核酸的結構、性質與功能,第一章,StructureandFunctionofNucleicacid,1,第一節DNA的結構與功能,一級結構：DNA分子中脫氧單核苷酸的排列順序，又稱堿基序列,*一個1kb的基因，其可能的核苷酸排列順序有41000=10602種，而直徑10億光年的宇宙，基體積不過1084cm3或10108A。(見M.Eigen,Steps-TowardsLife,oxfordUniversitypress,1992),2,3,核苷酸是怎么連接的？核酸是由核苷酸聚合而成的多聚核苷酸（polynucleotide）。相鄰二個核苷酸之間的連接鍵即：3，5磷酸二酯鍵。這種連接可理解為核苷酸糖基上的3位羥基與相鄰5核苷酸的磷酸殘基之間形成的兩個酯鍵。多個核苷酸殘基以這種方式連接而成的鏈式分子就是核酸。無論是DNA還是RNA，其基本結構都是如此，故又稱DNA鏈或RNA鏈。,4,phosphodiesterbonds,5,（一）DNA的一級結構與功能1.DNA一級結構中貯存的生物遺傳信息DNA是雙螺旋的生物大分子。生物信息絕大部分都貯存在DNA分子中。這些信息以核苷酸不同的排列順序編碼在DNA分子上，核苷酸排列順序變了，它的生物學含義也就不同了。DNA的一級結構就是指核苷酸在DNA分子中的排列順序。因此測定DNA的堿基排列順序是分子生物學的基本課題之一。,功能-遺傳信息的載體,6,基因-表現生物學功能調控基因-基因選擇性表達的信息,DNA攜帶兩類遺傳信息,7,二級結構-雙螺旋模型,背景Avery證明DNA為遺傳物質DNA為什么能作為遺傳信息的載體，它是什么樣的結構？,8,（一）DNA的雙螺旋結構及其意義,1、雙螺旋結構模型建立前人所作的貢獻Chargaff研究小組確定堿基組成規律。Franklin和Wilkins等人，發現了DNA晶體的X線衍射圖譜Watson和Crick兩位科學家于1953年提出DNA雙螺旋結構模型,9,JamesWaston,FrancisCrick,RosalindFranklin,MauriceWilkins,1962:NobelPrizeinPhysiologyandMedicine,10,Chargaff研究小組的貢獻,19501953，Chargaff研究小組對DNA的化學組成進行了分析研究，發現：DNA堿基組成有物種差異，且物種親緣關系越遠，差異越大；相同物種，不同組織器官中DNA堿基組成相同，而且不因年齡、環境及營養而改變；,11,DNA分子中四種堿基的摩爾百分比具有一定的規律性，即A=T、G=C、A+G=T+C。這一規律被稱為Chargaff規則。根據該規律、已知DNA分子中某一種堿基的百分數、可以推導其他三種堿基的百分數。,12,13,1953年由Franklin和Wilkins等人完成的研究工作，發現了DNA晶體的X線衍射圖譜中存在兩種周期性反射，并證明DNA是一種螺旋構象。DNA結晶體X衍射圖象，成為“解決生命奧秘的鑰匙”、這張照片表明DNA是一種可用簡單方法來測定的有規則的結構，因為它能結晶。,14,X-raysource,CrystallizedDNA,MauriceWilkins,DNA晶體的X線衍射圖譜中存在兩種周期性反射，并證明DNA是一種螺旋構象。,15,16,Watson和Crick兩位科學家在前人工作基礎上、于1953年提出來DNA雙螺旋結構模型。這個模型至少要下列解決問題：第一、模型要反映出具有攜帶和傳遞遺傳信息的功能；第二，模型能說明DNA自我復制機制；第三，模型能說明引起生物突變的原因；第四，模型必須符合化學規律（堿基規律）,17,1953J.D.Watson和F.H.C.Cric在Nature發表DNA的雙螺旋結構模型。twopolynucleotidechainsaretwistingaroundeachotherintheformofadoublehelix.1963Watson、Crick和Wilkins同獲諾貝爾生理獎/醫學獎,18,B型雙螺旋模型結構要點,1、雙鏈、平行、反向2、雙鏈以氫鍵相連-堿基互補配對原則3、右手螺旋4、維持力-氫鍵堿基堆積力其他,19,思考,DNA雙鏈越長越穩定，還是越短越穩定？DNA在鹽溶液中穩定，還是在水溶液中穩定？,20,B-DNA螺旋：標準的Watson,Crick雙螺旋，92%相對濕度的鈉鹽中的構型A-DNA螺旋：DNA在75%相對濕度的鈉鹽中的構型。C-DNA螺旋：DNA在66%相對濕度的鋰鹽中的構型。Z-DNA螺旋：左手的DNA螺旋，這種螺旋模型可能可能在基因調控中起作用。,3、DNA的類型（DNA二級結構多樣性）,21,不同DNA纖維的空間結構,22,1979年，美國麻省理工學院A.Rich等從d(GCGCGC)d的脫氧6個核苷酸X線衍射結果發現，該片段以左手螺旋存在于結晶中，并提出了左手螺旋的Z-DNA模型。目前已知DNA雙螺旋結構可分為A、B、C、D及Z型等數種，除Z型為左手雙螺旋外，其余均為右手雙螺旋。,左手螺旋DNA,23,24,天然細胞中DNA多為B型構象，且B型構象的DNA活性最高。但是在細胞中也存在其他構象的DNA，且二級結構和高級結構之間存在相互轉化，始終處在一個動力學平衡之中。,25,三鏈結構單鏈DNA與雙鏈DNA分子中堿基發生相互作用、通過雙鏈DNA的大溝的非堿基配對自發形成三鏈結構、含有同聚嘌呤-同聚嘧啶的鏡象序列可形成三螺旋結構(Hoogsteen螺旋)、稱為H-螺旋。該螺旋常處在許多真核細胞基因的表達調節區?？赡芘c基因表達的調節有關.,4、其他類型DNA,26,27,四鏈DNA雙鏈DNA之間相互作用形成四鏈結構、鳥嘌呤可形成堿基四聚體。意義：可能存在于真核細胞染色體的端粒中,28,DNA分子中存在翻轉重復序列、相互配對形成十字架或發夾結構,十字架結構,29,雙鏈回文序列可形成十字架結構,30,（三）DNA的三級結構DNA的三級結構指雙螺旋鏈的扭曲。趨螺旋是DNA三級結構的一種形式，DNA在核小體中的扭曲方式也是一種趨螺旋結構。超螺旋的生物學意義可能是：1.使DNA分子體積變小，對其在細胞的包裝過程有利。（2.21011公里,2.2109公里,100倍）2.影響雙螺旋的解鏈過程,從而影響DNA分子與其它分子(如酶、蛋白質、核酸)之間的相互作用。,31,DNA超螺旋結構,DNA三級結構為超螺旋結構超螺旋按其方向分為正超螺旋和負超螺旋兩種。真核生物中，DNA與組蛋白八聚體形成核小體結構時，存在著負超螺旋。研究發現，所有的DNA超螺旋都是由DNA拓撲異構酶產生的。,32,33,（四）DNA作為遺傳物質的主要優點1.信息量大，可以縮微；2.表面互補，電荷互補，雙螺旋結構說明了精確復制機理；3.核糖的2脫氧，在水溶液中穩定性好；4.可以突變，以求進化（突變對個體是不幸的，進化對群體是有利的）；5.有T無U，基因組得以增大，而無C脫氨基成U帶來的潛在危險。（尿嘧啶DNA糖苷酶可以靈敏識別DNA中的U而隨時將其剔除）。然而，如果DNA是最初的遺傳物質，那么由于DNA復制需要酶，而酶是蛋白質，蛋白質又是由DNA的核苷酸序列編碼的，這就成了一個雞生蛋、蛋生雞的問題。80年代發現RNA擬酶，這個問題才得到解決。,34,RNA作為遺傳物質RNA擬酶集信息傳遞作用和酶學催化作用于一身，很可能是最初的遺傳物質。在這個基礎上，一個RNA世界到RNA蛋白質世界，由RNA蛋白質世界到DNA世界的進化圖景，已被科學界廣泛接受。但RNA作為最初遺傳物質的設想，仍然有許多疑難。其中最大的疑難是RNA本身的起源問題。蛋白質因其缺乏遺傳表面，而且遺傳嗅覺不靈敏，不能作為遺傳物質，早已成為定論。,35,第二節RNA的結構與功能,一級結構通常為單鏈，局部可形成雙鏈結構,核酸是生物體的主要高分子互化合物，它儲存著生物體全部遺傳信息，是基因表達不可缺少的基礎物質。除DNA外，在生物體中還存在著另一類核酸RNA。RNA有許多種，它們具有不同的生物學功能。,36,（一）mRNAmRNA占細胞RNA總量的1%5%，分子量范圍幾百2萬個核苷酸，變化大（RT/PCR）。原核和真核生物mRNA的結構不同。,由間隔區轉錄得到非編碼區廣泛存在于原核生物mRNA中（如RBS）。真核生物mRNA轉錄后加工,戴帽安尾。,37,*順反子（cistron）一段可供偏碼的結構基因,是能夠編碼合成多肽的DNA的最小單位，遺傳的功能單位，由互補互析決定。由結構基因轉錄生成的RNA序列亦稱為順反子。單順反子（monocistron）真核的結構基因（及mRNA）是單順反子，一個蛋白基因為一個轉錄單位。多順反子（polycistron）原核的結構基因（mRNA）是多順反子，多個蛋白基因串在一起為一個轉錄單位。*帽子結構中的核苷酸大多數為7甲基鳥苷（m7G）.在其后面第2和第3個核苷酸的核糖第2位羥基上有時也甲基化。因此通常帽子的結構可見3種類型：帽子0型m7G（5）PPP（5）NP.帽子1型m7G（5）PPP（5）NmpNP.帽子2型m7G（5）PPP（5）NmPNmPNP.,38,（二）tRNAtRNA的結構相當保守，各種物種的tRNA均含有7393個核苷酸，tRNA均有三葉草型的二級結構和L狀的三級結構。一端是CCA結合氨基酸部位，另一端為反密碼子環。tRNA通曉mRNA的核苷酸語言和蛋白質的氨基酸語言（AARS），是蛋白質翻譯的譯員。,39,（三）rRNArRNA與核糖體蛋白共同構成核糖體，后者是蛋白質合成的場所。核糖體的組成,一切生物的遺傳密碼都要在核糖體上翻譯。病毒本身沒有核糖體，其mRNA要靠宿主細胞的核糖體來翻譯。核糖體蛋白如何識別rRNA上的結合位點，如何和rRNA結合，不同核糖體蛋白彼此如何識別，怎樣互相聯結，組裝成為功能性的核糖體，尚在研究之中。目前只知道彼此所處的相對位置，聯結的細節不明。,40,（四）具有催化活性的RNA（核酶，ribozyme）1.1981年，Cech等人研究四膜蟲（能自我拼接rRNA）時發現核酶。2.分類（1）異體催化的剪切型（如RNaseP一種核酸內切酶）。（2）自體催化的剪切型（如植物類病毒）。（3）內含子的自我剪切型（如四膜蟲大核26SrRNA前體）。3.生理功用絕大部分核酶參入RNA的加工和成熟。4.反應機理RNA為什么能成為催化中心？催化中心無非是提供一個表面，讓參加反應的基團靠近并形成固定不變的空間關系，蛋白質以其側鏈基團的多樣性構成現代生物細胞中絕大部分的酶。然而，RNA分子能夠以其分子的空間構型產生鍵的斷裂和生成所必須的環境。催化RNA（R）和底物RNA（S）之間的堿基配對可能是產生這種環境的主要因素。,41,5.現實意義（1）對研究生命起源和進化有意義先有DNA還是還先有RNA抑或是蛋白質？雞生蛋，蛋生雞？上個世紀80年代已“定論”，很可能在原始生命中，RNA催化的斷裂連接反應是最早出現的催化的過程?？茖W家推測在生命早期存在一個RNAworld。進化中RNA的催化功能交給了蛋白質，而遺傳性息載體的功能交給了DNA。（2）對傳統酶學提出挑戰蛋白酶取代核酶，絕大部分酶的化學本質是蛋白質（側鏈基團多樣性，核酸無側鏈）。（3）抗病毒核酸，抗腫瘤核酸，基因治療中的應用前景。,42,第六節病毒核酸,按照細胞的特征(自我裝配、自我調節、自我復制)病毒既不是真核細胞，也不是原核細胞，它只是具有部分生命特征的感染物。是一類亞顯微專屬性的細胞內寄生物。,一、病毒的基本概念：,43,病毒必須依賴宿主細胞進行繁殖，它在細胞中復制和裝配是靠細胞的代謝活動來完成的。在細胞內組裝成熟后釋放到細胞外，感染其它細胞。,病毒概念的限定：,病毒粒子由蛋白質外殼與內部核酸構成；病毒粒子是由預先形成的組分裝配而成的；病毒自身不具備能量代謝的遺傳信息；病毒自身不具備物質代謝的遺傳信息。,病毒外殼蛋白質的作用：一是保護核酸，防止被核酸酶破壞；二是識別宿主細胞，幫助病毒感染細胞。,44,根據病毒所含核酸的性質和狀態不同分六類：雙鏈DNAmRNA蛋白質單鏈DNADNAmRNA蛋白質雙鏈RNAmRNA蛋白質單鏈RNARNAmRNA蛋白質單鏈RNAmRNA蛋白質單鏈RNADNADNAmRNA蛋白質,病毒的分類：根據寄生的宿主不同分三類：動物病毒、植物病毒、細菌病毒（噬菌體）。,45,無外殼蛋白，僅有傳染性的環狀RNA分子稱為類病毒(viroid)。類病毒主要在植物中引起一些疾病。,無基因組，而僅由蛋白質組成的傳染因子稱為朊病毒(prions)。也稱侵染性蛋白質或蛋白質感染因子。如瘋牛病、腦軟化病、人紋狀體脊髓變性病的感染因子。,兩類特殊的病毒：,46,病毒核酸分子大小差別很大，一般在1030nm之間，3kb300kb不等。,二、病毒核酸的一般特征,病毒核酸存在形式多樣：如單鏈RNA，雙鏈RNA，單鏈DNA，雙鏈DNA。,病毒核酸形狀有線狀和環狀兩種。,47,病毒基因組具有操縱子結構,。,噬菌體基因組中無內含子，但動物病毒的基因組中具有內含子。,病毒基因組織有重疊基因的存在。,病毒核酸分正、負鏈：正鏈病毒（能起mRNA作用）負鏈病毒（互補鏈作為mRNA）,48,三、DNA病毒的核酸結構,線形雙鏈DNA病毒的