核酸的结构与功能医学生物化学课件上海交通大学医学院学习教案.pptx

会计学 1核酸的结构与功能(gngnng)医学生物化学课件上海交通大学医学院第一页，共92页。2 第一节 核苷酸 碱基(bases)（嘌呤(piolng)、嘧啶）N糖苷键 核苷戊糖(pentose)(nucleoside)磷酸酯键（脱氧核糖 核糖）核苷酸 磷酸(nucleotide)(phosphate)第1页/共91页第二页，共92页。3第2页/共91页第三页，共92页。4一、碱基1.碱基是含氮杂环化合物，嘧啶(mdn)和嘌呤两类腺嘌呤(A,adenine)嘌呤(purine)鸟嘌呤(G,guanine)胞嘧啶(mdn)(C,cytosine)嘧啶(mdn)(pyrimidine)胸腺嘧啶(mdn)(T,thymine)尿嘧啶(mdn)(U,uracil)第3页/共91页第四页，共92页。5第4页/共91页第五页，共92页。6 嘌呤 嘧啶DNA A G C TRNA A G C U*核酸分子中含有(hn yu)稀有碱基(rare bases)第5页/共91页第六页，共92页。72.碱基可随PH变化(binhu)出现酮式，烯醇式互变。第6页/共91页第七页，共92页。83.嘧啶和嘌呤碱基均具有共轭双键，对波长为 260nm左右的紫外光有较强吸收 图3-4第7页/共91页第八页，共92页。94.碱基的亚氨基中氢能与具有较大电负性N 和羰基氧=O形成氢键第8页/共91页第九页，共92页。10二、戊糖*核酸(hsun)中有两种戊糖DNA为D-2-脱氧核糖(D-2-deoxyribose)RNA为D-核糖(D-ribose)第9页/共91页第十页，共92页。111191三、核苷 1.核苷是戊糖与碱基之间以糖苷键（glycosidic bond）相连接而成，称为(chn wi)N-糖苷键第10页/共91页第十一页，共92页。12表3-1 各种(zhn)常见的核苷第11页/共91页第十二页，共92页。13图3-7稀有碱基与假尿苷2.RNA中含有稀有碱基，还存在异构化的核苷 假尿苷（）1115第12页/共91页第十三页，共92页。14四、核苷酸 5第13页/共91页第十四页，共92页。15第14页/共91页第十五页，共92页。164.环核苷酸：环腺苷酸(cyclic AMP,cAMP)和环鸟苷酸(cyclic GMP cGMP)第15页/共91页第十六页，共92页。175.单核苷酸的生理(shngl)作用1)核酸的构件分子2)参与物质代谢(UTP、CTP)、能量代谢(ATP)3)作为第二信使(cAMP)，在信号传递过程(guchng)中起 重要作用,参与代谢调节4)参与某些生物活性物质的组成(NAD+、NADP+)第16页/共91页第十七页，共92页。18 第二节 核酸的分子结构*核酸的构件分子是核苷酸 组成RNA的核苷酸是核糖核苷酸 主要(zhyo)有四种AMP、CMP、GMP、UMP 组成DNA的核苷酸是 脱氧核糖核苷酸 主要(zhyo)有四种dAMP、dCMP、dGMP、dTMP*核酸中核苷酸以3,5磷酸二酯键相连第17页/共91页第十八页，共92页。19一、核酸的一级结构(jigu)概念：核酸的一级结构(jigu)是指其多核苷酸中的碱基的排列顺序*DNA的一级结构(jigu)是指DNA中脱氧核糖 核苷酸的排列顺序。*RNA的一级结构(jigu)是指RNA中核糖核苷 酸的排列顺序。第18页/共91页第十九页，共92页。205端3端3,5磷酸二酯键(a)第19页/共91页第二十页，共92页。21P图3-10DNA的分子书写方式(a)分子结构式(b)线条(xintio)式（c）字母式第20页/共91页第二十一页，共92页。222.书写(shxi)方式*简写形式5-AGGCU-3（5末端含磷酸，3末端含羟基）3.多核苷酸（polynucleotide）寡核苷酸(oligonucleotide)第21页/共91页第二十二页，共92页。23二、DNA的空间结构(jigu)1.DNA的二级结构(jigu)1）DNA双螺旋结构(jigu)研究背景（double helix structure）第22页/共91页第二十三页，共92页。24 Chargaff的碱基分析(fnx)不同种生物DNA分子中的碱基组成不同 同一生物不同组织其DNA分子的碱基组 成相同 某一特定生物其DNA碱基组成是固定的 任何生物DNA碱基组成都符合 Chargaff 定律 A=T，G=C 即 A+G=T+C DNA纤维晶体的x-衍射研究显示DNA是双链 的螺旋形分子第23页/共91页第二十四页，共92页。253355第24页/共91页第二十五页，共92页。262）DNA双螺旋（B型）结构特点由两条DNA互补链反向(fn xin)平行。右手螺旋，直径为2nm。DNA双螺旋亲水骨架是脱氧核糖和磷酸(ln sun),在螺旋分子的外侧，而疏水碱基对在 螺旋分子内部。第25页/共91页第二十六页，共92页。27 碱基对之间的 距离为0.34nm，并有一个 36 的夹角(ji jio)，每一螺旋内含10个 碱基对，螺距为3.4nm.螺旋表面有大沟(major groove)和小沟(minor groove).是DNA与蛋白质结合(jih)的部位第26页/共91页第二十七页，共92页。28 DNA双螺旋通过中的碱基氢键配对生成(shn chn)。A与T 配对，形成二个氢键。G与C 配对，形成三个氢键。第27页/共91页第二十八页，共92页。29 3）维持DNA二级结构(jigu)稳定性的因素 碱基对间的氢键 碱基的堆积力（stacking force）相邻碱基对相距0.34nm存在(cnzi)Van der waals力。碱基对的疏水性使之在水溶液中相互 间聚集而形成疏水键。第28页/共91页第二十九页，共92页。30 DNA链上存在大量的磷酸基团,带负电荷，能使两条互补链分开，在生理条件下，双 螺旋表面存在着可中和磷酸基团的碱性蛋 白质和带正电荷的Na+,降低(jingd)静电斥力。第29页/共91页第三十页，共92页。314）DNA双螺旋的种类：DNA构象与核苷酸顺序、碱基组成有关，并取决于环境条件(tiojin)（盐类、相对湿度）生理条件下，右手DNA双螺旋大多以 B型形式(xngsh)存在,还有A型、C型、D型、E型 第30页/共91页第三十一页，共92页。32第31页/共91页第三十二页，共92页。33第32页/共91页第三十三页，共92页。34 左手(zushu)双螺旋DNAZ-DNA发现:1979年，Rich等人工合成六聚体d（CGCGCG）单晶进行X射线衍射(ynsh)分析，数据表明主链的走向呈“之”字型，左手双螺旋DNA第33页/共91页第三十四页，共92页。35ZDNA的结构特点:a.每个螺旋由12个碱基对构成，螺距4.46nm直径(zhjng)1.8nmb.碱基组成特殊，为嘌呤和嘧啶交替排列，如CGCGCG主链呈锯齿状（Zig-Zag）走向。c.只有一条沟d.体内ZDNA的存在ZDNA的功能：与基因转录调节(tioji)有关第34页/共91页第三十五页，共92页。36（4）三股螺旋DNA 概念：三股螺旋DNA中通常是一条(ytio)同型寡核苷酸与寡嘧啶核苷酸-寡嘌呤核苷酸双螺旋的大沟结合，三股螺旋中的第三股可以来自分子间，也可以来自分子内。三股螺旋DNA存在于基因调控区和其他重要区域，具有重要生理意义。第35页/共91页第三十六页，共92页。37图3-14三股螺旋DNA嘧啶核苷酸嘌呤核苷酸第36页/共91页第三十七页，共92页。382.DNA的三级结构超螺旋结构 1）DNA三级结构是指DNA链进一步扭曲盘 旋形成(xngchng)超螺旋结构 2）大多数原核生物和病毒的基因组DNA以双 链环状DNA形式存在。真核细胞中的线粒 体DNA、叶绿体DNA都是环状的 第37页/共91页第三十八页，共92页。39 3）超螺旋可分正超螺旋和负超螺旋。几乎 所有(suyu)天然DNA中都存在负超螺旋结构图3-15原核(yunh)生物DNA超螺旋第38页/共91页第三十九页，共92页。403.DNA的四级结构DNA与蛋白质形成复合物 1）真核生物基因组DNA折叠第一层是核小体，图3-16核小体结构第39页/共91页第四十页，共92页。41*核小体的结构 a.由146bp长的双链DNA绕组蛋白八聚体 核心(hxn)(H2A,H2B,H3,H4)2 1.75 圈组成 核心(hxn)颗粒。b.各核心(hxn)颗粒间有一个连接区，由60bp 的DNA和1个分子组蛋白H1构成。第40页/共91页第四十一页，共92页。42图3-17 真核生物染色体DNA组装不同层次(cngc)的结构 2）核小体又进一步盘绕(pnro)折叠，最后形成染色体 第41页/共91页第四十二页，共92页。43 三、基因和基因组1.基因（gene）基因的现代分子生物学概念是指能编码有 功能的蛋白质多肽链或合成RNA所必需的 全部核酸(h sun)序列，是核酸(h sun)分子的功能单位。第42页/共91页第四十三页，共92页。44图3-18 真核生物基因(jyn)结构示意 第43页/共91页第四十四页，共92页。452.基因组（genome）基因组是指一个细胞(xbo)或病毒所有基因及间隔序列，储存了一个物种所有的遗传信息。第44页/共91页第四十五页，共92页。46 病毒基因组 病毒DNA的大小差别很大 每种病毒只有一种核酸(hsun)，DNA或RNA组成肝炎病毒（hepatitisvirus):甲肝病毒（HAV)RNA病毒乙肝病毒（HBV）DNA病毒丙肝病毒（HCV）RNA病毒丁肝病毒（HDV）RNA病毒戊肝病毒（HEV）RNA病毒第45页/共91页第四十六页，共92页。47病毒(bngd)基因组最大的特点是出现重叠基因第46页/共91页第四十七页，共92页。48原核生物基因组 原核生物基因组多为环状双链DNA 原核生物基因组大部分为结构基因，编码 生存所必需的蛋白质和RNA各种生物的的基因数目与DNA量的比较大肠杆菌基因数2350DNA分子大小4.2106编码序列占基因组%98以上5酵母果蝇610087501.31071.4108人30000-350003.2109270第47页/共91页第四十八页，共92页。49 原核生物基因组最大的特点是具有操纵子（operon）结构大肠埃希菌乳糖操纵子第48页/共91页第四十九页，共92页。50 真核生物(shngw)基因组基因组比原核(yun h)生物大得多 真核生物中进化的复杂程度与DNA含量(hnling)并 不完全一致 存在大量非编码的间隔序列，基因序列 占整个基因组10不到 第49页/共91页第五十页，共92页。51真核生物基因组的最大的特点是出现分 隔开的基因 外显子(exon)：编码氨基酸序列的DNA片段 内含子（intron）：不编码氨基酸序列的 DNA插入片段外显子1外显子2 外显子3第50页/共91页第五十一页，共92页。52真核生物基因组中存在单拷贝序列 和低度重复序列、中度(zhn d)重复序列和 高度重复序列 第51页/共91页第五十二页，共92页。53四、各类RNA的结构 RNA的一般特点：1.RNA主要存在于胞浆,含量比DNA多，分子大小(dxio)不均一 2.主要有四种核糖核糖核苷酸A、G、C、U 通过3，5磷酸二酯键连接形成单链多 核苷酸 3.空间结构主要为单链及局部双螺旋 5.在局部双螺旋中除A与U配对、G与C配对外 还存在非标准配对，如G与U配对 第52页/共91页第五十三页，共92页。54图3-19RNA局部(jb)空间结构(a)在二级结构中的凸出、环、发夹结构（b）发夹结构第53页/共91页第五十四页，共92页。55RNaseP中M1RNA的二级结构示意图。两个括号是在三级结构中互补的序列第54页/共91页第五十五页，共92页。561.tRNA的结构 tRNA的一级结构 tRNA是单链分子，含7393核苷酸，含有10%的稀有碱基 3端为CCA-OH，5端多为pG 分子中大约30%的碱基是不变的或半不 变的,决定(judng)了它们的二级结构都是三叶 草型。第55页/共91页第五十六页，共92页。57图3-20tRNA二级结构（a）tRNA三级结构（b）第56页/共91页第五十七页，共92页。58 tRNA的二级结构 1）tRNA二级结构为三叶草型 第57页/共91页第五十八页，共92页。59 2）四环四臂 氨基酸臂 a.7个bp组成 b.3末端(m dun)均为 NCCAOH3结构 c.携带氨基酸第58页/共91页第五十九页，共92页。60二氢尿嘧啶环（D环）a.含有(hn yu)两个二氢尿嘧啶（DHU）b.8-14个碱基组成 c.识别氨基酰tRNA合成酶二氢尿嘧啶臂3-4bp 第59页/共91页第六十页，共92页。61反密码环a.7个碱基组成，其中(qzhng)3个组成反密码子(anticodon)b.反密码子与mRNA上相应密码配对反密码臂有5对碱基组成第60页/共91页第六十一页，共92页。62 TC环 a.个碱基组成 b.含TC序列 c.识别rRNA中的5SrRNA TC环臂5对碱基组成 额外环 a.由421个b之间变动，又称可变环 b.不同tRNA分子差异较大。第61页/共91页第六十二页，共92页。63（3）tRNA的三级结构特点 1)tRNA的三级结构呈 倒L型第62页/共91页第六十三页，共92页。64 2)倒型分子有两支双螺旋区，一支由氨基酸臂和TC臂组成另一支由DHU臂和反密码臂组成3)倒型分子的一端为氨基酸臂的-CCA-OH,另一端为反密码环，便于识别有关分子第63页/共91页第六十四页，共92页。654)TC环位于倒型的拐角(guijio)，有利与 核糖体5sRNA相互作用5)碱基在疏水作用下相互(xingh)堆集，对形成6)tRNA空间结构有重要意义第64页/共91页第六十五页，共92页。662.mRNA.mRNA概述：1)占细胞中总的2)分子(fnz)大小不均一3)有编码序列与非编码序列第65页/共91页第六十六页，共92页。67.mRNA的结构 原核生物mRNA的结构特点 1)原核生物mRNA结构简单，为多顺反子 2)端有翻译起始序列第66页/共91页第六十七页，共92页。683)端有与翻译终止有关(yugun)的非编码序列4)有少量的间隔序列5)端无帽子结构，端没有polyA尾巴第67页/共91页第六十八页，共92页。69 真核生物mRNA结构特点 1)真核生物mRNA为单顺反子结构 第68页/共91页第六十九页，共92页。70 2)端帽子结构*结构:m7G5ppp5 Np(m7G5ppp5 NmpNp,m7G5ppp5 NmpNmpNp)*功能：与蛋白质合成起始有关,保护mRNA不被RNase降解。第69页/共91页第七十页，共92页。71第70页/共91页第七十一页，共92页。723)3末端多聚腺苷酸尾巴(wi ba)结构 结构(jigu)：3 有20-250个多聚腺苷酸 结构(jigu)（poly A）。功能(g ngnng)：与稳定mRNA有关第71页/共91页第七十二页，共92页。73 3.rRNA的结构 rRNA占细胞总RNA的80%左右 rRNA分子为单链，局部(jb)有双螺旋区域 第72页/共91页第七十三页，共92页。74 原核生物主要的rRNA有三种(sn zhn)，即5S、16S和 23S rRNA，真核生物则有4种，即5S、5.8S、18S和28S rRNA。rRNA与多种核糖体蛋白（Ribosomal protein,rP）装配成核糖体，是蛋白质合成的场所，第73页/共91页第七十四页，共92页。75 原核(yunh)生物：23SrRNA、5SrRNA50S大亚基34种蛋白质核糖体16SrRNA70S30S小亚基21种蛋白质真核生物：5SRNA、5.8SrRNA、28SrRNA60S大亚基核糖体49种Pro80S18SrRNA40S小亚基33种Pro第74页/共91页第七十五页，共92页。76 原核生物 小亚基 上16S rRNA 3端有一 保守序列ACCUCCU与mRNA SD序列互补与蛋 白质(bizh)合成起始有关。原核生物5S与真核生物5.8SrRNA 中有 CGAAC的保守序列能识别tRNA中TC环中 GT CG序列。第75页/共91页第七十六页，共92页。774.其他RNA分子 1)细胞核内小分子RNA（small nuclear RNA，snRNA），参与(cny)mRNA前体的剪 接以及成熟的mRNA由核内向胞浆中转运 的过程。2)核仁小分子RNA（small nucleolar RNA，snoRNA）参与(cny)rRNA前体的加工以及核 糖体亚基的装配。第76页/共91页第七十七页，共92页。783)胞质小分子RNA（smallcytosolRNA，scRNA）如：7SLRNA与蛋白质一起组成信号识别颗粒，参与蛋白质的合成(hchng)。4)反义RNA（antisenseRNA）能调节基因表达。5)核酶是具有催化活性的RNA分子或RNA片段6)微RNA（microRNA，miRNA），长度一般为20-24个核苷酸，在mRNA翻译过程中起到开关作用，它与靶mRNA结合，产生转录后基因沉默作用。第77页/共91页第七十八页，共92页。79五、RNA组RNA组是研究细胞的全部(qunb)RNA基因和RNA的分子结构与功能。RNA组的研究将在探索生命奥秘中做出巨大贡献。第78页/共91页第七十九页，共92页。80第三节核酸的理化性质一、核酸的大小及测定1.DNA分子大小 2.测定方法：电泳，超速离心法以及测定DNA序列（Sanger的双脱氧DNA链末端合成(hchng)终止法）第79页/共91页第八十页，共92页。81_生物碱基对(kb)总长度(1m)形状_病毒多瘤病毒5.11.7环状SV405.21.8 环状M136.41.9 环状X1745.41.8 环状fd6.41.9 环状P46.41.9 线状T7351.2 线状入48.516线状T216655 线状细菌支原体760260环状大肠杆菌46001560环状真核生物(单倍体)酵母135004600线状，分布于7个染色体上果蝇137000466000线状，分布于4个染色体上人31600001074000线状，分布于23个染色体上南美洲肺鱼10200000034700000线状，分布于19个染色体上_表3-3不同生物DNA分子大小第80页/共91页第八十一页，共92页。82 二、核酸的水解(shuji)1.化学法 1)在很低pH条件下DNA和RNA都会发生 磷酸二酯键水解(shuji)。2)在高pH时，RNA的磷酸酯键易被水解(shuji)，而DNA的磷酸酯键不易被水解(shuji)。第81页/共91页第八十二页，共92页。83 2.酶法 核酸酶(nucleases)包括：核糖核酸(h tn h sun)酶(RNase)脱氧核糖核酸(h tn h sun)酶(DNase)核酸外切 酶(exonuclease)核酸内切 酶(endonuclease)第82页/共91页第八十三页，共92页。84 3ppppOH35限制性内切酶(restrictionendonuclease)5GAATTC33CTTAAG5EcoRI核酸(hsun)外切酶核酸(hsun)内切酶第83页/共91页第八十四页，共92页。85三、核酸的变性、复性与杂交.变性（denaturation）1)定义：在一定理化因素作用下，核酸双螺旋等空间结构中碱基之间的氢键断裂，变成单链的现象(xinxing)称为变性（denaturation）。2)引起核酸变性的常见理化因素有加热、酸、碱、尿素和甲酰胺等。第84页/共91页第八十五页，共92页。86 3)增色效应（hyperchromic effect）核酸变性时双螺旋等高级空间构象被破坏，碱 基暴露其260nm紫外线吸收会大大增加的现象浓度为50 g/ml双螺旋DNA A260为 1.00 单链DNA A260为 1.37 游离核苷酸 A260为 1.60 图3-24DNA的紫外吸收光谱1.天然DNA2.变性DNA3.核苷酸总吸光度值第85页/共91页第八十六页，共92页。87 4)熔解温度（melting temperature,Tm）概念 加热变性时DNA溶液A260升高达到最大值 一半时的温度称为该DNA的熔解温度。Tm一般在8595 之间DNA熔解曲线 第86页/共91页第八十七页，共92页。88 影响因素 a.DNA分子中，C.G对含量 与Tm成正比 C.G对含量增加1,Tm增加0.40C。b.Tm 与 DNA 溶液中 的离子(lz)强度成正比。在0.4mol/L盐溶液 中DNA保存较为稳定。离子(lz)强度对Tm影响 第87页/共91页第八十八页，共92页。89DNA的Tm值可以根据G+C含量计算(jsun)：Tm=69.3+0.41（%GC）2.复性(renaturation)1)复性的概念:变性DNA在适当条件下，可使两条分开的单链重新形成双螺旋DNA的过程称为复性。2)退火（annealing）当热变性的DNA经缓慢冷却后复性称为退火。第88页/共91页第八十九页，共92页。90 2)影响因素:DNA浓度高，复性快 DNA分子大，复性慢 合适的复性温度：Tm-25 适当(shdng)的离子强度：一般在0.4mol/L第89页/共91页第九十页，共92页。91图3-26DNA热变性(binxng)过程的两种冷却过程示意图第90页/共91页第九十一页，共92页。92感谢您的观看(gunkn)。第91页/共91页第九十二页，共92页。