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文档简介
生物化学核酸结构与功能第1页/共71页第三章
核酸的结构和功能StructureandFunctionofNucleicAcid第2页/共71页核酸(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。核酸的概念第3页/共71页核酸的分类及分布90%以上分布于细胞核,其余分布于核外如线粒体,叶绿体,质粒等。分布于胞核、胞液。(deoxyribonucleicacid,DNA)(ribonucleicacid,RNA)脱氧核糖核酸
核糖核酸携带遗传信息,决定细胞和个体的基因型(genotype)。参与细胞内DNA遗传信息的表达。某些病毒RNA也可作为遗传信息的载体。第4页/共71页
信使RNA(mRNA)携带DNA遗传信息
转运RNA(tRNA)通过反密码子识别mRNA的密码子,使氨基酸对号入座核蛋白体(rRNA)与核糖体蛋白形成核糖体,是蛋白质合成的场所RNA的分类及功能第5页/共71页第一节核酸的化学组成及其一级结构TheChemicalComponentandPrimaryStructureofNucleicAcid第6页/共71页元素组成:C、H、O、N、P(9%~10%)
分子组成—三部分碱基(base):嘌呤碱,嘧啶碱戊糖(ribose):核糖,脱氧核糖磷酸(phosphate)构成核酸的基本组成单位—核苷酸DNA的基本组成单位是脱氧核糖核苷酸。RNA的基本组成单位是核糖核苷酸。第7页/共71页嘌呤
嘧啶
碱基腺嘌呤(A)鸟嘌呤(G)胞嘧啶(C)胸腺嘧啶(T)尿嘧啶(U)DNA、RNA均有DNA有RNA有核苷酸的结构每种核酸都含有四种碱基。第8页/共71页嘌呤(purine)腺嘌呤(adenine,A)鸟嘌呤(guanine,G)碱基第9页/共71页嘧啶(pyrimidine)胞嘧啶(cytosine,C)尿嘧啶(uracil,U)胸腺嘧啶(thymine,T)第10页/共71页戊糖(构成RNA)1´2´3´4´5´核糖(ribose)(构成DNA)脱氧核糖(deoxyribose)第11页/共71页小结:两类核酸的基本成分区别
RNA
DNA
磷酸
磷酸
磷酸
戊糖
D-核糖
D-2-脱氧核糖
嘌呤碱
腺(A)、鸟(G)
腺(A)、鸟(G)
嘧啶碱
胞(C)、尿(U)
胞(C)、胸腺(T)
第12页/共71页核苷(或脱氧核苷):碱基和核糖(或脱氧核糖)通过糖苷键连接形成。OHH糖苷键HHN2O112OHOHHCH2ONNHHH脱氧胞嘧啶核苷NNNN9NH2OOHOHHHHCH2OHH1'2'糖苷键腺嘌呤核苷第13页/共71页核苷酸:AMP,GMP,UMP,CMP脱氧核苷酸:dAMP,dGMP,dTMP,dCMP
核苷酸(脱氧核苷酸):核苷(脱氧核苷)和磷酸以酯键(酸脱羟基醇脱氢)连接形成。
第14页/共71页核苷酸的命名AMP
adenosinemonophosphate
腺苷一磷酸或一磷酸腺苷简称:腺苷酸dAMPdeoxyadenosinemonophosphate
脱氧一磷酸腺苷/一磷酸脱氧腺苷简称:脱氧腺苷酸默认情况下核苷酸均为5'-核苷酸第15页/共71页体内重要的游离核苷酸及其衍生物含核苷酸的生物活性物质:NAD+、NADP+、CoA-SH、FAD
等都含有
AMP
多磷酸核苷酸:NMP,NDP,NTP
环化核苷酸:cAMP,cGMPAMPADPATPcAMPNADP+NAD+第16页/共71页核苷酸种类和名称:常见碱基部分可为5种碱基的一种核糖部分可为核糖或脱氧核糖酸的部分可为一磷酸、二磷酸、三磷酸或环磷酸中的一种根据三个组成部分第17页/共71页核苷酸的主要功能:核苷三磷酸——是合成核酸原料,又能提供能量。核苷二磷酸——活化中间代谢物,如UDP-葡萄糖等。核苷一磷酸——是核酸的组分,还是一些辅酶的成分。核苷环磷酸——在细胞信号转导中起重要作用。第18页/共71页第二节核酸的分子结构
Themolecularstructureofnucleicacids
第19页/共71页OCH2OOHOHN1HOPOHOOCH2OOHOHN2HOPOHO核苷酸的连接H2OOHOHOCH2OOOHN1HOPOHOOCH2ON2HOPO3'5'5'3'OCH2OOHOHN3HOPOHOOCH2OOHOHN’HOPOHO3'-磷酸酯键5'-磷酸酯键一个核苷酸(脱氧核苷酸)3的羟基与另一个核苷酸(脱氧核苷酸)
5的α-磷酸基团缩合形成磷酸二酯键(phosphodiesterbond)。第20页/共71页5´端3´端核苷酸之间以3',5'-磷酸二酯键连接形成多核苷酸链,即核酸。CGA第21页/共71页多个核苷酸(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,称为多聚核苷酸
(脱氧核苷酸)链,即DNA链。第22页/共71页核酸中核苷酸的排列顺序/碱基序列。连接键:3',5'磷酸二酯键方向性:5'→3'定义:DNA的一级结构(染色体DNA的结构)第23页/共71页AG
P5PT
PG
PC
PT
POH3书写方法5pApCpTpGpCpT-OH
35
A
C
T
G
C
T
3简化:再简化:第24页/共71页DNA一级结构的意义:编码生命的遗传信息
简单而又完美四个字“A
、
G
、C
、T”!惊叹:具有强大编码能力——DNA计算机神奇:演化整个生物界——生命语言蛋白质一级结构DNA一级结构计算机二进制编码符号20种氨基酸A/G/C/T0/1语言蛋白质语言核酸语言智能语言第25页/共71页DNA的二级结构——双螺旋结构第26页/共71页碱基配对规律(Chargaff规则) 1950年Chargaff通过研究DNA的分子组成,发现:不同物种来源的DNA的碱基组成不同同一生物的不同组织里的DNA碱基是相同的。DNA中嘌呤碱基等于嘧啶碱基。即:A+G=T+C;A=T、G=C第27页/共71页碱基互补配对TAGC第28页/共71页DNA双螺旋结构模型要点(Watson,Crick,1953)DNA分子由两条相互平行但走向相反的脱氧多核苷酸链组成,两链以-脱氧核糖-磷酸-为骨架,以右手螺旋方式绕同一公共轴盘。螺旋直径为2nm,形成大沟及小沟相间。大沟小沟第29页/共71页“大沟”、“小沟”的功能
沟状结构与DNA、蛋白质间的相互识别有关。第30页/共71页DNA双螺旋结构模型要点(Watson,Crick,1953)碱基垂直螺旋轴居双螺旋内侧,与对侧碱基形成氢键配对(互补配对形式:A=T;GC)。大沟小沟第31页/共71页碱基配对规律的合理性第32页/共71页大沟小沟DNA双螺旋结构模型要点
(Watson,Crick,1953)相邻碱基平面距离0.34nm,螺旋一圈螺距3.4nm,一圈10对碱基。碱基在内侧平面与纵轴垂直,糖基在外侧平面与纵轴平行(即碱基平面与戊糖平面相互垂直)。第33页/共71页DNA双螺旋结构模型要点
(Watson,Crick,1953)氢键维持双链横向稳定性,碱基堆积力维持双链纵向稳定性。大沟小沟第34页/共71页小结:DNA二级结构主要特点两条脱氧核酸链构成右手双螺旋结构,链的走向相反磷酸脱氧核糖链在螺旋的外侧,碱基在螺旋的内侧脱氧核糖平面与碱基平面相互垂直碱基配对规律:A=T、GC稳定力: 横向:氢键 纵向:碱基堆积力第35页/共71页DNA双螺旋结构的多样性
研究意义
DNA双螺旋结构模型完美地说明了遗传物质的遗传、生化和结构的主要特征,它的提出是生物学史上划时代的事件。从此,遗传学的历史和生物学的历史正式从细胞阶段进入了分子阶段。第36页/共71页超螺旋结构意义:DNA双螺旋链再盘绕即形成超螺旋结构DNA超螺旋结构整体或局部的拓扑学变化及其调控对于DNA复制和RNA转录过程具有关键作用。
DNA的三级结构第37页/共71页大多原核生物的DNA是共价封闭的环形DNA双螺旋,在细胞内进一步盘绕成类核。环状和超螺旋DNA结构示意图(一)原核生物DNA的环状超螺旋结构第38页/共71页
研究表明:DNA若完全展开的话,有将近2米,而细胞的尺寸是微级的。那么DNA是如何存在于细胞内部的呢?
(二)真核生物DNA的高度有序和高度致密的结构第39页/共71页核小体的构成核心颗粒连接区核心组蛋白:组蛋白八聚体H2A、H2B、H3、H4各2分子DNA双螺旋分子(150bp)在核心组蛋白缠绕1.75圈DNA(60bp)组蛋白H1
连接核心颗粒核小体由DNA和蛋白质构成是真核生物染色质的基本单位第40页/共71页核小体的折叠及染色体组装—2nm11nm30nm300nm1400nm700nm逐级盘曲折叠第41页/共71页DNA压缩了8000~10000倍核小体螺线管染色质纤维超螺线管第42页/共71页三、DNA的功能是DNA分子中特定区段核苷酸的排列顺序,即碱基序列信息,它决定了基因的功能。基因:基因组:一个遗传体系所有基因总和的一整套遗传信息。以基因的形式储存、携带和传递遗传信息。第43页/共71页第三节
RNA的结构与功能StructureandFunctionofRNA第44页/共71页
RNA特点:
RNA种类、分布、功能:第45页/共71页2.tRNA的二级结构—三叶草形3.tRNA的三级结构—倒L形转运RNA(tRNA)1.tRNA的一级结构特点第46页/共71页4.tRNA的功能:把活化的aa搬运到核糖体,tRNA的反密码子与mRNA的密码子特异性结合,使氨基酸对号入座。mRNA3´5´321
3´aa5´氨基酰-tRNA第47页/共71页转运RNA的功能氨基酸臂额外环DHU环
反密码环额外环
TΨC环氨基酸臂第48页/共71页信使RNA的结构与功能*真核生物mRNA成熟过程DNAmRNAhnRNA(核内不均一RNA)
外显子(exon)内含子(intron)第49页/共71页53AUG……………UAA密码子编码区5非翻译区3非翻译区m7GpppAAA…An帽子结构多聚A尾1.哺乳类动物mRNA结构示意图:信使RNA(mRNA)第50页/共71页帽子结构第51页/共71页2.真核细胞mRNA结构特点:5´帽子结构:m7Gpppm2′Npm2′Np—3´末端多聚A尾polyA编码区hnRNA剪掉内含子,外显子拼接。第52页/共71页3.mRNA的功能把DNA的遗传信息,转录成mRNA的密码、指导蛋白质合成的氨基酸排列顺序。DNA(遗传信息)转录mRNA(密码载体)翻译蛋白质(氨基酸序列)第53页/共71页1.rRNA的结构:参与组成核蛋白体,为蛋白质生物合成的场所。2.rRNA的种类:3.rRNA的功能:多个茎环结构组成三、核蛋白体RNA(rRNA)第54页/共71页局部双链tRNArRNAmRNA三叶草形、倒L形含稀有碱基多反密码子CCA—OH3'呈花状5'—m7GpppNm、3'—polyA编码序列单链局部双链结构蛋白质合成的模板搬运活化的aa到核糖体组成核蛋白体分子大小不一,量<10%,代谢快分子量小120碱基稳定分子大120碱基量>80%,稳定三种RNA内容小结功能第55页/共71页
核酶(ribozyme)一词用于描述具有催化活性的RNA,即化学本质是核糖核酸(RNA),却具有酶的催化功能。核酶的功能很多,有的能够切割RNA,有的能够切割DNA,有些还具有RNA连接酶、磷酸酶等活性。
随着对核酶的深入研究,已经认识到核酶在遗传病,肿瘤和病毒性疾病上的潜力。比如,对于艾滋病毒HIV的转录信息来源于RNA而非DNA,核酶能够在特定位点切断RNA,使得它失去活性。如果一个能专一识别HIV的RNA的核酶存在于被病毒感染的细胞内,那么它就能建立抵抗入侵的第一防线。甚至,HIV确实进入到了细胞并进行了复制,RNA也可以在病毒生活史的不同阶段切断HIV的RNA而不影响自身的RNA。又如,白血病是造血系统的恶性肿瘤,目前尚缺少有效的治疗方法。核酶的发现,尤其是锤头状核酶,为白血病的基因治疗带来了新的希望。近些年,在国外的一些国家已经在小白鼠体内得到较好的效果。核酶是在对多种植物病毒卫星RNA及类病毒RNA的自我剪接研究中发现的,数量较少,常见于rRNA的内含子。第56页/共71页蛋白质与核酸结构比较蛋白质核酸DNARNA元素组成CHONCHONP基本单位L-a-氨基酸(20种)脱氧核苷酸ATGC核苷酸AUGC连接方式肽键3',5'-磷酸二酯键方向NC5'3'一级结构氨基酸排列顺序核苷酸排列顺序空间结构二、三、四级结构二级结构、超螺旋结构(多样性)第57页/共71页核酸的理化性质ThePhysicalandChemicalCharactersofNucleicAcid第三节第58页/共71页DNA变性的图示:理化因素,DNA双链间氢键断裂,成两条单链。定义:一、核酸分子具有强烈的紫外吸收二、DNA变性是双链解离为单链的过程增(高)色效应:
DNA变性时其溶液OD260增高的现象第59页/共71页例:变性引起紫外吸收值的改变DNA的紫外吸收光谱增色效应:DNA变性时其溶液OD260增高的现象。第60页/共71页DNA的变性(denaturation)方法: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。变性后其它理化性质变化:OD260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 生物活性丧失第61页/共71页DNA热变性:特点—骤然、突发式融解温度Tm(meltingtemperature)Tm与G+C含量成正比第62页
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