生物化學(xué)課件：第02章核酸的結(jié)構(gòu)與功能(7版)

1、第二章核酸的結(jié)構(gòu)與功能,Structure and Function of Nucleic Acid,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,(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)體的基因型(genotype)。 遺傳信息的載體,是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,第一節(jié) 核酸的化學(xué)組成及其一級(jí)結(jié)

2、構(gòu)The Chemical Component and Primary Structure of Nucleic Acid,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,一、核苷酸是構(gòu)成核酸的基本組成單位,核苷酸分子組成:,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,嘌呤(purine，Pu),腺嘌呤(adenine, A),鳥嘌呤(guanine, G),嘧啶(pyrimidine，Py),胞嘧啶(cyt

3、osine, C),尿嘧啶(uracil, U),胸腺嘧啶(thymine, T),戊糖,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。,核苷與磷酸通過酯鍵結(jié)合構(gòu)成核苷酸,核苷酸(ribonucleotide),核苷酸： AMP, GMP, UMP, CMP 脫氧核苷酸： dAMP, dGMP, dTMP, dCMP,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)： NAD+、NADP+、CoA-SH、FAD 等都含有 AMP,多磷酸核苷酸：NMP，NDP，NTP

4、,環(huán)化核苷酸: cAMP，cGMP,AMP,ADP,ATP,cAMP,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(gè)脫氧核苷酸3-OH與另一個(gè)脫氧核苷酸5-Pi縮合形成3 ,5 -磷酸二酯鍵。 多個(gè)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。,C,G,A,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。,四、核酸的一級(jí)結(jié)構(gòu),定義 核酸中核苷酸的排列順序，即堿基序列。,書寫方法：,5 pApCpTpGpCpT

5、-OH 3,5 A C T G C T 3,DNA和RNA的區(qū)別,第二節(jié) DNA的空間結(jié)構(gòu)與功能Dimensional Structure and Function of DNA,一、DNA的二級(jí)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(duì)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,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(gè)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2.37nm，螺距為3. 54nm。 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

6、于內(nèi)側(cè)。 雙螺旋結(jié)構(gòu)的表面形成了一個(gè)大溝和一個(gè)小溝。,（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),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)(complementary base pair)。 DNA的兩條鏈則互為互補(bǔ)鏈(complementary strand)。 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(base stacking interaction)。 堿基堆積力(主要)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。,（三）DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的多

7、樣性,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。,（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,（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)(

8、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,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,核小體結(jié)構(gòu)圖,核小體的折疊及染色體組裝,逐級(jí)盤曲折疊,DNA,核小體串珠,染色質(zhì)纖維空管,染色質(zhì)纖維,染色體,染色單體,真核生物DNA在細(xì)胞核內(nèi)的組裝,DNA經(jīng)過多次折疊，被壓縮了800010000倍，組裝在

9、直徑只有為數(shù)微米的細(xì)胞核內(nèi)。,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：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),基因組：,一個(gè)遺傳體系所有基因總和的一整套遺傳信息。,第三節(jié) RNA的結(jié)構(gòu)與功能,Structure and Function of RNA,RNA與蛋白質(zhì)共同負(fù)責(zé)基因的表達(dá)和表達(dá)過程的調(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

10、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,內(nèi)含子 (intron),mRNA成熟過程,外顯子 (exon),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(gè)核苷酸為一組編碼一個(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。,成熟的真核生物mRNA,mRNA功能：是蛋白質(zhì)合成的模板,1、 tRNA的一級(jí)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

11、 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,3. tRNA的三級(jí)結(jié)構(gòu) 倒L形,2. tRNA的二級(jí)結(jié)構(gòu)三葉草形,4.tRNA的功能：,把活化的氨基酸搬運(yùn)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(duì)號(hào)入座。,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(chǎng)所。,3.rRNA的種類：,4.rRNA的功能：,多個(gè)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(chǎng)所,1.含量最多的RNA,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

12、酰位 (aminoacyl site),P位：肽酰位 (peptidyl site),E位：排出位 (exit site),目 錄,轉(zhuǎn)肽酶活性部位,fMet,fMet,目 錄,核蛋白體循環(huán)(狹義),肽鏈延長(zhǎng),tRNA,rRNA,mRNA,CCAOH 3 含稀有堿基多 二級(jí):三葉草形 三級(jí):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(yùn)活化的aa 到核糖體,組成核蛋白體,含量最少 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(diǎn),四、其它小分子RNA及RNA組學(xué),核酶:具有催化功能的小RNA.,The Nobel

13、 Prize in Chemistry 1989, for their discovery of catalytic properties of RNA,Sidney Altman,Thomas R.,Cech,原核生物基因表達(dá)的特異性,五、核酸在真核細(xì)胞和原核細(xì)胞中表現(xiàn)了不同的時(shí)空特性,真核生物基因表達(dá)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,240290n

14、m范圍，最大吸收峰在260nm,各種堿基的紫外吸收光譜,1.DNA或RNA的定量 OD260=1.0相當(dāng)于 50g/ml雙鏈DNA 40g/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 = 1.8 RNA純品: OD260/OD280 = 2.0,OD260的應(yīng)用,二、DNA變性是雙鏈解離為單鏈的過程,在某些理化因素作用下，DNA雙鏈解開成兩條單鏈的過程。,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(diǎn) 驟然、突發(fā)式 融解溫度Tm：A260變化值達(dá)到最大變化值一半時(shí)的溫度，即50DNA雙鏈被解開時(shí)候

15、的溫度。 Tm與G+C含量成正比,增色效應(yīng)： DNA變性時(shí)其溶液A260增高的現(xiàn)象,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。,減色效應(yīng)：DNA復(fù)性時(shí)，其溶液A260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。,只要兩種單鏈分子之間存在著一定程度的堿基配對(duì)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),+,DNA變性、復(fù)性及分子雜交,形成單鏈,雜化雙鏈,+,注：也可發(fā)生在DNA與RNA或RNA與RNA之間,第五節(jié) 核酸酶 Nuclease,依據(jù)底物不同分類 DNA酶(DNase)：專一降解DNA。 RNA酶 (RNase)：專一降解RNA。 依據(jù)切割部位不同 核酸內(nèi)切酶：分為限制性核酸內(nèi)切酶和非特異性核酸內(nèi)切酶。 限制性核酸內(nèi)切酶： 識(shí)別并切割特異核苷酸序列（回文結(jié)構(gòu)）。 核酸外切酶：53或35核酸外切酶,核酸酶是指所有