核酸的結(jié)構(gòu)和功能課件

1、第 二 章核酸的結(jié)構(gòu)和功能核 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。核酸的分類及分布 存在于細(xì)胞核和線粒體內(nèi)。存在于胞核、胞液和線粒體。(deoxyribonucleic acid, DNA)(ribonucleic acid, RNA)脫氧核糖核酸 核糖核酸攜帶遺傳信息，決定細(xì)胞和個(gè)體的遺傳型(genotype)。參與遺傳信息的復(fù)制與表達(dá)。某些病毒RNA也可作為遺傳信息的載體。第一節(jié)核酸的化學(xué)組成及一級結(jié)構(gòu)核酸的基本組成單位是核苷酸 (nucleotide)。堿基戊糖磷酸核苷酸核苷核酸DNA的基本組成單位是脫氧核糖核苷酸 。RNA的基本組成

2、單位是核糖核苷酸 。嘌呤 嘧啶 堿基腺嘌呤（A）鳥嘌呤（G）胞嘧啶（C）胸腺嘧啶（T）尿嘧啶（U）DNA、RNA均有DNA有RNA有一、核苷酸的結(jié)構(gòu)每種核酸都含有四種堿基 。嘌呤(purine) 腺嘌呤(adenine, A)鳥嘌呤(guanine, G)堿 基嘧啶(pyrimidine)胞嘧啶(cytosine, C)尿嘧啶(uracil, U)胸腺嘧啶(thymine, T) 五種堿基都能形成酮式-烯醇式或氨基-亞氨基的互變異構(gòu)。這兩種異構(gòu)體的平衡關(guān)系受介質(zhì)酸堿環(huán)境的影響。 戊 糖（構(gòu)成RNA）核糖(ribose)（構(gòu)成DNA）脫氧核糖(deoxyribose)堿基和核糖（或脫氧核糖）通過

3、糖苷鍵連接形成核苷(nucleoside) （或脫氧核苷）。核苷酸：AMP, GMP, UMP, CMP脫氧核苷酸：dAMP, dGMP, dTMP, dCMP 核苷（脫氧核苷）和磷酸以酯鍵連接形成核苷酸（脫氧核苷酸）。 多磷酸核苷酸： NMP，NDP，NTP 環(huán)化核苷酸: cAMP，cGMP二、核酸的一級結(jié)構(gòu)定義核酸中核苷酸的排列順序。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。5端3端核苷酸之間以3 , 5 -磷酸二酯鍵連接形成多核苷酸鏈，即核酸。CGA書寫方法 DNA 與RNA的區(qū)別核酸堿基戊糖DNAA、G、C、T脫氧核糖RNAA、G、C、U核糖核酸一級結(jié)構(gòu)思考題1. 構(gòu)成核酸

4、的基本單位是什么？ 答：核苷酸。2. 核苷酸通過什么鍵連接成高分子？答：3,5-磷酸二酯鍵。3.DNA與RNA一級結(jié)構(gòu)的主要區(qū)別有哪些？答：有兩點(diǎn)：A.核糖不同。DNA，2脫氧核糖；RNA，核糖。B.堿基不同。DNA，ATGC；RNA，AUGC。第二節(jié)DNA的空間結(jié)構(gòu)與功能一、 DNA的二級結(jié)構(gòu)雙螺旋結(jié)構(gòu)（一）DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的研究背景 堿基組成分析Chargaff 規(guī)則：A = T G = C 堿基的理化數(shù)據(jù)分析A-T、G-C以氫鍵配對較合理 DNA纖維的X-線衍射圖譜分析 已知的核酸化學(xué)數(shù)據(jù)（二） DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型要點(diǎn) 1. 兩條鏈反向平行，圍繞同一中心軸構(gòu)成右手雙螺旋 (double

5、 helix)。螺旋直徑2nm，表面有大溝和小溝。2. 磷酸-脫氧核糖骨架位于螺旋外側(cè)，堿基垂直于螺旋軸而伸入內(nèi)側(cè)。每圈螺旋含10個(gè)堿基對 (bp)，螺距為3.4nm。堿基平面與縱軸垂直，糖環(huán)平面與縱軸平行3. 兩條鏈通過堿基間的氫鍵相連，A對T有兩個(gè)氫鍵，C對G有三個(gè)氫鍵，這種A-T、C-G配對的規(guī)律，稱為堿基互補(bǔ)規(guī)則。4. 維持雙螺旋穩(wěn)定的因素：橫向?yàn)闅滏I，縱向?yàn)閴A基間的堆積力。堿基互補(bǔ)配對 TAGC（三）DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的多樣性Z型DNAB型DNAA型DNA二、DNA的超螺旋結(jié)構(gòu)及其在染色質(zhì)中的組裝（一）DNA的超螺旋結(jié)構(gòu)超螺旋結(jié)構(gòu)(superhelix 或supercoil)DNA雙螺

6、旋鏈再盤繞即形成超螺旋結(jié)構(gòu)。 正超螺旋(positive supercoil)盤繞方向與DNA雙螺旋方同相同 負(fù)超螺旋(negative supercoil)盤繞方向與DNA雙螺旋方向相反 意義DNA超螺旋結(jié)構(gòu)整體或局部的拓?fù)鋵W(xué)變化及其調(diào)控對于DNA復(fù)制和RNA轉(zhuǎn)錄過程具有關(guān)鍵作用。 （二）原核生物DNA的高級結(jié)構(gòu)（三）DNA在真核生物細(xì)胞核內(nèi)的組裝真核生物染色體由DNA和蛋白質(zhì)構(gòu)成，其基本單位是 核小體(nucleosome)。核小體的組成DNA：約200bp 組蛋白：H1H2A，H2BH3H4串珠狀核小體結(jié)構(gòu)串珠狀核小體DNA雙螺旋片段染色質(zhì)纖維伸展形染色質(zhì)片段密集形染色質(zhì)片段整個(gè)染色體核

7、小體螺線管真核生物染色體DNA組裝三、DNA的功能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(fù)制和轉(zhuǎn)錄的模板。它是生命遺傳的物質(zhì)基礎(chǔ)，也是個(gè)體生命活動的信息基礎(chǔ)?；驈慕Y(jié)構(gòu)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。 DNA高級結(jié)構(gòu)思考題1.DNA雙螺旋B型結(jié)構(gòu)是怎樣的？兩條鏈反向平行右手螺旋核糖、磷酸構(gòu)成的主鏈在外，堿基在內(nèi)堿基A-T,G-C配對每10個(gè)核苷酸完成1個(gè)360螺旋螺距3.4nm寬度2.0nm形成1大溝和1小溝結(jié)構(gòu)的維持力是氫鍵與堿基堆積力2.構(gòu)成染色質(zhì)的基本單位是什么？答：核小體3.構(gòu)成核小體核心顆粒的蛋白質(zhì)有哪些？答：組蛋白H2A、H

8、2B、H3及H4各兩分子。4.核小體DNA的長度是多少？答：約200bp。5.原核生物DNA的立體結(jié)構(gòu)是怎樣的？答：一般為環(huán)狀雙螺旋。在一定條件下可形成超螺旋。第三節(jié) RNA的結(jié)構(gòu)與功能動物細(xì)胞內(nèi)主要RNA的種類及功能一 、信使RNA的結(jié)構(gòu)與功能hnRNA 內(nèi)含子(intron)mRNA * mRNA成熟過程 外顯子(exon)* mRNA結(jié)構(gòu)特點(diǎn)1. 大多數(shù)真核mRNA的5末端均在轉(zhuǎn)錄后加上一個(gè)7-甲基鳥苷，同時(shí)第一個(gè)核苷酸的C2也是甲基化，形成帽子結(jié)構(gòu)：m7GpppNm-。2. 大多數(shù)真核mRNA的3末端有一個(gè)多聚腺苷酸 (polyA)結(jié)構(gòu)，稱為多聚A尾。帽子結(jié)構(gòu)mRNA核內(nèi)向胞質(zhì)的轉(zhuǎn)位m

9、RNA的穩(wěn)定性維系翻譯起始的調(diào)控 帽子結(jié)構(gòu)和多聚A尾的功能mRNA的功能：作為蛋白質(zhì)合成的模板。* tRNA的一級結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 含稀有堿基較多 3末端為 CCA-OH 5末端大多數(shù)為G 由7090個(gè)核苷酸組成二、轉(zhuǎn)運(yùn)RNA的結(jié)構(gòu)與功能 稀有堿基 * tRNA的二級結(jié)構(gòu)三葉草形氨基酸臂額外環(huán)* tRNA的三級結(jié)構(gòu) 倒L形* tRNA的功能活化、搬運(yùn)氨基酸到核糖體，參與蛋白質(zhì)的翻譯。* rRNA的結(jié)構(gòu)三、核蛋白體RNA的結(jié)構(gòu)與功能* rRNA的功能參與組成核蛋白體，作為蛋白質(zhì)生物合成的場所。原核生物核糖體的亞基組成原核生物核蛋白體真核生物核蛋白體tRNA functions as a amino ac

10、id transfer in protein biosynthesis. 四 、其他小分子RNA及RNA組學(xué)除了上述三種RNA外，細(xì)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)。 snmRNAssnmRNAs的種類核內(nèi)小RNA (snRNA)核仁小RNA (snoRNA)胞質(zhì)小RNA (scRNA)催化性小RNA小片段干擾 RNA (siRNA) snmRNAs的功能參與hnRNA和rRNA的轉(zhuǎn)錄后加工和轉(zhuǎn)運(yùn)以及基因表達(dá)過程的調(diào)控等。核酸的理化性質(zhì)第 四 節(jié)一、核酸的一般理化性質(zhì)核酸為多元酸，具有較

11、強(qiáng)的酸性；DNA是線性高分子，粘度極大； 在260nm波長有最大吸收峰，是由堿基的共軛雙鍵決定的。這一特性常用作核酸的定性、定量分析。1. DNA或RNA的定量OD260=1.0相當(dāng)于50 g/ml雙鏈DNA40 g/ml單鏈DNA（或RNA）20 g/ml寡核苷酸2.判斷核酸樣品的純度DNA純品: OD260/OD280 = 1.8RNA純品: OD260/OD280 = 2.0OD260的應(yīng)用二、DNA的變性(denaturation)定義：在某些理化因素作用下，DNA雙鏈解開成兩條單鏈的過程。變性因素：過量酸，堿，加熱等。變性后理化性質(zhì)的主要改變：OD260增高粘度下降DNA變性的本質(zhì)是

12、雙鏈間氫鍵的斷裂DNA的紫外吸收光譜增色效應(yīng)：DNA變性時(shí)其溶液OD260增高的現(xiàn)象。解鏈曲線：在連續(xù)加熱DNA的過程中以溫度對A260值作圖，所得的曲線稱為解鏈曲線。 Tm：紫外光吸收值達(dá)到最大值的50%時(shí)的溫度稱為DNA的解鏈溫度，又稱融解溫度(melting temperature, Tm)。其大小與G+C含量成正比。三、DNA的復(fù)性與分子雜交 DNA復(fù)性(renaturation)的定義在適當(dāng)條件下，變性DNA的兩條互補(bǔ)鏈可恢復(fù)天然的雙螺旋構(gòu)象，這一現(xiàn)象稱為復(fù)性。減色效應(yīng)DNA復(fù)性時(shí)，其溶液OD260降低。熱變性的DNA經(jīng)緩慢冷卻后即可復(fù)性，這一過程稱為退火(annealing) 。

13、熱變性的DNA在復(fù)性過程中，具有堿基序列部分互補(bǔ)的不同的DNA之間或DNA與RNA之間形成雜化雙鏈的現(xiàn)象。核酸分子雜交 (hybridization)：變性復(fù)性復(fù)性核酸分子雜交的應(yīng)用研究DNA分子中某一種基因的位置定兩種核酸分子間的序列相似性檢測某些專一序列在待檢樣品中存在與否是基因芯片技術(shù)的基礎(chǔ) 第五節(jié) 核 酸 酶 核酸酶是指所有可以水解核酸的酶依據(jù)底物不同分類DNA酶(deoxyribonuclease, DNase) RNA酶 (ribonuclease, RNase) 依據(jù)切割部位不同分類核酸內(nèi)切酶： 限制性核酸內(nèi)切酶 非特異性核酸內(nèi)切酶核酸外切酶：53或35核酸外切酶。參與DNA的合成與修復(fù)及RNA合成后的剪接等重要基因復(fù)制和基因表達(dá)過程 負(fù)責(zé)清除多余的、結(jié)構(gòu)和功能異常的核酸，同時(shí)也