核酸的分子结构性质和功能课件

1、第1章 核酸的分子结构、性质和功能,核酸研究的历史,核酸的发现：1868年,结构的研究：19世纪末期和20世纪初期,功能的研究：20世纪上半叶,1928年Frederick Griffith的肺炎球菌转化实验首先发现了遗传物质,1943年Oswald Avery等对肺炎球菌的转化做进一步的实验说明遗传物质是DNA，不是蛋白质。,1952年Hershey Chase的噬菌体转导实验则彻底证明了DNA是遗传物质。1969年他获得诺贝尔医学生理奖。,1953年到了DNA的双螺旋结构被揭示出来之后，绝大多数的人认为DNA是遗传物质了。,后来又发现了RNA病毒，它们以RNA为遗传物质,HIV,近来发现的朊病毒，是否说明，除了DNA RNA外，蛋白质也有可能充当遗传物质？,第一节 DNA的结构和功能 第二节 RNA的结构和功能 第三节 核酸的分子杂交 第四节 反义核酸和药物 第五节 病毒核酸,本章主要内容,一、DNA的一级结构与种属的差异,DNA的一级结构就是指脱氧核糖核苷酸通过3，5磷酸二酯键连接起来的线性多聚体以及脱氧核糖核苷酸的排列顺序。,第一节 DNA的结构和功能,DNA一级结构的两种表示

2、方法,不同物种的DNA差异就在于各自DNA的一级结构不同，即组成DNA的脱氧核苷酸的数目和排列顺序不同。,基因组计划就是测定不同物种DNA含有的核苷酸数量和排列顺序。,现在发现，不同物种的DNA含有的成分是不同的，细菌噬菌体的DNA几乎都被用来编码基因，而较高等的生物中，不编码的DNA比例逐渐提高，原来称之为“垃圾DNA”，现在发现有重要的功能。,DNA中包含有哪些信息？,一方面是生物生长发育所必需的基因，另外含有调节这些基因需要的指令。,另外，目前还发现人类的多种疾病、肿瘤的发生等都与DNA有关。,因此DNA被认为是细胞内最重要的物质，其中包含的秘密还需要人类去探索揭开。,DNA中包含有外星人写入的信息？,澳大利亚天体生物学家保罗戴维斯在2004年8月7日最新一期新科学家杂志上发表了一个惊人观点：外星文明也许早将他们的“兴衰史”和对人类的“欢迎词”写进了我们的细胞DNA中，只有当人类的科技发展到某个特定阶段，才能读懂DNA中那些由外星人留下的“加密信息”！,DNA中包含有外星人写入的信息？,ConTACTinG humAns musT be frusTrATinG if They m

3、iss The messAGe ThAts stArinG Them in The fACe, says Paul Davies ,二、DNA的二级结构-双螺旋模型,就是指两条脱氧多核苷酸链反向平行排列所形成的双螺旋结构。,核酸的二级结构有多种形式,这些不同的形态均是DNA的结构发生改变的结构，以适应DNA行使不同的功能。,DNA的结构的变化，一般都发生在染色体DNA正在行使其功能的局部区域，而不是全部。,单链核酸还可以形成一些特殊的二级结构,发卡结构(茎环结构),十字型结构,三、DNA的三级结构,DNA的三级结构是指在DNA双螺旋的结构基础上，DNA进一步扭曲所形成的特定的空间结构。,超螺旋是DNA三级结构的主要形式。超螺旋又有正、负之分。,正常细胞内有一种酶叫做“拓扑异构酶”，专门负责改变DNA的拓扑结构。DNA在复制、转录等的时候，其空间拓扑结构均要发生变化。,再次强调，DNA这些空间结构的变化都是属于局部变化！不是整条DNA链都超螺旋！,四、DNA的三链结构,是指DNA中单链与双链之间、双链与双链之间的相互作用而形成的三链或四链结构。这时碱基之间的配对方式不是常见的Watson

4、-Crick式的。最常见的是分子内的局部H-DNA结构。,三链核酸（H-DNA）,另外在DNA重组时候也可能发生局部的三链结构，线形染色体的末段的回折也会形成四链结构等。,这种DNA的三级结构在细胞中是天然存在的，确切的生理功能还不十分清楚，有待于进一步研究。,第二节 RNA的结构,RNA的一级结构概念与DNA的一级结构概念相同，不同的是RNA是一种单链分子，分子量也比较小。,RNA的二级结构主要是分子内的局部双链，形成类似A-DNA的二级结构，这种结构有助于保持RNA分子的结构稳定；不能形成双链的区域则形成环状突起。,RNA的二级结构,RNA的二级结构,RNase P的二级结构,tRNA的二级结构,16 S rRNA 和 5S rRNA 的二级结构,不同的RNA分子的三级结构是不同的。,RNA分子的单链、环状结构与双螺旋结构之间的相互作用产生了RNA复杂的三级结构。,另外，在一些复杂的超分子结构中，RNA分子和蛋白质结合，执行一定的生理功能，其中的RNA分子还要与蛋白质分子相互作用，如核糖体、核酶。,核糖体,核糖体的 50S亚基结构,一种核酶,四膜虫中的核酶,目前发现RNA分子的种类

5、和功能都比以前所想象的要丰富的多。, microRNA（miRNA）：小RNA small interfering RNAs (siRNAs)：小干扰RNA， 核酶 催化RNA 反义RNA（antisense RNA）,mRNA tRNA rRNA, tmRNA 核内不均一RNA（heterogeneous nuclear RNA，hnRNA） 核内小RNA （small nuclear RNA, snRNA） 胞浆小RNA (small cytoplasmic RNA, scRN) 主要存在于细胞质内。 snoRNA (snoRNA)：核仁小RNA， 引物RNA 指导RNA （guide RNA，gRNA） 端粒RNA,一、mRNA、tRNA、rRNA,(一) mRNA和hnRNA,1961年，Jacob和Monod首先提出了mRNA的概念。在真核细胞中，基因DNA位于细胞核内，而蛋白质是在细胞质中合成的，因此要有一个中间物将DNA上的遗传信息传递至细胞质中。后来的研究发现证实，这种中间物就是mRNA。,mRNA是细胞内合成蛋白质的模板，但真核细胞和原核细胞的mRNA在组成核特点上有

6、很大不同。,在真核生物中，最初由DNA转录生成的RNA(称为mRNA前体)不能直接作为蛋白质合成的模板，经过加工后才能做模板使用的mRNA称为成熟mRNA，只有成熟的mRNA才被运输到细胞质中指导蛋白质的合成。,在对前体mRNA进行加工的过程中，会产生一系列大小不同的mRNA，这些中间产物称为核内不均一RNA (heterogeneous nuclear RNA, hnRNA)。,原核细胞的mRNA结构,真核细胞的mRNA结构,真核与原核的mRNA差异还体现在：,mRNA的5端的特殊结构帽子结构,mRNA的3端的特殊结构尾巴结构,mRNA刚被转录出来时内含子的有无？,一条mRNA中包含几个开放阅读框(ORF)?,(二) tRNA,1957年由Crick提出假说，认为在蛋白质合成过程中，应该有一种小分子在氨基酸和mRNA模板之间起着接头作用，后来在实验中的确发现。,tRNA分子有100多种，各携带一种氨基酸，将其转运到核糖体中参与蛋白质的合成。tRNA由70120个核苷酸构成，各种tRNA无论在一级结构上，还是在二、三级结构上均有一些共同特点。,tRNA典型的三叶草结构,tRNA的三级结

7、构,tRNA几个特点,携带氨基酸的氨基酸臂3末端 反密码子臂反密码子环 含有较多的稀有密码子 额外环是分类的重要指标 同功tRNA携带同种氨基酸的tRNA 副密码子(第二套遗传密码)决定tRNA携带何种氨基酸的序列特征,(三) 核糖体RNA(rRNA),核糖体RNA (ribosomal RNA)是细胞内含量最多的RNA，约占细胞总RNA的80%以上。核糖体的另外一个主要成分是蛋白质，有几十种，核糖体大亚基中的蛋白称为rpl，在小亚基中的称rps。,核糖体的组成,小核RNA(small nuclear RNA，snRNA)存在于真核细胞的细胞核内，是一类称为小核核蛋白体复合体(snRNP)的组成成分，有U1，U2，U4，U5，U6snRNA等，均为小分子核糖核酸，其功能是在hnRNA成熟转变为mRNA的过程中，参与RNA的剪接，并且在将mRNA从细胞核运到细胞浆的过程中也起着十分重要的作用。,二、其他RNA分子,(一) 核内小RNA和细胞质中的小RNA,核仁小RNA(snoRNA)，它们与rRNA前体的加工有关，包括断裂、甲基化、假尿嘧啶核苷的形成。另一特点是，snoRNA不是由其单独

8、的基因所编码，而是由切除的内含子片段加工而成，有近 200种类型 。,小胞浆RNA (scRNA, small cytosol RNA)又称为7SL RNA，长约300个核苷酸，主要存在于细胞浆中，是蛋白质定位于粗面内质网上所需的信号识别体(signal recognization particle)的组成成分。,(二) 引物RNA 和指导RNA,引物RNA 是指DNA复制时作为聚合酶起始引物而合成的一段RNA。,指导RNA 是指mRNA在转录后的编辑中负责核苷酸插入或删除的RNA分子。,(三) 端粒RNA和核酶RNA,端粒RNA,端粒RNA，是端粒酶的重要组成部分，参与线性染色体的末端复制。端粒酶与细胞的衰老死亡有一定的关系。,核酶, 有催化功能的RNA，20世纪80年代由Cech 和Altman首先发现RNA具有催化功能。自然界存在的核酶既可以催化分子内反应，也可以催化分子间反应。,目前在实验室中也可以通过“分子进化”手段产生“人工核酶”。还产生自然界不存在的“DNA核酶”。,反义RNA（antisense RNA）：对基因表达和细胞功能具有重要的调节功能。反义RNA通过与靶基因序

9、列互补而结合，或直接阻止其功能，或改变靶部位的构象而影响其功能。,(四) 其他种类的RNA分子,microRNA（miRNA）：小RNA small interfering RNAs (siRNAs)：小干扰RNA， 这两类RNA分子都是长度为21-25个核苷酸的RNA分子，可以调节细胞内mRNA的翻译。这种调节是通过降解目标mRNA分子或不降解RNA分子但是减弱或阻止其翻译来进行的。,tmRNA 存在于细菌内，发现于20世纪80年代。tmRNA同时具备信使RNA和转录RNA的功能，它是细菌体内蛋白质合成中起“质量控制”的重要分子之一。,现在认为RNA分子在生物体中的作用主要有以下几种：,（1）在遗传信息的翻译中起着非常重要的作用。有3种RNA分子共同完成：mRNA、tRNA和rRNA。,（2）具有催化功能和其他的持家功能。如发现了许多的具有催化活性的核酶，染色体的结构RNA，噬菌体的装配RNA等。,（3）RNA转录后的加工和修饰要依赖于各类小RNA和其蛋白质复合物。RNA转录后的信息加工过程十分复杂，包括切割、修饰、异构、附加、拼接、编辑和再编辑等等，这些过程一般都需要一些特殊的RNA分子参与。,（4）对基因的表达和细胞功能具有重要的调节功能。如反义RNA、microRNA等。这方面的进展很快，发现了RNA的许多重要的生理功能。,（5）在生物的进化中起重要的作用。“RNA世界”的假说提出对“DNA中心”的观点是一个非常大的冲击。这种学说认为世界上首先出现的大分子是RNA，它同时具有DNA和蛋白质两种分子的功能。后来才慢慢产生了DNA分子和蛋白质分子。,一、核酸分子杂交的基本原理,第三节 核酸分子的杂交,将不同的DNA分子混合在一起，复性时不同DNA分子之间序列相同或相似的部分也可以结合在一起，形成杂种的DNA分子（整体或局部），这种 DNA的复性叫做杂交。,核酸的杂交*,核酸杂交可以发生在DNA与DNA之间、DNA与RNA之间、DNA与RNA之间。,核酸杂交时，两种核酸分子可以都位于液体中(称为液相杂交),也可以有一种被固定在某种介质上，杂交反应仍在液体中进行(称为固相杂交)。,二、核酸杂交的探针及标记,探针(probe)一般是指一段已知序列的核苷

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