生物化学核酸的结构与功能.ppt

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1、第2章核酸的结构与功能,(常考点:核酸的组成键;DNA双螺旋结构;各种RNA的特点;核酸的理化性质),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。,核酸的分类及分布及功能,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,第一节核酸的化学组成及其一级结构(重点内容较少),（说明：红色字表示是这一节的重点内容）1、核酸的基本组成单位核苷酸（掌握DNA及RNA分子中的碱基种类；掌握戊糖与碱基通过糖苷键相连。）2、DNA是脱

2、氧核苷酸链（掌握核苷酸之间通过3/，5/-磷酸二酯键相连）3、RNA是核糖核苷酸链4、核酸的一级结构,本节主要内容：,核酸组成,一、核苷酸是构成核酸的基本组成单位,碱基(base)是含氮的杂环化合物。,碱基,嘌呤,嘧啶,腺嘌呤,鸟嘌呤,尿嘧啶,胸腺嘧啶,胞嘧啶,存在于DNA和RNA中,仅存在于RNA中,仅存在于DNA中,碱基,嘌呤(purine，Pu),腺嘌呤(adenine,A),鸟嘌呤(guanine,G),嘧啶(pyrimidine，Py),胞嘧啶(cytosine,C),尿嘧啶(uracil,U),胸腺嘧啶(thymine,T),戊糖,脱氧核苷,嘌呤N-9 或嘧啶N-1与脱氧核糖C-1

3、通过-N-糖苷键相连形成脱氧核苷(deoxyribonucleoside)。,嘌呤N-9或嘧啶N-1与核糖C-1通过-N-糖苷键相连形成核糖核苷(ribonucleoside)。,核糖核苷,N,N,N,N,9,N,H,2,O,O,H,O,H,H,H,H,C,H,2,O,H,H,1,2,糖苷键,核苷与磷酸通过酯键结合构成核苷酸(ribonucleotide)。,核苷酸(ribonucleotide),多磷酸核苷酸,环化核苷酸：cAMP、cGMP，是细胞信号转导中的第二信使。,cAMP,核苷酸衍生物,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

4、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。,C,G,A,交替的磷酸基团和戊糖构成了DNA的骨架(backbone)。,DNA链的方向是5 3,三、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。,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

5、,书写方法：,5 pApCpTpGpCpT-OH 3,5 A C T G C T 3,核酸分子的大小常用碱基(base或kilobase)数目来表示。小的核酸片段(50bp)常被称为寡核苷酸(oligonucleotide)。自然界中的DNA和RNA的长度可以高达几十万个碱基。,DNA和RNA的区别,第二节DNA的空间结构与功能（重点内容较多）,（说明：红色字表示是这一节的重点内容）1、DNA的二级结构-双螺旋结构（掌握Chargaff规则、DNA 双螺旋结构模型要点。）2、DNA的高级结构3、DNA的功能,本节主要内容：,DNA的空间结构又分为二级结构(secondary structure

6、)和高级结构。,DNA的空间结构(spatial structure),一、DNA的二级结构-双螺旋结构,不同生物种属的DNA的碱基组成不同同一个体的不同器官或组织的DNA碱基组成相同。A=T，G=C,Chargaff 规则,（一）DNA双螺旋结构的研究背景,获得了高质量的DNA分子的X射线衍射照片。,提出了DNA分子双螺旋结构(double helix)模型。,不同生物来源DNA碱基组分和相对比例,两条多聚核苷酸链在空间的走向呈反向平行(anti-parallel)。两条链围绕着同一个螺旋轴形成右手螺旋(right-handed)的结构。双螺旋结构的直径为2.37nm，螺距为3.54nm。脱

7、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(major groove)和一个小沟(minor groove)。,（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,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(complementary base pair)。DNA的两条链则互为互补链(complementary strand)。碱基对平面与螺旋轴垂直。,碱基互补配对:鸟嘌呤/胞嘧啶,碱基互补配对:腺嘌呤/胸腺嘧啶,大沟与小

8、沟,相邻两个碱基对会有重叠，产生了疏水性的碱基堆积力(base stacking interaction)。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。,碱基堆积作用力,DNA二级结构,（三）DNA双螺旋结构的多样性,三种DNA构型的比较,（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

9、成了CGC的三链结构(triplex)。,三链结构,鸟嘌呤之间通过Hoogsteen氢键形成特殊的四链结构(tetraplex)。,四链结构,真核生物DNA3-末端是富含GT的多次重复序列，因而自身形成了折叠的四链结构。,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。,（一）原核生物DNA的环状超螺旋结构,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。,DNA超螺旋结构的电镜图象,（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

10、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,DNA：约200bp 组蛋白：H1H2A，H2BH3H4,核小体的组成,核小体串珠样的结构,双链DNA的折叠和组装,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

11、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,（重点内容较多）,（说明：红色字表示是这一节的重点内容）1、mRNA（掌握hnRNA是mRNA的前体，hnRNA既有内含子又有外显子，mRNA有5/端的帽子及3/端尾巴，真核生物mRNA是单顺反子）2、tRNA（tRNA含有稀有碱基最多，二级三叶草形结构的组成）3、rRNA（原核生物核糖体大、小亚基rRNA的种类）4、snmRNA（核酶的化学本质是小分子RNA）,本节主要内容：,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

12、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

13、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:m7GpppGm,（一）大部分真核细胞mRNA的5末端都以三磷酸双鸟苷为起始结构,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,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；

14、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,转运RNA(transfer RNA,tRNA)在蛋白质合成过程中作为各种氨基酸的载体,将氨基酸转呈给mRNA。由7495核苷酸组成；占细胞总RNA的15%；具有很好的稳定性。,二、tRNA是蛋白质合成中的氨基酸载体,（一）tRNA中含有多种稀有碱基,tRNA具有局部的茎环(stem-loop)结构或发卡(hairpin)结构。,（二）tRNA具有茎环

15、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)，

16、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hn

17、RNA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)。,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（重点不多）,第四节,（说明：红色字表示是这一节的重点内容）1、核酸的紫外吸收性质（掌握核酸分子中的碱基可以吸收260nm的紫外光）2、DNA的变性（掌握变性伴随增色效应，同时核酸溶液的黏度下降，m值与DNA分子G+C含量呈正相关）3、复性及杂交,本节主要内容：

18、,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,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

19、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

20、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

21、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（了解）,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：53或35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

22、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,1996稀有核苷酸存在于下列哪一类核酸中？rRN mRN tRN 核仁N 线粒体N,1997A在核酸中，核苷酸之间的连接方式是 A2，3磷酸二酯键 B3，5磷酸二酯键 C2，5磷酸二酯键 D糖苷键E氢键,1998A不同的核酸分子其解链温度（Tm）不同，以下关于 Tm 的说法正确的是 ADNA 中 G-C 对比例愈高，Tm 愈高 BDNA 中 A-T 对比例愈高，Tm 愈高 C核酸愈纯，Tm 范围愈大 D核酸分子愈小，Tm 范围愈大 ETm 较高的核酸常常是 RNA,1999A下列几种 DNA 分子的碱基组

23、成比例各不相同，哪一种 DNA 的解链温度（Tm）最低？ADNA 中 A+T 含量占 15%BDNA 中 G+C 含量占 25%CDNA 中 G+C 含量占 40%DDNA 中 A+T 含量占 60%EDNA 中 G+C 含量占 70%,2000A下列关于 DNA 双螺旋结构模型的叙述正确的是 A由两条完全相同的多核苷酸链绕同一中心轴盘旋成双螺旋 B一条链是左手螺旋，另一条链为右手螺旋 CA 十 G 与 C 十 T 的比值为 1 DA 十 T 与 G 十 C 的比值为 1 E两条链的碱基间以共价键相连,2001A通常不存在 RNA 中也不存在 DNA 中的碱基是A腺嘌呤 B黄嘌呤 C鸟嘌呤 D

24、胸腺嘧啶 E尿嘧啶,2001X下列关于 tRNA 三叶草结构的叙述，正确的是 A5端第一个环是 DHU 环 B有一个密码子环 C有一个 T环 D3端具有相同的 CCAOH 结构,2005ADNA 受热变性时，出现的现象是 A.多聚核苷酸链水解成单核苷酸 B在 260 nm 波长处的吸光度增高 C碱基对以共价键连D溶液黏度增加 E最大光吸收峰波长发生转移,2006A下列关于 mRNA 的叙述，错误的是 A在细胞核内由 hnRNA 剪接而成 B真核生物 mRNA 有“帽子”和“多聚 A 尾”结构 C生物体中各种 mRNA 的长短不同，相差很大 D是各种 RNA 分子中半衰期最长的一类 E其功能是作为蛋白质合成的模板,2004A下列 DNA 双螺旋结构的叙述,正确的是 A一条链是左手螺旋,另一条链是右手螺旋 B双螺旋结构的稳定纵向靠氢键维系CA+Y 与 G+C 的比值为 1 D两条链的碱基间以共价键相连 E磷酸、脱氧核糖构成螺旋的骨架,下列DNA分子中，可以使Tm值达到最高的是：A、腺嘌呤和胸腺嘧啶含量为10%B、腺嘌呤和胸腺嘧啶含量为20%C、鸟嘌呤和胞嘧啶含量为30%D、鸟嘌呤和胞嘧啶含量为60%,27下列DNA分子中，可以使Tm值达到最高的是：A、腺嘌呤和胸腺嘧啶含量为10%B、腺嘌呤和胸腺嘧啶含量为20%C、鸟嘌呤和胞嘧啶含量为30%D、鸟嘌呤和胞嘧啶含量为60%,