08 核酸结构的功能.pptx

第1页：什么是核酸

核酸结构与功能(Structure and Function of Nucleic Acid)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。一、什么是核酸(nucleic acid)天然存在的核酸可分为核糖核酸(RNA)和脱氧核糖核酸(DNA)两大类。

第2页：核酸的发现和研究进展

二、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2003年人类基因组计划完成——约3～4万个基因

第3页：核酸的分类及分布

三、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。(deoxyribonucleic acid, DNA)(ribonucleic acid, 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：核酸的化学组成

第一节核酸的化学组成(The Chemical Component of Nucleic Acid)一、化学组成

• 元素组成组成核酸的主要元素：C、H、O、N、P（9%~10%）
• 分子组成
• 碱基(base)嘌呤碱，嘧啶碱
• 戊糖(ribose)核糖，脱氧核糖
• 磷酸(phosphate)稀有碱基：如次黄嘌呤、二氢尿嘧啶等。

第5页：嘌呤碱

• 嘌呤(purine)腺嘌呤(adenine, A)鸟嘌呤(guanine, G)
• 碱基NNNHN123456789NNNHNNH2NNHNHNNH2O

第6页：嘧啶碱

(2)嘧啶(pyrimidine)胞嘧啶(cytosine, C)胸腺嘧啶(thymine, T)NHN132456尿嘧啶(uracil, U)NHNHOONNHNH2ONHNHOOCH3

第7页：戊糖

2.戊糖（构成RNA）1´2´3´4´5´核糖(ribose)（构成DNA）脱氧核糖(deoxyribose)OHOCH2OHOHOHOHOCH2OHOH

第8页：核苷与核苷酸

二、基本单位——核苷酸

• 核苷(ribonucleoside)
• 核苷酸(ribonucleotide)
• 碱基和核糖(脱氧核糖)通过糖苷键连接形成核苷(脱氧核苷)。
• 核苷种类核苷：AR, GR, UR, CR脱氧核苷：dAR, dGR, dTR, dCR1.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,dCMP2.核苷酸种类

第9页：核苷与核苷酸的连接键

Pi糖苷键OOHOCH2HOHNNNH2O磷酸酯键OPOOOHOHOCH2HOHNNNH2O

第10页：重要的游离核苷酸

• 重要的游离核苷酸及其衍生物
• 多磷酸核苷酸NMP，NDP，NTP2.环化核苷酸cAMP，cGMPATPNOCH2OOHOHNNNNH2POOHOPOOHOPOOHOH

第11页：核苷酸的连接

5´端3´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。CANH2NNOPOHHOOOH3COOHPHOOOH3COOHNH2NNNN磷酸二酯键

第12页：核酸一级结构的书写方法

AGP5PTPGPCPTPOH 32.书写方法5pApGpTpGpCpT-OH35AGTGCT3

第13页：核酸的一级结构

第二节DNA的结构与功能(Structure and Function ofDNA)一、核酸的一级结构(一)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。DNA: A、T、G、CRNA: A、U、G、C

第14页：DNA双螺旋结构的研究背景

二、DNA的空间结构与功能

• DNA的二级结构
• 定义即平行反向的右手双螺旋结构。Watson, Crick于1953提出。
• 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
• X-线衍射图谱分析

第15页：DNA双螺旋结构模型要点

• DNA双螺旋结构模型要点
• 由两条相互平行但走向相反的脱氧多核苷酸链组成，以右手螺旋方式盘绕中心轴。螺旋直径为2nm，形成大沟及小沟相间。这些沟结构与蛋白质、DNA之间的相互识别有关。5/3/5/3/
• 碱基间距0.34nm，螺旋一圈10对碱基，螺距3.4nm。

第16页：碱基配对与稳定力

ATCGHNNNNNHOHNNCH3ONNNNOHHNHNNNOHH(4)糖与磷酸骨架居双螺旋外侧，碱基在内相互形成氢键配对(A=T; GC)。(3)氢键维持横向稳定性，碱基堆积力维持纵向稳定性。

第17页：DNA双螺旋结构的多样性

DNA双螺旋结构的多样性：下表比较A型、B型与Z型DNA的结构参数。

第18页：原核生物DNA的超螺旋结构

• DNA的三级结构
• 原核生物DNA的超螺旋结构
• 定义即在DNA二级结构的基础上进一步折叠成环状或麻花状的超螺旋结构(superhelix或supercoil)。环状麻花状

第19页：正超螺旋与负超螺旋

• 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。
• 正超螺旋(positive supercoil)盘绕方向与DNA双螺旋方同相同。
• 负超螺旋(negative supercoil)盘绕方向与DNA双螺旋方向相反。
• 种类

第20页：真核生物DNA的组装

• 真核生物DNA的超螺旋结构
• 真核生物染色体由DNA和蛋白质构成，其基本单位是核小体。
• DNA在真核生物细胞核内的组装
• 核小体的组成DNA：约200bpH1H2A，H2BH3H4组蛋白2nmDNA

第21页：DNA的功能

• 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。
• 进化程度越高的生物其DNA分子越大，人类基因组有3×109个碱基对。

第22页：RNA的种类与功能

RNA的种类、分布与功能：下表列出细胞内各类RNA的分布与主要功能。

第23页：mRNA的结构特点

• mRNA结构特点
• 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：m7GpppN。
• 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。
• 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。一、mRNA的结构与功能

第24页：mRNA的帽子与多聚A尾

7－甲基鸟苷三磷酸帽子结构多聚A尾结构OOCH2OOH+NHNNOH2NNCH3OOHH2CO-OPOOPO-OP鸟嘌呤OO-OPOOAAA-OH 3/AUGGUG······GCGAGGTGTATTGA······UAAAAAA ······Anm7Gpppp5/帽子结构5/非编码区编码区3/非编码区3/多聚A尾

第25页：mRNA的功能

• mRNA的功能
• 构成遗传密码，传递DNA所携带的遗传信息。
• 用连续三个核苷酸作为密码子以决定其合成蛋白质的氨基酸排列顺序。DNAmRNA蛋白转录翻译原核细胞细胞质细胞核DNA内含子外显子转录转录后剪接转运mRNAhnRNA翻译蛋白真核细胞

第26页：tRNA的特点

• tRNA的特点
• 含10~20%稀有碱基，如DHU、TC。
• 3´末端为—CCA-OH；5´末端大多数为G。二、tRNA的结构与功能N,N二甲基鸟嘌呤N6-异戊烯腺嘌呤双氢尿嘧啶4-巯尿嘧啶稀有碱基ONNHNHNNCH3CH3NHNHSONHNHOOHHHHNNNHNNHCH2CHCCH3CH3

第27页：tRNA的二级结构

• tRNA的结构氨基酸臂额外环OHACCAGAGGGCCCCCCGCAAGCCGCUCUCGUAUCTΨCCGGGGGGGCAAGmDDGGDDDAACAGUUAAAAψGUUCCDmAACATΨ环DUH环反密码环反密码子
• tRNA的二级结构
• tRNA的二级结构为平面卷曲的三叶草构型。
• 由单链卷曲形成局部环状双链。
• 反密码环，带有反密码子可破译遗传密码。
• 氨基酸臂，直接结合被活化的氨基酸。

第28页：tRNA的三级结构与功能

• tRNA的三级结构——倒L形
• tRNA的功能破译遗传密码；活化、搬运氨基酸到核糖体，参与蛋白质的翻译。X线衍射结构证明，tRNA的共同三级结构为倒L形。

第29页：rRNA的结构与功能

• rRNA由单链卷曲构成的多茎环结构。三、rRNA的结构与功能
• rRNA参与组成核糖体的大、小亚基，作为蛋白质生物合成的场所。
• rRNA占总RNA的80％以上。
• 根据沉降系数，rRNA在原核生物中有5S,23S,16S三种；在真核生物中有5S,28S,5.8S,18S四种。

第30页：小分子核内RNA与RNA组学

四、小分子核内RNA与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 (small non-messenger RNAs, snmRNAs)。包括核内小RNA、核仁小RNA、胞质小RNA、催化性小RNA、小片段干涉RNA。参与hnRNA和rRNA的加工和转运。RNA组学是研究细胞中snmRNAs的种类、结构和功能。生物的不同细胞、不同时间、不同状态下snmRNAs的表达具有时间和空间特异性。
• RNA组学

第31页：核酶

• 具有催化功能的核酸称为核酶。底物部分
• 核酶的锤头状结构通常为60个核苷酸组成，包括有催化部分和底物部分组成锤头结构。
• 核酶研究的意义核酶的发现，对中心法则作了重要补充；是对传统酶学的挑战；利用核酶的结构设计合成人工核酶。

第32页：核酸的酸碱性质与粘度

核酸

是含磷酸和碱基的两性电解质，通常表现为较强的酸性。可用电泳和离子交换分离纯化核酸。在碱性条件下，RNA不稳定，可在室温下水解。利用这个性质可以测定RNA的碱基组成，也可清除DNA溶液中混杂的RNA。核酸是线性的大分子，其在溶液中的粘度很高。RNA分子比DNA短，在溶液中的粘度低于DNA。第四节核酸的理化性质(The Physical and Chemical Characters of Nucleic Acid)一、核酸的一般性质

第33页：核酸的紫外吸收

二、紫外吸收(一)由于嘌呤和嘧啶中含有共轭双键，核酸在260nm处有最大吸收峰。碱基的紫外光谱240 250 260 270 280波长(nm)2000400060008000100001200014000分子消光系数AMPGMPUMPCMPdTMP

第34页：OD260的应用

OD260的应用：下表列出核酸定量与纯度判断的常用换算关系。

第35页：DNA的变性

三、DNA的变性与复性

• 变性(denaturation)
• 定义在某些理化因素作用下，DNA双链解开成两条单链的过程。本质是双链间氢键的断裂。
• 变性后其他理化性质变化
• OD260增高
• 浮力密度升高
• 粘度下降
• 酸碱滴定曲线改变
• 比旋度下降
• 生物活性丧失
• 理化性质变化
• 因素强酸，强碱，高温，高压，变性试剂如尿素以及某些有机溶剂如乙醇等。

第36页：增色效应

(2)增色效应：DNA变性时其溶液OD260增高的现象。DNA的紫外吸收光谱2002502603001.51.00.5波长(nm)吸光度值变性状态天然状态

第37页：解链温度Tm

(3)Tm：紫外光吸收值达到最大值的50%时的温度称为DNA的解链温度，又称融解温度(meltingtemperature, Tm)。其大小与G+C含量成正比。解链曲线：在连续加热DNA的过程中以温度为横坐标，以吸光度A260为纵坐标作图，所得的曲线称为解链曲线。76 80 84 88 92 96 100℃OD2600.700.650.600.550.50Tm

第38页：DNA的复性与退火

• 复性
• DNA复性(renaturation)的定义
• 减色效应：DNA复性时，其溶液OD260降低。
• 当变性因素去除后，变性DNA的两条互补链可恢复天然的双螺旋构象，这一现象称为复性。
• 热变性的DNA经缓慢冷却后即可复性，这一过程称为退火(annealing)。

第39页：核酸分子杂交

• 在DNA复性过程中，将不同种类的DNA单链分子或RNA分子置同一溶液中，就可以形成杂化双链(heteroduplex)。
• 杂化双链可以在不同的DNA与DNA之间形成，也可在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)
• 核酸分子杂交的应用
• （1）研究DNA分子中某一种基因的位置
• （2）确定两种核酸分子间的序列相似性
• （3）检测待检样品中是否存在某些专一序列
• （4）该方法是基因芯片技术的基础