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核酸的结构与功能

核酸的结构与功能. 提要. 核酸的一级结构 DNA 的二级结构 DNA 的三级结构 染色体结构 RNA 的二级、三级结构 核酸的性质. 核酸的分类. DNA —— 一种类型，一种功能 RNA —— 多种类型，多种功能 编码 RNA 和非编码 ( NcRNA). DNA 和 RNA 的结构异同. 核酸的一级结构. 什么是一级结构？ 任何表示一级结构？ 如何确定一级结构 ?. 构成 DNA 和 RNA 核苷酸的结构和连接方式. 核酸一级结构的缩写. DNA & RNA 的差别 ?. 为什么 DNA 含有 T? C 自发脱氨基变成 U

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核酸的结构与功能

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Presentation Transcript

  1. 核酸的结构与功能

  2. 提要 • 核酸的一级结构 • DNA的二级结构 • DNA的三级结构 • 染色体结构 • RNA的二级、三级结构 • 核酸的性质

  3. 核酸的分类 • DNA —— 一种类型，一种功能 • RNA —— 多种类型，多种功能 编码RNA和非编码 (NcRNA) DNA和RNA的结构异同

  4. 核酸的一级结构 • 什么是一级结构？ • 任何表示一级结构？ • 如何确定一级结构?

  5. 构成DNA和RNA核苷酸的结构和连接方式

  6. 核酸一级结构的缩写

  7. DNA & RNA 的差别? 为什么DNA含有T? • C自发脱氨基变成U • 修复酶能够识别这些突变，以用C取代这些U。 • 如何区分正常的U和突变而来的U? • 使用T就很容易解决以上问题。

  8. DNA & RNA 的差别? 为什么DNA 2‘-脱氧，RNA不是? • RNA临近的-OH使其更容易 • DNA缺乏2‘-OH更加稳定 • 遗传物质必须更加稳定 • RNA需要的时候合成，不需要的时候需要迅速降解。

  9. DNA的二级结构 DNA的二级结构主要是各种形式的螺旋，特别是B-型双螺旋，此外还有A-型双螺旋、Z-型双螺旋、三链螺旋和四链螺旋等

  10. Happy Birthday,Double Helix

  11. 已步入古稀之年的Watson（左）和 Crick（右）在讨论DNA双螺旋结构模型

  12. B型双螺旋 • DNA二级结构的主要形式为James Watson和Francis Crick于1953年提出的B型双螺旋，其主要内容是： （1）DNA由两条呈反平行的多聚核苷酸链组成，两条链相互缠绕形成右手双螺旋； （2）组成右手双螺旋的两条链是互补的，它们通过特殊的碱基对结合在一起，碱基配对规则是一条链上的A总是与另一条链的T，G总是和C以氢键配对。其中AT碱基对有二个氢键，GC碱基对有3个氢键； （3）碱基对位于双螺旋的内部，并垂直于暴露在外的脱氧核糖磷酸骨架。碱基对之间通过疏水键和范德华力相互垛叠在一起，对双螺旋的稳定起一定的作用； （4）双螺旋的表面含有明显的大沟和小沟（，其宽度分别为2.2nm和1.2nm； （5）双螺旋的其它常数包括相邻碱基对距离为0.34nm，并相差约36°。螺旋的直经为2nm，每一转完整的螺旋含有10个碱基对，其高度为3.4nm。

  13. AT和GC碱基对的配对性质

  14. B-型DNA双螺旋结构的主要特征

  15. DNA双螺旋结构的证据 （1）X射线衍射数据 （2）Chargaff 规则 （3）碱基的互变异构

  16. DNA湿纤维的X射线衍射图

  17. 不同物种DNA的A/T、G/C和A/G的比率

  18. DNA分子中不同碱基之间的可能配对

  19. 稳定双螺旋的因素 （1）氢键 氢键固然重要，但它们主要决定碱基配对的特异性，而对双螺旋稳定的贡献不是最重要的。对双螺旋稳定起决定性作用的是碱基的堆集力。 （2）碱基堆集力 这是碱基对之间在垂直方向上的相互作用所产生的力。它包括疏水作用和范德华力。碱基间相互作用的强度与相邻碱基之间环重叠的面积成正比。总的趋势是嘌呤与嘌呤之间>嘌呤与嘧啶之间>嘧啶与嘧啶之间。另外碱基的甲基化能提高碱基的堆积力。 （3）阳离子或带正电荷的化合物对磷酸基团的中和。

  20. A-DNA A-RNA DNA双螺旋的ABZs 小沟 大沟

  21. A型双螺旋、B型双螺旋和Z型双螺旋的比较

  22. DNA的非标准二级结构 • 细胞内的DNA在特殊的条件下还可能形成其它几种非标准的二级结构。这些特殊的条件包括：DNA受到某些蛋白质的作用（如组蛋白）；DNA本身所具有的特殊基序，例如反向重复序列，回文结构，镜像重复，直接重复，高嘌呤序列，高嘧啶序列，富含A序列和富含G序列。 （1）弯曲 （2）十字形 （3）P-DNA （4）三链螺旋与H-DNA （5）四链螺旋与G-四联体 （5）滑动错配DNA（SMP-DNA）

  23. 十字形DNA的形成 P-DNA与B-DNA的比较

  24. 滑动错配DNA

  25. DNA的三级结构——超螺旋 • 如果通过某种手段使得DNA双螺旋每一圈的碱基对数目多于或少于10对，将导致DNA双螺旋缠绕过多或缠绕不足；如果这时的DNA两端被固定或者DNA本来是共价闭环的，的张力无法释放而自发地形成超螺旋结构。 • DNA超螺旋分为正超螺旋和负超螺旋，其中正超螺旋为左手超螺旋，由DNA双螺旋过度缠绕引起，负超螺旋为右手超螺旋，由DNA双螺旋缠绕不足引起。

  26. DNA复制过程中正超螺旋DNA的形成

  27. 从DNA双螺旋到染色体

  28. 电镜下的核小体结构

  29. 核小体结构模型

  30. RNA的二级结构 • RNA的二级结构主要取决于它的碱基组成，其二级结构的多样性可以和蛋白质相媲美。少数病毒RNA由两条互补的多聚核糖核苷酸链组成，它的二级结构为A型双螺旋。多数RNA仅由一条链组成，它们的二级结构主要是由链内碱基的互补性决定的：链内互补的碱基可以相互作用形成链内A型双螺旋，非互补的碱基则游离在双螺旋之外，形成各种二级结构。在RNA双螺旋内常常可以发现GU碱基对。 RNA分子中的GU碱基对

  31. RNA的三级结构 • 构成RNA的三级结构的主要元件有假节结构、“吻式”发夹结构和发夹环突触结构（等三种形式。tRNA则可形成倒L型三级结构

  32. tRNA • tRNA分子只由一条链组成，含有73~94个核苷酸，其中有不少是修饰的核苷酸或修饰的碱基，3′-端的最后三个核苷酸总是CCA，链内的大多数碱基通过氢键相连，但几乎所有的tRNA分子上不变的核苷酸都在三叶草结构上非氢键区域。构成tRNA二级结构的要素有：环、茎和臂。一个典型tRNA的二级结构像三叶草，含有四个环和四个茎。环由链内没有配对的碱基突出而成，茎则是链内互补的碱基之间配对形成的局部A-型双螺旋，臂则是紧靠着茎又不属于环的非配对核苷酸。 • tRNA三级结构形成的原因是D环上的碱基与不变碱基以及TψC环上的碱基之间的发生的氢键作用。这些氢键将D臂和TψC臂折叠到一起，并将三叶草二级结构弯曲成稳定的倒L型三级结构。参与三级结构形成的许多氢键并不是通常的AU和GC碱基对。

  33. RNA的倒L形三级结构 图12-31 tRNA三级结构之中的氢键配对

  34. tRNA三级结构之中的氢键配对

  35. tRNA三级结构之中的氢键配对

  36. rRNA 核糖体合成蛋白质 • 所有的核糖体都含有大小两个亚基 • rRNA约占据核糖体的2/3 • 高度的链内互补序列导致大量的碱基配对 • rRNA 充当核糖体蛋白的支架 • 大肠杆菌的23S rRNA是转肽酶! • 一级结构上相似性并不高，但它们的二级结构却惊人地相似。 • 核糖体的整体构象由rRNA决定，核糖体蛋白质一般正好位于RNA螺旋之间

  37. 16S rRNA的二级结构

  38. 原核生物核糖体小亚基rRNA的三维结构

  39. 原核生物核糖体大亚基rRNA的三维结构

  40. mRNA DNA的转录产物，蛋白质的翻译模板 • 原核生物多为多顺反子 • 真核生物多为单顺反子，5′-端具有帽子，3′-端具有多聚腺苷酸尾巴。 • 出现在mRNA分子上最多的二级结构部件也是茎环结构。mRNA分子的二级结构，特别是两端的二级结构对于翻译有影响，而某些mRNA借助于末端特殊的二级结构对基因的表达进行调控。

  41. 核酸的理化性质 • 紫外吸收 • 酸碱解离 • 变性 • 复性和杂交 DNA的变性和复性

  42. 变性 • 核酸的变性是指核酸受到加热、极端的pH或离子强度的降低等因素或特殊的化学试剂的作用，其双螺旋区的氢键断裂，变成单链的过程，其中并不涉及共价键断裂。 • 核酸在变性时，紫外吸收和浮力密度升高，粘度降低，生物活性（主要是RNA）降低和丧失，其中紫外吸收增加的现象称为增色效应。 • 双链DNA热变性是在很窄的温度内发生的，与晶体在熔点时突然熔化的情形相似，因此DNA也具有“熔点”，用Tm表示。Tm实际是DNA的双螺旋有一半发生热变性时相应的温度。 • DNA的Tm值受到DNA的均一性、G-C含量、离子强度和特殊的化学试剂的影响。

  43. GC含量对DNA Tm的影响

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