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02 核酸的结构与功能.ppt

02 核酸的结构与功能.ppt

上传者: jjkk 2011-07-14 评分 0 0 0 0 0 0 暂无简介 简介 举报

简介:本文档为《02 核酸的结构与功能ppt》,可适用于自然科学领域,主题内容包含核酸的结构与功能第章核酸的结构与功能重点、难点:基本概念:核苷酸,DNA、RNA,Tm等DNA双螺旋结构模型的要点mRNA、tRNA、rRNA的结构符等。

核酸的结构与功能第章核酸的结构与功能重点、难点:基本概念:核苷酸,DNA、RNA,Tm等DNA双螺旋结构模型的要点mRNA、tRNA、rRNA的结构特点及功能DNA变性与复性等核酸重要的理化性质及其应用。第章核酸的结构与功能StructureandFunctionofNucleicAcidMiescherisolatedDNAforthefirsttime确定了生物遗传的物质基础是DNA核酸(nucleicacid)是以核苷酸为基本组成单位的生物大分子携带和传递遗传信息。核酸的分类及分布存在于细胞核和线粒体分布于细胞核、细胞质、线粒体(deoxyribonucleicacid,DNA)(ribonucleicacid,RNA)脱氧核糖核酸核糖核酸第一节核酸的化学组成及其一级结构TheChemicalComponentandPrimaryStructureofNucleicAcid核酸组成一、核苷酸是构成核酸的基本组成单位碱基(base)是含氮的杂环化合物。碱基嘌呤嘧啶腺嘌呤鸟嘌呤尿嘧啶胸腺嘧啶胞嘧啶存在于DNA和RNA中仅存在于RNA中仅存在于DNA中碱基嘌呤(purinePu)嘧啶(pyrimidinePy)碱基的互变异构体戊糖嘌呤N或嘧啶N与核糖C通过βN糖苷键相连形成核苷(ribonucleoside)。核苷NNNNNHOOHOHHHHCHOHH''糖苷键AR,GR,UR,CR脱氧核苷脱氧核苷嘌呤N或嘧啶N与脱氧核糖C通过βN糖苷键相连形成脱氧核苷(deoxyribonucleoside)。HdAR,dGR,dTR,dCR“稀有核苷”是由“稀有碱基”所生成的核苷。假尿苷(ψ)β’,C糖苷键β’C核苷或脱氧核苷与磷酸通过酯键结合构成核苷酸(ribonucleotide)或脱氧核苷酸(deoxyribonucleotide)。核苷酸(ribonucleotide)AMP,GMP,UMP,CMP脱氧核苷酸:dAMP,dGMP,dTMP,dCMP多磷酸核苷酸环化核苷酸:cAMP、cGMP是细胞信号转导中的第二信使。核苷酸衍生物体内重要的核苷酸衍生物体内重要的核苷酸衍生物含核苷酸的生物活性物质:NAD、NADP、CoASH、FAD等都含有AMP二、DNA是脱氧核苷酸通过’,’磷酸二酯键连接形成的大分子一个脱氧核苷酸的羟基与另一个核苷酸的α磷酸基团缩合形成磷酸二酯键(phosphodiesterbond)。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称为多聚脱氧核苷酸(polydeoxynucleotide)即DNA链。CGA交替的磷酸基团和戊糖构成了DNA的骨架(backbone)。DNA链的方向是三、RNA也是具有’,’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的线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。定义核酸中核苷酸的排列顺序。由于核苷酸间的差异主要是碱基不同所以也称为碱基序列。四、核酸的一级结构是核苷酸的排列顺序书写方法:pApCpTpGpCpTOHACTGCT核酸分子的大小常用碱基(base或kilobase)数目来表示。小的核酸片段(<bp)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。第二节DNA的空间结构与功能DimensionalStructureandFunctionofDNADNA的空间结构又分为二级结构(secondarystructure)和高级结构。DNA的空间结构(spatialstructure)构成DNA的所有原子在三维空间具有确定的相对位置关系。doublehelix:Thenaturalcoiledconformationoftwocomplementary,antiparallelDNAchainsbytheformationofATandGCbasepairsWatsonandCrick:年提出双螺旋结构模型,TheNobelPrizeinPhysiologyorMedicine一、DNA的二级结构是双螺旋结构WatsonandCrick:年提出双螺旋结构模型,TheNobelPrizeinPhysiologyorMedicine不同生物种属的DNA的碱基组成不同同一个体的不同器官或组织的DNA碱基组成相同。A=TG=CChargaff规则(一)DNA双螺旋结构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(doublehelix)模型。不同生物来源DNA碱基组分和相对比例不同生物来源DNA碱基组分和相对比例年由Wilkins研究小组的RosalindFranklin获得了高质量的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。RosalindFranklinWatsonandCrick'sNaturepaperproposingadoublehelixstructureforDNAStructureforDeoxyriboseNucleicAcidAprilMOLECULARSTRUCTUREOFNUCLEICACIDSWatsonandCrick'sNaturepaperproposingadoublehelixstructureforDNAStructureforDeoxyriboseNucleicAcidAprilMOLECULARSTRUCTUREOFNUCLEICACIDS两条多聚核苷酸链在空间的走向呈反向平行(antiparallel)。两条链围绕着同一个螺旋轴形成右手螺旋(righthanded)的结构。双螺旋结构的直径为nm螺距为nm。脱氧核糖和磷酸基团组成的亲水性骨架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(majorgroove)和一个小沟(minorgroove)。(二)DNA双螺旋结构模型要点DNA是反向平行、右手螺旋的双链结构DNA双链之间形成了互补碱基对碱基配对关系称为互补碱基对(complementarybasepair)。DNA的两条链则互为互补链(complementarystrand)。碱基对平面与螺旋轴垂直。大沟与小沟相邻两个碱基对会有重叠产生了疏水性的碱基堆积力(basestackinginteraction)。碱基堆积力和互补碱基对的氢键共同维系着DNA结构的稳定。疏水作用力和氢键共同维系着DNA双螺旋结构的稳定。碱基堆积作用力DNA二级结构BDNAhelix:Arighthandeddoublehelixwiththefollowingcharacteristics:thetwostrandsareantiparallelthebasesareinsidethehelixandthephosphatesanddeoxyribosesugarsareontheoutsideadenineformshydrogenbondswiththymine,andguanineformsthemwithcytosinethebasesineachpairarecoplanarthereareresiduesperturn,withapitchofÅZ(三)DNA双螺旋结构的多样性三种DNA构型的比较(四)DNA的多链螺旋结构在酸性的溶液中胞嘧啶的N原子被质子化可与鸟嘌呤的N原子形成氢键同时胞嘧啶的N的氢原子也可与鸟嘌呤的O形成氢键这种氢键被称为Hoogsteen氢键。Hoogsteen氢键Hoogsteen氢键不破坏WatsonCrick氢键由此形成了C+GC的三链结构(triplex)。三链结构鸟嘌呤之间通过Hoogsteen氢键形成特殊的四链结构(tetraplex)。四链结构真核生物DNA末端是富含GT的多次重复序列因而自身形成了折叠的四链结构。二、DNA的高级结构是超螺旋结构超螺旋结构(superhelix或supercoil)DNA双螺旋链再盘绕即形成超螺旋结构。正超螺旋(positivesupercoil)盘绕方向与DNA双螺旋方同相同。负超螺旋(negativesupercoil)盘绕方向与DNA双螺旋方向相反。(一)原核生物DNA的环状超螺旋结构原核生物DNA多为环状以负超螺旋的形式存在平均每碱基就有一个超螺旋形成。DNA超螺旋结构的电镜图象右旋再右旋右旋后左旋(二)真核生物DNA的高度有序和高度致密的结构真核生物DNA以非常有序的形式存在于细胞核内。在细胞周期的大部分时间里DNA以松散的染色质(chromatin)形式存在在细胞分裂期则形成高度致密的染色体(chromosome)。DNA染色质呈现出的串珠样结构。染色质的基本单位是核小体(nucleosome)。DNA染色质的电镜图像DNA:约bp组蛋白:HHAHBHH核小体的组成核心颗粒核小体连接区核小体:是真核生物染色体的基本结构单元。核小体串珠样的结构coreparticlesParticlesresultingfrommicrococcalnucleasedigestionofnucleosomes,consistingofbpDNAandthehistoneoctamerofanucleosome真核生物的染色体细胞凋亡时DNA发生核小体间的断裂结果产生含有不同数量的核小体片段每个核小体片段都是bp的整数倍琼脂糖凝胶电泳时形成梯状条带。结肠癌的凋亡细胞电泳照片小鼠胸腺细胞凋亡照片DNA的基本功能是以基因的形式荷载遗传信息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基础。基因从结构上定义是指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两种最重要的生物大分子比较第三节RNA的结构与功能第三节RNA的结构与功能StructureandFunctionofRNARNA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。RNA的二、三级结构。(a)茎环状结构发夹样结构(b)“假结”样结构RNA的种类、分布、功能信使RNA(messengerRNA,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是蛋白质合成中的模板内含子(intron)mRNA成熟过程外显子(exon)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。末端的帽子(cap)结构和末端的多聚A尾(polyAtail)结构。成熟的真核生物mRNA帽子结构:mGpppNm(一)大部分真核细胞mRNA的'末端都以甲基鸟嘌呤三磷酸核苷为起始结构mRNA的帽结构可以与帽结合蛋白(capbindingproteinCBP)结合。真核生物的mRNA的末端转录后加上一段长短不一的聚腺苷酸。(二)在真核生物mRNA的'末端有多聚腺苷酸结构mRNA核内向胞质的转位mRNA的稳定性维系翻译起始的调控帽子结构和多聚A尾的功能(三)mRNA依照自身的碱基顺序指导蛋白质氨基酸顺序的合成从mRNA分子'末端起的第一个AUG开始每个核苷酸为一组称为密码子(codon)或三联体密码(tripletcode)。AUG被称为起始密码子决定肽链终止的密码子则称为终止密码子。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(openreadingframe,ORF)决定了多肽链的氨基酸序列。(四)mRNA的成熟过程是hnRNA的剪接过程卵清蛋白mRNA的成熟转运RNA(transferRNA,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~核苷酸组成占细胞总RNA的具有很好的稳定性。二、tRNA是蛋白质合成中的氨基酸载体(一)tRNA中含有多种稀有碱基*tRNA的一级结构特点含~稀有碱基如DHU末端为CCAOH末端大多数为G具有TCtRNA具有局部的茎环(stemloop)结构或发卡(hairpin)结构。(二)tRNA具有茎环结构tRNA的二级结构三叶草形氨基酸臂DHU环反密码环TψC环附加叉tRNA的二级结构主要特征:tRNA的二级结构主要特征:三环四臂氨基酸臂′端有CCAOH的共有结构D环上有二氢尿嘧啶(D)反密码环上的反密码子与mRNA相互作用可变环上的核苷酸数目可以变动TψC环含有T和ψ含有修饰碱基和不变核苷酸Anticodon:ThreenucleotidesequenceoftRNAthatbasepairswithacodoninmRNAtRNA的倒L三级结构tRNA的末端都是以CCA结尾。末端的A与氨基酸共价连结tRNA成为了氨基酸的载体。不同的tRNA可以结合不同的氨基酸。(三)tRNA的末端连接氨基酸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识别mRNA上的密码子。(四)tRNA的反密码子识别mRNA的密码子三、以rRNA为组分的核蛋白体是蛋白质合成的场所核蛋白体RNA(ribosomalRNArRNA)是细胞内含量最多的RNA(>%)。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场所。三、以rRNA为组分的核蛋白体是蛋白质合成的场所核蛋白体的组成大肠杆菌的核蛋白体SrRNA的二级结构蛋白质合成时形成的复合体四、snmRNA参与了基因表达的调控RNA组学是研究细胞内snmRNA的种类、结构和功能。同一生物体内不同种类的细胞、同一细胞在不同时空状态下snmRNAs表达谱的变化以及与功能之间的关系。四、snmRNA参与了基因表达的调控细胞的不同部位存在的许多其他种类的小分子RNA统称为非mRNA小RNA(smallnonmessengerRNAs,snmRNAs)。snmRNAs核内小RNA核仁小RNA胞质小RNA催化性小RNA小片段干涉RNA参与hnRNA的加工剪接snmRNAs的种类snmRNAs的功能核酶某些小RNA分子具有催化特定RNA降解的活性这种具有催化作用的小RNA亦被称为核酶(ribozyme)或催化性RNA(catalyticRNA)。RNA具有酶活性的发现RNA具有酶活性的发现SidneyAltmanThomasRCech()()TheNobelPrizeinChemistryfortheirdiscoveryofcatalyticpropertiesofRNAsiRNA是生物宿主对外源侵入的基因表达的双链RNA进行切割所产生的特定长度和特定核酸序列的小片段RNA。siRNA可以与外源基因表达的mRNA相结合并诱发这些mRNA的降解。基于此机理人们发明了RNA干扰(RNAinterferenceRNAi)技术。小片段干扰RNA核酸的理化性质ThePhysicalandChemicalCharactersofNucleicAcid第四节核酸的酸碱及溶解度性质核酸为多元酸具有较强的酸性。核酸的高分子性质粘度:DNA>RNAdsDNA>ssDNA沉降行为:不同构象的核酸分子的沉降的速率有很大差异这是超速离心法提取和纯化核酸的理论基础。核酸在波长nm处有强烈的吸收是由碱基的共轭双键所决定的。这一特性常用作核酸的定性和定量分析。一、核酸分子具有强烈的紫外吸收碱基的紫外吸收光谱DNA或RNA的定量A=相当于μgml双链DNA(dsDNA)μgml单链DNA(ssDNAorRNA)μgml寡核苷酸确定样品中核酸的纯度纯DNA:AA=纯RNA:AA=紫外吸收的应用二、DNA变性是双链解离为单链的过程在某些理化因素作用下DNA双链解开成两条单链的过程。定义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。协同性的DNA解链高温或极端的pHDNA的变性部分变性DNA的电镜图像变性后理化性质变化:OD增高粘度下降比旋度下降浮力密度升高酸碱滴定曲线改变生物活性丧失增色效应(hyperchromiceffect):DNA变性时其溶液OD增高的现象。DNA解链时的紫外吸收变化DNA的解链曲线连续加热DNA的过程中以温度相对于A值作图所得的曲线称为解链曲线。解链过程中紫外吸光度的变化达到最大变化值的一半时所对应的温度。解链温度(meltingtemperatureTm)GC含量越高解链温度就越高。解链曲线的变化三、变性的核酸可以复性或形成杂交双链当变性条件缓慢地除去后两条解离的互补链可重新配对恢复原来的双螺旋结构这一现象称为DNA复性(renaturation)。减色效应:DNA复性时其溶液OD降低。Hypochromism:AdecreaseintheabsorbancecoefficientasDNArenaturesfromthesinglestrandedtothedoublestrandedform热变性的DNA经缓慢冷却后即可复性这一过程称为退火(annealing)。不同种类的DNA单链分子或RNA分子放在同一溶液中只要两种单链分子之间存在着一定程度的碱基配对关系在适宜的条件可以在不同的分子间形成杂化双链(heteroduplex)。这种杂化双链可以在不同的DNA与DNA之间形成也可以在DNA和RNA分子间或者RNA与RNA分子间形成。这种现象称为核酸分子杂交。核酸分子杂交(hybridization)核酸分子杂交研究DNA分子中某一种基因的位置。监定两种核酸分子间的序列相似性。检测某些专一序列在待检样品中存在与否。核酸分子杂交的应用第五节核酸酶Nuclease第五节核酸酶Nuclease依据底物不同分类DNA酶(deoxyribonuclease,DNase):专一降解DNA。RNA酶(ribonuclease,RNase):专一降解RNA。依据切割部位不同核酸内切酶:分为限制性核酸内切酶和非特异性限制性核酸内切酶。核酸外切酶:或核酸外切酶。核酸酶是指所有可以水解核酸的酶。’’’’外切位点外切位点内切位点内切位点参与DNA的合成、修复以及RNA的剪接。清除多余的、结构和功能异常的核酸以及侵入细胞的外源性核酸。降解食物中的核酸。体外重组DNA技术中的重要工具酶。核酸酶的功能思考题:思考题:名词解释:Tm、ribozyme、增色效应、核酸分子杂交核酸分子杂交(hybridization):热变性的DNA经缓慢冷却过程中具有碱基序列部分互补的不同的DNA之间或DNA与RNA之间形成杂化双链的现象.试比较蛋白质与核酸的异同简述tRNA二级结构的特点?DNA双螺旋结构模型的要点是什么?请简要回答DNA与RNA组成上的异同

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