核酸的结构与功能学习教案.pptx

会计学 1核酸的结构(jigu)与功能第一页，共79 页。1869 Miescher isolated DNA for the first time.确定(qudng)了生物遗传 的物质基础 是DNA n 核 酸(nucleic acid)是以核苷酸为基本组成单位的生物(shngw)大分子，携带和传递遗传信息。第1 页/共78 页第二页，共79 页。n 核酸的分类(fn li)及分布存在(cnzi)于细胞核和线粒体 分布(fnb)于细胞核、细胞质、线粒体(deoxyribonucleic acid,DNA)(ribonucleic acid,RNA)脱氧核糖核酸 核糖核酸携带遗传信息，并通过复制传递给下一代。是DNA转录的产物，参与遗传信息的复制与表达。某些病毒RNA也可作为遗传信息的载体第2 页/共78 页第三页，共79 页。第一节核酸的化学(huxu)组成及其一级结构The Chemical Component and Primary Structure of Nucleic Acid第3 页/共78 页第四页，共79 页。核酸(DNA和RNA)核苷酸核苷和脱氧核苷 磷酸戊糖 碱基嘌呤嘧啶核糖脱氧核糖n 核酸(h sun)组成 第4 页/共78 页第五页，共79 页。n分子组成碱基(base)：嘌呤碱，嘧啶碱戊糖(ribose)：核糖，脱氧核糖磷酸(phosphate)一、核苷酸是构成核酸(h sun)的基本组成单位第5 页/共78 页第六页，共79 页。碱基(base)是含氮的杂环化合物。碱基嘌呤(piolng)嘧啶(m dn)腺嘌呤鸟嘌呤尿嘧啶胸腺嘧啶(m dn)胞嘧啶存在于DNA和RNA中仅存在于RNA中仅存在于DNA中n 碱基第6 页/共78 页第七页，共79 页。嘌呤(piolng)(purine，Pu)腺嘌呤(adenine,A)鸟嘌呤(guanine,G)第7 页/共78 页第八页，共79 页。嘧啶(m dn)(pyrimidine，Py)胞嘧啶(cytosine,C)尿嘧啶(uracil,U)胸腺嘧啶(thymine,T)第8 页/共78 页第九页，共79 页。n 戊糖（构成RNA）12 345核糖(ribose)（构成DNA）脱氧核糖(deoxyribose)第9 页/共78 页第十页，共79 页。嘌呤N-9或嘧啶N-1与核糖C-1 通过(tnggu)-N-糖苷键相连形成核苷(ribonucleoside)。n 核苷NNNN9NH2OOHO HHHHC H2O HH1 2糖苷键11 AR,GR,UR,CR第10 页/共78 页第十一页，共79 页。n 脱氧核苷嘌呤N-9 或嘧啶N-1与脱氧核糖C-1 通过-N-糖苷键相连(xin lin)形成脱氧核苷(deoxyribonucleoside)。11HdAR,dGR,dTR,dCR第11 页/共78 页第十二页，共79 页。核苷或脱氧核苷与磷酸通过酯键结合(jih)构成核苷酸(ribonucleotide)或脱氧核苷酸(deoxyribonucleotide)。n 核苷酸(ribonucleotide)AMP,GMP,UMP,CMPNNNN9NH2OO HO HHHHCH2H12O PO-HOO糖苷键酯键脱氧核苷酸：dAMP,dGMP,dTMP,dCMP 第12 页/共78 页第十三页，共79 页。体内(t ni)重要的核苷酸衍生物n n 含核苷酸的生物(shngw)活性物质：n n NAD+、NADP+、CoA-SH、FAD 等都含有 AMPNADP+NAD+第13 页/共78 页第十四页，共79 页。n 多磷酸(ln sun)核苷酸第14 页/共78 页第十五页，共79 页。环化核苷酸：cAMP、cGMP，是细胞(xbo)信号转导中的第二信使。cAMPn 核苷酸衍生物第15 页/共78 页第十六页，共79 页。二、DNA是脱氧核苷酸通过(tnggu)3,5-磷酸二酯键连接形成的大分子一个脱氧核苷酸3 的羟基与另一个核苷酸5 的-磷 酸 基 团 缩 合 形 成 磷 酸 二 酯 键(phosphodiester bond)。多个脱氧核苷酸通过磷酸二酯键构成了具有方向性的线性分子(fnz)，称为多聚脱氧核苷酸(polydeoxynucleotide)，即DNA链。第16 页/共78 页第十七页，共79 页。5-末端3-末端CGA磷酸二酯键磷酸二酯键第17 页/共78 页第十八页，共79 页。交替的磷酸基团(j tun)和戊糖构成了DNA的骨架(backbone)。DNA链的方向(fngxing)是5 3 第18 页/共78 页第十九页，共79 页。三、RNA也是具有(jyu)3,5-磷酸二酯键的线性大分子 RNA也是多个核苷酸分子通过酯化反应形成(xngchng)的线性大分子，并且具有方向性；RNA的戊糖是核糖；RNA的嘧啶(m dn)是胞嘧啶(m dn)和尿嘧啶(m dn)。第19 页/共78 页第二十页，共79 页。n n定义定义n n核酸中核苷酸的排列顺序。核酸中核苷酸的排列顺序。n n由于核苷酸间的差异主要由于核苷酸间的差异主要是碱基不同是碱基不同(b tn)(b tn)，所，所以也称为碱基序列。以也称为碱基序列。5端3 端CGA四、核酸(h sun)的一级结构是核苷酸的排列顺序第20 页/共78 页第二十一页，共79 页。A G P5 P T PG PC PT P OH 3 n 书写(shxi)方法：5 pApCpTpGpCpT-OH 3 5 A C T G C T 3 第21 页/共78 页第二十二页，共79 页。核酸分子(fnz)的大小常用碱基(base或kilobase)数目来表示。小 的 核 酸 片 段(50bp)常 被 称 为 寡 核 苷 酸(oligonucleotide)。自然界中的DNA和RNA的长度可以高达几十万个碱基。第22 页/共78 页第二十三页，共79 页。第二节核酸(h sun)的空间结构与功能Dimensional Structure and Function of DNA第23 页/共78 页第二十四页，共79 页。DNA的空间结构又分为(fn wi)二级结构(secondary structure)和高级结构。n DNA的空间结构(spatial structure)构成DNA的所有(suyu)原子在三维空间具有确定的相对位置关系。double helix：The natural coiled conformation of two complementary,antiparallel DNA chains by the formation of A-T and G-C base pairs.第24 页/共78 页第二十五页，共79 页。一、DNA的二级结构(jigu)是双螺旋结构(jigu)Watson and Crick:1953 年提出双螺旋 结 构(jigu)模型,The Nobel Prize in Physiology or Medicine 1962第25 页/共78 页第二十六页，共79 页。l 不同(b tn)生物种属的DNA的碱基组成不同(b tn)l 同一个体的不同(b tn)器官或组织的DNA碱基组成相同。l A=T，G=C Chargaff 规 则(guz)（一）DNA双螺旋结构(jigu)的研究背景 获得了高质量的DNA分子的X射线衍射照片。提出了DNA分子双螺旋结构(double helix)模型。第26 页/共78 页第二十七页，共79 页。A G C T A/T G/C G+C嘌呤/嘧啶大肠杆菌 26.0 24.9 25.2 23.9 1.09 0.99 50.1 1.04结核杆菌 15.1 34.9 35.4 14.6 1.03 0.99 70.3 1.00酵母 31.7 18.3 17.4 32.6 0.97 1.05 35.7 1.00牛 29.0 21.2 21.2 28.7 1.01 1.00 42.4 1.01猪 29.8 20.7 20.7 29.1 1.02 1.00 41.4 1.01人 30.4 19.9 19.9 30.1 1.01 1.00 39.8 1.01n 不同生物来源DNA碱基组分(zfn)和相对比例第27 页/共78 页第二十八页，共79 页。l1953 年 由 Wilkins 研 究 小 组 的 Rosalind Franklin获 得(hud)了 高质 量 的X线 衍 射 照片，显 示 出DNA 是 螺 旋 形 分 子，从 密 度 上 也提示了DNA为 双链 分子。Rosalind Franklin 第28 页/共78 页第二十九页，共79 页。两 条 多 聚 核 苷 酸 链 在 空 间 的 走 向 呈 反 向 平 行(anti-parallel)。两条链围绕着同一个螺旋轴形成右手螺旋(right-handed)的结构。双螺旋结构的直径为2nm，螺距为3.4nm。脱氧核糖和磷酸基团组成的亲水性骨架(gji)位于双螺旋结构的外侧，疏水的碱基位于内侧。双螺旋结构的表面形成了一个大沟(major groove)和一个小沟(minor groove)。（二）DNA双螺旋结构模型(mxng)要点1.DNA是反向平行、右手螺旋(luxun)的双链结构第29 页/共78 页第三十页，共79 页。第30 页/共78 页第三十一页，共79 页。2.DNA双链之间形成(xngchng)了互补碱基对 碱基配对关系称为(chn wi)互补碱基对(complementary base pair)。DNA的 两 条 链 则 互 为 互 补 链(complementary strand)。碱基对平面与螺旋轴垂直。第31 页/共78 页第三十二页，共79 页。n 大沟与小沟第32 页/共78 页第三十三页，共79 页。相邻两个碱基对会有重叠，产生了疏水性的碱基堆积力(base stacking interaction)。碱基堆积力和互补碱基对的氢键共同维系着DNA结构(jigu)的稳定。3.疏水作用力和氢键共同(gngtng)维系着DNA双螺旋结构的稳定。n 碱基堆积作用力第33 页/共78 页第三十四页，共79 页。Z（三）DNA双螺旋结构(jigu)的多样性第34 页/共78 页第三十五页，共79 页。第35 页/共78 页第三十六页，共79 页。DNA的基本功能是以基因的形式荷载遗传信息(xnx)，并作为基因复制和转录的模板。它是生命遗传的物质基础，也是个体生命活动的信息(xnx)基础。基因从结构上定义(dngy)，是指DNA分子中的特定区段，其中的核苷酸排列顺序决定了基因的功能。三、DNA是遗传信息的物质基础第36 页/共78 页第三十七页，共79 页。两种最重要的生物(shngw)大分子比较 项项 目目 蛋蛋 白白 质质核核 酸酸组成单位 组成单位 氨基酸 氨基酸 核苷酸 核苷酸种 种 类 类 20 20种 种 A A、C C、G G、T(DNA)T(DNA)A A、C C、G G、U(RNA)U(RNA)连接方式 连接方式 肽键 肽键磷酸二酯键 磷酸二酯键一级结构 一级结构 AA AA排列顺序 排列顺序碱基序列 碱基序列空间结构 空间结构 二、三、四级结构 二、三、四级结构 双螺旋、超螺旋、蛋白 双螺旋、超螺旋、蛋白-核酸非共价结合 核酸非共价结合功 功 能 能 生命活动直接执行者 生命活动直接执行者 遗传信息贮存、传代、遗传信息贮存、传代、表达 表达,决定 决定蛋白结构 蛋白结构第37 页/共78 页第三十八页，共79 页。第三节 RNA的结构(jigu)与功能Structure and Function of RNA第38 页/共78 页第三十九页，共79 页。RNA与蛋白质共同负责基因的表达和表达过程的调控。RNA通常以单链的形式(xngsh)存在，但有复杂的局部二级结构或三级结构。RNA比DNA小的多。RNA的种类、大小和结构远比DNA表现出多样性。第39 页/共78 页第四十页，共79 页。RNA RNA 的二、三级结构。的二、三级结构。(a)(a)茎 茎-环状结构，发夹 环状结构，发夹(f ji)(f ji)样结构；样结构；(b)“(b)“假结 假结”样结构 样结构第40 页/共78 页第四十一页，共79 页。n RNA的种类(zhngli)、分布、功能第41 页/共78 页第四十二页，共79 页。信使(xnsh)RNA(messenger RNA,mRNA)是合成蛋白质的模板。不均一核RNA(hnRNA)含有内含子(intron)和外显子(exon)。外显子是氨基酸的编码序列，而内含子是非编码序列。hnRNA经过剪切后成为成熟的mRNA。一、mRNA是蛋白质合成(hchng)中的模板第42 页/共78 页第四十三页，共79 页。从AUG 开始，每三个核苷酸为一组编码了一个氨基酸，称为三联体密码(codon)。成 熟 的 mRNA由 氨 基 酸 编 码 区 和 非 编 码 区 构 成(guchng)。5-末端的帽子(cap)结构和3-末端的多聚A尾(poly-A tail)结构。n 成熟(chngsh)的真核生物mRNA第43 页/共78 页第四十四页，共79 页。n 帽子(mo zi)结构:m7GpppNm（一）大部分真核细胞mRNA的5末端都以7-甲基鸟嘌呤-三磷酸(ln sun)核苷为起始结构 mRNA的 帽 结 构(jigu)可 以 与 帽 结 合 蛋 白(cap binding protein，CBP)结合。第44 页/共78 页第四十五页，共79 页。真核生物(shngw)的mRNA 的3-末端转录后加上一段长短不一的聚腺苷酸。（二）在真核生物(shngw)mRNA的3末端有多聚腺苷酸结构第45 页/共78 页第四十六页，共79 页。mRNA核内向胞质的转位mRNA的稳定性维系翻译(fny)起始的调控 n 帽子结构(jigu)和多聚A尾的功能第46 页/共78 页第四十七页，共79 页。（三）mRNA依照自身(zshn)的碱基顺序指导蛋白质氨基酸顺序的合成 从mRNA分子5末端(m dun)起的第一个AUG开始，每3个核苷酸为一组称为密码子(codon)或三联体密码(triplet code)。AUG被称为(chn wi)起始密码子；决定肽链终止的密码子则称为(chn wi)终止密码子。位于起始密码子和终止密码子之间的核苷酸序列称为开放阅读框(open reading frame,ORF)，决定了多肽链的氨基酸序列。第47 页/共78 页第四十八页，共79 页。转运RNA(transfer RNA,tRNA)在蛋白质合成过程中作为各种氨基酸的载体,将氨基酸转呈给mRNA。由7495核苷酸组成(z chn)；占细胞总RNA的15%；具有很好的稳定性。二、tRNA是蛋白质合成(hchng)中的氨基酸载体第48 页/共78 页第四十九页，共79 页。tRNA具有局部的茎环(stem-loop)结 构(jigu)或 发 卡(hairpin)结 构(jigu)。tRNA具有(jyu)茎环结构tRNA的二级结构(jigu)三叶草形氨基酸臂DHU环反密码环TC环附加叉第49 页/共78 页第五十页，共79 页。tRNA的二级结构(jigu)主要特征：n n1.1.三环四臂三环四臂n n2.2.氨基酸臂氨基酸臂33端有端有CCA-OHCCA-OH的共有结构的共有结构(jigu)(jigu)n n3.D3.D环上有二氢尿嘧啶（环上有二氢尿嘧啶（DD）n n4.4.反密码环上的反密码子与反密码环上的反密码子与mRNAmRNA相互作用相互作用n n5.5.可变环上的核苷酸数目可以变动可变环上的核苷酸数目可以变动n n6.TC6.TC环含有环含有TT和和n n7.7.含有修饰碱基和不变核苷酸含有修饰碱基和不变核苷酸n nAnticodonAnticodon：Three-nucleotide sequence of tRNA Three-nucleotide sequence of tRNA that base-pairs with a codon in mRNA.that base-pairs with a codon in mRNA.第50 页/共78 页第五十一页，共79 页。n tRNA的倒L三级结构(jigu)第51 页/共78 页第五十二页，共79 页。tRNA的3-末端都是以CCA结尾。3-末端的A与氨基酸共价连结，tRNA成为了氨基酸的载体。不同(b tn)的tRNA可以结合不同(b tn)的氨基酸。（三）tRNA的3-末端(m dun)连接氨基酸第52 页/共78 页第五十三页，共79 页。tRNA的反密码子环上有一个由三个核苷酸 构 成 的 反 密 码 子(anticodon)。tRNA上的反密码子依照碱基互补的原则(yunz)识别mRNA上的密码子。（四）tRNA的反密码子识别(shbi)mRNA的密码子第53 页/共78 页第五十四页，共79 页。核蛋白体RNA(ribosomal RNA，rRNA)是细胞内含量最多的RNA(80)。rRNA与 核 蛋 白 体 蛋 白 结 合 组 成 核 蛋 白 体(ribosome)，为蛋白质的合成提供(tgng)场所。三、以rRNA为组分(zfn)的核蛋白体是蛋白质合成的场所第54 页/共78 页第五十五页，共79 页。n 核蛋白体的组成(z chn)原核生物（以大肠杆菌为例）真核生物（以小鼠肝为例）小亚基 30S 40SrRNA 16S 1542个核苷酸 18S 1874个核苷酸蛋白质 21种 占总重量的40%33种 占总重量的50%大亚基 50S 60SrRNA 23S5S2940个核苷酸120个核苷酸28S5.85S5S4718个核苷酸160个核苷酸120个核苷酸蛋白质 31种 占总重量的30%49种 占总重量的35%第55 页/共78 页第五十六页，共79 页。n 大肠杆菌(d chn n jn)的核蛋白体第56 页/共78 页第五十七页，共79 页。n 蛋白质合成(hchng)时形成的复合体第57 页/共78 页第五十八页，共79 页。n 核酶某些小RNA分子具有催化(cu hu)特定RNA降解的活性，这种具有催化(cu hu)作用的小RNA亦被称为核酶(ribozyme)或催化(cu hu)性RNA(catalytic RNA)。第58 页/共78 页第五十九页，共79 页。RNA 具有(jyu)酶 活性的 发现 Sidney Altman，Thomas R.Cech（1939-）（1947-）The Nobel Prize in Chemistry 1989 for their discovery of catalytic properties of RNA 第59 页/共78 页第六十页，共79 页。核酸的理化(lhu)性质The Physical and Chemical Characters of Nucleic Acid第四节第60 页/共78 页第六十一页，共79 页。核酸的酸碱及溶解度性质核酸的酸碱及溶解度性质 核酸为多元酸，具有较强的酸性。核酸为多元酸，具有较强的酸性。核酸的高分子性质核酸的高分子性质 粘度：粘度：DNARNA dsDNA ssDNADNARNA dsDNA ssDNA 沉沉降降行行为为:不不同同构构象象(u u xinxin)的的核核酸酸分分子子的的沉沉降降的的速速率率有有很很大大差差异异，这这是是超超速速离离心心法法提提取取和和纯纯化化核核酸酸的理论基础。的理论基础。第61 页/共78 页第六十二页，共79 页。核酸在波长 260nm 处有强烈的吸收，是由碱基的共轭双键所决定(judng)的。这一特性常用作核酸的定性和定量分析。一、核酸(h sun)分子具有强烈的紫外吸收第62 页/共78 页第六十三页，共79 页。n 碱基的紫外吸收光谱(x shu un p)第63 页/共78 页第六十四页，共79 页。DNA或RNA的定量A260=1.0 相当于 50g/ml 双链DNA(dsDNA)40g/ml 单链DNA(ssDNA or RNA)20g/ml 寡核苷酸确定样品中核酸(h sun)的纯度 纯 DNA:A260/A280=1.8 纯 RNA:A260/A280=2.0n 紫外吸收(xshu)的应用第64 页/共78 页第六十五页，共79 页。二、DNA变性(binxng)是双链解离为单链的过程在某些理化因素(yn s)作用下，DNA双链解开成两条单链的过程。n 定义(dngy)DNA变性的本质是双链间氢键的断裂。常见因素：过量酸，碱，加热，变性试剂如尿素、酰胺以及某些有机溶剂如乙醇、丙酮等。第65 页/共78 页第六十六页，共79 页。协同(xitng)性的DNA解链高温(gown)或极端的pHn DNA的变性(binxng)第66 页/共78 页第六十七页，共79 页。