生化-第2章-核酸生化-2010.ppt

第二章核酸的結(jié)構(gòu)和功能StructureandfunctionofNucleicAcid 核酸 nucleicacid 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 第一節(jié)概述 1868 瑞士外科醫(yī)生FridrichMiescher從膿細(xì)胞的核中分離 稱核素 1939 1952 研究核酸的功能OswaldAvery研究小組發(fā)現(xiàn) 非致病性肺炎球菌 致病性肺炎球菌的DNA 非致病性肺炎球菌均有致病性 核酸的種類 分布和功能 第二節(jié)核酸的的基本結(jié)構(gòu)單位 核苷酸 元素組成 C H O N P等 P含量最穩(wěn)定 9 10 核酸的定量 與蛋白質(zhì)相比不含S 核酸的基本結(jié)構(gòu)單位 核苷酸 nucleotide 核酸 DNA和RNA 是由多個單核苷酸聚合而成的多聚核苷酸 polynucleotides 核酸 核苷酸 水解 核酸的基本結(jié)構(gòu)單元是核苷酸 核苷酸水解成核苷和磷酸 而核苷又水解戊糖和堿基 核苷酸的組成及結(jié)構(gòu)磷酸戊糖堿基 嘧啶 嘌呤 一 堿基 base 含氮雜環(huán)化合物 1 2 3 4 5 6 7 8 9 嘌呤 腺嘌呤adenine A 鳥嘌呤guanine G 2種嘌呤 嘧啶 1 2 3 4 5 6 H 胞嘧啶Cytosine C 尿嘧啶uracil U H H 胸腺嘧啶thymine T 3種嘧啶 腺嘌呤 A 鳥嘌呤 G 胞嘧啶 C 胸腺嘧啶 T DNA 尿嘧啶 U RNA D 2 核糖 D 2 脫氧核糖 O 核糖 Ribose 構(gòu)成RNA 脫氧核糖 Deoxyribose 構(gòu)成DNA 二 戊糖 堿基 戊糖 核苷 二者以糖苷鍵相連 三 核苷 nucleoside 核苷 脫氧核苷 糖苷鍵 糖苷鍵 腺苷 尿苷 戊糖 四 核苷酸 nucleotide 核苷 磷酸 以磷酯鍵相連 5 核苷酸 5 脫氧核苷酸 酯鍵 酯鍵 戊糖 堿基 磷酸 H2O H2O 堿基 磷酸 戊糖 糖苷鍵 酯鍵 對DNA為H 五 體內(nèi)重要的游離核苷酸及其衍生物 1 多磷酸核苷酸NDPNTP A G C U dNDPdNTP A G C T P O 腺苷 5 磷酸 O M 單D 二T 三P 磷酸 堿基 核苷 5 脫氧核苷酸 AGCT 脫氧腺苷脫氧鳥苷脫氧胞苷胸苷 脫氧腺苷酸 dAMP 脫氧鳥苷酸 dGMP 脫氧胞苷酸 dCMP 脫氧胸苷酸 dTMP DNA 核苷酸的命名 核苷酸名稱中的縮寫符號 DNA RNA組成異同 DNA與RNA結(jié)構(gòu)相似 但在組成成份上略有不同 功能能量物質(zhì)ATP 能量 貨幣 UTP 糖的合成 GTP 蛋白質(zhì)和嘌呤的合成 CTP 磷脂的合成 合成核酸的原料NTP RNA dNTP DNA 2 環(huán)化核苷酸 3 5 環(huán)化腺苷酸cAMP 3 5 環(huán)化鳥苷酸cGMP 第二信使參與體內(nèi)代謝調(diào)節(jié)和細(xì)胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo) 3 含核苷酸的生物活性物質(zhì) 輔酶I NAD 輔酶II NADP 輔酶A CoA SH 黃素腺嘌呤二核苷酸 FAD 均含腺苷酸 AMP 參與生物氧化 物質(zhì)代謝 六 多核苷酸的連接及表示方式 polynucleotides 核酸 DNA和RNA 是由多個單核苷酸通過3 5 磷酸二酯鍵相連而成的多聚核苷酸長鏈 核苷酸的多少和排列順序不同 但連接方式一樣 寡聚核苷酸 oligonucleotides 50bp 脫H2O酯鍵相連 3 5 磷酸二酯鍵 5 磷酸端 常用5 P表示 3 羥基端 常用3 OH表示 核苷酸鏈具有方向性 當(dāng)表示一個核苷酸鏈時 必須注明它的方向是5 3 或是3 5 核酸的一級結(jié)構(gòu)的表示方法有三種 5 3 結(jié)構(gòu)式 1 結(jié)構(gòu)式表示法 2 線條式表示法 3 文字式表示法 線條式 文字表示 5 pApTpGpCpA3 或5 ATGCA3 核酸的基本結(jié)構(gòu)單位 核苷酸 nucleotide 小結(jié) 堿基 戊糖 磷酸 核苷酸 核苷酸的其他形式 多磷酸核苷 NDP NTP 環(huán)化核苷酸 cAMP cGMP等 輔酶或輔基 NAD NADP FAD CoA等 1 核苷酸的連接方式 3 5 磷酸二酯鍵 末端 5 端 3 端多核苷酸鏈的方向 5 端 3 端 由左至右 多核苷酸之間的連接和表示方式 polynucleotide 2 表示方法有三種 第三節(jié)DNA分子的結(jié)構(gòu)與功能 一 核酸的一級結(jié)構(gòu) primarystructure概念 核苷酸或脫氧核苷酸的排列順序和連接方式 又可指堿基的排列順序 即DNA序列 sequence DNA分子的一級結(jié)構(gòu)儲存了大量的遺傳信息 4n 核酸分子的大小 base kilobase或者bp kbp basepair kilobasepair 表示 二 DNA的二級結(jié)構(gòu) 雙螺旋結(jié)構(gòu)模型 一 DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)研究的背景1 DNA是遺傳的物質(zhì)基礎(chǔ)2 Chargaff原則3 DNA分子X射線衍射分析4 雙螺旋結(jié)構(gòu)模型的建立 1950年前后 ErwinCharggff等人采用紙層析及紫外吸收技術(shù)測定了多種生物體DNA的堿基組成 不同來源的DNA堿基組成 摩爾 DNA來源腺嘌呤胸腺嘧啶鳥嘌呤胞嘧啶人30 430 119 619 9綿羊23 928 721 120 9公牛29 028 721 221 2大鼠28 628 421 420 4母雞28 028 422 021 6大腸桿菌24 723 625 725 7 2 Charggff原則 所有DNA分子中 A T G C 嘌呤堿的摩爾數(shù) 嘧啶堿的摩爾數(shù) 有種屬特異性 不同生物的DNA堿基組成不同同一生物體的DNA堿基組成沒有組織器官特異性這預(yù)示著堿基互補(bǔ)配對的可能性 即A與T配對 G與C配對 ErwinChargaff 1905 1995 這些結(jié)果后來為DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)模型提供了一個有力的佐證 DNA分子X射線衍射照片 3 DNA分子X射線衍射照片 4 DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型 double helicalstructure JamesWatson FrancisCrick 1953年 JamesWatson Francis 1 兩條鏈反向平行 共同圍繞一個假想的中心軸呈右手雙螺旋結(jié)構(gòu) 親水磷酸 戊糖為骨架 疏水堿基向內(nèi) 二 DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)要點(diǎn) 2 雙螺旋直徑約為2nm 每10個核苷酸形成一個螺旋 螺距3 4nm 3 堿基對互補(bǔ) 堿基之間氫鍵連接 A T G C 配對堿基在同一平面 堿基平面垂直于中心軸 氫鍵維持DNA雙鏈橫向穩(wěn)定性 疏水的堿基堆積力維持雙鏈縱向穩(wěn)定性 主要 4 穩(wěn)定雙螺旋結(jié)構(gòu)的力 其中堿基堆積力是使DNA結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的最主要因素 5 雙螺旋的表面形成大溝 majorgroove 和小溝 minorgroove 二者交替出現(xiàn) 是蛋白質(zhì) DNA相互作用的基礎(chǔ) 其他螺旋形式 Z DNA 左手雙螺旋 A型 C型 D型DNA的多鏈螺旋結(jié)構(gòu) Watson Crick雙螺旋結(jié)構(gòu)模型稱為B型結(jié)構(gòu) 小結(jié) 1 堿基組成規(guī)則 Chargaff規(guī)則 A T G C A G T C 有種屬特異性無組織 器官特異性 3 堿基互補(bǔ)配對 AT配對 兩個氫鍵 GC配對 三個氫鍵 堿基對平面垂直縱軸 2 直徑為2 0nm 10bp 圈 螺距為3 4nm 5 表面功能區(qū) 小溝較淺 大溝較深 是蛋白質(zhì)識別DNA堿基序列的基礎(chǔ) 4 維持結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的力量 氫鍵維持雙鏈橫向穩(wěn)定 堿基堆積力維持螺旋縱向穩(wěn)定 2 Watson Crick雙螺旋結(jié)構(gòu)模型 B DNA 1 反平行雙鏈 右手雙螺旋 脫氧核糖 磷酸骨架位于外側(cè) 堿基對位于內(nèi)側(cè) 超螺旋結(jié)構(gòu) superhelix或supercoil DNA雙螺旋鏈進(jìn)一步盤曲所形成的構(gòu)象即超螺旋結(jié)構(gòu) 三 DNA的超螺旋結(jié)構(gòu)與染色質(zhì)組裝 一 DNA的超螺旋結(jié)構(gòu) 正超螺旋 positivesupercoil 右手超螺旋盤繞方向與DNA雙螺旋方同相同 負(fù)超螺旋 negativesupercoil 左手超螺旋盤繞方向與DNA雙螺旋方向相反 二 真核生物細(xì)胞中DNA的組裝 核小體是真核細(xì)胞染色體的基本結(jié)構(gòu)單位 核小體的組成DNA 約200bp組蛋白 H1H2A H2BH3H4 核小體結(jié)構(gòu) 組蛋白H2A H2B H3 H4各兩分子構(gòu)成一個八聚體 由146bpDNA雙螺旋沿著組蛋白八聚體核心繞1 75圈 形成核心顆粒 coreparticle 各核心顆粒間有一個連接區(qū) 由60bp的DNA鏈和1個分子組蛋白H1構(gòu)成 染色質(zhì)纖維 人類46條染色體的DNA總長可達(dá)1 7m 經(jīng)過螺旋化壓縮 實(shí)際總長只有200nm 第四節(jié) RNA分子的結(jié)構(gòu)與功能 RNA的特點(diǎn)及分類 結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 1 堿基組成 A G C U A U G C 核糖組成2 稀有堿基較多 穩(wěn)定性較差 易水解 3 為單鏈結(jié)構(gòu) 少數(shù)局部形成發(fā)夾結(jié)構(gòu)or莖環(huán)結(jié)構(gòu) RNA的種類 核蛋白體RNAribosomalRNA rRNA 75 80 信使RNAmessengerRNA mRNA 2 3 轉(zhuǎn)運(yùn)RNAtransferRNA tRNA 10 25 一 RNA的一級結(jié)構(gòu) RNA分子中核糖核苷酸的排列順序 核糖核苷酸的種類 A G C U A U G C 連接方式 3 5 磷酸二酯鍵 二 RNA的高級結(jié)構(gòu) 主要為單鏈 但局部區(qū)域可因堿基互補(bǔ)而形成雙鏈結(jié)構(gòu) 莖 環(huán) 結(jié)構(gòu) 一 RNA的一般結(jié)構(gòu) 一 信使RNA MessengerRNA mRNA 真核生物mRNA結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 1 前體 不均一核RNA 需要經(jīng)過加工過程2 5 末端有帽子結(jié)構(gòu) m7GpppNm 7 甲基鳥嘌呤核苷三磷酸 作用 保護(hù)mRNA免受降解 加速蛋白質(zhì)翻譯的起始速度3 3 端有多聚A尾 polyA 增加mRNA穩(wěn)定性4 分子中有修飾堿基 主要是甲基化 如m6A5 分子中有編碼區(qū)和非編碼區(qū) 二 細(xì)胞內(nèi)主要RNA的結(jié)構(gòu)和生物學(xué)意義 真核細(xì)胞的基因結(jié)構(gòu) hnRNA 成熟mRNA 原核生物mRNA特點(diǎn) 1 多順反子 2 5 無帽子結(jié)構(gòu) 3 無多聚A尾 3 一般無修飾堿基 4 5 和3 端有非編碼區(qū) 功能 合成蛋白質(zhì)的模板 二 轉(zhuǎn)運(yùn)RNA TransferRNA tRNA 結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 1 含稀有堿基 DHU 假尿嘧啶 mG mA 2 3 端為CCA OH結(jié)構(gòu) 與氨基酸相連 2 二級結(jié)構(gòu)為三葉草形 4環(huán)4臂3 三級結(jié)構(gòu)為倒 L 形 分子最小 功能 轉(zhuǎn)運(yùn)氨基酸至蛋白質(zhì)合成場所 DHU環(huán) 反密碼環(huán) T C環(huán) 額外環(huán) 可變的 tRNA的二級結(jié)構(gòu)三葉草形 反密碼子 氨基酸臂 tRNA的 倒L 型三級結(jié)構(gòu) 在三葉草型二級結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上 突環(huán)上未配對的堿基由于整個分子的扭曲而配成對 目前已知的tRNA的三級結(jié)構(gòu)均為倒L型 三 核糖體RNA RibosomalRNA rRNA 含量最多 與多種蛋白質(zhì)結(jié)合成核糖體或核蛋白體 ribosome 功能 蛋白質(zhì)合成的場所 rRNA是核糖體的組成成分 其種類和大小用S表示 21種 原核 真核 小亞基 rRNA蛋白質(zhì) rRNA蛋白質(zhì) 大亞基 16S 18S 33種 5S 23S 5S 5 8S 28S 49種 34種 大小 30S 40S 大小 50S 60S 核蛋白體 大小 70S 80S 核蛋白體的組成 原核生物與真核生物的核糖體均由大亞基和小亞基構(gòu)成 snmRNA參與基因表達(dá)的調(diào)控 smallnon messengerRNA 核內(nèi)小RNA SmallnuclearRNA 核仁小RNA smallnucleolarRNA 胞質(zhì)小RNA smallcytoplasmicRNA scRNA 催化性小RNA smallcatalyticRNA 小片斷干擾RNA smallinterferingRNA 功能 在hnRNA和rRNA的轉(zhuǎn)錄后加工 轉(zhuǎn)運(yùn)以及基因表達(dá)過程的調(diào)控等方面具有重要的生理作用 一般性質(zhì) 其他 紫外吸收變性 復(fù)性與雜交 第五節(jié)核酸的理化性質(zhì) 一 核酸的酸堿性質(zhì) 核酸通常顯酸性 在中性或偏堿性條件下帶負(fù)電荷 電泳 由負(fù)極向正極泳動沉淀 鹽溶液中金屬離子中和負(fù)電荷 二 核酸的高分子性質(zhì) 粘度大核酸發(fā)生變性或水解時 粘度變小不同種類的核酸分子其分子量不同 形狀不同分離 電泳 凝膠過濾 超速離心 三 核酸的紫外吸收 核酸分子中的堿基都有共軛雙鍵 具有紫外吸收性質(zhì)吸收峰在260nm 可用于核酸的定量 四 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 因素 過量酸 堿 加熱 變性試劑如尿素 酰胺以及某些有機(jī)溶劑如乙醇 丙酮等 變性后其它理化性質(zhì)變化 A260增高 增色效應(yīng) hyperchromiceffect 指DNA變性后其紫外吸收明顯增強(qiáng)的效應(yīng) 減色效應(yīng) DNA復(fù)性時 其溶液OD260降低 增色效應(yīng) A260增加 粘度降低沉降速度增加 在DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)中堿基藏入內(nèi)側(cè) 變性時DNA雙螺旋解開 于是堿基外露 堿基中電子的相互作用更有利于紫外吸收 故而產(chǎn)生增色效應(yīng) DNA變性的本質(zhì) 維持雙螺旋穩(wěn)定性的氫鍵斷裂 堿基間的堆積力遭到破壞 但不涉及到其一級結(jié)構(gòu) 磷酸二酯鍵 的改變 更具典型意義 加熱引起的DNA變性稱為 由于DNA的熱變性是加熱引起DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)解體成為單鏈的過程 所以又稱為DNA解鏈或融解作用 DNA的熱變性 Tm 變性是在一個相當(dāng)窄的溫度范圍內(nèi)完成 在這一范圍內(nèi) 紫外光吸收值達(dá)到最大值的50 時的溫度稱為DNA的解鏈溫度 又稱融解溫度 meltingtemperature Tm 影響Tm值的因素 1 G C的相對含量 G C的含量高 Tm高 因G C之間有三個氫鍵 A T有兩個氫鍵 故G C較A T穩(wěn)固 2 核酸分子長度 核酸分子越長 解鏈時所需能量越高 Tm值越大 3 與離子強(qiáng)度有關(guān) 溶液的離子強(qiáng)度較高時 Tm值較