第3章核酸的結構與功能,StructureandFunctionofNucleicAcid,1,核酸(nucleicacid),是以核苷酸為基本組成單位的生物大分子，攜帶和傳遞遺傳信息。,2,核酸的分類及分布,存在于細胞核和線粒體,分布于細胞核、細胞質、線粒體,(deoxyribonucleicacid,DNA),(ribonucleicacid,RNA),脫氧核糖核酸,核糖核酸,3,第1節(jié)核酸的化學組成及一級結構TheChemicalComponentandPrimaryStructureofNucleicAcid,4,核酸組成,5,一、核苷酸是構成核酸的基本組成單位,6,（一）堿基,嘌呤(purine)2種,嘧啶(pyrimidine)3種,7,戊糖,8,核苷脫氧核苷,（三）核苷(ribonucleoside),堿基,種類及名稱：,核苷,嘌呤9位N/嘧啶1位N與糖1C形成糖苷鍵,核糖,9,N,N,N,N,9,N,H,2,O,O,H,O,H,H,H,H,C,H,2,O,H,H,1,2,糖苷鍵,10,（四）核苷酸(ribonucleotide),結構舉例,核苷/脫氧核苷,磷酸酯鍵,核苷酸的結構：,磷酸,11,核苷或脫氧核苷與磷酸通過酯鍵結合構成核苷酸(ribonucleotide)或脫氧核苷酸(deoxyribonucleotide)。,核苷酸(ribonucleotide),12,多磷酸核苷酸,13,環(huán)化核苷酸：cAMP、cGMP，是細胞信號轉導中的第二信使。,cAMP,核苷酸衍生物,14,C,G,A,15,定義核酸中核苷酸的排列順序。由于核苷酸間的差異主要是堿基不同，所以也稱為堿基序列。,二、核酸的一級結構是核苷酸的排列順序,16,書寫方法：,5pApCpTpGpCpT-OH3,5ACTGCT3,17,核酸分子大小表示法：,堿基數(shù)目表示base、kilobase、用于單鏈DNA或RNA堿基對數(shù)目basepair(bp),kilobasepair(kbp)用于雙鏈DNA或RNA小的核酸片斷（小于50bp）稱寡核苷酸,18,第2節(jié)DNA的空間結構與功能DimensionalStructureandFunctionofDNA,19,DNA的空間結構又分為二級結構(secondarystructure)和高級結構。,DNA的空間結構(spatialstructure),構成DNA的所有原子在三維空間具有確定的相對位置關系。,20,一、DNA的二級結構是雙螺旋結構,21,Chargaff規(guī)則的堿基組成分析,堿基的理化數(shù)據(jù)分析A-T、G-C以氫鍵配對較合理,DNA纖維的X-線衍射圖譜分析,DNA雙螺旋結構的研究背景,A=T；G=C,22,不同生物種屬的DNA的堿基組成不同同一個體的不同器官或組織的DNA堿基組成相同。A=T，G=C,Chargaff規(guī)則,（一）DNA雙螺旋結構的研究背景,獲得了高質量的DNA分子的X射線衍射照片。,提出了DNA分子雙螺旋結構(doublehelix)模型。,23,兩條多聚核苷酸鏈在空間的走向呈反向平行(anti-parallel)。兩條鏈圍繞著同一個螺旋軸形成右手螺旋(right-handed)的結構。雙螺旋結構的直徑為2.37nm，螺距為3.54nm。脫氧核糖和磷酸基團組成的親水性骨架位于雙螺旋結構的外側，疏水的堿基位于內側。雙螺旋結構的表面形成了一個大溝(majorgroove)和一個小溝(minorgroove)。,（二）DNA雙螺旋結構模型要點,1.DNA是反向平行、右手螺旋的雙鏈結構,24,結構要點：,先分析結構圖,要點小結：,(三)DNA雙螺旋結構的多樣性,25,兩條多聚核苷酸鏈在空間的走向呈反向平行(anti-parallel)。兩條鏈圍繞著同一個螺旋軸形成右手螺旋(right-handed)的結構。雙螺旋結構的直徑為2.37nm，螺距為3.54nm。脫氧核糖和磷酸基團組成的親水性骨架位于雙螺旋結構的外側，疏水的堿基位于內側。雙螺旋結構的表面形成了一個大溝(majorgroove)和一個小溝(minorgroove)。,（二）DNA雙螺旋結構模型要點,26,27,兩條多聚核苷酸鏈在空間的走向呈反向平行(anti-parallel)。兩條鏈圍繞著同一個螺旋軸形成右手螺旋(right-handed)的結構。雙螺旋結構的直徑為2.37nm，螺距為3.54nm。脫氧核糖和磷酸基團組成的親水性骨架位于雙螺旋結構的外側，疏水的堿基位于內側。雙螺旋結構的表面形成了一個大溝(majorgroove)和一個小溝(minorgroove)。,（二）DNA雙螺旋結構模型要點,28,DNA雙鏈之間形成了互補堿基對,堿基配對關系稱為互補堿基對(complementarybasepair)。DNA的兩條鏈則互為互補鏈(complementarystrand)。堿基對平面與螺旋軸垂直。,29,堿基互補配對:鳥嘌呤/胞嘧啶,30,堿基互補配對:腺嘌呤/胸腺嘧啶,31,相鄰兩個堿基對會有重疊，產生了疏水性的堿基堆積力(basestackinginteraction)。堿基堆積力和互補堿基對的氫鍵共同維系著DNA結構的穩(wěn)定。,32,三、DNA的超螺旋結構及其在染色體中的組裝,超螺旋結構(superhelix或supercoil)DNA雙螺旋鏈再盤繞即形成超螺旋結構。,正超螺旋(positivesupercoil)盤繞方向與DNA雙螺旋方同相同。,負超螺旋(negativesupercoil)盤繞方向與DNA雙螺旋方向相反。,33,（二）原核生物DNA的環(huán)狀超螺旋結構,原核生物DNA多為環(huán)狀，以負超螺旋的形式存在，平均每200堿基就有一個超螺旋形成。,34,DNA超螺旋結構的電鏡圖象,35,（三）真核生物DNA在核內的組裝,真核生物DNA以非常有序的形式存在于細胞核內。在細胞周期的大部分時間里，DNA以松散的染色質(chromatin)形式存在，在細胞分裂期，則形成高度致密的染色體(chromosome)。,36,DNA染色質呈現(xiàn)出的串珠樣結構。染色質的基本單位是核小體(nucleosome)。,DNA染色質的電鏡圖像,37,核小體(nucleosome),由DNA和蛋白質構成是真核生物染色體的基本單位,38,核小體的構成,核心顆粒,連接區(qū),核心組蛋白：,組蛋白八聚體H2A、H2B、H3、H4各2分子,DNA雙螺旋分子(140bp)在核心組蛋白纏繞1.8圈,DNA（60bp）,組蛋白H1,核小體結構圖,39,核小體的折疊及染色體組裝,逐級盤曲折疊,40,DNA的基本功能是以基因的形式荷載遺傳信息，并作為基因復制和轉錄的模板。它是生命遺傳的物質基礎，也是個體生命活動的信息基礎。,基因從結構上定義，是指DNA分子中的特定區(qū)段，其中的核苷酸排列順序決定了基因的功能。,四、DNA的功能,41,第3節(jié)RNA的結構與功能,StructureandFunctionofRNA,42,RNA與蛋白質共同負責基因的表達和表達過程的調控。RNA通常以單鏈的形式存在，但有復雜的局部二級結構或三級結構。RNA比DNA小的多。RNA的種類、大小和結構遠比DNA表現(xiàn)出多樣性。,43,RNA的種類、分布、功能,44,信使RNA(messengerRNA,mRNA)是合成蛋白質的模板。不均一核RNA(hnRNA)含有內含子(intron)和外顯子(exon)。外顯子是氨基酸的編碼序列，而內含子是非編碼序列。hnRNA經過剪切后成為成熟的mRNA。,一、信使RNA的結構與功能,45,內含子(intron),mRNA成熟過程,外顯子(exon),46,從AUG開始，每三個核苷酸為一組編碼了一個氨基酸，稱為三聯(lián)體密碼(codon)。成熟的mRNA由氨基酸編碼區(qū)和非編碼區(qū)構成。5-末端的帽子(cap)結構和3-末端的多聚A尾(poly-Atail)結構。,成熟的真核生物mRNA,47,帽子結構:m7GpppNm,1.5末端都以7-甲基鳥嘌呤-三磷酸核苷為起始結構,mRNA的帽結構可以與帽結合蛋白(capbindingprotein，CBP)結合。,48,真核生物的mRNA的3-末端轉錄后加上一段長短不一的多聚腺苷酸。,2.3末端有多聚腺苷酸尾巴結構,49,轉運RNA(transferRNA,tRNA)在蛋白質合成過程中作為各種氨基酸的載體,將氨基酸轉呈給mRNA。由7495核苷酸組成；占細胞總RNA的15%；具有很好的穩(wěn)定性。,二、轉運RNA的結構與功能,50,1.tRNA中含有多種稀有堿基,51,tRNA具有局部的莖環(huán)(stem-loop)結構或發(fā)卡(hairpin)結構。,2.tRNA二級結構呈三葉草型,tRNA的二級結構三葉草形,氨基酸臂DHU環(huán)反密碼環(huán)TC環(huán)附加叉,52,3.tRNA的三級結構呈倒L型,53,核蛋白體RNA(ribosomalRNA，rRNA)是細胞內含量最多的RNA(80)。rRNA與核蛋白體蛋白結合組成核蛋白體(ribosome)，為蛋白質的合成提供場所。,三、核糖體RNA的結構與功能,54,核蛋白體的組成,55,18SrRNA的二級結構,56,核酶,某些小RNA分子具有催化特定RNA降解的活性，這種具有催化作用的小RNA亦被稱為核酶(ribozyme)或催化性RNA(catalyticRNA)。,57,核酸的理化性質ThePhysicalandChemicalCharactersofNucleicAcid,第4節(jié),58,核酸的酸堿及溶解度性質核酸為多元酸，具有較強的酸性。核酸的高分子性質粘度：DNARNAdsDNAssDNADNA是線性高分子，在機械作用力下容易斷裂,一、核酸的一般理化性質,59,核酸在波長260nm處有強烈的吸收，是由堿基的共軛雙鍵所決定的。這一特性常用作核酸的定性和定量分析。,60,DNA或RNA的定量A260=1.0相當于50g/ml雙鏈DNA(dsDNA)40g/ml單鏈DNA(ssDNAorRNA)20g/ml寡核苷酸確定樣品中核酸的純度純DNA:A260/A280=1.8純RNA:A260/A280=2.0,紫外吸收的應用,61,二、DNA的變性,在某些理化因素作用下，DNA雙鏈解開成兩條單鏈的過程。,定義,DNA變性的本質是雙鏈間氫鍵的斷裂。,62,協(xié)同性的DNA解鏈,高溫或極端的pH,DNA的變性,63,部分變性DNA的電鏡圖像,64,增色效應(hyperchromiceffect)：DNA變性時其溶液OD260增高的現(xiàn)象。,DNA解鏈時的紫外吸收變化,65,DNA的解鏈曲線,連續(xù)加熱DNA的過程中以溫度相對于A260值作圖，所得的曲線稱為解鏈曲線。,解鏈過程中，紫外吸光度的變化達到最大變化值的一半時所對應的溫度。,解鏈溫度(meltingtemperature，Tm),66,G+C含量越高，解鏈溫度就越高。,解鏈曲線的變化,67,三、DNA的復性與分子雜交,當變性條件緩慢地除去后，兩條解離的互補鏈可重新配對，恢復原來的雙螺旋結構，這一現(xiàn)象稱為DNA復性(renaturation)。,減色效應：DNA復性時，其溶液OD260降低。,熱變性的DNA經緩慢冷卻后即可復性，這一過程稱為退火(annealing)。,68,不同種類的DNA單鏈分子或RNA分子放在同一溶液中，只要兩種單鏈分子之間存在著一定程度的堿基配對關系，在適宜的條件可以在不同的分子間形成雜化雙鏈(heteroduplex)。這種雜化雙鏈可以在不同的DNA與DNA之間形成，也可以在DNA和RNA分子間或者RNA與RNA分子間形成。這種現(xiàn)象稱為核酸分子雜交。,核酸分子雜交(hybridization),69,核酸分子雜交,70,研究DN