第01章核酸的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)和功能PPT演示課件

核酸的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)與功能,第一章,StructureandFunctionofNucleicacid,1,第一節(jié)DNA的結(jié)構(gòu)與功能,一級結(jié)構(gòu)：DNA分子中脫氧單核苷酸的排列順序，又稱堿基序列,*一個1kb的基因，其可能的核苷酸排列順序有41000=10602種，而直徑10億光年的宇宙，基體積不過1084cm3或10108A。(見M.Eigen,Steps-TowardsLife,oxfordUniversitypress,1992),2,3,核苷酸是怎么連接的？核酸是由核苷酸聚合而成的多聚核苷酸（polynucleotide）。相鄰二個核苷酸之間的連接鍵即：3，5磷酸二酯鍵。這種連接可理解為核苷酸糖基上的3位羥基與相鄰5核苷酸的磷酸殘基之間形成的兩個酯鍵。多個核苷酸殘基以這種方式連接而成的鏈?zhǔn)椒肿泳褪呛怂?。無論是DNA還是RNA，其基本結(jié)構(gòu)都是如此，故又稱DNA鏈或RNA鏈。,4,phosphodiesterbonds,5,（一）DNA的一級結(jié)構(gòu)與功能1.DNA一級結(jié)構(gòu)中貯存的生物遺傳信息DNA是雙螺旋的生物大分子。生物信息絕大部分都貯存在DNA分子中。這些信息以核苷酸不同的排列順序編碼在DNA分子上，核苷酸排列順序變了，它的生物學(xué)含義也就不同了。DNA的一級結(jié)構(gòu)就是指核苷酸在DNA分子中的排列順序。因此測定DNA的堿基排列順序是分子生物學(xué)的基本課題之一。,功能-遺傳信息的載體,6,基因-表現(xiàn)生物學(xué)功能調(diào)控基因-基因選擇性表達的信息,DNA攜帶兩類遺傳信息,7,二級結(jié)構(gòu)-雙螺旋模型,背景Avery證明DNA為遺傳物質(zhì)DNA為什么能作為遺傳信息的載體，它是什么樣的結(jié)構(gòu)？,8,（一）DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)及其意義,1、雙螺旋結(jié)構(gòu)模型建立前人所作的貢獻Chargaff研究小組確定堿基組成規(guī)律。Franklin和Wilkins等人，發(fā)現(xiàn)了DNA晶體的X線衍射圖譜Watson和Crick兩位科學(xué)家于1953年提出DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型,9,JamesWaston,FrancisCrick,RosalindFranklin,MauriceWilkins,1962:NobelPrizeinPhysiologyandMedicine,10,Chargaff研究小組的貢獻,19501953，Chargaff研究小組對DNA的化學(xué)組成進行了分析研究，發(fā)現(xiàn)：DNA堿基組成有物種差異，且物種親緣關(guān)系越遠，差異越大；相同物種，不同組織器官中DNA堿基組成相同，而且不因年齡、環(huán)境及營養(yǎng)而改變；,11,DNA分子中四種堿基的摩爾百分比具有一定的規(guī)律性，即A=T、G=C、A+G=T+C。這一規(guī)律被稱為Chargaff規(guī)則。根據(jù)該規(guī)律、已知DNA分子中某一種堿基的百分?jǐn)?shù)、可以推導(dǎo)其他三種堿基的百分?jǐn)?shù)。,12,13,1953年由Franklin和Wilkins等人完成的研究工作，發(fā)現(xiàn)了DNA晶體的X線衍射圖譜中存在兩種周期性反射，并證明DNA是一種螺旋構(gòu)象。DNA結(jié)晶體X衍射圖象，成為“解決生命奧秘的鑰匙”、這張照片表明DNA是一種可用簡單方法來測定的有規(guī)則的結(jié)構(gòu)，因為它能結(jié)晶。,14,X-raysource,CrystallizedDNA,MauriceWilkins,DNA晶體的X線衍射圖譜中存在兩種周期性反射，并證明DNA是一種螺旋構(gòu)象。,15,16,Watson和Crick兩位科學(xué)家在前人工作基礎(chǔ)上、于1953年提出來DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型。這個模型至少要下列解決問題：第一、模型要反映出具有攜帶和傳遞遺傳信息的功能；第二，模型能說明DNA自我復(fù)制機制；第三，模型能說明引起生物突變的原因；第四，模型必須符合化學(xué)規(guī)律（堿基規(guī)律）,17,1953J.D.Watson和F.H.C.Cric在Nature發(fā)表DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)模型。twopolynucleotidechainsaretwistingaroundeachotherintheformofadoublehelix.1963Watson、Crick和Wilkins同獲諾貝爾生理獎/醫(yī)學(xué)獎,18,B型雙螺旋模型結(jié)構(gòu)要點,1、雙鏈、平行、反向2、雙鏈以氫鍵相連-堿基互補配對原則3、右手螺旋4、維持力-氫鍵堿基堆積力其他,19,思考,DNA雙鏈越長越穩(wěn)定，還是越短越穩(wěn)定？DNA在鹽溶液中穩(wěn)定，還是在水溶液中穩(wěn)定？,20,B-DNA螺旋：標(biāo)準(zhǔn)的Watson,Crick雙螺旋，92%相對濕度的鈉鹽中的構(gòu)型A-DNA螺旋：DNA在75%相對濕度的鈉鹽中的構(gòu)型。C-DNA螺旋：DNA在66%相對濕度的鋰鹽中的構(gòu)型。Z-DNA螺旋：左手的DNA螺旋，這種螺旋模型可能可能在基因調(diào)控中起作用。,3、DNA的類型（DNA二級結(jié)構(gòu)多樣性）,21,不同DNA纖維的空間結(jié)構(gòu),22,1979年，美國麻省理工學(xué)院A.Rich等從d(GCGCGC)d的脫氧6個核苷酸X線衍射結(jié)果發(fā)現(xiàn)，該片段以左手螺旋存在于結(jié)晶中，并提出了左手螺旋的Z-DNA模型。目前已知DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)可分為A、B、C、D及Z型等數(shù)種，除Z型為左手雙螺旋外，其余均為右手雙螺旋。,左手螺旋DNA,23,24,天然細胞中DNA多為B型構(gòu)象，且B型構(gòu)象的DNA活性最高。但是在細胞中也存在其他構(gòu)象的DNA，且二級結(jié)構(gòu)和高級結(jié)構(gòu)之間存在相互轉(zhuǎn)化，始終處在一個動力學(xué)平衡之中。,25,三鏈結(jié)構(gòu)單鏈DNA與雙鏈DNA分子中堿基發(fā)生相互作用、通過雙鏈DNA的大溝的非堿基配對自發(fā)形成三鏈結(jié)構(gòu)、含有同聚嘌呤-同聚嘧啶的鏡象序列可形成三螺旋結(jié)構(gòu)(Hoogsteen螺旋)、稱為H-螺旋。該螺旋常處在許多真核細胞基因的表達調(diào)節(jié)區(qū)?？赡芘c基因表達的調(diào)節(jié)有關(guān).,4、其他類型DNA,26,27,四鏈DNA雙鏈DNA之間相互作用形成四鏈結(jié)構(gòu)、鳥嘌呤可形成堿基四聚體。意義：可能存在于真核細胞染色體的端粒中,28,DNA分子中存在翻轉(zhuǎn)重復(fù)序列、相互配對形成十字架或發(fā)夾結(jié)構(gòu),十字架結(jié)構(gòu),29,雙鏈回文序列可形成十字架結(jié)構(gòu),30,（三）DNA的三級結(jié)構(gòu)DNA的三級結(jié)構(gòu)指雙螺旋鏈的扭曲。趨螺旋是DNA三級結(jié)構(gòu)的一種形式，DNA在核小體中的扭曲方式也是一種趨螺旋結(jié)構(gòu)。超螺旋的生物學(xué)意義可能是：1.使DNA分子體積變小，對其在細胞的包裝過程有利。（2.21011公里,2.2109公里,100倍）2.影響雙螺旋的解鏈過程,從而影響DNA分子與其它分子(如酶、蛋白質(zhì)、核酸)之間的相互作用。,31,DNA超螺旋結(jié)構(gòu),DNA三級結(jié)構(gòu)為超螺旋結(jié)構(gòu)超螺旋按其方向分為正超螺旋和負超螺旋兩種。真核生物中，DNA與組蛋白八聚體形成核小體結(jié)構(gòu)時，存在著負超螺旋。研究發(fā)現(xiàn)，所有的DNA超螺旋都是由DNA拓撲異構(gòu)酶產(chǎn)生的。,32,33,（四）DNA作為遺傳物質(zhì)的主要優(yōu)點1.信息量大，可以縮微；2.表面互補，電荷互補，雙螺旋結(jié)構(gòu)說明了精確復(fù)制機理；3.核糖的2脫氧，在水溶液中穩(wěn)定性好；4.可以突變，以求進化（突變對個體是不幸的，進化對群體是有利的）；5.有T無U，基因組得以增大，而無C脫氨基成U帶來的潛在危險。（尿嘧啶DNA糖苷酶可以靈敏識別DNA中的U而隨時將其剔除）。然而，如果DNA是最初的遺傳物質(zhì)，那么由于DNA復(fù)制需要酶，而酶是蛋白質(zhì)，蛋白質(zhì)又是由DNA的核苷酸序列編碼的，這就成了一個雞生蛋、蛋生雞的問題。80年代發(fā)現(xiàn)RNA擬酶，這個問題才得到解決。,34,RNA作為遺傳物質(zhì)RNA擬酶集信息傳遞作用和酶學(xué)催化作用于一身，很可能是最初的遺傳物質(zhì)。在這個基礎(chǔ)上，一個RNA世界到RNA蛋白質(zhì)世界，由RNA蛋白質(zhì)世界到DNA世界的進化圖景，已被科學(xué)界廣泛接受。但RNA作為最初遺傳物質(zhì)的設(shè)想，仍然有許多疑難。其中最大的疑難是RNA本身的起源問題。蛋白質(zhì)因其缺乏遺傳表面，而且遺傳嗅覺不靈敏，不能作為遺傳物質(zhì)，早已成為定論。,35,第二節(jié)RNA的結(jié)構(gòu)與功能,一級結(jié)構(gòu)通常為單鏈，局部可形成雙鏈結(jié)構(gòu),核酸是生物體的主要高分子互化合物，它儲存著生物體全部遺傳信息，是基因表達不可缺少的基礎(chǔ)物質(zhì)。除DNA外，在生物體中還存在著另一類核酸RNA。RNA有許多種，它們具有不同的生物學(xué)功能。,36,（一）mRNAmRNA占細胞RNA總量的1%5%，分子量范圍幾百2萬個核苷酸，變化大（RT/PCR）。原核和真核生物mRNA的結(jié)構(gòu)不同。,由間隔區(qū)轉(zhuǎn)錄得到非編碼區(qū)廣泛存在于原核生物mRNA中（如RBS）。真核生物mRNA轉(zhuǎn)錄后加工,戴帽安尾。,37,*順反子（cistron）一段可供偏碼的結(jié)構(gòu)基因,是能夠編碼合成多肽的DNA的最小單位，遺傳的功能單位，由互補互析決定。由結(jié)構(gòu)基因轉(zhuǎn)錄生成的RNA序列亦稱為順反子。單順反子（monocistron）真核的結(jié)構(gòu)基因（及mRNA）是單順反子，一個蛋白基因為一個轉(zhuǎn)錄單位。多順反子（polycistron）原核的結(jié)構(gòu)基因（mRNA）是多順反子，多個蛋白基因串在一起為一個轉(zhuǎn)錄單位。*帽子結(jié)構(gòu)中的核苷酸大多數(shù)為7甲基鳥苷（m7G）.在其后面第2和第3個核苷酸的核糖第2位羥基上有時也甲基化。因此通常帽子的結(jié)構(gòu)可見3種類型：帽子0型m7G（5）PPP（5）NP.帽子1型m7G（5）PPP（5）NmpNP.帽子2型m7G（5）PPP（5）NmPNmPNP.,38,（二）tRNAtRNA的結(jié)構(gòu)相當(dāng)保守，各種物種的tRNA均含有7393個核苷酸，tRNA均有三葉草型的二級結(jié)構(gòu)和L狀的三級結(jié)構(gòu)。一端是CCA結(jié)合氨基酸部位，另一端為反密碼子環(huán)。tRNA通曉mRNA的核苷酸語言和蛋白質(zhì)的氨基酸語言（AARS），是蛋白質(zhì)翻譯的譯員。,39,（三）rRNArRNA與核糖體蛋白共同構(gòu)成核糖體，后者是蛋白質(zhì)合成的場所。核糖體的組成,一切生物的遺傳密碼都要在核糖體上翻譯。病毒本身沒有核糖體，其mRNA要靠宿主細胞的核糖體來翻譯。核糖體蛋白如何識別rRNA上的結(jié)合位點，如何和rRNA結(jié)合，不同核糖體蛋白彼此如何識別，怎樣互相聯(lián)結(jié)，組裝成為功能性的核糖體，尚在研究之中。目前只知道彼此所處的相對位置，聯(lián)結(jié)的細節(jié)不明。,40,（四）具有催化活性的RNA（核酶，ribozyme）1.1981年，Cech等人研究四膜蟲（能自我拼接rRNA）時發(fā)現(xiàn)核酶。2.分類（1）異體催化的剪切型（如RNaseP一種核酸內(nèi)切酶）。（2）自體催化的剪切型（如植物類病毒）。（3）內(nèi)含子的自我剪切型（如四膜蟲大核26SrRNA前體）。3.生理功用絕大部分核酶參入RNA的加工和成熟。4.反應(yīng)機理RNA為什么能成為催化中心？催化中心無非是提供一個表面，讓參加反應(yīng)的基團靠近并形成固定不變的空間關(guān)系，蛋白質(zhì)以其側(cè)鏈基團的多樣性構(gòu)成現(xiàn)代生物細胞中絕大部分的酶。然而，RNA分子能夠以其分子的空間構(gòu)型產(chǎn)生鍵的斷裂和生成所必須的環(huán)境。催化RNA（R）和底物RNA（S）之間的堿基配對可能是產(chǎn)生這種環(huán)境的主要因素。,41,5.現(xiàn)實意義（1）對研究生命起源和進化有意義先有DNA還是還先有RNA抑或是蛋白質(zhì)？雞生蛋，蛋生雞？上個世紀(jì)80年代已“定論”，很可能在原始生命中，RNA催化的斷裂連接反應(yīng)是最早出現(xiàn)的催化的過程?？茖W(xué)家推測在生命早期存在一個RNAworld。進化中RNA的催化功能交給了蛋白質(zhì)，而遺傳性息載體的功能交給了DNA。（2）對傳統(tǒng)酶學(xué)提出挑戰(zhàn)蛋白酶取代核酶，絕大部分酶的化學(xué)本質(zhì)是蛋白質(zhì)（側(cè)鏈基團多樣性，核酸無側(cè)鏈）。（3）抗病毒核酸，抗腫瘤核酸，基因治療中的應(yīng)用前景。,42,第六節(jié)病毒核酸,按照細胞的特征(自我裝配、自我調(diào)節(jié)、自我復(fù)制)病毒既不是真核細胞，也不是原核細胞，它只是具有部分生命特征的感染物。是一類亞顯微專屬性的細胞內(nèi)寄生物。,一、病毒的基本概念：,43,病毒必須依賴宿主細胞進行繁殖，它在細胞中復(fù)制和裝配是靠細胞的代謝活動來完成的。在細胞內(nèi)組裝成熟后釋放到細胞外，感染其它細胞。,病毒概念的限定：,病毒粒子由蛋白質(zhì)外殼與內(nèi)部核酸構(gòu)成；病毒粒子是由預(yù)先形成的組分裝配而成的；病毒自身不具備能量代謝的遺傳信息；病毒自身不具備物質(zhì)代謝的遺傳信息。,病毒外殼蛋白質(zhì)的作用：一是保護核酸，防止被核酸酶破壞；二是識別宿主細胞，幫助病毒感染細胞。,44,根據(jù)病毒所含核酸的性質(zhì)和狀態(tài)不同分六類：雙鏈DNAmRNA蛋白質(zhì)單鏈DNADNAmRNA蛋白質(zhì)雙鏈RNAmRNA蛋白質(zhì)單鏈RNARNAmRNA蛋白質(zhì)單鏈RNAmRNA蛋白質(zhì)單鏈RNADNADNAmRNA蛋白質(zhì),病毒的分類：根據(jù)寄生的宿主不同分三類：動物病毒、植物病毒、細菌病毒（噬菌體）。,45,無外殼蛋白，僅有傳染性的環(huán)狀RNA分子稱為類病毒(viroid)。類病毒主要在植物中引起一些疾病。,無基因組，而僅由蛋白質(zhì)組成的傳染因子稱為朊病毒(prions)。也稱侵染性蛋白質(zhì)或蛋白質(zhì)感染因子。如瘋牛病、腦軟化病、人紋狀體脊髓變性病的感染因子。,兩類特殊的病毒：,46,病毒核酸分子大小差別很大，一般在1030nm之間，3kb300kb不等。,二、病毒核酸的一般特征,病毒核酸存在形式多樣：如單鏈RNA，雙鏈RNA，單鏈DNA，雙鏈DNA。,病毒核酸形狀有線狀和環(huán)狀兩種。,47,病毒基因組具有操縱子結(jié)構(gòu),。,噬菌體基因組中無內(nèi)含子，但動物病毒的基因組中具有內(nèi)含子。,病毒基因組織有重疊基因的存在。,病毒核酸分正、負鏈：正鏈病毒（能起mRNA作用）負鏈病毒（互補鏈作為mRNA）,48,三、DNA病毒的核酸結(jié)構(gòu),線形雙鏈DNA病毒的