核酸的結(jié)構(gòu)與功能.ppt

重點(diǎn) 難點(diǎn) 基本概念 核苷酸 DNA RNA Tm等DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型的要點(diǎn) mRNA tRNA rRNA的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及功能 DNA變性與復(fù)性等核酸重要的理化性質(zhì)及其應(yīng)用 第二章核酸的結(jié)構(gòu)與功能 1869MiescherisolatedDNAforthefirsttime 確定了生物遺傳的物質(zhì)基礎(chǔ)是DNA 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 核酸的分類及分布 存在于細(xì)胞核和線粒體 分布于細(xì)胞核 細(xì)胞質(zhì) 線粒體 deoxyribonucleicacid DNA ribonucleicacid RNA 脫氧核糖核酸 核糖核酸 第一節(jié)核酸的化學(xué)組成及其一級(jí)結(jié)構(gòu)TheChemicalComponentandPrimaryStructureofNucleicAcid 核酸的基本結(jié)構(gòu)單位是核苷酸 核酸在核酸酶的作用下水解成核苷酸 核苷酸由堿基 戊糖 磷酸組成 核苷酸由堿基 base 戊糖 pentose 和磷酸3種成分以共價(jià)鍵依次連接而成 核酸的化學(xué)組成 元素組成C H O N P 9 10 分子組成 堿基 base 嘌呤堿 嘧啶堿 戊糖 pentose 核糖 脫氧核糖 磷酸 phosphate 核酸組成 一 核苷酸是構(gòu)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(niǎo)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(niǎo)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 嘌呤N 9或嘧啶N 1與核糖C 1 通過(guò) 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 AR GR UR CR 脫氧核苷 嘌呤N 9或嘧啶N 1與脫氧核糖C 1 通過(guò) N 糖苷鍵相連形成脫氧核苷 deoxyribonucleoside H dAR dGR dTR dCR 稀有核苷 是由 稀有堿基 所生成的核苷 假尿苷 1 C5 糖苷鍵 1 C5 核苷或脫氧核苷與磷酸通過(guò)酯鍵結(jié)合構(gòu)成核苷酸 ribonucleotide 或脫氧核苷酸 deoxyribonucleotide 核苷酸 ribonucleotide AMP GMP UMP CMP 脫氧核苷酸 dAMP dGMP dTMP dCMP 多磷酸核苷酸 環(huán)化核苷酸 cAMP cGMP 是細(xì)胞信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)中的第二信使 cAMP 核苷酸衍生物 體內(nèi)重要的核苷酸衍生物 含核苷酸的生物活性物質(zhì) NAD NADP CoA SH FAD等都含有AMP 二 DNA是脫氧核苷酸通過(guò)3 5 磷酸二酯鍵連接形成的大分子 一個(gè)脫氧核苷酸3 的羥基與另一個(gè)核苷酸5 的 磷酸基團(tuán)縮合形成磷酸二酯鍵 phosphodiesterbond 多個(gè)脫氧核苷酸通過(guò)磷酸二酯鍵構(gòu)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 C G A 交替的磷酸基團(tuán)和戊糖構(gòu)成了DNA的骨架 backbone DNA鏈的方向是5 3 三 RNA也是具有3 5 磷酸二酯鍵的線性大分子 RNA也是多個(gè)核苷酸分子通過(guò)酯化反應(yīng)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(jí)結(jié)構(gòu)是核苷酸的排列順序 書(shū)寫(xiě)方法 5 pApCpTpGpCpT OH3 5 ACTGCT3 核酸分子的大小常用堿基 base或kilobase 數(shù)目來(lái)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(zhǎng)度可以高達(dá)幾十萬(wàn)個(gè)堿基 第二節(jié)DNA的空間結(jié)構(gòu)與功能DimensionalStructureandFunctionofDNA DNA的空間結(jié)構(gòu)又分為二級(jí)結(jié)構(gòu) secondarystructure 和高級(jí)結(jié)構(gòu) DNA的空間結(jié)構(gòu) spatialstructure 構(gòu)成DNA的所有原子在三維空間具有確定的相對(duì)位置關(guān)系 doublehelix Thenaturalcoiledconformationoftwocomplementary antiparallelDNAchainsbytheformationofA TandG Cbasepairs 一 DNA的二級(jí)結(jié)構(gòu)是雙螺旋結(jié)構(gòu) WatsonandCrick 1953年提出雙螺旋結(jié)構(gòu)模型 TheNobelPrizeinPhysiologyorMedicine1962 不同生物種屬的DNA的堿基組成不同同一個(gè)體的不同器官或組織的DNA堿基組成相同 A T G C Chargaff規(guī)則 一 DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的研究背景 獲得了高質(zhì)量的DNA分子的X射線衍射照片 提出了DNA分子雙螺旋結(jié)構(gòu) doublehelix 模型 不同生物來(lái)源DNA堿基組分和相對(duì)比例 1953年由Wilkins研究小組的RosalindFranklin獲得了高質(zhì)量的X線衍射照片 顯示出DNA是螺旋形分子 從密度上也提示了DNA為雙鏈分子 RosalindFranklin WatsonandCrick s1953NaturepaperproposingadoublehelixstructureforDNAStructureforDeoxyriboseNucleicAcid2April1953MOLECULARSTRUCTUREOFNUCLEICACIDS 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(gè)螺旋軸形成右手螺旋 right handed 的結(jié)構(gòu) 雙螺旋結(jié)構(gòu)的直徑為2nm 螺距為3 4nm 脫氧核糖和磷酸基團(tuán)組成的親水性骨架位于雙螺旋結(jié)構(gòu)的外側(cè) 疏水的堿基位于內(nèi)側(cè) 雙螺旋結(jié)構(gòu)的表面形成了一個(gè)大溝 majorgroove 和一個(gè)小溝 minorgroove 二 DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型要點(diǎn) 1 DNA是反向平行 右手螺旋的雙鏈結(jié)構(gòu) DNA二級(jí)結(jié)構(gòu) B DNAhelix Aright handeddoublehelixwiththefollowingcharacteristics thetwostrandsareantiparallel thebasesareinsidethehelixandthephosphatesanddeoxyribosesugarsareontheoutside adenineformshydrogenbondswiththymine andguanineformsthemwithcytosine thebasesineachpairarecoplanar thereare10 4residuesperturn withapitchof35 大溝與小溝 2 DNA雙鏈之間形成了互補(bǔ)堿基對(duì) 堿基配對(duì)關(guān)系稱為互補(bǔ)堿基對(duì) complementarybasepair DNA的兩條鏈則互為互補(bǔ)鏈 complementarystrand 堿基對(duì)平面與螺旋軸垂直 相鄰兩個(gè)堿基對(duì)會(huì)有重疊 產(chǎn)生了疏水性的堿基堆積力 basestackinginteraction 堿基堆積力和互補(bǔ)堿基對(duì)的氫鍵共同維系著DNA結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定 3 疏水作用力和氫鍵共同維系著DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定 堿基堆積作用力 Z 三 DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的多樣性 三種DNA構(gòu)型的比較 四 DNA的多鏈螺旋結(jié)構(gòu) 在酸性的溶液中 胞嘧啶的N 3原子被質(zhì)子化 可與鳥(niǎo)嘌呤的N 7原子形成氫鍵 同時(shí) 胞嘧啶的N 4的氫原子也可與鳥(niǎo)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C GC的三鏈結(jié)構(gòu) triplex 三鏈結(jié)構(gòu) 鳥(niǎo)嘌呤之間通過(guò)Hoogsteen氫鍵形成特殊的四鏈結(jié)構(gòu) tetraplex 四鏈結(jié)構(gòu) 真核生物DNA3 末端是富含GT的多次重復(fù)序列 因而自身形成了折疊的四鏈結(jié)構(gòu) 二 DNA的高級(jí)結(jié)構(gòu)是超螺旋結(jié)構(gòu) 超螺旋結(jié)構(gòu) superhelix或supercoil DNA雙螺旋鏈再盤(pán)繞即形成超螺旋結(jié)構(gòu) 正超螺旋 positivesupercoil 盤(pán)繞方向與DNA雙螺旋方同相同 負(fù)超螺旋 negativesupercoil 盤(pán)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(jié)構(gòu) 原核生物DNA多為環(huán)狀 以負(fù)超螺旋的形式存在 平均每200堿基就有一個(gè)超螺旋形成 DNA超螺旋結(jié)構(gòu)的電鏡圖象 右旋 再右旋 右旋后 左旋 二 真核生物DNA的高度有序和高度致密的結(jié)構(gòu) 真核生物DNA以非常有序的形式存在于細(xì)胞核內(nèi) 在細(xì)胞周期的大部分時(shí)間里 DNA以松散的染色質(zhì) chromatin 形式存在 在細(xì)胞分裂期 則形成高度致密的染色體 chromosome DNA染色質(zhì)呈現(xiàn)出的串珠樣結(jié)構(gòu) 染色質(zhì)的基本單位是核小體 nucleosome DNA染色質(zhì)的電鏡圖像 DNA 約200bp組蛋白 H1H2A H2BH3H4 核小體的組成 核心顆粒核小體連接區(qū) 核小體 是真核生物染色體的基本結(jié)構(gòu)單元 核小體串珠樣的結(jié)構(gòu) coreparticlesParticlesresultingfrommicrococcalnucleasedigestionofnucleosomes consistingof140 bpDNAandthehistoneoctamerofanucleosome 真核生物的染色體 細(xì)胞凋亡時(shí) DNA發(fā)生核小體間的斷裂 結(jié)果產(chǎn)生含有不同數(shù)量的核小體片段 每個(gè)核小體片段都是200bp的整數(shù)倍 瓊脂糖凝膠電泳時(shí) 形成梯狀條帶 結(jié)腸癌的凋亡細(xì)胞電泳照片 小鼠胸腺細(xì)胞凋亡照片 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(dòng)的信息基礎(chǔ) 基因從結(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 三 DNA是遺傳信息的物質(zhì)基礎(chǔ) 兩種最重要的生物大分子比較 第三節(jié)RNA的結(jié)構(gòu)與功能 StructureandFunctionofRNA RNA與蛋白質(zhì)共同負(fù)責(zé)基因的表達(dá)和表達(dá)過(guò)程的調(diào)控 RNA通常以單鏈的形式存在 但有復(fù)雜的局部二級(jí)結(jié)構(gòu)或三級(jí)結(jié)構(gòu) RNA比DNA小的多 RNA的種類 大小和結(jié)構(gòu)遠(yuǎn)比DNA表現(xiàn)出多樣性 RNA的二 三級(jí)結(jié)構(gòu) a 莖 環(huán)狀結(jié)構(gòu) 發(fā)夾樣結(jié)構(gòu) b 假結(jié) 樣結(jié)構(gòu) RNA的種類 分布 功能 信使RNA messengerRNA mRNA 是合成蛋白質(zhì)的模板 不均一核RNA hnRNA 含有內(nèi)含子 intron 和外顯子 exon 外顯子是氨基酸的編碼序列 而內(nèi)含子是非編碼序列 hnRNA經(jīng)過(guò)剪切后成為成熟的mRNA 一 mRNA是蛋白質(zhì)合成中的模板 內(nèi)含子 intron mRNA成熟過(guò)程 外顯子 exon 從AUG開(kāi)始 每三個(gè)核苷酸為一組編碼了一個(gè)氨基酸 稱為三聯(lián)體密碼 codon 成熟的mRNA由氨基酸編碼區(qū)和非編碼區(qū)構(gòu)成 5 末端的帽子 cap 結(jié)構(gòu)和3 末端的多聚A尾 poly Atail 結(jié)構(gòu) 成熟的真核生物mRNA 帽子結(jié)構(gòu) m7GpppNm 一 大部分真核細(xì)胞mRNA的5 末端都以7 甲基鳥(niǎo)嘌呤 三磷酸核苷為起始結(jié)構(gòu) mRNA的帽結(jié)構(gòu)可以與帽結(jié)合蛋白 capbindingprotein CBP 結(jié)合 真核生物的mRNA的3 末端轉(zhuǎn)錄后加上一段長(zhǎng)短不一的聚腺苷酸 二 在真核生物mRNA的3 末端有多聚腺苷酸結(jié)構(gòu) mRNA核內(nèi)向胞質(zhì)的轉(zhuǎn)位mRNA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 三 mRNA依照自身的堿基順序指導(dǎo)蛋白質(zhì)氨基酸順序的合成 從mRNA分子5 末端起的第一個(gè)AUG開(kāi)始 每3個(gè)核苷酸為一組稱為密碼子 codon 或三聯(lián)體密碼 tripletcode 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 位于起始密碼子和終止密碼子之間的核苷酸序列稱為開(kāi)放閱讀框 openreadingframe ORF 決定了多肽鏈的氨基酸序列 四 mRNA的成熟過(guò)程是hnRNA的剪接過(guò)程 卵清蛋白mRNA的成熟 轉(zhuǎn)運(yùn)RNA transferRNA tRNA 在蛋白質(zhì)合成過(guò)程中作為各種氨基酸的載體 將氨基酸轉(zhuǎn)呈給mRNA 由74 95核苷酸組成 占細(xì)胞總RNA的15 具有很好的穩(wěn)定性 二 tRNA是蛋白質(zhì)合成中的氨基酸載體 一 tRNA中含有多種稀有堿基 tRNA的一級(jí)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)含10 20 稀有堿基 如DHU3 末端為 CCA OH5 末端大多數(shù)為G具有T C tRNA具有局部的莖環(huán) stem loop 結(jié)構(gòu)或發(fā)卡 hairpin 結(jié)構(gòu) 二 tRNA具有莖環(huán)結(jié)構(gòu) tRNA的二級(jí)結(jié)構(gòu) 三葉草形 氨基酸臂DHU環(huán)反密碼環(huán)T C環(huán)附加叉 tRNA的二級(jí)結(jié)構(gòu)主要特征 1 三環(huán)四臂2 氨基酸臂3 端有CCA OH的共有結(jié)構(gòu)3 D環(huán)上有二氫尿嘧啶 D 4 反密碼環(huán)上的反密碼子與mRNA相互作用5 可變環(huán)上的核苷酸數(shù)目可以變動(dòng)6 T C環(huán)含有T和 7 含有修飾堿基和不變核苷酸Anticodon Three nucleotidesequenceoftRNAthatbase pairswithacodoninmRNA tRNA的倒L三級(jí)結(jié)構(gòu) tRNA的3 末端都是以CCA結(jié)尾 3 末端的A與氨基酸共價(jià)連結(jié) tRNA成為了氨基酸的載體 不同的tRNA可以結(jié)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(gè)由三個(gè)核苷酸構(gòu)成的反密碼子 anticodon tRNA上的反密碼子依照堿基互補(bǔ)的原則識(shí)別mRNA上的密碼子 四 tRNA的反密碼子識(shí)別mRNA的密碼子 核蛋白體RNA ribosomalRNA rRNA 是細(xì)胞內(nèi)含量最多的RNA 80 rRNA與核蛋白體蛋白結(jié)合組成核蛋白體 ribosome 為蛋白質(zhì)的合成提供場(chǎng)所 三 以rRNA為組分的核蛋白體是蛋白質(zhì)合成的場(chǎng)所 核蛋白體的組成 大腸桿菌的核蛋白體 18SrRNA的二級(jí)結(jié)構(gòu) 蛋白質(zhì)合成時(shí)形成的復(fù)合體 RNA組學(xué)是研究細(xì)胞內(nèi)snmRNA的種類 結(jié)構(gòu)和功能 同一生物體內(nèi)不同種類的細(xì)胞 同一細(xì)胞在不同時(shí)空狀態(tài)下snmRNAs表達(dá)譜的變化 以及與功能之間的關(guān)系 四 snmRNA參與了基因表達(dá)的調(diào)控 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 smallnon messengerRNAs snmRNAs snmRNAs 核內(nèi)小RNA核仁小RNA胞質(zhì)小RNA催化性小RNA小片段干涉RNA 參與hnRNA的加工剪接 snmRNAs的種類 snmRNAs的功能 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 catalyticRNA RNA具有酶活性的發(fā)現(xiàn) SidneyAltman ThomasR Cech 1939 1947 TheNobelPrizeinChemistry1989fortheirdiscoveryofcatalyticpropertiesofRNA siRNA是生物宿主對(duì)外源侵入的基因表達(dá)的雙鏈RNA進(jìn)行切割所產(chǎn)生的特定長(zhǎng)度和特定核酸序列的小片段RNA siRNA可以與外源基因表達(dá)的mRNA相結(jié)合 并誘發(fā)這些mRNA的降解 基于此機(jī)理 人們發(fā)明了RNA干擾 RNAinterference RNAi 技術(shù) 小片段干擾RNA 核酸的理化性質(zhì)ThePhysicalandChemicalCharactersofNucleicAcid 第四節(jié) 核酸的酸堿及溶解度性質(zhì)核酸為多元酸 具有較強(qiáng)的酸性 核酸的高分子性質(zhì)粘度 DNA RNAdsDNA ssDNA沉降行為 不同構(gòu)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(chǔ) 核酸在波長(zhǎng)260nm處有強(qiáng)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(qiáng)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(dāng)于50 g ml雙鏈DNA dsDNA 40 g ml單鏈DNA ssDNAorRNA 20 g 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(yīng)用 二 DNA變性是雙鏈解離為單鏈的過(guò)程 在某些理化因素作用下 DNA雙鏈解開(kāi)成兩條單鏈的過(guò)程 定義 DNA變性的本質(zhì)是雙鏈間氫鍵的斷裂 常見(jiàn)因素 過(guò)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 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 變性后理化性質(zhì)變化 OD260增高粘度下降比旋度下降浮力密度升高酸堿滴定曲線改變生物活性喪失 增色效應(yīng) hyperchromiceffect DNA變性時(shí)其溶液OD260增高的現(xiàn)象 DNA解鏈時(shí)的紫外吸收變化 DNA的解鏈曲線 連續(xù)加熱DNA的過(guò)程中以溫度相對(duì)于A260值作圖 所得的曲線稱為解鏈曲線 解鏈過(guò)程中 紫外吸光度的變化達(dá)到最大變化值的一半時(shí)所對(duì)應(yīng)的溫度 解鏈溫度 meltingtemperature Tm G C含量越高 解鏈溫度就越高 解鏈曲線的變化 三 變性的核酸可以復(fù)性或形成雜交雙鏈 當(dāng)變性條件緩慢地除去后 兩條解離的互補(bǔ)鏈可重新配對(duì) 恢復(fù)原來(lái)的雙螺旋結(jié)構(gòu) 這一現(xiàn)象稱為DNA復(fù)性 renaturation 減色效應(yīng) DNA復(fù)性時(shí) 其溶液OD260降低 Hypochromism