《核酸的結(jié)構(gòu)與功能》PPT課件.ppt

第2章 核酸的結(jié)構(gòu)與功能,Structure and Function of Nucleic Acid 高國(guó)全 2010-09-19,核 酸(nucleic acid),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。,1868年 Fridrich Miescher 從膿細(xì)胞中提取核素。 1944年 Avery等人證實(shí)DNA是遺傳物質(zhì)。 1953年 Watson和Crick發(fā)現(xiàn)DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)。 1968年 Nirenberg發(fā)現(xiàn)遺傳密碼。 1975年 Temin和Baltimore發(fā)現(xiàn)逆轉(zhuǎn)錄酶。 1981年 Gilbert和Sanger建立DNA測(cè)序方法。 1985年 Mullis發(fā)明PCR技術(shù)。 1990年 美國(guó)啟動(dòng)人類基因組計(jì)劃(HGP)。 1994年 中國(guó)人類基因組計(jì)劃啟動(dòng)。 2001年 美英等國(guó)完成人類基因組計(jì)劃。,核酸研究的發(fā)展簡(jiǎn)史,核酸的分類及分布,存在于細(xì)胞核和線粒體,分布于細(xì)胞核、細(xì)胞質(zhì)、線粒體,(deoxyribonucleic acid, DNA),(ribonucleic acid, RNA),脫氧核糖核酸,核糖核酸,第一節(jié) 核酸的化學(xué)組成及其一級(jí)結(jié)構(gòu)The Chemical Component and Primary Structure of Nucleic Acid,核酸組成,一、核苷酸是構(gòu)成核酸的基本組成單位,堿基(base)是含氮的雜環(huán)化合物。,堿基,嘌呤,嘧啶,腺嘌呤,鳥嘌呤,尿嘧啶,胸腺嘧啶,胞嘧啶,存在于DNA和RNA中,僅存在于RNA中,僅存在于DNA中,堿基,嘌呤(purine，Pu),腺嘌呤(adenine, A),鳥嘌呤(guanine, G),嘧啶(pyrimidine，Py),胞嘧啶(cytosine, C),尿嘧啶(uracil, U),胸腺嘧啶(thymine, T),堿基的互變異構(gòu)體,戊糖,脫氧核苷,嘌呤N-9 或嘧啶N-1與脫氧核糖C-1通過(guò)-N-糖苷鍵相連形成脫氧核苷(deoxyribonucleoside)。,嘌呤N-9或嘧啶N-1與核糖C-1通過(guò)-N-糖苷鍵相連形成核苷(ribonucleoside)。,核苷,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,核苷或脫氧核苷與磷酸通過(guò)酯鍵結(jié)合構(gòu)成核苷酸(ribonucleotide)或脫氧核苷酸(deoxyribonucleotide)。,核苷酸(ribonucleotide),多磷酸核苷酸,環(huán)化核苷酸：cAMP、cGMP，是細(xì)胞信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)中的第二信使。,cAMP,核苷酸衍生物,二、DNA是脫氧核苷酸通過(guò)3,5-磷酸二酯鍵連接形成的大分子,一個(gè)脫氧核苷酸3的羥基與另一個(gè)核苷酸5的-磷酸基團(tuán)縮合形成磷酸二酯鍵(phosphodiester bond)。 多個(gè)脫氧核苷酸通過(guò)磷酸二酯鍵構(gòu)成了具有方向性的線性分子，稱為多聚脫氧核苷酸(polydeoxynucleotide)，即DNA鏈。,交替的磷酸基團(tuán)和戊糖構(gòu)成了DNA的骨架 (backbone)。,DNA鏈的方向是5 3,C,G,A,三、RNA也是具有3,5-磷酸二酯鍵的線性大分子,RNA也是多個(gè)核苷酸分子通過(guò)酯化反應(yīng)形成的線性大分子，并且具有方向性；,RNA的戊糖是核糖； RNA的嘧啶是胞嘧啶和尿嘧啶。,定義 核酸中核苷酸的共價(jià)連接和排列順序。 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。,四、核酸的一級(jí)結(jié)構(gòu)是核苷酸的排列順序,書寫方法：,5 pApCpTpGpCpT-OH 3,5 A C T G C T 3,核酸分子的大小常用堿基(base或kilobase)數(shù)目來(lái)表示。 小的核酸片段(50bp)常被稱為寡核苷酸(oligonucleotide)。自然界中的DNA和RNA的長(zhǎng)度可以高達(dá)幾十萬(wàn)個(gè)堿基。,DNA和RNA的區(qū)別,第二節(jié) DNA的空間結(jié)構(gòu)與功能Dimensional Structure and Function of DNA,DNA的空間結(jié)構(gòu)又分為二級(jí)結(jié)構(gòu)(secondary structure)和高級(jí)結(jié)構(gòu)。,DNA的空間結(jié)構(gòu)(spatial structure),構(gòu)成DNA的所有原子在三維空間具有確定的相對(duì)位置關(guān)系。,一、DNA的二級(jí)結(jié)構(gòu)是雙螺旋結(jié)構(gòu),DNA stores genetic information The first direct evidence that DNA is the bearer of genetic information came in 1944 through a discovery made by Oswald T. Avery, Colin MacLeod, and Maclyn McCarty. A second important experiment provided inde- pendent evidence that DNA carries genetic information. In 1952 Alfred D. Hershey and Martha Chase used ra- dioactive phosphorus ( 32P) and radioactive sulfur ( 35S) tracers.,（一）DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的研究背景,不同生物種屬的DNA的堿基組成不同 同一個(gè)體的器官或組織的DNA堿基組成相同 A = T，G = C A+G = T+C,Chargaff rules（規(guī)則） An important clue to the structure of DNA came from the work of Erwin Chargaff and his colleagues,（一）DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的研究背景,不同生物來(lái)源DNA堿基組分和相對(duì)比例,（一）DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的研究背景,獲得了高質(zhì)量的DNA分子的X射線衍射照片 Rosalind Franklin and Maurice Wilkins used the powerful method of x-ray diffraction to analyze DNA fibers,（一）DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的研究背景,提出了DNA分子雙螺旋結(jié)構(gòu)(double helix)模型 In 1953 Watson and Crick postulated a three- dimensional model of DNA structure that accounted for all the available data.,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(gè)螺旋軸形成右手螺旋(right-handed)的結(jié)構(gòu)。雙螺旋結(jié)構(gòu)的直徑為2.37nm，螺距為3.54nm。 脫氧核糖和磷酸基團(tuán)組成的親水性骨架位于雙螺旋結(jié)構(gòu)的外側(cè)，疏水的堿基位于內(nèi)側(cè)。 雙螺旋結(jié)構(gòu)的表面形成了一個(gè)大溝(major groove)和一個(gè)小溝(minor groove)。,（二） DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型要點(diǎn),1.DNA是反向平行、右手螺旋的雙鏈結(jié)構(gòu),親水性的骨架位于雙鏈的外側(cè)。 疏水性的堿基位于雙鏈的內(nèi)側(cè)。,骨架與堿基,2.DNA雙鏈之間形成了互補(bǔ)堿基對(duì),堿基配對(duì)關(guān)系稱為互補(bǔ)堿基對(duì)(complementary base pair)。 DNA的兩條鏈則互為互補(bǔ)鏈(complementary strand)。 堿基對(duì)平面與螺旋軸垂直。,堿基互補(bǔ)配對(duì): 鳥嘌呤/胞嘧啶,堿基互補(bǔ)配對(duì): 腺嘌呤/胸腺嘧啶,大溝與小溝,相鄰兩個(gè)堿基對(duì)會(huì)有重疊，產(chǎn)生了疏水性的堿基堆積力(base stacking interaction)。 堿基堆積力和互補(bǔ)堿基對(duì)的氫鍵共同維系著DNA結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。,3.疏水作用力和氫鍵共同維系著DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。,堿基堆積作用力,（三）DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的多樣性,三種DNA構(gòu)型的比較,（四）DNA的多鏈螺旋結(jié)構(gòu),在酸性的溶液中，胞嘧啶的N-3原子被質(zhì)子化，可與鳥嘌呤的N-7原子形成氫鍵；同時(shí)，胞嘧啶的N-4的氫原子也可與鳥嘌呤的O-6形成氫鍵，這種氫鍵被稱為Hoogsteen氫鍵。,Hoogsteen氫鍵,Hoogsteen氫鍵，不破壞Watson-Crick氫鍵，由此形成了CGC的三鏈結(jié)構(gòu)(triplex)。,三鏈結(jié)構(gòu),鳥嘌呤之間通過(guò)Hoogsteen氫鍵形成特殊的四鏈結(jié)構(gòu)(tetraplex)。,四鏈結(jié)構(gòu),真核生物DNA3-末端是富含GT的多次重復(fù)序列，因而自身形成了折疊的四鏈結(jié)構(gòu)。,二、DNA的高級(jí)結(jié)構(gòu)是超螺旋結(jié)構(gòu),超螺旋結(jié)構(gòu)(superhelix 或supercoil) DNA雙螺旋鏈再盤繞即形成超螺旋結(jié)構(gòu)。,正超螺旋(positive supercoil) 盤繞方向與DNA雙螺旋方同相同。,負(fù)超螺旋(negative supercoil) 盤繞方向與DNA雙螺旋方向相反。,（一）原核生物DNA的環(huán)狀超螺旋結(jié)構(gòu),原核生物DNA多為環(huán)狀，以負(fù)超螺旋的形式存在，平均每200堿基就有一個(gè)超螺旋形成。,DNA超螺旋結(jié)構(gòu)的電鏡圖象,（二）真核生物DNA的高度有序和高度致密的結(jié)構(gòu),真核生物DNA以非常有序的形式存在于細(xì)胞核內(nèi)。 在細(xì)胞周期的大部分時(shí)間里，DNA以松散的染色質(zhì)(chromatin)形式存在，在細(xì)胞分裂期，則形成高度致密的染色體(chromosome)。,DNA染色質(zhì)呈現(xiàn)出的串珠樣結(jié)構(gòu)。 染色質(zhì)的基本單位是核小體(nucleosome)。,DNA染色質(zhì)的電鏡圖像,DNA：約200bp 組蛋白：H1 H2A，H2B H3 H4,核小體的組成,核小體串珠樣的結(jié)構(gòu),雙鏈DNA的折疊和染色體組裝,DNA經(jīng)過(guò)多次折疊，被壓縮了800010000倍，組裝在直徑只有為數(shù)微米的細(xì)胞核內(nèi)。,真核生物的染色體,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(fù)制和轉(zhuǎn)錄的模板。它是生命遺傳的物質(zhì)基礎(chǔ)，也是個(gè)體生命活動(dòng)的信息基礎(chǔ)。,基因從結(jié)構(gòu)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。,三、DNA是遺傳信息的物質(zhì)基礎(chǔ), Genes are segments of DNA that code for polypeptide chains and RNAs. Beadle and Tatum concluded that a gene is a segment of genetic material that determines or codes for one enzyme: the one gene-one enzyme hypothesis. Later this concept was broadened to one gene-one polypeptide. The modern biochemical definition of a gene is even more precise. A gene is all the DNA that encodes the primary sequence of some final gene product, which can be either a polypeptide or an RNA.,基因的概念,三、DNA是遺傳信息的物質(zhì)基礎(chǔ),第三節(jié) RNA的結(jié)構(gòu)與功能,Structure and Function of RNA,RNA與蛋白質(zhì)共同負(fù)責(zé)基因的表達(dá)和表達(dá)過(guò)程的調(diào)控。 RNA通常以單鏈的形式存在，但有復(fù)雜的局部二級(jí)結(jié)構(gòu)或三級(jí)結(jié)構(gòu)。 RNA比DNA分子量小。 RNA的種類、大小和結(jié)構(gòu)遠(yuǎn)表現(xiàn)出多樣性。,RNA的種類、分布、功能,信使RNA(messenger RNA, mRNA)是合成蛋白質(zhì)的模板。 不均一核RNA(hnRNA)含有內(nèi)含子(intron)和外顯子(exon)。 外顯子是氨基酸的編碼序列，而內(nèi)含子是非編碼序列。 hnRNA經(jīng)過(guò)剪切后成為成熟的mRNA。,一、mRNA是蛋白質(zhì)合成中的模板,成熟的mRNA由氨基酸編碼區(qū)和非編碼區(qū)構(gòu)成。 5-末端的帽子(cap)結(jié)構(gòu)和3-末端的多聚A尾(poly-A tail)結(jié)構(gòu)。 從AUG 開始，每三個(gè)核苷酸為一組編碼了一個(gè)氨基酸，稱為三聯(lián)體密碼(codon)。,成熟的真核生物mRNA,帽子結(jié)構(gòu):m7GpppNm,（一）大部分真核細(xì)胞mRNA的5末端都以7-甲基鳥嘌呤-三磷酸核苷為起始結(jié)構(gòu),mRNA的帽結(jié)構(gòu)可以與帽結(jié)合蛋白(cap binding protein，CBP)結(jié)合。,加帽過(guò)程,真核生物的mRNA 的3-末端轉(zhuǎn)錄后加上一段長(zhǎng)短不一的聚腺苷酸（80-250A）。,（二）在真核生物mRNA的3末端有多聚腺苷酸結(jié)構(gòu),加尾過(guò)程,mRNA核內(nèi)向胞質(zhì)的轉(zhuǎn)位 mRNA的穩(wěn)定性維系 翻譯起始的調(diào)控,帽子結(jié)構(gòu)和多聚A尾的功能,內(nèi)含子 (intron),外顯子 (exon),（三）hnRNA的剪接,（三）mRNA加工成熟過(guò)程示意圖,卵清蛋白mRNA的成熟,（四）mRNA是蛋白質(zhì)合成的模板,從mRNA分子5末端起的第一個(gè)AUG開始，每3個(gè)核苷酸為一組稱為密碼子(codon)或三聯(lián)體密碼(triplet code)。,AUG被稱為起始密碼子；決定肽鏈終止的密碼子則稱為終止密碼子（UAA, UAG, UGA）。,位于起始密碼子和終止密碼子之間的核苷酸序列稱為開放閱讀框(open reading frame, ORF)，決定了多肽鏈的氨基酸序列 。,轉(zhuǎn)運(yùn)RNA (transfer RNA, tRNA)在蛋白質(zhì)合成過(guò)程中作為各種氨基酸的載體, 將氨基酸轉(zhuǎn)呈給mRNA。 由7495核苷酸組成； 占細(xì)胞總RNA的15%； 具有很好的穩(wěn)定性。,二、tRNA是蛋白質(zhì)合成中的氨基酸載體,（一）tRNA中含有多種稀有堿基,tRNA具有局部的莖環(huán)(stem-loop)結(jié)構(gòu)或發(fā)卡(hairpin)結(jié)構(gòu)。,（二）tRNA具有莖環(huán)結(jié)構(gòu),tRNA的二級(jí)結(jié)構(gòu) 三葉草形,氨基酸臂 DHU環(huán) 反密碼環(huán) TC環(huán) 附加叉,tRNA的倒L三級(jí)結(jié)構(gòu),tRNA的3-末端都是以CCA結(jié)尾。 3-末端的A與氨基酸共價(jià)連結(jié)，tRNA成為了氨基酸的載體。 不同的tRNA可以結(jié)合不同的氨基酸。,（三）tRNA的3-末端連接氨基酸,tRNA的反密碼子環(huán)上有一個(gè)由三個(gè)核苷酸構(gòu)成的反密碼子(anticodon)。 tRNA上的反密碼子依照堿基互補(bǔ)的原則識(shí)別mRNA上的密碼子。,（四）tRNA的反密碼子識(shí)別mRNA的密碼子,核蛋白體RNA (ribosomal RNA，rRNA)是細(xì)胞內(nèi)含量最多的RNA(80)。 rRNA與核蛋白體蛋白結(jié)合組成核蛋白體(ribosome)，為蛋白質(zhì)的合成提供場(chǎng)所。,三、以rRNA為組分的核蛋白體是蛋白質(zhì)合成的場(chǎng)所,核蛋白體的組成,大腸桿菌的核蛋白體,18S rRNA的二級(jí)結(jié)構(gòu),蛋白質(zhì)合成時(shí)形成的復(fù)合體,RNA組學(xué)(RNomics)研究細(xì)胞內(nèi)snmRNA的種類、結(jié)構(gòu)和功能, 不同時(shí)空狀態(tài)下snmRNAs表達(dá)譜的變化，以及與功能之間的關(guān)系。,四、snmRNA參與了基因表達(dá)的調(diào)控,細(xì)胞的不同部位存在的許多其他種類的小分子RNA，統(tǒng)稱為非mRNA小RNA(small non-messenger RNAs, snmRNAs)。,snmRNAs,核內(nèi)小RNA snRNAs/snRNPs 核仁小RNA snoRNAs/snoRNPs 胞質(zhì)小RNA scRNAs 催化性小RNA ribozyme/catalytic 小片段干涉 RNA siRNAs/RNAi 微小RNA miRNAs,snmRNAs的種類,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(catalytic RNA)。,siRNA是生物宿主對(duì)外源侵入的基因表達(dá)的雙鏈RNA進(jìn)行切割所產(chǎn)生的特定長(zhǎng)度和特定核酸序列的小片段RNA。 siRNA可以與外源基因表達(dá)的mRNA相結(jié)合，并誘發(fā)這些mRNA的降解。 基于此機(jī)理，人們發(fā)明了RNA干擾(RNA interference，RNAi)技術(shù)。,小片段干擾RNA,noncoding RNA, single strand about 22 bases complementary to particular mRNAs cleaving mRNA or suppressing translation Some are encoded in the introns of other genes targeting to 1/3 human mRNAs and regulating gene expression,miRNAs,原核生物基因表達(dá)的特異性,五、核酸在真核細(xì)胞和原核細(xì)胞中表現(xiàn)了不同的時(shí)空特性,真核生物基因表達(dá)的特異性,核酸的理化性質(zhì) The Physical and Chemical Characters of Nucleic Acid,第四節(jié),核酸的酸堿及溶解度性質(zhì) 核酸為多元酸，具有較強(qiáng)的酸性。 核酸的高分子性質(zhì) 粘度：DNARNA dsDNA ssDNA 沉降行為:不同構(gòu)象的核酸分子的沉降的速率有很大差異，這是超速離心法提取和純化核酸的理論基礎(chǔ)。,核酸在波長(zhǎng) 260nm 處有強(qiáng)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。,一、核酸分子具有強(qiáng)烈的紫外吸收,堿基的紫外吸收光譜,DNA或RNA的定量 A260 = 1.0 相當(dāng)于 50g/ml 雙鏈DNA(dsDNA) 40g/ml 單鏈DNA (ssDNA or RNA) 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(yīng)用,二、DNA變性是雙鏈解離為單鏈的過(guò)程,在某些理化因素作用下，DNA雙鏈解開成兩條單鏈的過(guò)程。,定義,DNA變性 (denaturation)的本質(zhì)是雙鏈間氫鍵的斷裂。,協(xié)同性的DNA解鏈,高溫或極端的pH,DNA的變性,部分變性DNA的電鏡圖像,增色效應(yīng)(hyperchromic effect)：DNA變性時(shí)其溶液OD260增高的現(xiàn)象。,DNA解鏈