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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. Structure and Function of Nucleic Acid. 核 酸 (nucleic acid). 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、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

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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 Structure and Function of Nucleic Acid

  2. 核 酸(nucleic acid) 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。

  3. 一、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

  4. 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。 (deoxyribonucleic acid, 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。 (ribonucleic acid, 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

  5. There are two kinds of nucleic acids, DNA and RNA. The monomers of nucleic acids are nucleotides.

  6. 第一节 核酸的化学组成及其一级结构The Chemical Components and Primary Structure of Nucleic Acid

  7. 2. 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) 核酸的化学组成 • 1. 元素组成 • C、H、O、N、P（9~10%）

  8. 腺嘌呤(adenine, A) 鸟嘌呤(guanine, G) 碱 基 嘌呤(purine)

  9. 尿嘧啶(uracil, U) 胸腺嘧啶(thymine, T) 胞嘧啶(cytosine, C) 嘧啶(pyrimidine)

  10. 5´ 1´ 4´ 3´ 2´ 核糖(ribose) 脱氧核糖(deoxyribose) （构成DNA） （构成RNA） 戊 糖

  11. An individual nucleotide consists of three parts — a base, a sugar, and a phosphoric acid residue— all of which are covalently bonded together. The order of bases in the nucleic acids specifies the genetic code. The nucleic acid bases (also called nucleobases) are of two types, purins and pyrimidines. The common purine bases are guanine and adenine, both of which are found in both DNA and RNA. Three pyrimidine bases, cytosine, uracil, and thymine, commonly occur. Cytosine is found in both RNA and DNA. Uracil occurs only in RNA. In DNA thymine is substituted for uracil.

  12. 1. 核苷(ribonucleoside)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´ 一、核苷酸的结构(nucleotide structure) 核苷：AR, GR, UR, CR 脱氧核苷：dAR, dGR, dTR, dCR

  13. 2. 核苷酸(ribonucleotide)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

  14. 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

  15. 5´端 3. 核苷酸的连接 核苷酸之间以磷酸二酯键(phosphodiester bond)连接形成多核苷酸链，即核酸。 3´端 C A G

  16. A nucleotide is a compound that consists of a base and a sugar covalently linked together. In RNA, the sugar is D-ribose; whereas DNA utilizes β-D-2-deoxy-D-ribose. When phosphoric acid is esterified to one of the hydroxyl groups of the sugar portion of a nucleoside, a nucleotide is formed. The polymerization of nucleotides gives rise to nucleic acids. The repeated linkage between monomers in nucleic acids is a 3’, 5’-phosphodiester bond.

  17. 5′端 C A G 3′端 二、核酸的一级结构(primary structure of nucleotide) 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(base sequence)。

  18. A T G T C G 5 P OH 3 P P P P P 书写方法 5 pApCpTpGpCpT-OH3 5A C T G C T3 目 录

  19. The primary structure of DNA is the sequence of bases, which carries the genetic information.

  20. 第二节 DNA的空间结构与功能Dimensional Structure and Function of DNA

  21. DNA的二级结构-双螺旋结构(double helix) • DNA双螺旋结构的研究背景和历史意义 • DNA双螺旋结构模型要点 • DNA的超螺旋(super coil)结构及其在染色质中的组装(assemble of chromosome) • DNA的超螺旋结构 • 原核生物DNA的高级结构 • DNA在真核生物细胞核内的组装 • DNA的功能

  22. 一、 DNA的二级结构 • ——双螺旋结构

  23. Double Helix The secondary structure of DNA is the double helix. In a DNA double helix, the two strands of DNA are antiparallel and wound round each other with thebases on the inside and thesugar-phosphate backbones on the outside. The two DNA chains are held together by hydrogen bonds between pairs of bases.

  24. 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 • DNA纤维的X-线衍射图谱分析 （一）DNA双螺旋结构的研究背景 目 录

  25. （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(major groove)及小沟(minor groove)相间。 目 录

  26. （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。 目 录

  27. 碱基互补配对 (complementary base pairing) C G A T

  28. （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。 目 录

  29. （三）DNA双螺旋结构的多样性 (diversity of double helix) 目 录

  30. The secondary structure of DNA is the double helix. In a DNA double helix, the two strands of DNA are antiparallel and wound round each other with the bases on the inside and the sugar-phosphate backbones on the outside. The two DNA chains are held together by hydrogen bonds between pairs of bases. Adenine on one strand pairs with thymine on the opposite strand of double helix. They are linked with two hydrogen bonds. The same is true for the other two bases: guanine on one strand pairs with cytosineon an opposite strand. They are linked with three hydrogen bonds. The structure for DNA proposed by Watson and Crick is called B form DNA. It is a right-handed helix and thought to be the principal form that occurs in nature.

  31. 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(superhelix 或supercoil) • DNA双螺旋链再盘绕即形成超螺旋结构。 • 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

  32. 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。

  33. Superhelix Thefurther twisting and coiling of the double helix.

  34. （二）原核生物DNA的高级结构

  35. （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(nucleosome)。 • 核小体的组成 • DNA：约200bp • 组蛋白：H1 • H2A，H2B • H3 • H4

  36. Nucleosome In electron micrographs, chromatin resembles beads on a string. Each “bead” is a nucleosome consisting of DNA wrapped around a histone core.

  37. The tertiary structure of DNA is supercoiling which is further twisting and coiling of the double helix.

  38. 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。

  39. 第三节 RNA的结构与功能 Structure and Function of RNA

  40. RNA的种类、分布、功能

  41. hnRNA mRNA 一 、信使RNA的结构与功能 * mRNA成熟过程 内含子 (intron) 外显子 (exon) 目 录

  42. * 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。

  43. 帽子结构(5’-cap)

  44. 帽子结构和多聚A尾(poly A tail)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

  45. 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。

  46. 二、转运RNA的结构与功能 *tRNA的一级结构特点 • 含 10~20% 稀有碱基，如 DHU • 3´末端为 — CCA-OH • 5´末端大多数为G • 具有 TC

  47. 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

  48. * 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

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