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文檔簡介
第1章核酸的結(jié)構(gòu)和功能核酸是一類重要的生物大分子,擔(dān)負(fù)著生命信息的儲存與傳遞。核酸是現(xiàn)代生物化學(xué)、分子生物學(xué)的重要研究領(lǐng)域,是基因工程操作的核心分子。第一節(jié)核酸的概念核酸(nucleicacid)
的概念1、功能---核酸是生物遺傳的物質(zhì)基礎(chǔ),決定生物的生長、繁殖以及生命的代謝模式。2、結(jié)構(gòu)----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。3、DNA儲存信息;RNA傳遞并表達(dá)信息4、DNA-----RNA-----蛋白質(zhì)一、核酸的發(fā)現(xiàn)和研究工作進(jìn)展1868年FridrichMiescher從膿細(xì)胞中提取含磷豐富的酸性物質(zhì)---“核素”
1944年Avery等人證實DNA是遺傳物質(zhì)20世紀(jì)50年代初,ErwinChargaff在測定多種生物的DNA組成后,發(fā)現(xiàn)A=T,G=C,這稱為“Chargaff定則”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測序方法1985年Mullis發(fā)明PCR技術(shù)1990年美國啟動人類基因組計劃(HGP)
1994年中國人類基因組計劃啟動1998年,國際水稻基因組計劃,2000年5月,中國超級雜交水稻基因組計劃
2001年美、英等國完成人類基因組計劃基本框架,2003年完成精細(xì)圖譜二、核酸的分類及分布98%以上分布于細(xì)胞核,其余分布于核外如線粒體,葉綠體,質(zhì)粒等。包括mRNA、tRNA和rRNA分布于胞核、胞液。(deoxyribonucleicacid,DNA)(ribonucleicacid,RNA)脫氧核糖核酸
核糖核酸攜帶遺傳信息,決定細(xì)胞和個體的基因型(genotype)。參與細(xì)胞內(nèi)DNA遺傳信息的表達(dá)。某些病毒RNA也可作為遺傳信息的載體。第二節(jié)核酸的組成成分嘌呤(purine)腺嘌呤(adenine,A)鳥嘌呤(guanine,G)二、堿基嘧啶(pyrimidine)胞嘧啶(cytosine,C)尿嘧啶(uracil,U)胸腺嘧啶(thymine,T)
核酸中也存在一些不常見的稀有堿基。稀有堿基的種類很多,大部分是上述堿基的甲基化產(chǎn)物。核苷:AR,GR,UR,CR脫氧核苷:dAR,dGR,dTR,dCR三、核苷(ribonucleoside)的形成堿基+戊糖=核苷連接部位:戊糖---1,堿基---9/1
連接方式:C---N糖苷鍵1′1核苷酸:AMP,GMP,UMP,CMP脫氧核苷酸:dAMP,dGMP,dTMP,dCMP
四、核苷酸(ribonucleotide)核苷(脫氧核苷)和磷酸以磷酸酯鍵連接形成核苷酸(脫氧核苷酸)。
體內(nèi)重要的游離核苷酸及其衍生物輔酶和輔基-含核苷酸的生物活性物質(zhì):NAD+、NADP+、CoA-SH、FAD等都含有AMP能量載體----ATP、GTP食品工業(yè)上用作添加劑
單體-多磷酸核苷酸:NMP,NDP,NTP
第二信使-環(huán)化核苷酸:cAMP,cGMPAMPcAMP5′端3′端3.核苷酸的連接上一個核苷酸戊糖3,位的羥基與下一個核苷酸戊糖5,位的磷酸以磷酸二酯鍵連接形成多核苷酸鏈,即以3,-5,磷酸二酯鍵連接。CGA一、核酸的一級結(jié)構(gòu)5′端3′端CGA第三節(jié)核酸的分子結(jié)構(gòu)5′-磷酸端(常用5’-P表示);3′-羥基端(常用3’-OH表示)多聚核苷酸鏈具有方向性,當(dāng)表示一個多聚核苷酸鏈時,必須注明它的方向是5′→3′或是3′→5′,一般默認(rèn)為從左到右為5’-3’。多聚核苷酸的表示方式DNARNA5′PdAPdCPdGPdTOH3′5′PAPCPGPUOH′
或5′ACGTGCGT3′5′ACGUAUGU3′
ACGTGCGTACGUAUGUT5’3’OHU5’3’OHOHOHOHOHDNA一級結(jié)構(gòu)的意義DNA雖然只是由于四個堿基的變化形成的四種核苷酸按照一定的順序排列起來,但值得注意的是,DNA的堿基順序本身就是遺傳信息存儲的分子形式。生物界物種的多樣性即寓于DNA分子中四種核苷酸千變?nèi)f化的不同排列組合之中。DNA的二級結(jié)構(gòu)-雙螺旋結(jié)構(gòu)DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的研究背景和歷史意義DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型要點DNA的超螺旋結(jié)構(gòu)及其在染色質(zhì)中的組裝DNA的超螺旋結(jié)構(gòu)原核生物DNA的高級結(jié)構(gòu)DNA在真核生物細(xì)胞核內(nèi)的組裝DNA的功能二、核酸的二級結(jié)構(gòu)(一)DNA的二級結(jié)構(gòu)——雙螺旋結(jié)構(gòu)(一)DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的研究背景
堿基組成分析Chargaff
規(guī)則:[A]=
[T][G]
[C]
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(二)DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型要點(Watson,Crick,1953)兩條DNA單鏈分子反向平行環(huán)繞,右手螺旋走向,表面大溝與小溝相間。螺旋直徑為2nm,
主鏈:戊糖-磷酸骨架位于外側(cè)側(cè)鏈:堿基對位于內(nèi)側(cè)堿基平面垂直于螺旋軸堿基距:0.34nm;
螺距:3.4nm;周長:10對堿基。(二)DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型要點
(Watson,Crick,1953)堿基形成氫鍵配對,配對形式為:A=T;G
C)。堿基互補配對TACG(二)DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型要點
(Watson,Crick,1953)穩(wěn)定因素:氫鍵維持橫向穩(wěn)定性堿基堆積力維持縱向穩(wěn)定性其他作用因素4.DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的多樣性三種類型DNA的結(jié)構(gòu)參數(shù)5.與DNA堿基序列相關(guān)的特殊結(jié)構(gòu)回文結(jié)構(gòu)發(fā)卡結(jié)構(gòu)鏡像重復(fù)二、DNA的超螺旋結(jié)構(gòu)及其在染色質(zhì)中的組裝(一)DNA的超螺旋結(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(positivesupercoil)盤繞方向與DNA雙螺旋方同相同負(fù)超螺旋(negativesupercoil)盤繞方向與DNA雙螺旋方向相反意義DNA超螺旋結(jié)構(gòu)整體或局部的拓?fù)鋵W(xué)變化及其調(diào)控對于DNA復(fù)制和RNA轉(zhuǎn)錄過程具有關(guān)鍵作用。(二)原核生物DNA的高級結(jié)構(gòu)(三)DNA在真核生物細(xì)胞核內(nèi)的組裝真核生物染色體由DNA和蛋白質(zhì)構(gòu)成,其基本單位是核小體(nucleosome)。核小體的化學(xué)組成DNA:約200bp組蛋白:H1,H2A,H2B,H3,H4染色體的組裝過程:核小體串珠狀染色質(zhì)細(xì)絲中空線圈螺線管染色單體壓縮了1000-2000倍多級螺旋模型壓縮倍數(shù)76405(8400)
DNA→核小體→螺線管→超螺線管→染色單體
2nm10nm30(10)nm400nm2~10μm
一級包裝二級包裝三級包裝四級包裝
三、DNA的功能以基因的形式儲存、傳遞、表達(dá)信息
DNA-----RNA-----蛋白質(zhì)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。第三節(jié)
RNA的結(jié)構(gòu)與功能StructureandFunctionofRNARNA的種類、分布、功能一、信使RNA的結(jié)構(gòu)與功能hnRNAmRNA*真核生物mRNA成熟過程內(nèi)含子(intron)外顯子(exon)*真核生物mRNA結(jié)構(gòu)特點5′末端有甲基化鳥苷帽子結(jié)構(gòu):m7GpppNm-
2.3′末端有多聚腺苷酸尾巴:PolyA。帽子結(jié)構(gòu)促進(jìn)mRNA由胞核向胞質(zhì)的轉(zhuǎn)位維持mRNA的穩(wěn)定性翻譯起始的調(diào)控帽子結(jié)構(gòu)和多聚A尾的功能*mRNA的功能把DNA的堿基序列翻譯成蛋白質(zhì)的氨基酸順序。DNAmRNA蛋白轉(zhuǎn)錄翻譯原核細(xì)胞細(xì)胞質(zhì)細(xì)胞核DNA內(nèi)含子外顯子轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)錄后剪接轉(zhuǎn)運mRNAhnRNA翻譯蛋白真核細(xì)胞*
tRNA的一級結(jié)構(gòu)特點含10~20%稀有堿基3′末端為—CCA-OH5′末端大多數(shù)為G具有T
C環(huán)二、轉(zhuǎn)運RNA的結(jié)構(gòu)與功能N,N二甲基鳥嘌呤N6-異戊烯腺嘌呤雙氫尿嘧啶4-巰尿嘧啶
稀有堿基*tRNA的二級結(jié)構(gòu)——三葉草形
氨基酸臂
DHU環(huán)
反密碼子環(huán)額外環(huán)
TΨC環(huán)氨基酸臂額外環(huán)*tRNA的三級結(jié)構(gòu)——倒L形*tRNA的功能活化、搬運氨基酸到核糖體,參與蛋白質(zhì)的翻譯。*rRNA的結(jié)構(gòu)三、核蛋白體RNA的結(jié)構(gòu)與功能*rRNA的功能參與組成核蛋白體,作為蛋白質(zhì)生物合成的場所。rRNA的種類(根據(jù)沉降系數(shù))沉降系數(shù):單位時間內(nèi)的沉降速度真核生物5SrRNA28SrRNA5.8SrRNA18SrRNA原核生物5SrRNA23SrRNA16SrRNA核蛋白體的組成核酸的理化性質(zhì)ThePhysicalandChemicalCharactersofNucleicAcid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,其中的堿基又具有堿性,所以為兩性電解質(zhì)??膳c金屬離子成鹽,不溶于乙醇或異丙醇。核酸的高分子性質(zhì)粘度:DNA>RNAdsDNA>ssDNA沉降行為核酸的紫外吸收(OD260)單核苷酸>ssDNA(或RNA)>dsDNA核酸的分離方法:電泳-------依據(jù)分子量大小離子交換法-----依據(jù)電荷一、核酸的一般理化性質(zhì)1.DNA或RNA的定量OD260=1.0相當(dāng)于50μg/ml雙鏈DNA40μg/ml單鏈DNA(或RNA)20μg/ml寡核苷酸2.判斷核酸樣品的純度DNA純品:OD260/OD280=1.8RNA純品:OD260/OD280=2.0OD260的應(yīng)用二、DNA的變性(denaturation)定義:在某些理化因素作用下,DNA雙鏈解開成兩條單鏈的過程。方法:過量酸,堿,加熱,變性試劑如尿素、酰胺以及某些有機(jī)溶劑如乙醇、丙酮等。變性后其它理化性質(zhì)變化:OD260增高 粘度下降比旋度下降 浮力密度升高酸堿滴定曲線改變 生物活性喪失DNA變性的本質(zhì)是雙鏈間氫鍵的斷裂例:變性引起紫外吸收值的改變DNA的紫外吸收光譜增色效應(yīng):DNA變性時其溶液OD260增高的現(xiàn)象。熱變性解鏈曲線:如果在連續(xù)加熱DNA的過程中以溫度對A260(absorbance,A,A260代表溶液在260nm處的吸光率)值作圖,所得的曲線稱為解鏈曲線。Tm:DNA變性時紫外光吸收值達(dá)到最大值的50%時的溫度稱為DNA的解鏈溫度,又稱融解溫度(meltingtemperature,Tm)。影響Tm的因素:大小、G+C含量三、DNA的復(fù)性與分子雜交
DNA復(fù)性(renaturation)的定義在適當(dāng)條件下,變性DNA的兩條互補鏈可恢復(fù)天然的雙螺旋構(gòu)象,這一現(xiàn)象稱為復(fù)性。減色效應(yīng)
DNA復(fù)性時,其溶液OD260降低的現(xiàn)象。熱變性的DNA經(jīng)緩慢冷卻后即可復(fù)性,這一過程稱為退火(annealing)。不同來源的核酸鏈分子復(fù)性時形成雜化雙鏈過程叫分子雜交。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)核酸分子雜交的應(yīng)用研究DNA分子中某一種基因的位置確定兩種核酸分子間的序列相似性檢測某些專一序列在待檢樣品中存在與否是基因芯片技術(shù)的基礎(chǔ)
核酸酶
核酸酶是指所有可以水解核酸的酶
核酸酶的分類依據(jù)底物不同分類DNA酶(deoxyribonuclease,DNase):專一降解DNA。RNA酶(ribonuclease,RNase):專一降解RNA。依據(jù)切割部位不同核酸內(nèi)切酶:分為限制性核酸內(nèi)切酶和非特異性限制性核酸內(nèi)切酶。核酸外切酶:5′→3′或3′→5′核酸外切酶。參與DNA的合成與修復(fù)、RNA合成后的剪接等重要基因復(fù)制和基因表達(dá)過程負(fù)責(zé)清除多余的、結(jié)構(gòu)和功能異常的核酸,同時也可以清除侵入細(xì)胞的外源性核酸在消化液中降解食物中的核酸以利吸收體外重組DNA技術(shù)中的重要工具酶生物體內(nèi)的核酸酶負(fù)責(zé)細(xì)胞內(nèi)外催化核酸的降解
核酸酶的功能
核酶---有催化活性的RNA1982年,美國ThomasCech
在研究四膜蟲rRNA自我剪接時發(fā)現(xiàn),同時加拿大的SidneyAltman發(fā)現(xiàn)RNaseP分子中的RNA組分有催化活性;1989年分享了Noble化學(xué)獎。不僅拓寬了生物催化劑的領(lǐng)域,而且對RNA的生物學(xué)功能開創(chuàng)了一種歷史性的新認(rèn)識:RNA不僅具有儲存和傳遞遺傳信息的功能,而且還具有生物催化劑的功能,在一定程度上可以說,RNA一身兼有DNA和蛋白質(zhì)兩大類生物大分子的功能。催化性DNA(DNAzyme)人工合成的寡聚脫氧核苷酸片段,也能序列特異性降解RNA。催化性RNA(ribozyme)
作為序列特異性的核酸內(nèi)切酶降解mRNA。核酶的二級結(jié)構(gòu)對于催化活性很重要。Symons提出“錘頭”(hammerhead)狀二級結(jié)構(gòu)。三個螺旋區(qū);13(或11)個保守核苷酸序列。核酸的酚抽提原理:交替使用酚、氯仿兩種蛋白質(zhì)變性劑,更有效去除蛋白質(zhì)。氯仿還可加速有機(jī)相與水相的分層。異
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