(3.1)--第三章《核酸的结构与功能》.ppt

第三章 核酸的结构与功能第一节 核酸的化学组成第二节 DNA的结构和功能第三节 RNA的结构和功能第四节 核酸的理化性质目 录【案例导入】刘某，男，69岁，因头晕、心悸4小时，急诊入院。既往无心动过速发作史。查体：神志清楚，呼吸平稳，口唇无紫绀，血压：130/86 mmHg，双肺未闻及杂音，心率：180186次/分，律齐，各瓣膜区未闻及杂音。心电图提示：室上性心动过速。医生经过全面检查评估拟诊：阵发性室上性心动过速。治疗：（1）吸氧；（2）常规静脉点滴（ATP 10mg，滴速80滴/分），持续心电监护。约8分钟后，心电监护显示，室上性心动过速转复为窦性心律，患者症状和体征逐渐好转，心率6670/分，未发生“阿斯综合征”。请分析：1ATP是什么药？为何可以用于室上性心动过速治疗？2cAMP可以治疗“室上性心动过速”吗？为什么？第一节 核酸的化学组成一、核酸的元素组成二、核酸的基本结构单位-核苷酸三、核酸中核苷酸的连接方式一、核酸的元素组成基本元素：C、H、O、N、P等元素组成特点：P含量较多且比较恒定（9%10%）常用定磷法进行核酸的定量分析 （DNA：9.9%，RNA：9.5%）二、核苷酸的基本组成单位核苷酸磷酸核苷戊糖（核糖和脱氧核糖）碱基（嘌呤碱和嘧啶碱）核酸核苷酸水解水解（一）核苷酸的分子组成DNA：含A、G、C、T四种碱基；RNA：含A、G、C、U四种碱基。1.碱基2.戊糖存在于RNA 存在于DNA3.磷酸 磷酸（H3PO4）为三元酸，DNA和RNA中均含有，可通过酯键同时连接两个核苷酸中的戊糖，使多个核苷酸聚合成长链。基本基本成分成分 碱基碱基戊糖戊糖磷酸磷酸嘌呤碱嘌呤碱 嘧啶碱嘧啶碱DNADNAA A、G G C C、T Td dR R P PRNARNAA A、G GC C、U UR R P P（二）核苷酸的结构核苷是碱基和戊糖以糖苷键连接而成的化合物。连接碱基和戊糖的N-C键称为C-N糖苷键，通常由嘌呤的N9或嘧啶N1上的氢与戊糖的C1 上的羟基脱水缩合而成。1.核苷2.核苷酸核苷酸是由核苷分子与磷酸通过磷酸酯键连接而成的化合物。通常以戊糖C5-OH与磷酸基团酯化形成的5核苷酸为主。可根据核苷名称命名为“某某核苷几磷酸”。组成RNA和DNA的碱基、核苷及核苷酸碱基碱基核苷核苷核苷酸核苷酸RNARNA腺嘌呤（腺嘌呤（A A）腺嘌呤核苷（腺苷）腺嘌呤核苷（腺苷）腺苷一磷酸（腺苷酸，腺苷一磷酸（腺苷酸，AMPAMP）鸟嘌呤（鸟嘌呤（G G）鸟嘌呤核苷（鸟苷）鸟嘌呤核苷（鸟苷）鸟苷一磷酸（鸟苷酸，鸟苷一磷酸（鸟苷酸，GMPGMP）胞嘧啶（胞嘧啶（C C）胞嘧啶核苷（胞苷）胞嘧啶核苷（胞苷）胞苷一磷酸（胞苷酸，胞苷一磷酸（胞苷酸，CMPCMP）尿嘧啶（尿嘧啶（U U）尿嘧啶核苷（尿苷）尿嘧啶核苷（尿苷）尿苷一磷酸（尿苷酸，尿苷一磷酸（尿苷酸，UMPUMP）DNADNA腺嘌呤（腺嘌呤（A A）腺嘌呤脱氧核苷（脱氧腺苷）腺嘌呤脱氧核苷（脱氧腺苷）脱氧腺苷一磷酸（脱氧腺苷酸，脱氧腺苷一磷酸（脱氧腺苷酸，dAMPdAMP）鸟嘌呤（鸟嘌呤（G G）鸟嘌呤脱氧核苷（脱氧鸟苷）鸟嘌呤脱氧核苷（脱氧鸟苷）脱氧鸟苷一磷酸（脱氧鸟苷酸，脱氧鸟苷一磷酸（脱氧鸟苷酸，dGMPdGMP）胞嘧啶（胞嘧啶（C C）胞嘧啶脱氧核苷（脱氧胞苷）胞嘧啶脱氧核苷（脱氧胞苷）脱氧胞苷一磷酸（脱氧胞苷酸，脱氧胞苷一磷酸（脱氧胞苷酸，dCMPdCMP）胸腺嘧啶（胸腺嘧啶（T T）胸腺嘧啶脱氧核苷（脱氧胸苷）胸腺嘧啶脱氧核苷（脱氧胸苷）脱氧胸苷一磷酸（脱氧胸苷酸，脱氧胸苷一磷酸（脱氧胸苷酸，dTMPdTMP）核苷酸是核酸分子的基本结构单位，可作为原料参与核酸的合成。细胞内存在多种游离的核苷酸及核苷酸衍生物，在物质的代谢及调控过程中具有重要作用。（三）核苷酸的功能1.多磷酸核苷酸ATP 体内能量生成、转移、储存和利用的中心2.辅酶类核苷酸辅酶（NAD+）辅酶（NADP+）腺嘌呤核苷酸尼克酰胺核苷酸（3腺苷酸5 焦磷酸氨基乙硫醇泛酸）递氢体转移酰基黄素单核苷酸腺嘌呤核苷酸FAD辅酶A(CoA-SH)3.环核苷酸环核苷酸是指5-羟基和3-羟基与同一磷酸基结合而形成的具有内酯环结构的核苷酸；常见的有cAMP和cGMP；是体内重要的调节因子，转导细胞外激素信号至细胞内，是激素作用的“第二信使”。三、核酸中核苷酸的连接方式连接方式是：3，5-磷酸二酯键；3，5-磷酸二酯键是指由一个核苷酸的戊糖上3-羟基与另一个核苷酸的5-磷酸脱水缩合形成的磷酸二酯键;戊糖C5上有完整磷酸基的一端称为5-磷酸末端（5-端）。戊糖C3上连有羟基的一端，称为3-羟基末端（3-端）;书写规则：从5-末端（左侧）到3-末端（右侧）;-H2O多核苷酸链的结构（a）及书写方式（b）主键为3,5-磷酸二酯键 主链为重复的结构单元（磷酸-戊糖）侧链为特征结构碱基 具有严格的方向性：53多核苷酸链结构特点多核苷酸链结构特点小 结一、核酸的元素组成 C、H、O、N、P，P含量较多且比较恒定（9%10%）。二、核酸的基本结构单位-核苷酸 DNA与RNA分子中戊糖、碱基的不同；核苷、核苷酸的结构；DNA、RNA分子中核苷酸的种类；核苷酸的功能。三、核酸中核苷酸的连接方式 3，5-磷酸二酯键的概念及结构，多核苷酸链的书写方式，多核苷酸链的结构特点。第二节 DNA的结构与功能一、DNA的分子结构二、DNA的功能一、DNA的分子结构DNA中含哪种戊糖？DNA中含哪几种碱基？DNA中含哪些种类核苷酸？复习：（一）DNA的一级结构DNA的一级结构 是指DNA分子中脱氧核苷酸从5-末端到3-末端的排列顺序。或指DNA分子中碱基的排列顺序。DNA分子依靠碱基排列顺序变化来实现遗传信息的储存。5-ATGCGGGAGGCGGATGTC-33-TACGCCCT CCGCC TACAG-5曾经认为我长这样：方桌型（二）DNA的二级结构双螺旋结构1.DNA双螺旋结构研究的背景20世纪中期，Chargaff等人对多种生物来源的DNA分子的碱基成分进行了研究后提出Chargaff规则。所有的DNA分子均由A、G、C和T四种碱基组成，且含量上A=T，G=C；碱基组成具有种属特异性，即不同生物来源的DNA碱基组成不同；同一个体中，DNA碱基组成无组织、器官的特异性。Franklin和Wilkins用X-射线衍射技术分析DNA结晶，取得了DNA分子为螺旋结构的直接证据。B型DNA晶体X线衍射结果1953年，Watson和Crick在前人研究成果的基础上，建立了DNA分子二级结构的双螺旋结构模型。DNA双螺旋结构的多样性：包括A-DNA、B-DNA、Z-DNA三种。旋向存在条件A型右手体外脱水B型右手DNA生理条件Z型左手CG序列DNA分子由两条反向平行的脱氧多核苷酸链以右手螺旋方式围绕同一中心轴形成；由脱氧核糖和磷酸基团组成的主链结构位于双螺旋的外侧，形成亲水骨架；而侧链碱基堆积于双螺旋的内部，与中心轴垂直，形成疏水核心；2.B-DNA双螺旋结构模型要点两条链上的碱基严格按照碱基互补规律配对，即A=T、G C。T-A碱基对碱基对C-G碱基对碱基对先头后脚再配对A配T 来 G配C53A T G C G G A G C G A T G T C53螺旋的每一周包含10个碱基对，相邻碱基对的距离为0.34nm，螺距为3.4nm。螺旋直径为2nm；两条链在空间上形成大沟及小沟，是蛋白质识别DNA并相互作用的基础；维系DNA双螺旋结构稳定的作用力：氢键和碱基堆积力，前者维系双螺旋结构的横向稳定，后者维系双螺旋结构的纵向稳定。1.原核生物DNA的高级结构超螺旋结构正超螺旋:螺旋方向与DNA双螺旋方向相同；反之，则形成负超螺旋。自然界以负超螺旋为主。（三）DNA的高级结构2.真核生物DNA的高级结构经过多次压缩，线性DNA压缩近10000倍核小体：是染色质的基本组成单位，由200bp DNA和5种组蛋白（H1、H2A、H2B、H3和H4）共同构成，包括核心颗粒和连接区两个部分。核心颗粒由组蛋白八聚体（H2A、H2B、H3和H4各2分子）和盘绕DNA形成。连接区（组蛋白H1的DNA链）。二、DNA的功能DNA是生物遗传信息的携带者；DNA利用四种碱基的不同排列形成不同的核苷酸序列，并以遗传密码的方式决定不同蛋白质的氨基酸序列；DNA既是生命遗传的物质基础，也是个体生命活动的信息基础；DNA结构具有高度的复杂性和稳定性，可满足遗传的多样性和稳定性。小 结一、DNA的结构1、DNA的一级结构：多核苷酸链中碱基的排列顺序。2、DNA的二级结构-双螺旋结构 双螺旋结构要点3、DNA的高级结构 原核生物：超螺旋结构 真核生物：核小体-螺线管-环袢结构-染色质4、DNA的功能：遗传信息的储存者第三节 RNA的结构和功能一、mRNA的结构与功能二、tRNA的结构与功能三、rRNA的结构与功能 线性单链结构，由3,5-磷酸二酯键连接而成多核苷酸链；局部区域通过碱基互补（AU，GC）形成局部双螺旋，非互补区形成突环，称“茎环”结构或发夹结构。RNA的结构特点复习：RNA由哪几种核苷酸构成？因是单链结构，因此稳定性较差、易被酶水解。分子较小，一般由几十至几千个核苷酸构成。稀有碱基或修饰碱基较多，如双氢尿嘧啶等；RNA同样要形成高级结构时才能发挥活性。细胞内主要包括mRNA、tRNA、rRNA三类，但也有其他；一、mRNA（信使RNA或信息RNA）1、特点含量低，占RNA总量的2%-5%，三种RNA中含量最低的；种类最多（大约一个基因一种mRNA），分子量大小不一；代谢活跃：半衰期只有几分钟到半小时；2、mRNA的功能：将细胞核内的基因信息转录后携带至细胞质，并作为直接模板指导蛋白质的生物合成。（1）原核生物中 mRNA合成后无需加工，直接参与蛋白质合成；细胞核内合成mRNA-加工为成熟mRNA-转移至细胞质发挥作用；（2）真核生物中 5端帽子结构：5-末端在成熟过程中会加上7-甲基鸟嘌呤核苷三磷酸（m7GpppN），称为“帽子”结构；与mRNA稳定的维持、mRNA从细胞核转运至细胞质、以及mRNA与核糖体和翻译起始因子结合有关。3端多聚腺苷酸尾部：3-末端有一段20200个腺苷酸的多聚腺苷酸尾部（poly A）；与mRNA的稳定性和转运出细胞核的过程等有关。真核生物成熟mRNA的结构特点 编码区与遗传密码（密码子）mRNA上存在遗传密码 mRNA分子上从5 3 方向，由AUG开始，每3个相邻核苷酸的碱基组成一个密码，称为“三联体密码”。代表一种氨基酸或起始信号、终止信号。共有64种密码。起始密码:AUG（蛋氨酸）终止密码:UAA，UAG，UGA 方向性：密码的阅读方向是53方向。连续性：编码蛋白质氨基酸序列的各个三联体密码连续阅读，密码间既无间断也无交叉。简并性：一种氨基酸可能具有两个或两个以上的密码子。通用性：是指从原核生物到人类，几乎都在使用同一套遗传密码。摆动性：密码子第三位碱基与反密码子第一位碱基间的辨认有时不十分严格。遗传密码的特点：第一核苷酸（5）第二核苷酸第三核苷酸（3）UCAGU苯丙氨酸UUU丝氨酸UCU酪氨酸UAU半胱氨酸UGUU苯丙氨酸UUC丝氨酸UCC酪氨酸UAC半胱氨酸UGCC亮氨酸UUA丝氨酸UCA终止密码UAA终止密码UGAA亮氨酸UUG丝氨酸UCG终止密码UAG色氨酸UGGGC亮氨酸CUU脯氨酸CCU组氨酸CAU精氨酸CGUU亮氨酸CUC脯氨酸CCC组氨酸CAC精氨酸CGCC亮氨酸CUA脯氨酸CCA谷氨酰胺CAA精氨酸CGAA亮氨酸CUG脯氨酸CCG谷氨酰胺CAG精氨酸CGGG第一核苷酸（5）第二核苷酸第三核苷酸（3）UCAGA异亮氨酸AUU苏氨酸ACU天冬酰胺AAU丝氨酸AGUU异亮氨酸AUC苏氨酸ACC天冬酰胺AAC丝氨酸AGCC异亮氨酸AUA苏氨酸ACA赖氨酸AAA精氨酸AGAA甲硫氨酸AUG苏氨酸ACG赖氨酸AAG精氨酸AGGGG缬氨酸GUU丙氨酸GCU天冬氨酸GAU甘氨酸GGUU缬氨酸GUC丙氨酸GCC天冬氨酸GAC甘氨酸GGCC缬氨酸GUA丙氨酸GCA谷氨酸GAA甘氨酸GGAA缬氨酸GUG丙氨酸GCG谷氨酸GAG甘氨酸GGGG二、tRNA（转运RNA）1、结构特点占细胞内RNA总量的15%左右；三种RNA分子中最小的一类，由7090个核苷酸组成一条单链；含稀有碱基最多：一般每分子含有715个。如二氢尿嘧啶（DHU）、假尿嘧啶（）、甲基化嘌呤mG等；其5端大多为pG，3端全都是CCA-OH（tRNA 与相应氨基酸的结合部位）；二级结构二级结构“三叶草三叶草”结构结构多处形成局部双链，形成“三叶草”形二级结构；反密码 环：通 过 反 密 码 子 与mRNA识别；氨基酸臂：结合相应氨基酸；三级结构呈倒“L”形。2、主要功能：携带蛋白质合成所需的氨基酸，并按mRNA上的密码顺序“对号入座”地将其定位于多肽链上。三、rRNA1、结构特点细胞内含量最多，占RNA总量的80%；种类较少；原核生物中真核生物中核糖体小亚基16S18S核糖体大亚基5S，23S5S，5.8S，28SrRNA 种类2、功能：rRNA与多种核糖体蛋白组成核糖体，提供蛋白质生物合成的场所。核糖体由大小不同的两个亚基所组成。rRNA是构成核糖体大、小亚基的骨架，决定着整个复合体的结构以及蛋白质组分所附着的位置；rRNA能与mRNA结合。rRNA-mRNA-tRNA核蛋白体的组成核蛋白体的组成DNARNA戊糖-D-2-脱氧核糖-D-核糖特征碱基胸腺嘧啶（T）尿嘧啶（U）基本组成单位脱氧核糖核苷酸（dNMP）核糖核苷酸（NMP）碱基配对A与T，G与C，全部配对A与U，G与C，部分配对碱基含量A=T，G=C无一定规律稀有碱基极少见多见分子大小一般比RNA大的多大小不等，含数十个至数千个核苷酸结构特点互补双链，右手双螺旋结构单链，局部双螺旋功能储存遗传信息参与遗传信息的表达DNADNA与与RNARNA结构和功能的区别结构和功能的区别逆转录病毒：我就是例外一、mRNA 结构特点、功能；真核生物成熟mRNA的结构特点；遗传密码的概念和特点；二、tRNA的结构与功能 结构特点、功能；三、rRNA的结构与功能 结构特点、功能；四、DNA和RNA的主要区别小 结第四节 核酸的理化性质一、核酸的高分子性质二、核酸的酸碱性质三、核酸的紫外吸收四、核酸的变性与复性一、核酸的高分子性质DNA分子量约1061011，RNA分子量约102106；体细胞中DNA若展开成线性，长约1.7米。压缩近万倍才能容于细胞核中；线性大分子，黏度高但抗剪切力差，提取时易断裂；DNA变性时，双螺旋结构转变成线团结构，黏度变小；DNA为白色纤维状固体，RNA为白色粉末，均微溶于水，不溶于有机溶剂。RNA易溶于低盐（0.14mol/L NaCl）溶液。DNA易溶于高盐（1mol/L NaCl）溶液。二、核酸的酸碱性质核酸属于两性解离物质，具有等电点（pI为23），一般呈酸性（在中性溶液中带负电荷）；DNA双螺旋结构中两条链间氢键的形成与碱基的解离状态有关，而碱基的解离状态又与所处溶液的pH有关，所以DNA所处溶液的pH直接影响双螺旋结构的稳定；当pH在4.011.0范围内时，碱基对结合最稳定。三、核酸的紫外吸收嘧啶碱和嘌呤碱都含有共轭双键，因此碱基以及包含碱基的核苷、核苷酸、核酸都具有紫外线吸收性质。在中性条件下，核酸的最大吸收峰波长为260nm。利用此特性可对核酸进行定性、定量分析，也可借此鉴别核酸检品中的蛋白质杂质。DNA纯品，A260/A280=1.8；RNA纯品，A260/A280=2.0；A260=1.0相当于50微克双链DNA、40微克RNA、33微克单链DNA；四、核酸的变性、复性及分子杂交DNA变性：指在某些理化因素的作用下，DNA双链中互补碱基对之间的氢键断裂，使DNA双螺旋结构松散，由双链解链为单链的现象。加热引起的变性称为热变性。复性：变性后的DNA两条单链仍能互补配对，在适当的条件下，两条互补单链重新结合并恢复其天然的双螺旋结构的现象。热变性的DNA缓慢冷却后复性称为退火。增色效应：DNA变性后，由于双链解开，位于分子内部的碱基暴露出来，使得其紫外吸收值（A260）大幅增加的现象。解链曲线：如果连续加热DNA溶液，并测定其不同温度时的A260值，以温度对A260值作图，所得“S”形曲线称为解链曲线。解链温度（Tm）：DNA达50%解链时，即A260值变化达到最大变化值一半时所对应的温度称为解链温度，也称融解温度。分子杂交：指不同来源的单链核酸分子根据碱基互补配对，结合形成杂化的双链核酸的过程。杂交可发生在DNA-DNA、RNA-RNA和DNA-RNA之间。探针（probe）：一段带有放射标记或其他化学标记的寡核苷酸链。实用技术：PCR技术、生物芯片等。应用：疾病的诊断，如乙肝、艾滋等。