DNA is the bearer of genetic information came in 1944 through a discovery made by Oswald T. Avery, Colin MacLeod, and Maclyn McCarty. A second important experiment provided inde- pendent evidence that DNA carries genetic information. In 1952 Alfred D. Hershey and Martha Chase used ra- dioactive phosphorus ( 32P) and radioactive sulfur ( 35S) tracers.,（一）DNA雙螺旋結構的研究背景,不同生物種屬的DNA的堿基組成不同 同一個體的器官或組織的DNA堿基組成相同 A = T，G = C A+G = T+C,Chargaff rules（規(guī)則） An important clue to the structure of DNA came from the work of Erwin Chargaff and his colleagues,（一）DNA雙螺旋結構的研究背景,不同生物來源DNA堿基組分和相對比例,（一）DNA雙螺旋結構的研究背景,獲得了高質量的DNA分子的X射線衍射照片 Rosalind Franklin and Maurice Wilkins used the powerful method of x-ray diffraction to analyze DNA fibers,（一）DNA雙螺旋結構的研究背景,提出了DNA分子雙螺旋結構(double helix)模型 In 1953 Watson and Crick postulated a three- dimensional model of DNA structure that accounted for all the available data.,兩條多聚核苷酸鏈在空間的走向呈反向平行(anti-parallel)。兩條鏈圍繞著同一個螺旋軸形成右手螺旋(right-handed)的結構。雙螺旋結構的直徑為2.37nm，螺距為3.54nm。 脫氧核糖和磷酸基團組成的親水性骨架位于雙螺旋結構的外側，疏水的堿基位于內側。 雙螺旋結構的表面形成了一個大溝(major groove)和一個小溝(minor groove)。,（二） DNA雙螺旋結構模型要點,1.DNA是反向平行、右手螺旋的雙鏈結構,親水性的骨架位于雙鏈的外側。 疏水性的堿基位于雙鏈的內側。,骨架與堿基,2.DNA雙鏈之間形成了互補堿基對,堿基配對關系稱為互補堿基對(complementary base pair)。 DNA的兩條鏈則互為互補鏈(complementary strand)。 堿基對平面與螺旋軸垂直。,堿基互補配對: 鳥嘌呤/胞嘧啶,堿基互補配對: 腺嘌呤/胸腺嘧啶,大溝與小溝,相鄰兩個堿基對會有重疊，產生了疏水性的堿基堆積力(base stacking interaction)。 堿基堆積力和互補堿基對的氫鍵共同維系著DNA結構的穩(wěn)定。,3.疏水作用力和氫鍵共同維系著DNA雙螺旋結構的穩(wěn)定。,堿基堆積作用力,（三）DNA雙螺旋結構的多樣性,三種DNA構型的比較,（四）DNA的多鏈螺旋結構,在酸性的溶液中，胞嘧啶的N-3原子被質子化，可與鳥嘌呤的N-7原子形成氫鍵；同時，胞嘧啶的N-4的氫原子也可與鳥嘌呤的O-6形成氫鍵，這種氫鍵被稱為Hoogsteen氫鍵。,Hoogsteen氫鍵,Hoogsteen氫鍵，不破壞Watson-Crick氫鍵，由此形成了CGC的三鏈結構(triplex)。,三鏈結構,鳥嘌呤之間通過Hoogsteen氫鍵形成特殊的四鏈結構(tetraplex)。,四鏈結構,真核生物DNA3-末端是富含GT的多次重復序列，因而自身形成了折疊的四鏈結構。,二、DNA的高級結構是超螺旋結構,超螺旋結構(superhelix 或supercoil) DNA雙螺旋鏈再盤繞即形成超螺旋結構。,正超螺旋(positive supercoil) 盤繞方向與DNA雙螺旋方同相同。,負超螺旋(negative supercoil) 盤繞方向與DNA雙螺旋方向相反。,（一）原核生物DNA的環(huán)狀超螺旋結構,原核生物DNA多為環(huán)狀，以負超螺旋的形式存在，平均每200堿基就有一個超螺旋形成。,DNA超螺旋結構的電鏡圖象,（二）真核生物DNA的高度有序和高度致密的結構,真核生物DNA以非常有序的形式存在于細胞核內。 在細胞周期的大部分時間里，DNA以松散的染色質(chromatin)形式存在，在細胞分裂期，則形成高度致密的染色體(chromosome)。,DNA染色質呈現出的串珠樣結構。 染色質的基本單位是核小體(nucleosome)。,DNA染色質的電鏡圖像,DNA：約200bp 組蛋白：H1 H2A，H2B H3 H4,核小體的組成,核小體串珠樣的結構,雙鏈DNA的折疊和染色體組裝,DNA經過多次折疊，被壓縮了800010000倍，組裝在直徑只有為數微米的細胞核內。,真核生物的染色體,DNA的基本功能是以基因的形式荷載遺傳信息，并作為基因復制和轉錄的模板。它是生命遺傳的物質基礎，也是個體生命活動的信息基礎。,基因從結構上定義，是指DNA分子中的特定區(qū)段，其中的核苷酸排列順序決定了基因的功能。,三、DNA是遺傳信息的物質基礎, Genes are segments of DNA that code for polypeptide chains and RNAs. Beadle and Tatum concluded that a gene is a segment of genetic material that determines or codes for one enzyme: the one gene-one enzyme hypothesis. Later this concept was broadened to one gene-one polypeptide. The modern biochemical definition of a gene is even more precise. A gene is all the DNA that encodes the primary sequence of some final gene product, which can be either a polypeptide or an RNA.,基因的概念,三、DNA是遺傳信息的物質基礎,第三節(jié) RNA的結構與功能,Structure and Function of RNA,RNA與蛋白質共同負責基因的表達和表達過程的調控。 RNA通常以單鏈的形式存在，但有復雜的局部二級結構或三級結構。 RNA比DNA分子量小。 RNA的種類、大小和結構遠表現出多樣性。,RNA的種類、分布、功能,信使RNA(messenger RNA, mRNA)是合成蛋白質的模板。 不均一核RNA(hnRNA)含有內含子(intron)和外顯子(exon)。 外顯子是氨基酸的編碼序列，而內含子是非編碼序列。 hnRNA經過剪切后成為成熟的mRNA。,一、mRNA是蛋白質合成中的模板,成熟的mRNA由氨基酸編碼區(qū)和非編碼區(qū)構成。 5-末端的帽子(cap)結構和3-末端的多聚A尾(poly-A tail)結構。 從AUG 開始，每三個核苷酸為一組編碼了一個氨基酸，稱為三聯(lián)體密碼(codon)。,成熟的真核生物mRNA,帽子結構:m7GpppNm,（一）大部分真核細胞mRNA的5末端都以7-甲基鳥嘌呤-三磷酸核苷為起始結構,mRNA的帽結構可以與帽結合蛋白(cap binding protein，CBP)結合。,加帽過程,真核生物的mRNA 的3-末端轉錄后加上一段長短不一的聚腺苷酸（80-250A）。,（二）在真核生物mRNA的3末端有多聚腺苷酸結構,加尾過程,mRNA核內向胞質的轉位 mRNA的穩(wěn)定性維系 翻譯起始的調控,帽子結構和多聚A尾的功能,內含子 (intron),外顯子 (exon),（三）hnRNA的剪接,（三）mRNA加工成熟過程示意圖,卵清蛋白mRNA的成熟,（四）mRNA是蛋白質合成的模板,從mRNA分子5末端起的第一個AUG開始，每3個核苷酸為一組稱為密碼子(codon)或三聯(lián)體密碼(triplet code)。,AUG被稱為起始密碼子；決定肽鏈終止的密碼子則稱為終止密碼子（UAA, UAG, UGA）。,位于起始密碼子和終止密碼子之間的核苷酸序列稱為開放閱讀框(open reading frame, ORF)，決定了多肽鏈的氨基酸序列 。,轉運RNA (transfer RNA, tRNA)在蛋白質合成過程中作為各種氨基酸的載體, 將氨基酸轉呈給mRNA。 由7495核苷酸組成； 占細胞總RNA的15%； 具有很好的穩(wěn)定性。,二、tRNA是蛋白質合成中的氨基酸載體,（一）tRNA中含有多種稀有堿基,tRNA具有局部的莖環(huán)(stem-loop)結構或發(fā)卡(hairpin)結構。,（二）tRNA具有莖環(huán)結構,tRNA的二級結構 三葉草形,氨基酸臂 DHU環(huán) 反密碼環(huán) TC環(huán) 附加叉,tRNA的倒L三級結構,tRNA的3-末端都是以CCA結尾。 3-末端的A與氨基酸共價連結，tRNA成為了氨基酸的載體。 不同的tRNA可以結合不同的氨基酸。,（三）tRNA的3-末端連接氨基酸,tRNA的反密碼子環(huán)上有一個由三個核苷酸構成的反密碼子(anticodon)。 tRNA上的反密碼子依照堿基互補的原則識別mRNA上的密碼子。,（四）tRNA的反密碼子識別mRNA的密碼子,核蛋白體RNA (ribosomal RNA，rRNA)是細胞內含量最多的RNA(80)。 rRNA與核蛋白體蛋白結合組成核蛋白體(ribosome)，為蛋白質的合成提供場所。,三、以rRNA為組分的核蛋白體是蛋白質合成的場所,核蛋白體的組成,大腸桿菌的核蛋白體,18S rRNA的二級結構,蛋白質合成時形成的復合體,RNA組學(RNomics)研究細胞內snmRNA的種類、結構和功能, 不同時空狀態(tài)下snmRNAs表達譜的變化，以及與功能之間的關系。,四、snmRNA參與了基因表達的調控,細胞的不同部位存在的許多其他種類的小分子RNA，統(tǒng)稱為非mRNA小RNA(small non-messenger RNAs, snmRNAs)。,snmRNAs,核內小RNA snRNAs/snRNPs 核仁小RNA snoRNAs/snoRNPs 胞質小RNA scRNAs 催化性小RNA ribozyme/catalytic 小片段干涉 RNA siRNAs/RNAi 微小RNA miRNAs,snmRNAs的種類,核酶,某些小RNA分子具有催化特定RNA降解的活性，這種具有催化作用的小RNA亦被稱為核酶(ribozyme)或催化性RNA(catalytic RNA)。,siRNA是生物宿主對外源侵入的基因表達的雙鏈RNA進行切割所產生的特定長度和特定核酸序列的小片段RNA。 siRNA可以與外源基因表達的mRNA相結合，并誘發(fā)這些mRNA的降解。 基于此機理，人們發(fā)明了RNA干擾(RNA interference，RNAi)技術。,小片段干擾RNA,noncoding RNA, single strand about 22 bases complementary to particular mRNAs cleaving mRNA or suppressing translation Some are encoded in the introns of other genes targeting to 1/3 human mRNAs and regulating gene expression,miRNAs,原核生物基因表達的特異性,五、核酸在真核細胞和原核細胞中表現了不同的時空特性,真核生物基因表達的特異性,核酸的理化性質 The Physical and Chemical Characters of Nucleic Acid,第四節(jié),核酸的酸堿及溶解度性質 核酸為多元酸，具有較強的酸性。 核酸的高分子性質 粘度：DNARNA dsDNA ssDNA 沉降行為:不同構象的核酸分子的沉降的速率有很大差異，這是超速離心法提取和純化核酸的理論基礎。,核酸在波長 260nm 處有強烈的吸收，是由堿基的共軛雙鍵所決定的。這一特性常用作核酸的定性和定量分析。,一、核酸分子具有強烈的紫外吸收,堿基的紫外吸收光譜,DNA或RNA的定量 A260 = 1.0 相當于 50g/ml 雙鏈DNA(dsDNA) 40g/ml 單鏈DNA (ssDNA or RNA) 20g/ml 寡核苷酸 確定樣品中核酸的純度 純 DNA: A260/A280 = 1.8 純 RNA: A260/A280 = 2.0,紫外吸收的應用,二、DNA變性是雙鏈解離為單鏈的過程,在某些理化因素作用下，DNA雙鏈解開成兩條單鏈的過程。,定義,DNA變性 (denaturation)的本質是雙鏈間氫鍵的斷裂。,協(xié)同性的DNA解鏈,高溫或極端的pH,DNA的變性,部分變性DNA的電鏡圖像,增色效應(hyperchromic effect)：DNA變性時其溶液OD260增高的現象。,DNA解鏈