核酸结构功能与核苷酸代谢.ppt
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1、核酸结构功能与核苷酸代谢现在学习的是第1页,共72页n1868年,瑞士外科医生Freidrich Miescher首先从脓细胞核中分离得到核酸(nucleic acid)。n1944年Oswald Avery等发现脱氧核糖核酸(deoxyribonucleic acid,DNA)。n1953年Watson和Crick创立了DNA双螺旋结构模型,阐明了DNA分子的结构特征。n随后科学家又发现了核糖核酸(ribonucleic acid,RNA)等。现在学习的是第2页,共72页n核酸是一类生物大分子,具有复杂的结构与重要的生物学功能。nDNA主要存在于细胞核,是遗传信息的携带者,决定细胞和个体的基
2、因型。nRNA存在于细胞核和细胞质内,参与细胞内遗传信息的表达,病毒RNA也可作为遗传信息的载体。n本章内容主要包括核酸的化学组成、分子结构与功能、理化性质以及核苷酸代谢。现在学习的是第3页,共72页 第一节核酸的化学组成n核酸分为DNA和RNA两大类n核酸的基本组成单位为核苷酸(nucleotide)n核苷酸是由碱基、戊糖和磷酸组成n核苷酸核苷磷酸n核苷 碱基戊糖现在学习的是第4页,共72页n碱基:嘌呤碱(purine)和嘧啶碱(pyrimidine)n嘌呤碱:腺嘌呤(adenine,A)和鸟嘌呤(guanine,G)n嘧啶碱:胞嘧啶(cytosine,C)、尿嘧啶(uracil,U)、n胸
3、腺嘧啶(thymine,T)现在学习的是第5页,共72页现在学习的是第6页,共72页戊糖:-D-核糖(-D-ribose)n-D-2-脱氧核糖(-D-2-deoxyribose)n分别存在于RNA和DNA中 现在学习的是第7页,共72页n戊糖的C1与嘧啶碱的N1或嘌呤碱的N9相连接形成核苷 现在学习的是第8页,共72页n核苷中戊糖的羟基与磷酸以磷酸酯键连接而成为核苷酸 n核苷酸还有环化形式,主要是3,5-环化腺苷一磷酸(cAMP)和3,5-环化鸟苷一磷酸(cGMP)现在学习的是第9页,共72页现在学习的是第10页,共72页n核 酸 碱 基 核 苷 核 苷 酸 nRNA 核糖核苷 核糖核苷酸n腺
4、嘌呤 (A)腺苷 腺苷酸(AMP)n鸟嘌呤 (G)鸟苷 鸟苷酸(GMP)n胞嘧啶 (C)胞苷 胞苷酸(CMP)n尿嘧啶 (U)尿苷尿苷酸(UMP)nDNA 脱氧核糖核苷 脱氧核糖核苷酸n腺嘌呤 (A)脱氧腺苷脱氧腺苷酸(dAMP)n鸟嘌呤 (G)脱氧鸟苷脱氧鸟苷酸(dGMP)n胞嘧啶 (C)脱氧胞苷脱氧胞苷酸(dCMP)n胸腺嘧啶(T)脱氧胸苷脱氧胸苷酸(dTMP)参与参与DNA和和RNA的碱基、核苷及相应的核苷酸的碱基、核苷及相应的核苷酸现在学习的是第11页,共72页 第二节DNA的结构与功能n一、DNA的一级结构DNA的一级结构是指DNA分子中核苷酸的排列分子中核苷酸的排列顺序及其连接方式
5、顺序及其连接方式n4种核苷酸之间按照一定的顺序排列以3,5-磷酸二酯键磷酸二酯键相连,即前一个脱氧核糖核苷酸的3-OH和后一个相邻的脱氧核糖核苷酸的5磷酸缩合形成磷酸二酯键,而形成多聚核苷酸链多聚核苷酸链现在学习的是第12页,共72页55端端3端端CGA现在学习的是第13页,共72页二、DNA的二级结构n20世纪40年代,E.Chargaff等人发现:腺嘌呤与胸腺嘧啶的摩尔数总是相等(AT),鸟嘌呤与胞嘧啶的摩尔数总是相等(GC)不同生物种属的DNA碱基组成不同同一个体的不同器官、不同组织的DNA具有相同的碱基组成 现在学习的是第14页,共72页n1953年Watson和Crick两位科学家提
6、出了DNA右手双螺旋结构模型,确定了DNA的二级结构 nDNA右手螺旋模型的要点如下:1.DNA分子由2条反向平行互补多核苷酸链组成条反向平行互补多核苷酸链组成;2条多核苷酸链通过碱基之间的氢键连接碱基之间的氢键连接在一起,腺嘌呤与胸腺嘧啶之间形成2个氢键,鸟嘌呤与胞嘧啶之间形成3个氢键。这种A-T、G-C配对的规律称为碱基互补碱基互补规则。现在学习的是第15页,共72页2.2条多核苷酸链都以右手螺旋右手螺旋,围绕同一中心轴构成双螺旋结构,脱氧核糖与磷酸相连构成脱氧核糖与磷酸相连构成的链状骨架的链状骨架位于螺旋的外侧,碱基位于螺旋的内侧。双螺旋表面形成大沟和小沟。此沟状结构与蛋白质、DNA之间
7、的相互识别有关。3.双螺旋的直径为2nm,碱基平面与螺旋的纵轴垂直,相邻碱基对的距离为0.34nm,每10个核苷酸旋转一周,螺距为3.4 nm。螺旋的纵向稳定性靠碱基平面间的疏水性堆砌力维持。现在学习的是第16页,共72页现在学习的是第17页,共72页三、DNA的三级结构nDNA的三级结构是双螺旋结构进一步盘曲形成更加复杂的空间构象。n超螺旋:超螺旋有负超螺旋与正超螺旋。前者旋转方向与双螺旋方向相反,这是最常见的一种形式;后者旋转方向与双螺旋方向相同,体内较少见。现在学习的是第18页,共72页环状环状超螺旋超螺旋现在学习的是第19页,共72页n真核细胞中的DNA是与组蛋白结合在一起,构成许多核
8、小体(核小体(nucleosome)。)。n每个核小体由长约200个bp的DNA片段和5种组蛋白组成。n组蛋白H2A、H2B、H3和H4各2分子组成的八聚体构成核小体的核心。核小体的核心。nDNA分子缠绕在这一核心上构成了核小体的核心颗粒,核小体的核心颗粒之间再由DNA和H1构成连接区连接起来形成串珠样结构。现在学习的是第20页,共72页现在学习的是第21页,共72页 第三节RNA的结构与功能nRNA分子组成与结构:.碱基组成主要是A、G、C和U 2.存在稀有碱基 3.戊糖为D-核糖 4.RNA分子是一条多核苷酸链,也可局部双链n RNA种类繁多,它们的分子大小、碱基组成、分子结构以及生物学功
9、能各不相同n据其功能的不同主要将RNA分为3类:mRNA,tRNA,rRNA 现在学习的是第22页,共72页一、信使RNAn信使RNA(messenger RNA,mRNA)为蛋白质生物合成的模板。nmRNA种类多,含量少,仅占RNA总量的5%-10%。nmRNA代谢非常活跃,半寿期很短,真核生物mRNA的半寿期为数小时或几天。现在学习的是第23页,共72页n真核生物mRNA的结构特点如下:1.5-末端“帽子”结构:m7Gppp Nm结构。2.3-末端有一段长约200个腺苷酸残基的“尾巴”,称为多聚A(polyA)尾部。3.真核细胞mRNA的二级结构没有共同的规律,mRNA本身可折叠,形成局部
10、双螺旋区或发夹结构。现在学习的是第24页,共72页5-末端末端“帽子帽子”结构结构现在学习的是第25页,共72页二、转移RNAn转移RNA(transfer RNA,tRNA)起转运氨基酸的作用。ntRNA分子量最小,由70-90个核苷酸残基组成,约占总RNA的10%-15%。n含有10%-20%的稀有碱基。n3-末端均有CCA-OH结构,此结构为氨基酸的连接部位。现在学习的是第26页,共72页n各种tRNA的二级结构均类似三叶草型,此结构有4个局部螺旋区、3个环各1个附加叉。现在学习的是第27页,共72页现在学习的是第28页,共72页三、核蛋白体RNAn核蛋白体RNA(ribosomal R
11、NA,rRNA)作为蛋白质的生物合成的场。n是细胞中含量最多的一类RNA,约占细胞总RNA的75%80%,与一些蛋白质结合形成核蛋白体。n真核细胞中含有4种rRNA:28S、5.8S和5S 18S。n各种rRNA有不同的二级结构及三级结构。现在学习的是第29页,共72页四、小分子RNAn除了上述3种主要的RNA外,细胞内还存在多种小分子RNA,这些RNA种类繁多,功能多样,由此产生了RNA组学(RNomics)概念,即研究细胞内所有小分子RNA的种类、结构和功能。n小分子RNA主要有:核内小RNA、核仁小RNA、胞质小RNA、催化性小RNA即核酶。(ribozyme)、小干扰RNA(siRNA
12、)、微小RNA(miRNA)。这些小分子RNA在RNA的转录后加工、转运,基因表达调控等方面起非常重要的作用。现在学习的是第30页,共72页n核酶是具有自我催化功能的小分子RNA。n核酶的发现和深入研究不仅改变了长期以来人们认为“酶的化学本质是蛋白质”的传统概念,而且推动了人们对生命活动多样性的理解。现在学习的是第31页,共72页第四节 核酸的理化性质一、核酸的一般性质n核酸是两性电解质核酸是两性电解质,它既含有酸性的磷酸基,又含有碱性的碱基,故可在电场中泳动。n通常因磷酸基的酸性较强,核酸常显示酸性核酸常显示酸性n在碱性条件下,RNA不稳定不稳定,可在室温下水解,利用这个性质可以测定RNA的
13、碱基组成,也可清除DNA溶液中混杂的RNA。n核酸是生物大分子,在溶液中的粘度很高。粘度很高。现在学习的是第32页,共72页二、核酸的紫外吸收核酸在260nm波长处有最大吸收峰,这是因为核酸分子中嘌呤碱和嘧啶碱都含有共轭双键,利用这一特性可进行核酸的定量分析。现在学习的是第33页,共72页三、核酸的变性、复性与杂交(一)变性变性:是指在某些理化因素的作用下,DNA分子互补碱基对之间的氢键断裂,双螺旋被解开,形成单链的过程。n变性过程不伴有共价键的断裂,DNA一级结构没有被破坏。n引起核酸变性的因素很多,如加热、化学处理(有机溶剂、酸、碱、尿素、酰胺等)。现在学习的是第34页,共72页nDNA的
14、热变性在一个很狭窄的温度范围内进行,这个温度范围的中点叫做解链温度,用Tm值值表示。nTm是指有DNA双链解开50%时的环境温度,它与DNA的碱基组成,DNA分子的长度、溶液离子强度等因素有关。nDNA变性时,原来位于双螺旋内部的碱基暴露,造成260nm处的紫外吸收值增高,这种现象称为增色效应(增色效应(hyperchromic effect)。)。现在学习的是第35页,共72页(二)复性复性:DNA的变性是可逆的,当变性后温度再缓慢下降,解开的两条链又可重新恢复天然的双螺旋构象,这一过程叫做复性或退火。复性或退火。n如果两条链的碱基完全互补,通过碱基配对就有机会达到天然DNA的状态,DNA变
15、性引起的性质改变也得以恢复。现在学习的是第36页,共72页n分子杂交技术是以核酸的变性与复性为基础建立起来的一种技术。n不仅同源的DNA单链之间可以进行杂交,形成双链。n而且不同来源的DNA、DNA与RNA,以及RNA之间也可杂交,只要这些核酸分子含有可以形成碱基互补配对的序列。n通过杂交反应就可以确定两种不同核酸之间的同源性有多大。如果同源性越高(即碱基顺序相同的程度越大),杂交的程度就越大。(三)核酸的分子杂交(三)核酸的分子杂交现在学习的是第37页,共72页第五节 核苷酸代谢n核苷酸核苷酸是核酸(DNA和RNA)的基本组成单位n体内核苷酸主要生理功用是作为原料参与DNA、RNA生物大分子
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