核酸的化學(xué)結(jié)構(gòu)PPT學(xué)習(xí)教案

1、會(huì)計(jì)學(xué)1 核酸的化學(xué)結(jié)構(gòu)核酸的化學(xué)結(jié)構(gòu) 核酸發(fā)展史 1869 Miescher從膿細(xì)胞的細(xì)胞核中分離出了一 種含磷酸的有機(jī)物，當(dāng)時(shí)稱為核素（nuclein）,后 稱為核酸（nucleic acid） 1944 Avery 等通過(guò)肺炎球菌轉(zhuǎn)化試驗(yàn)證明DNA是 遺傳物質(zhì) 1953 Watson和Crick提出DNA結(jié)構(gòu)的雙螺旋模型 1958 Crick提出遺傳信息傳遞的中心法則 70年代 建立DNA重組技術(shù) 80年代以后 分子生物學(xué)、分子遺傳學(xué)等學(xué)科突飛 猛進(jìn)發(fā)展，實(shí)施人類基因組計(jì)劃（HGP） 第1頁(yè)/共56頁(yè) 核酸的分類 脫氧核糖核酸（deoxyribonucleic acid, DNA）:遺傳

2、信息的 貯存和攜帶者，生物的主要遺傳物質(zhì)。在真核細(xì)胞中，DNA主 要集中在細(xì)胞核內(nèi)，線粒體和葉綠體中均有各自的DNA。原核 細(xì)胞沒(méi)有明顯的細(xì)胞核結(jié)構(gòu)，DNA存在于稱為類核的結(jié)構(gòu)區(qū)。 每個(gè)原核細(xì)胞只有一個(gè)染色體，每個(gè)染色體含一個(gè)雙鏈環(huán)狀 DNA。 核糖核酸（ribonucleic acid, RNA）：主要參與遺傳信息 的傳遞和表達(dá)過(guò)程，細(xì)胞內(nèi)的RNA主要存在于細(xì)胞質(zhì)中，少量 存在于細(xì)胞核中，病毒中RNA本身就是遺傳信息的儲(chǔ)存者。另 外在植物中還發(fā)現(xiàn)了一類比病毒還小得多的侵染性致病因子稱 為類病毒，它是不含蛋白質(zhì)的游離的RNA分子，還發(fā)現(xiàn)有些 RNA具生物催化作用（ribozyme）。 第2頁(yè)/

3、共56頁(yè) 一、核酸的元素組成 1.組成核酸的基本元素：C、H、O、N、P； 2.其中P 的含量比較穩(wěn)定，占9%-10%，通 過(guò)測(cè)定P 的含量來(lái)推算核酸的含量（定 磷法）。 DNA平均含磷量為9.9%，RNA 為9.4%。 3.任何核酸都含磷酸，所以核酸呈酸性。 第3頁(yè)/共56頁(yè) OR 核糖 第4頁(yè)/共56頁(yè) （一）堿基 主要是嘧啶堿和嘌呤堿。 1、嘧啶堿 嘧啶是含有兩個(gè)相間氮原子的六元 雜環(huán)化合物。核酸中的嘧啶堿有三種：胞嘧 啶、尿嘧啶、胸腺嘧啶。 2、嘌呤堿 嘌呤是嘧啶環(huán)和咪唑環(huán)并合而成的。 核酸中的嘌呤有兩種：腺嘌呤和鳥(niǎo)嘌呤。 此外，核酸中還有一些稀有堿基。 第5頁(yè)/共56頁(yè) 嘌 呤 嘧

4、啶 Adenine (A) Guanine (G) Cytosine (C) Uracil (U) Thymine (T) 第6頁(yè)/共56頁(yè) （二）戊糖 組成核酸的戊糖有兩種。DNA所含的 糖為-D-2-脫氧核糖；RNA所含的糖 則為-D-核糖。 有些RNA中還含有少量的-D-2-甲 基核糖。 第7頁(yè)/共56頁(yè) 第8頁(yè)/共56頁(yè) （三）核苷（ 胞嘧啶核苷尿嘧啶核苷鳥(niǎo)嘌呤核苷腺嘌呤核苷 N N OH HO N N NH2 HO N N OH H2N N N N N N N NH2 O H H OH H OH H HOCH2 HOCH2 O H H OH H OH H O H H OH H OH

5、H HOCH2 O H H OH H OH H HOCH2 1111 9 9 1 1 核苷：核糖或脫氧核糖與嘌呤或嘧啶堿縮合而成 糖與堿基之間的C-N鍵，稱為C-N糖苷鍵（ 糖苷鍵）。 H H HH -CH3 腺嘌呤脫氧核苷 鳥(niǎo)嘌呤脫氧核苷 胞嘧啶脫氧核苷 胸腺嘧啶脫氧核苷 第9頁(yè)/共56頁(yè) 核苷的種類 RNA中的核苷： lA （腺嘌呤核苷） lG （鳥(niǎo)嘌呤核苷） lC （胞嘧啶核苷） lU （尿嘧啶核苷） DNA中的脫氧核苷： ldA（腺嘌呤脫氧核苷） ldG（鳥(niǎo)嘌呤脫氧核苷） ldC（胞嘧啶脫氧核苷） ldT （胸腺嘧啶脫氧核苷） 第10頁(yè)/共56頁(yè) 假尿苷（）二氫尿嘧啶（DHU） Am

6、CH3 CH3H3C m26A H H 5 第11頁(yè)/共56頁(yè) 腺嘌呤核苷酸（ AMP） Adenosine monophosphate 脫氧腺嘌呤核苷酸（dAMP） Deoxyadenosine monophosphate OH 鳥(niǎo)嘌呤核苷酸（GMP） 胞嘧啶核苷酸（CMP） 尿嘧啶核苷酸（UMP） 脫氧鳥(niǎo)嘌呤核苷酸（dGMP） 脫氧胞嘧啶核苷酸（dCMP） 脫氧胸腺嘧啶核苷酸（dTMP） H 核苷酸：核苷中的戊糖羥基被磷酸酯化，形成核苷酸。 磷酸與核苷5位-OH脫水形成磷酸酯鍵 第12頁(yè)/共56頁(yè) 5-NMP 5-NDP 5-NTP N=A、G、C、U 5-dNMP 5-dNDP 5-dN

7、TP N=A、G、C、T AMP Adenosine monophosphate ADP Adenosine diphosphate ATP Adenosine triphosphate 第13頁(yè)/共56頁(yè) l環(huán)腺嘌呤核苷酸 cAMP l cGMP 環(huán)式核苷酸 第14頁(yè)/共56頁(yè) 核苷酸的其他衍生物 第15頁(yè)/共56頁(yè) （一） DNA分子的大小與形狀 天然存在的DNA分子最大的特點(diǎn)是很長(zhǎng)，分子質(zhì)量很 大，一般在106-1010。 （二） DNA的堿基組成 DNA分子中的堿基主要是A、G、C、T四種 堿基組成。 第16頁(yè)/共56頁(yè) DNA的堿基組成特點(diǎn)（Chargaff定律）： 1、同一生物體中

8、，DNA分子中A=T；鳥(niǎo)嘌呤與胞嘧 啶（包括5-甲基胞嘧啶）的摩爾數(shù)相等，即 G=C+m5C;因此A+G=T+C+mC,這個(gè)堿基摩爾比例規(guī)律 稱為DNA堿基當(dāng)量定律。 2、沒(méi)有器官和組織的特異性； 3、具有種的特異性（不對(duì)稱比率A+T/G+C的相近程 度表示種間親緣關(guān)系的遠(yuǎn)近）； 4、年齡、營(yíng)養(yǎng)狀況、環(huán)境的改變不影響DNA的堿基 組成（維持物種的穩(wěn)定性）。 第17頁(yè)/共56頁(yè) 5 3 概念：DNA多核苷酸鏈中脫 氧核苷酸的組成、連接方式 和排列順序。 5 3 第18頁(yè)/共56頁(yè) 5 5 3 3 第19頁(yè)/共56頁(yè) 5 3 結(jié)構(gòu)式 5 3 p p p p OH 3 ACTG 1 線條式 5 PA

9、CTGCATAGCTCGAOH 3 字母式 第20頁(yè)/共56頁(yè) 5 3 5 3 5 3 5 3 磷酸 核 糖 堿基 T-A堿基對(duì) C-G堿基對(duì) （雙螺旋結(jié)構(gòu)模型） 第21頁(yè)/共56頁(yè) （1） 兩條反向平行的多聚核苷酸鏈沿一個(gè) 假設(shè)的中心軸右旋相互盤(pán)繞而形成。 （2）磷酸和脫氧核糖單位作為不變的骨架 組成位于外側(cè)，作為可變成分的堿基位于內(nèi)側(cè) ，鏈間堿基對(duì)形成氫鍵，按AT，GC配對(duì) （堿基配對(duì)原則，Chargaff定律） （3）螺旋直徑2nm，沿螺旋的中心軸形成 大溝和小溝交替出現(xiàn)。 （4）相鄰堿基平面垂直距離0.34nm,螺旋 結(jié)構(gòu)每隔10個(gè)堿基對(duì)（base pair, bp）重復(fù)一 次，間隔為

10、3.4nm。 DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)特征、穩(wěn)定因素及意義 第22頁(yè)/共56頁(yè) 氫鍵 堿基堆集力 磷酸基上負(fù)電荷被胞 內(nèi)組蛋白或正離子中和 堿基處于疏水環(huán)境中 第23頁(yè)/共56頁(yè) 該模型揭示了DNA作為遺傳物質(zhì)的穩(wěn)定 性特征，最有價(jià)值的是確認(rèn)了堿基配對(duì)原則， 這是DNA復(fù)制、轉(zhuǎn)錄和反轉(zhuǎn)錄的分子基礎(chǔ)，亦 是遺傳信息傳遞和表達(dá)的分子基礎(chǔ)。該模型的 提出是本世紀(jì)生命科學(xué)的重大突破之一，它奠 定了生物化學(xué)和分子生物學(xué)乃至整個(gè)生命科學(xué) 飛速發(fā)展的基石。 第24頁(yè)/共56頁(yè) A-DNA Z-DNAB-DNA 第25頁(yè)/共56頁(yè) 在細(xì)胞內(nèi)，由于DNA分子與其它分子（主要 是蛋白質(zhì)）的相互作用，使DNA雙螺旋進(jìn)一步扭

11、 曲形成的高級(jí)結(jié)構(gòu). （一）超螺旋 超螺旋是環(huán)狀或線狀DNA共有 的特征,也是DNA三級(jí)結(jié)構(gòu)的一種普遍形式. （二） 核蛋白體（ 染色體chromosome） 第26頁(yè)/共56頁(yè) 第27頁(yè)/共56頁(yè) 染色質(zhì)的基本結(jié)構(gòu)單位是核小體。 第28頁(yè)/共56頁(yè) 組組蛋蛋白白與與DNA的的結(jié)結(jié)合合 真核生物中DNA雙螺旋沿著組蛋白八聚體核心的 短軸繞1.75圈，形成左手超螺旋，稱核小體 第29頁(yè)/共56頁(yè) 人類46條染色體的 DNA總長(zhǎng)可達(dá)1.7m ，經(jīng)過(guò)螺旋化壓縮 ，實(shí)際總長(zhǎng)只有 200nm 第30頁(yè)/共56頁(yè) （一）溶解性 DNA微溶于，水呈酸性，加堿促進(jìn)溶解，不 溶于有機(jī)溶劑。 （二）黏稠性 DNA

12、分子很長(zhǎng)，形成溶液后呈現(xiàn)黏稠狀。 （三）易脆性 僵直具有剛性 （四） 穩(wěn)定狀態(tài) 抽干水分狀態(tài)穩(wěn)定 （五）兩性電解質(zhì) （六）DNA紫外吸收光譜 （260nm）核酸組成中的嘌呤、 嘧啶堿都具有共軛雙鍵，因此對(duì)紫外光有強(qiáng)烈的吸收。 第31頁(yè)/共56頁(yè) 天然DNA 變性DNA 核苷酸總吸收值 1 2 3 220240260280 0.1 0.2 0.3 0.4 波長(zhǎng)（nm） 光 吸 收 1 2 3 作為核酸及其組份定性和定量測(cè)定的依據(jù)； 以O(shè)D260/OD280進(jìn)行核酸樣品純度的檢驗(yàn)。 第32頁(yè)/共56頁(yè) 第33頁(yè)/共56頁(yè) 變性（加熱） 探針 雜交（緩慢冷卻） 復(fù)性（緩慢冷卻 退火） 變性：在物 理

13、、化學(xué)因素影 響下， DNA堿 基對(duì)間的氫鍵斷 裂，雙螺旋解開(kāi) ，這是一個(gè)躍變 過(guò)程，伴有A260 增加（增色效應(yīng) ）,DNA的功能 喪失。 復(fù)性：在一 定條件下，變性 DNA 單鏈間堿 基重新配對(duì)恢復(fù) 雙螺旋結(jié)構(gòu)，伴 有A260減小（減 色效應(yīng)）,DNA 的功能恢復(fù)。 用于雜交的異源DNA或 RNA序列，其核苷酸序列 是人工特定的、已知的， 經(jīng)放射性標(biāo)記的一條鏈。 第34頁(yè)/共56頁(yè) 加熱 部分雙螺旋解開(kāi) 無(wú)規(guī)則線團(tuán) 鏈內(nèi)堿基配對(duì) 能夠引起核酸變性的因素有： o溫度升高； o酸堿度改變、 pH（11.3或5.0）； o有機(jī)溶劑如甲醛和尿素、甲酰胺等； o低離子強(qiáng)度。 DNA的變性過(guò)程 第35

14、頁(yè)/共56頁(yè) Poly d(A-T)DNAPoly d(G- C) DNA的熱變性發(fā)生在 一個(gè)很窄的溫度范圍內(nèi) ，通常將50%的DNA分 子發(fā)生變性時(shí)的溫度稱 為該DNA的熔解溫度（ 解鏈溫度），用Tm表示 ，一般在70-850C 之間。 Tm的大小與DNA分子 中（G+C）的百分含量 成正相關(guān)，測(cè)定Tm值可 推算核酸堿基組成及判 斷DNA純度。此外與溶 液的性質(zhì)有關(guān). 某些DNA的Tm值 6 0 8 0 10 0 1 .0 1 .4 1 .2 100% A260 t 0C T m T m T m 1 23 1 23 第36頁(yè)/共56頁(yè) 不 同 來(lái) 源 的 DNA單鏈間或單 鏈DNA與RNA之

15、 間只要有堿基配 對(duì)的區(qū)域，在復(fù) 性時(shí)可形成局部 雙螺旋區(qū)，稱核 酸 分 子 雜 交 （ hybridization）. 制備特定的探針 （probe）通過(guò) 雜交技術(shù)可進(jìn)行 基因的檢測(cè)和定 位研究。 （ 八）核酸的分子雜交 第37頁(yè)/共56頁(yè) （一）、 RNA的類型 根據(jù)RNA的功能，可以分 為mRNA、tRNA和rRNA三種。 1、信使RNA（messenger RNA,mRNA ）占細(xì)胞 RNA總量的3%-5%， mRNA是蛋白質(zhì)合成的模板。 2、核糖體RNA（ribosoal RNA，rRNA)占細(xì)胞中 RNA總量的80%左右，是細(xì)胞中核糖體的組成成分， 是蛋白質(zhì)合成的場(chǎng)所。 3、轉(zhuǎn)移R

16、NA（transfor RNA，tRNA ) 占細(xì)胞中RNA 總量的15%，它的功能主要是攜帶活化了的氨基酸， 并將其轉(zhuǎn)運(yùn)到與核糖體結(jié)合的mRNA上用以合成蛋白 質(zhì)。 第38頁(yè)/共56頁(yè) (二) RNA的堿基組成 堿基組成：A、G、C、U （A U/GC）； 稀有堿基較多 多為單鏈結(jié)構(gòu) 分子較小。 假尿嘧啶 第39頁(yè)/共56頁(yè) RNA分子中各核苷酸之間的連 接方式（3-5磷酸二酯鍵）和排 列順序叫做RNA的一級(jí)結(jié)構(gòu)。 第40頁(yè)/共56頁(yè) DNA一級(jí)結(jié)構(gòu) 5 3 OH OH OH 5 3 RNA一級(jí)結(jié)構(gòu) RNA與DNA一級(jí)結(jié)構(gòu)的差異 DNA RNA 糖 脫氧核糖 核糖 堿基 AGCT AGCU

17、不含稀有堿基 含稀有堿基 第41頁(yè)/共56頁(yè) RNA是單鏈分子，因此，在RNA分子中， 并不遵守堿基種類的數(shù)量比例關(guān)系，即分 子中的嘌呤堿基總數(shù)不一定等于嘧啶堿基 的總數(shù)。 RNA分子中，部分區(qū)域也能形成雙螺旋 結(jié)構(gòu)，不能形成雙螺旋的部分，則形成突 環(huán)。這種結(jié)構(gòu)可以形象地稱為“發(fā)夾型” 結(jié)構(gòu)。 第42頁(yè)/共56頁(yè) 在RNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)中，堿基的配 對(duì)情況不象DNA中嚴(yán)格。G 除了可以 和C 配對(duì)外，也可以和U 配對(duì)。G-U 配對(duì)形成的氫鍵較弱。不同類型的 RNA, 其二級(jí)結(jié)構(gòu)有明顯的差異。 tRNA中除了常見(jiàn)的堿基外，還 存在一些稀有堿基，這類堿基大部分 位于突環(huán)部分. 第43頁(yè)/共56頁(yè) 二

18、級(jí)結(jié)構(gòu)特征： 單鏈 三葉草形 四臂四環(huán) 三級(jí)結(jié)構(gòu) 特征： 在二級(jí)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上 進(jìn)一步折疊扭曲形成倒 L型 第44頁(yè)/共56頁(yè) 特征： 單鏈，螺旋化程度較tRNA低 與蛋白質(zhì)組成核糖體后方能發(fā)揮其功能 5SRNA的二級(jí)結(jié)構(gòu) 第45頁(yè)/共56頁(yè) mRNA 分子也是呈單鏈狀態(tài)，大部分有突環(huán)形二級(jí)結(jié)構(gòu)。 （1）原核生物mRNA特征： 先導(dǎo)區(qū)+翻譯區(qū)（多順?lè)醋樱?末端序列 （2）真核生物mRNA特征： “帽子”（m7G-5ppp5-N-3p）+單順?lè)醋?“尾巴 ”（Poly A） 第46頁(yè)/共56頁(yè) 原核細(xì)胞mRNA的結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 5 3 順?lè)?子 順?lè)醋禹樂(lè)醋?插入順序插入順序 先導(dǎo)區(qū)末端順序 1)5 端無(wú)

19、帽狀結(jié)構(gòu) 2)3 端不含 polyA 結(jié)構(gòu) 3) 一般為多順?lè)醋咏Y(jié)構(gòu)，即一個(gè) mRNA 中常含有幾個(gè)蛋白質(zhì)信息，能指導(dǎo)幾 個(gè)蛋白質(zhì)的生物合成， 4)mRNA 代謝很快，代謝半衰期一般以秒計(jì)，很少達(dá)到 10min 以上。 第47頁(yè)/共56頁(yè) AAAAAAA-OH 5 “帽子 ” PolyA 3 順?lè)醋?m7G-5ppp-N-3 p 1)5 端有甲基化的帽， 3 端有 長(zhǎng)約 200 核苷酸的 polyA 尾巴； 2) 一般為單順?lè)醋咏Y(jié)構(gòu)，即一個(gè) mRNA 中 只含有一條多肽鏈信息，能指導(dǎo)一個(gè)蛋白 質(zhì)的生物合成； 3 ） mRNA 代謝很慢，代謝半衰期長(zhǎng)。 第48頁(yè)/共56頁(yè) 5 帽子結(jié)構(gòu)作用： 保

20、護(hù)作用，抗核酸外切酶水解 與蛋白質(zhì)合成起始有關(guān) 維持結(jié)構(gòu)，協(xié)助核糖體與 mRNA 結(jié)合 3 polyA 作用： 保護(hù)作用，抗核酸外切酶水解 與 mRNA 半壽期有關(guān) 與 mRNA 轉(zhuǎn)移有關(guān) 第49頁(yè)/共56頁(yè) 一、人類基因組計(jì)劃簡(jiǎn)介 （Human Genome Project，HGP） 二、DNA芯片技術(shù)簡(jiǎn)介 （DNA chip） 第50頁(yè)/共56頁(yè) 該計(jì)劃是美國(guó)科學(xué)家在1985年率先提出，1990年 正式啟動(dòng)。美、英、德、法、日先后參加了此項(xiàng)工作， 1999年我國(guó)成為 HGP的第六個(gè)成員國(guó)。 HGP旨在闡明人類基因組DNA所具有的3109核苷 酸的序列，發(fā)現(xiàn)所有的人類基因并闡明其在染色體上的 位置，破譯人類的全部遺傳信息，使得人類第一次在分 子水平上全面地認(rèn)識(shí)自我。 到目前為止，已完成了人類基因組的框架圖，測(cè)序 的工作已基本完成。 HGP