生物化學第02章核酸的結(jié)構(gòu)與功能(7版)課件

1、第二章核酸的結(jié)構(gòu)與功能Structure and Function of Nucleic Acid第二章核酸的結(jié)構(gòu)與功能Structure and Fun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。元素組成：C、H、O、N、P核 酸(nucleic acid) 是以核苷酸為基本組成單核酸的分類及分布存在于細胞核和線粒體 分布于細胞核、細胞質(zhì)、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，決定細胞和個體的基因型(genotype)。 遺傳信息的載體是

2、DNA轉(zhuǎn)錄的產(chǎn)物,傳遞遺傳信息RNA也可作為遺傳信息的載體核酸的分類及分布存在于細胞核和線粒體 分布于細胞核、細胞質(zhì)第一節(jié)核酸的化學組成及其一級結(jié)構(gòu)The Chemical Component and Primary Structure of Nucleic Acid第一節(jié)核酸(DNA和RNA)核苷酸核苷和脫氧核苷磷酸戊糖堿基嘌呤嘧啶核糖脫氧核糖核酸組成 核酸(DNA和RNA)核苷酸核苷和脫氧核苷磷酸戊糖堿基嘌呤嘧一、核苷酸是構(gòu)成核酸的基本組成單位 堿基(base)：嘌呤堿，嘧啶堿 戊糖(ribose)：核糖，脫氧核糖磷酸(phosphate)核苷酸核苷核苷酸分子組成:一、核苷酸是構(gòu)成核酸的基

3、本組成單位 堿基(base)：嘌呤堿堿基(base)是含氮的雜環(huán)化合物。堿基嘌呤嘧啶腺嘌呤A鳥嘌呤G尿嘧啶U胸腺嘧啶T胞嘧啶C存在于DNA和RNA中僅存在于RNA中僅存在于DNA中堿基堿基(base)是含氮的雜環(huán)化合物。堿基嘌呤嘧啶腺嘌呤A鳥嘌嘌呤(purine，Pu) 腺嘌呤(adenine, A)鳥嘌呤(guanine, G)嘌呤(purine，Pu) 腺嘌呤(adenine, A嘧啶(pyrimidine，Py)胞嘧啶(cytosine, C)尿嘧啶(uracil, U)胸腺嘧啶(thymine, T)嘧啶(pyrimidine，Py)胞嘧啶(cytosine,戊糖（構(gòu)成RNA）1234

4、5核糖(ribose)（構(gòu)成DNA）脫氧核糖(deoxyribose)戊糖（構(gòu)成RNA）12345核糖(ribose)（ 核苷NNNN9NH2OOHOHHHHCH2OHH12糖苷鍵嘌呤N-9 或嘧啶N-1與核糖C-1通過糖苷鍵相連形成核苷。 核苷NNNN9NH2OOHOHHHHCH2OHH12糖核苷與磷酸通過酯鍵結(jié)合構(gòu)成核苷酸核苷酸(ribonucleotide)NNNN9NH2OOHOHHHHCH2H12OPO-HOO糖苷鍵酯鍵核苷酸：AMP, GMP, UMP, CMP脫氧核苷酸：dAMP, dGMP, dTMP, dCMP 核苷與磷酸通過酯鍵結(jié)合構(gòu)成核苷酸核苷酸(ribonucleo體內(nèi)

5、重要的游離核苷酸及其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 多磷酸核苷酸：NMP，NDP，NTP 環(huán)化核苷酸: cAMP，cGMPAMPADPATPcAMPNADP+NAD+體內(nèi)重要的游離核苷酸及其衍生物含核苷酸的生物活性物質(zhì)： 二、DNA是脫氧核苷酸通過3 ,5 -磷酸二酯鍵連接形成的大分子一個脫氧核苷酸3-OH與另一個脫氧核苷酸5-Pi縮合形成3 ,5 -磷酸二酯鍵。 多個脫氧核苷酸通過磷酸二酯鍵構(gòu)成了具有方向性的線性分子，稱為多聚脫氧核苷酸，即DNA鏈。二、DNA是脫氧核苷酸通過3 ,5 -磷酸二酯鍵連接形成5-末端3-末端CGA磷酸

6、二酯鍵磷酸二酯鍵5-末端3-末端CGA磷酸二酯鍵磷酸二酯鍵三、RNA也是具有3,5-磷酸二酯鍵的線性大分子RNA也是多個核苷酸分子通過酯化反應形成的線性大分子，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。三、RNA也是具有3,5-磷酸二酯鍵的線性大分子RNA也四、核酸的一級結(jié)構(gòu)定義核酸中核苷酸的排列順序，即堿基序列。四、核酸的一級結(jié)構(gòu)定義A G P5 P T PG PC PT P OH 3 書寫方法：5 pApCpTpGpCpT-OH 3 5 A C T G C T 3A G P5 P T PG PC PT P DNA和RNA的區(qū)別核糖 G、C、A、URNA脫氧核糖 G、

7、C、A、TDNA堿基核糖核酸DNA和RNA的區(qū)別核糖 G、C、A、URNA脫氧核糖 第二節(jié)DNA的空間結(jié)構(gòu)與功能Dimensional Structure and Function of DNA第二節(jié)一、DNA的二級結(jié)構(gòu)是雙螺旋結(jié)構(gòu)一、DNA的二級結(jié)構(gòu)是雙螺旋結(jié)構(gòu) Chargaff 規(guī)則的堿基組成分析 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 （一）DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的研究背景A = T；G =C Chargaff 規(guī)則的堿基組成分析 堿基的理化數(shù)據(jù)分析 兩條多聚核苷酸鏈在空間的走向呈反向平行。兩條鏈圍繞著同一個螺旋軸形成右手螺旋的結(jié)構(gòu)。雙螺旋結(jié)構(gòu)的直徑為

8、2nm，螺距為3. 4nm。脫氧核糖和磷酸基團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)的表面形成了一個大溝和一個小溝。 （二） DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型要點1.DNA是反向平行、右手螺旋的雙鏈結(jié)構(gòu)兩條多聚核苷酸鏈在空間的走向呈反向平行。兩條鏈圍繞著同一個螺2.DNA雙鏈之間形成了互補堿基對堿基配對關(guān)系稱為互補堿基對(complementary base pair)。DNA的兩條鏈則互為互補鏈(complementary strand)。堿基對平面與螺旋軸垂直。2.DNA雙鏈之間形成了互補堿基對堿基配對關(guān)系稱為互補堿基對相鄰兩個堿基對會有重疊，產(chǎn)生了疏水性的堿基堆積力(b

9、ase stacking interaction)。堿基堆積力(主要)和互補堿基對的氫鍵共同維系著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。相鄰兩個堿基對會有重疊，產(chǎn)生了疏水性的堿基堆積力(base （三）DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的多樣性（三）DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的多樣性二、DNA的高級結(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。 負超螺旋(negative supercoil)盤繞方向與DNA雙螺旋方向相反。 二、DNA的高級結(jié)

10、構(gòu)是超螺旋結(jié)構(gòu)超螺旋結(jié)構(gòu)(superhel（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，以負超螺旋的形式存在，平均每200堿基就有一個超螺旋形成。（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，DNA超螺旋結(jié)構(gòu)的電鏡圖象DNA超螺旋結(jié)構(gòu)的電鏡圖象生物化學第02章核酸的結(jié)構(gòu)與功能(7版)課件（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胞核內(nèi)。在細胞周期的大部分時間里，DNA以松散的染色質(zhì)(chromatin)形式存在，在細胞分裂期，則形成高度致密的染色體(chromosome)。 （二）真核生物DNA的高度有序和高度致密的結(jié)構(gòu)真核

11、生物DNADNA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染色質(zhì)呈現(xiàn)出的串珠樣結(jié)構(gòu)。DNA染色質(zhì)的電鏡圖像核小體的構(gòu)成核心顆粒 連接區(qū) 核心組蛋白：組蛋白八聚體H2A、H2B、H3 、H4各2分子DNA雙螺旋分子(150bp)在核心組蛋白纏繞 1.75圈DNA（60bp） 組蛋白H1 連接核心顆粒核小體結(jié)構(gòu)圖核小體的構(gòu)成核心顆粒 連接區(qū) 核心組蛋白：組蛋白八聚體H2A核小體的折疊及染色體組裝2nm11nm30nm300nm1400nm700nm逐級盤曲折疊核小體的折疊及染色體組裝2nm11nm30nm300nm1真核生物DNA在細胞

12、核內(nèi)的組裝真核生物DNA在細胞核內(nèi)的組裝DNA的基本功能是以基因的形式荷載遺傳信息，并作為基因復制和轉(zhuǎn)錄的模板。它是生命遺傳的物質(zhì)基礎(chǔ)，也是個體生命活動的信息基礎(chǔ)?；颍菏侵窪NA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)基因組：一個遺傳體系所有基因總和的一整套遺傳信息。DNA的基本功能是以基因的形式荷載遺傳信息，并作為基因復制和第三節(jié) RNA的結(jié)構(gòu)與功能Structure and Function of RNA第三節(jié) RNA的結(jié)構(gòu)與功能Structure and FunRNA與蛋白質(zhì)共同負責基因的表達和表達過程的調(diào)控。RNA通常以單鏈的形式存在，

13、但有復雜的局部二級結(jié)構(gòu)或三級結(jié)構(gòu)。RNA比DNA小的多。RNA的種類、大小和結(jié)構(gòu)遠比DNA表現(xiàn)出多樣性。RNA與蛋白質(zhì)共同負責基因的表達和表達過程的調(diào)控。RNA的種類、分布、功能RNA的種類、分布、功能信使RNA(messenger RNA, mRNA)是合成蛋白質(zhì)的模板。其前體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。壽命最短的RNA一、mRNA是蛋白質(zhì)合成的模板信使RNA(messenger RNA, mRNA)是合成蛋hnRNA 內(nèi)含子(intron)mRNA mRNA成熟過程 外顯子(exon)hnRNA 內(nèi)含子mRNA

14、 mRNA成熟過程 外顯子5-末端的m7Gppp帽子結(jié)構(gòu)3-末端的poly A尾。 從AUG 開始，每三個核苷酸為一組編碼一個氨基酸，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。 成熟的真核生物mRNA5-末端的m7Gppp帽子結(jié)構(gòu)成熟的真核生物mRNAmRNA功能：是蛋白質(zhì)合成的模板mRNA功能：是蛋白質(zhì)合成的模板1、 tRNA的一級結(jié)構(gòu)特點 含 1020% 稀有堿基，如 DHU 3末端為 CCA-OH分子量最小、含稀有堿基比例最高的一類RNA二、tRNA是蛋白質(zhì)合成中的氨基酸載體1、 tRNA的一級結(jié)構(gòu)特點分子量最小、含稀有堿基比例最高的3. tRNA的三級結(jié)

15、構(gòu) 倒L形2. tRNA的二級結(jié)構(gòu)三葉草形4.tRNA的功能： 把活化的氨基酸搬運到核糖體，tRNA的反密碼子與mRNA的密碼子特異性結(jié)合，使氨基酸對號入座。 3. tRNA的三級結(jié)構(gòu) 倒L形2. tRNA的二級結(jié)構(gòu)2.rRNA的結(jié)構(gòu)：參與組成核蛋白體，為蛋白質(zhì)生物合成的場所。3.rRNA的種類：4.rRNA的功能：多個莖環(huán)結(jié)構(gòu)組成三、以rRNA為組分的核蛋白體是蛋白 質(zhì)合成的場所1.含量最多的RNA2.rRNA的結(jié)構(gòu)：參與組成核蛋白體，3.rRNA的種類：4核蛋白體結(jié)構(gòu)核蛋白體結(jié)構(gòu)原核生物翻譯過程中核蛋白體結(jié)構(gòu)模式:A位：氨基酰位(aminoacyl site)P位：肽酰位(peptidyl

16、 site)E位：排出位(exit site)目 錄轉(zhuǎn)肽酶活性部位原核生物翻譯過程中核蛋白體結(jié)構(gòu)模式:A位：氨基酰位P位：肽酰肽鏈延長肽鏈延長tRNArRNAmRNACCAOH 3含稀有堿基多二級:三葉草形三級:倒L形呈花狀5 -m7GpppNm、3 -polyA結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)合成的模板搬運活化的aa到核糖體組成核蛋白體種類最多壽命最短分子量最小稀有堿基比例最高含量最多三種RNA內(nèi)容小結(jié)功能特點tRNArRNAmRNACCAOH 3呈花狀5 -m四、其它小分子RNA及RNA組學核酶:具有催化功能的小RNA.The Nobel Prize in Chemistry 1989 for their di

17、scovery of catalytic properties of RNASidney AltmanThomas R.Cech四、其它小分子RNA及RNA組學核酶:具有催化功能的小RNA原核生物基因表達的特異性五、核酸在真核細胞和原核細胞中表現(xiàn)了不同的時空特性原核生物基因表達的特異性五、核酸在真核細胞和原核細胞中表現(xiàn)了真核生物基因表達的特異性真核生物基因表達的特異性核酸的理化性質(zhì)The Physical and Chemical Characters of Nucleic Acid第四節(jié)核酸的理化性質(zhì)第四節(jié)核酸在波長 260nm 處有強烈的吸收，是由堿基的共軛雙鍵所決定的。這一特性常用作核酸

18、的定性和定量分析。一、核酸分子具有強烈的紫外吸收核酸在波長 260nm 處有強烈的吸收，是由堿基的共軛雙鍵所240290nm范圍，最大吸收峰在260nm481216吸光度8103AGTCU220 240 260 280 300 320nm波長各種堿基的紫外吸收光譜240290nm范圍，最大吸收峰在260nm481216吸1.DNA或RNA的定量OD260=1.0相當于50g/ml雙鏈DNA40g/ml單鏈DNA（或RNA）20g/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的應用1.DNA或RNA的

19、定量OD260的應用定義DNA變性的本質(zhì)：堿基堆積力和雙鏈間氫鍵的破壞。定義DNA變性的本質(zhì)：堿基堆積力和雙鏈間氫鍵的破壞。DNA熱變性：特點 驟然、突發(fā)式融解溫度Tm：A260變化值達到最大變化值一半時的溫度，即50DNA雙鏈被解開時候的溫度。Tm與G+C含量成正比增色效應： DNA變性時其溶液A260增高的現(xiàn)象DNA熱變性：特點 驟然、突發(fā)式增色效應： 三、變性的核酸可以復性或形成雜交雙鏈當變性條件緩慢地除去后，兩條解離的互補鏈可重新配對，恢復原來的雙螺旋結(jié)構(gòu)，這一現(xiàn)象稱為DNA復性。減色效應：DNA復性時，其溶液A260降低。熱變性的DNA經(jīng)緩慢冷卻后即可復性，這一過程稱為退火。三、變性的核酸可以復性或形成雜交雙鏈當變性條件緩慢地除去后，只要兩種單鏈分子之間存在著一定程度的堿基配對關(guān)系，在適宜的條件可以在不同的分子間形成雜化雙鏈。這種雜化雙鏈可以在不同的DNA與DNA之間形成，也可以在DNA和RNA分子間或者RNA與RNA分子間形成。這種現(xiàn)象稱為核酸分子雜交。核酸分子雜交(hybridization) 只要兩種單鏈分子之間存在著一定程度的堿基配對關(guān)系