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第 二 章 核酸的结构和功能

第 二 章 核酸的结构和功能. 核酸： 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。. 核酸的发现和研究工作进展. 1868 年 Fridrich Miescher 从脓细胞中提取“核素” 1944 年 Avery 等人 证实DNA是遗传物质 1953年 Watson 和 Crick 发现 DNA 的双螺旋结构 1968 年 Nirenberg 发现 遗传密码 1975 年 Temin 和 Baltimore 发 现 逆转录酶 1981 年 Gilbert 和 Sanger 建 立 DNA 测序方法

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第 二 章 核酸的结构和功能

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Presentation Transcript

  1. 第 二 章核酸的结构和功能 核酸：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。

  2. 核酸的发现和研究工作进展 • 1868年 Fridrich Miescher从脓细胞中提取“核素” • 1944年Avery等人证实DNA是遗传物质 • 1953年Watson和Crick发现DNA的双螺旋结构 • 1968年 Nirenberg发现遗传密码 • 1975年 Temin和Baltimore发现逆转录酶 • 1981年 Gilbert和Sanger建立DNA 测序方法 • 1985年 Mullis发明PCR 技术 • 1990年 美国启动人类基因组计划(HGP) • 1994年 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

  3. 脱氧核糖核酸 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。 ( DNA) 携带遗传信息，决定细胞和个体的基因型(genotype)。 核糖核酸 分布于胞核、胞液。 (RNA) 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。 二、核酸的分类及分布

  4. 2. 分子组成 —— 碱基：嘌呤碱，嘧啶碱 —— 戊糖：核糖，脱氧核糖 —— 磷酸 第一节 核酸的化学组成及一级结构 核酸的化学组成 1. 元素组成: C、H、O、N、P（9~10%） 一、核苷酸的结构

  5. DNA RNA 两类核酸的基本化学组成比较 嘌呤碱 腺嘌呤 (A ) 腺嘌呤 (A) 鸟嘌呤 (G) 鸟嘌呤 (G) 嘧啶碱 胞嘧啶 (C) 胞嘧啶 (C) 胸腺嘧啶(T)尿嘧啶 (U) 碱基 戊糖 D-2-脱氧核糖D-核糖 酸 磷酸磷酸

  6. 腺嘌呤(A) 鸟嘌呤(G) 碱 基 嘌呤

  7. 尿嘧啶(U) 胸腺嘧啶(T) 胞嘧啶(C) 嘧啶

  8. 5´ 1´ 4´ 3´ 2´ 核糖 脱氧核糖 （构成DNA） （构成RNA） 戊 糖

  9. 核苷的形成 碱基和核糖（脱氧核糖）通过糖苷键连接形成核苷（脱氧核苷）。 1 1´ 核苷：AR, GR, UR, CR 脱氧核苷：dAR, dGR, dTR, dCR

  10. 核苷酸的结构与命名 核苷（脱氧核苷）和磷酸以磷酸酯键连接形成核苷酸（脱氧核苷酸）。 • 核苷酸： • AMP, GMP, UMP, CMP • 脱氧核苷酸： • dAMP, dGMP, dTMP, dCMP

  11. cAMP ADP AMP ATP NADP+ NAD+ 体内重要的游离核苷酸及其衍生物 • 多磷酸核苷酸：NMP，NDP，NTP • 环化核苷酸: cAMP，cGMP • 含核苷酸的生物活性物质： NAD+、NADP+、CoA-SH、FAD等都含有AMP

  12. 5′端 C A G 3′端 二、核酸的一级结构 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。

  13. 5´端 核苷酸的连接 核苷酸之间以磷酸二酯键连接形成多核苷酸链，即核酸。 3´端 C A G

  14. A G T G C T 5 P OH 3 P P P P P 书写方法 5 pApGpTpGpCpT-OH3 5A G T G C T3

  15. RNA 的 一 级 结 构 与DNA的差别在于： 1、戊糖是核糖而非脱氧核糖 2、嘧啶成分是胞嘧啶（C）和尿嘧啶（U），无胸腺嘧啶（T） 核酸分子的大小常用碱基数目或碱基对数目来表示。核酸片段<50bp称为寡核苷酸

  16. 第二节 DNA的空间结构与功能 一、DNA的二级结构——双螺旋结构模型

  17. （一）DNA双螺旋结构的研究背景 • 碱基组成分析 • Chargaff 规则 • 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-线衍射图谱分析

  18. Chargaff 碱基组成规律 (1) 腺嘌呤和胸腺嘧啶的摩尔数相等. A=T 鸟嘌呤与胞嘧啶的摩尔数相等. G=C 嘌呤总数=嘧啶总数 A+G=C+T (2) DNA的组成具有种属特异性 (3) DNA的碱基组成没有组织的特异性, 且较为稳定,不随年龄、营养状态、 环境改变的影响

  19. （二） 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。

  20. （二） 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側，与对側碱基形成氢键配对（互补配对形式：A=T; GC） 。 • 相邻碱基平面距离0.34nm，螺旋一圈螺距3.4nm，一圈10对碱基。

  21. 碱基互补配对 C G A T

  22. （二） 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。

  23. （二）DNA结构的多样性 A-DNA：右手螺旋 B-DNA：Watson-Crick模型，右手螺旋生理条件下DNA最稳定的结构形式 Z-DNA：左手螺旋

  24. 二、DNA的超螺旋结构及其在染色质中的组装 （一）DNA的超螺旋结构 超螺旋结构 DNA双螺旋链再盘绕即形成超螺旋结构。 正超螺旋 盘绕方向与DNA双螺旋方同相同 负超螺旋 盘绕方向与DNA双螺旋方向相反

  25. 意义 • 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。

  26. （二）原核生物DNA的高级结构 原核生物没有典型的细胞核结构，超螺旋结构被认为是原核生物DNA的三级结构。

  27. （三）DNA在真核生物细胞核内的组装 真核生物染色体由DNA和蛋白质构成，其基本单位是 核小体。 • 核小体的组成 • DNA：约200bp • 组蛋白：H1 • H2A，H2B • H3 • H4

  28. H2A、H2B、H3和H4各两分子组成组蛋白八聚体，构成核心组蛋白。H2A、H2B、H3和H4各两分子组成组蛋白八聚体，构成核心组蛋白。 • 双螺旋DNA以左手超螺旋的方式绕核心颗粒1.75圈，缠绕在核心组蛋白表面，构成核心颗粒。 • 核心颗粒和 连接区DNA • 及附着在连接区DNA上的 • 组蛋白H1构成核小体。

  29. 三、DNA的功能 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。

  30. 第三节 RNA的结构与功能

  31. RNA的种类、分布、功能

  32. 内含子 (intron) 外显子 (exon) hnRNA mRNA 一 、信使RNA的结构与功能 * mRNA成熟过程 * mRNA半衰期最短，几分钟到数小时

  33. * mRNA结构特点 1. 大多数真核mRNA的5´末端均在转录后加上一个7-甲基鸟苷，同时第一个核苷酸的C´2也是甲基化，形成帽子结构：m7GpppNm-。 2. 大多数真核mRNA的3´末端有一个多聚腺苷酸(polyA)结构，称为多聚A尾。

  34. 帽子结构

  35. 帽子结构和多聚A尾的功能 mRNA核内向胞质的转位 mRNA的稳定性维系 翻译起始的调控

  36. 原核细胞 真核细胞 细胞质 细胞核 内含子 外显子 DNA DNA 转录 转录 mRNA hnRNA 转录后剪接 转运 翻译 蛋白 mRNA 翻译 蛋白 • * mRNA的功能 • 把DNA所携带的遗传信息，按碱基互补配对原则，抄录并传送至核糖体，用以决定其合成蛋白质的氨基酸排列顺序。

  37. mRNA分子从5’-端的AUG开始，每3个核苷酸为一组，决定多肽链上的一个氨基酸，称为密码子mRNA分子从5’-端的AUG开始，每3个核苷酸为一组，决定多肽链上的一个氨基酸，称为密码子 *tRNA的一级结构特点 • 含 10~20% 稀有碱基，如 DHU • 3´末端为 — CCA-OH • 具有 TC 二、转运RNA的结构与功能

  38. 稀有碱基 双氢尿嘧啶 N,N二甲基鸟嘌呤 4-巯尿嘧啶 N6-异戊烯腺嘌呤

  39. * tRNA的二级结构 ——三叶草形 • 氨基酸臂 • DHU环 • 反密码环 • 额外环 • TΨC环 氨基酸臂 额外环

  40. * tRNA的三级结构 • —— 倒L形 * tRNA的功能 • 活化、搬运氨基酸到核糖体，参与蛋白质的翻译。

  41. 三、rRNA的结构与功能 （一） rRNA的结构特点 1. 含量最丰富,约占总RNA的80%以上。 2. 与核蛋白体蛋白结合成核蛋白体, rRNA 与蛋白质既可分离,又可结合。 3. 核蛋白体由大小两个亚基构成,两亚基呈不 规则形状,聚合时中间有裂缝,可通过mRNA。

  42. * 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

  43. 核蛋白体的组成

  44. 四 、其他小分子RNA及RNA组学 snmRNAs 除了上述三种RNA外，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( snmRNAs)。 （二） rRNA的功能 核蛋白体是细胞内蛋白质合成的场所

  45. snmRNAs的种类 • 核内小RNA • 核仁小RNA • 胞质小RNA • 催化性小RNA • 小片段干涉 RNA • snmRNAs的功能 • 参与hnRNA和rRNA的加工和转运。

  46. RNA组学 RNA组学研究细胞中snmRNAs的种类、结构和功能。同一生物体内不同种类的细胞、同一细胞在不同时间、不同状态下snmRNAs的表达具有时间和空间特异性。

  47. 第四节 核酸的理化性质及其应用 一、核酸的一般理化性质 1.呈酸性 2.粘度大 3.在引力场中下沉 4.在260nm有最大吸收峰

  48. 核 酸 的 粘 度 * 分子量越大粘度也越大 RNA分子比DNA分子小，粘度也就小 * 生物分子的空间结构也影响粘度

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