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文档简介

1、会计学1生物化学课件生物化学课件6核酸核酸 概述 核酸的一级结构与序列分析 DNA的高级结构 DNA遗传物质 DNA的性质主要内容第1页/共96页核酸是以核苷酸为基本组成单位的生物大分子,在生物体内负责生命信息的储存和传递。分类:按其所含戊糖不同分为DNA和RNA。重要性:DNA是主要遗传物质,负责遗传信息的贮存和发布。 RNA的功能多样性,参与遗传信息的表达。1. 核酸的概念及研究进展第2页/共96页核酸研究史上的大事件 1868年,瑞士青年科学家 F.Miescher 从外科绷带上脓细胞的细胞核中分离得到一种含磷较高的酸性物质,称之为核素(nuclein)。 1889年, Altmann

2、将其纯化,把不含蛋白质的物质称为核酸第3页/共96页核酸研究史上的大事件1943年 E .Chargaff 的工作推理出碱基配对的理论1944年 Avery等肺炎球菌转化试验证明DNA是遗传物质 1953年 Watson-Crick 建立了DNA的双螺旋结构模型1958年 Crick 提出遗传信息传递的中心法则1968年 M.W.Niberg 发现遗传密码 1975年 H.M.Temin 和 D.Baltimore 发现反转录酶 1981年 W.Gilbert 和 F.Sanger 建立 DNA测序方法 1985年 PCR技术的发明 1990年 美国启动人类基因组计划( HGP ) 1994年

3、 中国人类基因组计划启动 2001年 美、英等国完成人类基因组计划基本框架第4页/共96页DNA:-D-2-脱氧核糖 A、G、C、TRNA:-D-核糖 A、G、C、U 核 酸(RNA、DNA)核苷酸磷酸核苷戊糖碱基核糖(RNA)脱氧核糖(DNA)嘌呤嘧啶腺嘌呤 鸟嘌呤 胞嘧啶 胸腺嘧啶 尿嘧啶 第5页/共96页戊 糖OHHOHHOHOHHHOCH2HOCH2OHHOHHHOHHD-核糖D-2-脱氧核糖DNA含脱氧核糖RNA含核糖第6页/共96页NNH132456 嘧 啶(pyrimidine)胞嘧啶(cytosine, C)NNHNH2O尿嘧啶(uracil, U)NHNHOO胸腺嘧啶(thy

4、mine, T)NHNHOOCH3第7页/共96页嘌 呤(purine)NNNHN123456789NNNHNNH2腺嘌呤(adenine, A)NNHNHNNH2O鸟嘌呤(guanine, G)第8页/共96页 核酸中除了5类基本的碱基外,还有一些含量甚少的碱基,称为稀有碱基。组成核酸的稀有碱基:Im5Chm5CDHUNNNNONNNH2OCH3次黄嘌呤5-甲基胞嘧啶5-羟甲基胞嘧啶二氢尿嘧啶 第9页/共96页正常生理条件下,主要以酮式结构形式存在。第10页/共96页核 苷 (ribonucleoside)碱基和核糖(脱氧核糖)通过糖苷键连接形成核苷(脱氧核苷);糖环上的第 1位C原子与嘌呤

5、第9位N原子或嘧啶第1位N原子相连,碱基平面与戊糖平面互相垂直。OHOCH2OHOHNNNH2O11第11页/共96页胞嘧啶核苷尿嘧啶核苷鸟嘌呤核苷腺嘌呤核苷NNOHHONNNH2HONNOHH2NNNNNNNNH2OHHOHHOHHHOCH2HOCH2OHHOHHOHHOHHOHHOHHHOCH2OHHOHHOHHHOCH2第12页/共96页嘧啶核甘中嘧啶碱基对核糖的取向只有反式构象嘌呤核甘中嘌呤碱基对核糖的取向有顺式和反式两种构象第13页/共96页核苷酸 (ribonucleotide)POOOHOHOCH2OHOHNNNH2O第14页/共96页核糖核苷的糖环上有三个(5、3、2)游离的羟

6、基,可以形成三种核苷酸;脱氧核糖核苷酸有两个(5、3)游离羟基,形成两种核苷酸。但天然的只发现5连接磷酸的核苷酸, 5 -核苷酸是核酸的基本单位。OBOH OHOH2CPOHHOOB=腺嘌呤,鸟嘌呤,胞嘧啶,尿嘧啶或胸腺密啶核糖核苷酸 OH2CPOHHOOOBOH脱氧核糖核苷酸第15页/共96页核苷酸:AMP、GMP、UMP、CMP脱氧核苷酸:dAMP、dGMP、dTMP、dCMP 第16页/共96页 ADPAMPATPNNNCHCCHNCOPOOPPOOOHHHOHOHHCCHOHOOHOHOHOCH2NH212354第17页/共96页第18页/共96页第19页/共96页核酸的结构基础第20

7、页/共96页3, 5 磷酸二酯键第21页/共96页自由的 5 磷酸基团自由的3 OH第22页/共96页A G P5 P T PG PC PT P OH 3 5 pApGpTpGpCpT-OH 3 5 A G T G C T 3 书写及阅读方向:从5端(左侧)到3端(右侧),ApG 表示(A-3)- P (5-G) 。第23页/共96页 第24页/共96页DNA(脱氧核糖核酸脱氧核糖核酸)RNA(核糖核酸)(核糖核酸)分布分布98%于细胞核中,于细胞核中,少量存于线粒体和少量存于线粒体和叶绿体中叶绿体中90%cell质中,质中,10%细胞细胞核中,核中,tRNA 15%,mRNA 5%, rRN

8、A 80%生物生物功能功能遗传物质基础,储遗传物质基础,储存和传递遗传信息存和传递遗传信息基因表达,指导蛋白质基因表达,指导蛋白质合成,生物催化合成,生物催化,有时有时RNA也是遗传物质也是遗传物质核糖核糖D2脱氧核糖脱氧核糖D核糖核糖碱基碱基A、C、G、TA、C、G、U磷酸磷酸磷酸磷酸磷酸磷酸核酸的分布及功能第25页/共96页核蛋白体核蛋白体RNA信使信使RNA转运转运RNA核内不均一核内不均一RNA核内小核内小RNA胞浆小胞浆小RNA 细胞核和胞液细胞核和胞液线粒体线粒体功功能能rRNAmRNA mt rRNAtRNAmt mRNAmt tRNAHnRNASnRNASnoRNAscRNA/

9、7SL-RNA 核蛋白体组分核蛋白体组分蛋白质合成模板蛋白质合成模板转运氨基酸转运氨基酸成熟成熟mRNA的前体的前体参与参与hnRNA的剪接、转运的剪接、转运rRNA的加工、修饰的加工、修饰蛋白质内质网定位合成蛋白质内质网定位合成的信号识别体的组分的信号识别体的组分核仁小核仁小RNA核蛋白体核蛋白体RNA信使信使RNA转运转运RNA核内不均一核内不均一RNA核内小核内小RNA胞浆小胞浆小RNA 细胞核和胞液细胞核和胞液线粒体线粒体功功能能rRNAmRNA mt rRNAtRNAmt mRNAmt tRNAHnRNASnRNASnoRNAscRNA/7SL-RNA 核蛋白体组分核蛋白体组分蛋白质

10、合成模板蛋白质合成模板转运氨基酸转运氨基酸成熟成熟mRNA的前体的前体参与参与hnRNA的剪接、转运的剪接、转运rRNA的加工、修饰的加工、修饰蛋白质内质网定位合成蛋白质内质网定位合成的信号识别体的组分的信号识别体的组分核仁小核仁小RNARNA的分类及功能第26页/共96页紫外吸收特性可以鉴定核酸样品的纯度第27页/共96页 2 第28页/共96页1. DNA一级结构:4种脱氧核苷酸dAMP、dGMP、dCMP、dTMP按照一定的排列顺序通过磷酸二酯键连接而成的没有分支的多核苷酸链。第29页/共96页 DNA碱基组成的特点:v 具有种的特异性;v 没有器官和组织的特异性;v 年龄、营养状况、环

11、境的改变不影响DNA的碱基组成;v DNA的碱基组成符合碱基摩尔比例规律。第30页/共96页 DNA碱基摩尔比例规律第31页/共96页第32页/共96页Sanger法的程序第33页/共96页第34页/共96页第35页/共96页第36页/共96页第37页/共96页vmRNA的稳定性维系:作为一种保护装置将mRNA 5端封闭起来,可使mRNA免受核酸外切酶的水解破坏;v翻译起始的调控:作为蛋白质合成起始的辨认信号,启动和加速翻译过程。v mRNA核内向胞质的转位第38页/共96页帽子结构第39页/共96页第40页/共96页 2. tRNA的一级结构特点第41页/共96页第42页/共96页第43页/

12、共96页第44页/共96页1. DNA双螺旋结构的研究背景 碱基组成分析 Chargaff 规则:A = T G C 碱基的理化数据分析 A-T、G-C以氢键配对较合理 DNA纤维的X-射线衍射图谱分析 第45页/共96页2. DNA双螺旋结构模型要点 DNA分子由两条方向相反多聚脱氧核糖核苷酸链沿着同一根轴平行盘绕,形成右手双螺旋结构。其中一条链的方向为53,而另一条链的方向为35。第46页/共96页2. DNA双螺旋结构模型要点 疏水碱基于螺旋的内侧,亲水的磷酸基和脱氧核糖以磷酸二酯键相连成的骨架位于外侧;双螺旋的直径为2nm,沿中心轴形成大沟和小沟交替出现第47页/共96页2. DNA双

13、螺旋结构模型要点 碱基呈平面状,与中心轴垂直;相邻碱基平面间的距离为 0.34nm,夹角为36;每10对核苷酸绕中心轴旋转一圈,故螺旋的螺距为 3.4nm。第48页/共96页2. DNA双螺旋结构模型要点 两条链碱基对之间形成氢键,碱基的相互结合具有严格的配对规律,即AT、GC配对。A和T之间形成两个氢键,G与C之间形成三个氢键。第49页/共96页第50页/共96页碱基配对第51页/共96页v两条DNA链之间形成的氢键。v碱基堆积力:由于双螺旋结构内部形成的疏水区,消除了介质中水分子对碱基之间氢键的影响。v介质中的阳离子(如Na+、K+和Mg2+)中和了磷酸基团的负电荷,降低了DNA链之间的排

14、斥力、范德华力等。v改变介质条件和环境温度,将影响双螺旋的稳定性。第52页/共96页DNA双螺旋结构 DNA,双螺旋,正反向,互补链。 A对T,GC连, 配对时, 成氢键。 十碱基,转一圈,螺距34点中间。 碱基力和氢键,维持螺旋结构坚。 第53页/共96页DNA双螺旋结构的多样性Watson和Crick所提出的模型称为B-DNA, B型是最稳定的构型第54页/共96页第55页/共96页1957年发现在基因的调控区或染色质的 重组部位有DNA的三螺旋结构第56页/共96页第57页/共96页螺旋。第58页/共96页第59页/共96页第60页/共96页三种环状分子具有相同结构,但L值不同,称为拓扑

15、异构体。自然界存在的所有超螺旋DNA分子都是最初缠绕不足形成的负超螺旋第61页/共96页真核生物内,DNA以致密形式存在于细胞核的染色体中。染色体的基本单位是核小体核小体:DNA和组蛋白共同构成核心组蛋白:4种组蛋白(H2A , H2B , H3 ,H4)形成的8聚体DNA:以负超螺旋缠绕在核心组蛋白上H1在核小体之间起连接作用染色体的基本单位是核小体(nucleosome)第62页/共96页核小体的串珠状结构 第63页/共96页第64页/共96页发夹式结构 A-U, C-G配对 RNA分子中,部分区域也能形成双螺旋结构,不能形成双螺旋的部分,则形成突环。这种结构可以形象地称为“发夹型”结构。

16、第65页/共96页v 呈“三叶草” 形状,一般可将其分为四臂四环:大致分为氨基酸臂、二氢尿嘧啶环、反密码子环、额外环和TC环五部分 。 第66页/共96页tRNA三叶草结构进一步扭曲、折叠形成倒写“”字母的三维结构。第67页/共96页tRNA的二级结构与倒结构三叶草结构第68页/共96页 rRNA的种类(根据沉降系数):真核生物: 5S rRNA 28S rRNA 5.8S rRNA 18S rRNA原核生物: 5S rRNA 23S rRNA 16S rRNA第69页/共96页第70页/共96页第71页/共96页v 特定的组织细胞的DNA数量是稳定的,随着组织的复杂,其数量逐渐增加;v 年龄

17、、营养状况和环境的改变不影响DNA的数量和组成;v DNA碱基的组成具有种的特异性。第72页/共96页第73页/共96页第74页/共96页l基因组较小,形式多样,可能是DNA,也可能是RNA,可能是单链,双链的,闭环分子,线性分子;细菌染色体为环状双链DNA分子,与RNA和支架蛋白构成致密区域,称类核(nucleoid)。l功能相关的结构基因常常串连在一起,并转录在同一个mRNA分子中,称为多顺反子(polycistron)。lDNA分子绝大部分用于编码蛋白质,非编码区通常包含控制基因表达的顺序。l基因重叠是病毒基因组的结构特点。第75页/共96页真核生物基因组结构特点单顺反子(monocis

18、tron),即一个结构基因转录、翻译成一个mRNA分子,一条多肽链;存在大量重复序列,包括卫星DNA、反向重复序列和较复杂的重复单位组成的重复序列;基因组中不编码的区域多于编码区域基因是不连续的,在真核生物结构基因的内部存在许多不编码蛋白质的间隔序列(intervening sequences),称为内含子(intron),编码区则称为外显子(exon)。基因组远大于原核生物的基因组,具有许多复制起点,而每个复制子的长度较小。第76页/共96页核酸的降解指通过核酸酶或物理、化学的方法使核酸的3, 5磷酸二酯键断裂,多聚核甘酸链变成小段寡聚核甘酸链。1. 降解与变性振荡、搅拌、反复冻融等易导致DNA的降解第77页/共96页DNA的变性第78页/共96页第79页/共96页DNA的变性第80页/共96页v 低或高的pH值条件趋向影响DNA双螺旋中氢键的形成,导致DNA的变性。 低离子浓度v 双链DNA浓度过低,带正电荷的物质减少导致DNA 上带负电荷的磷酸基团部分脱防护,使相连的磷酸基团相互斥力增加,使DNA双链分离。第81页/共96页 Tm:变性是在一个相当窄的温度范

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