《核酸化學(xué) 》ppt課件

1、第四章第四章 核酸的化學(xué)核酸的化學(xué)核酸的概念和重要性核酸的概念和重要性核酸的組成成分核酸的組成成分DNA的構(gòu)造的構(gòu)造DNA和基因組和基因組RNA的構(gòu)造和功能的構(gòu)造和功能核酸的性質(zhì)核酸的性質(zhì)核酸的序列測(cè)定核酸的序列測(cè)定核酸的生物學(xué)功能和實(shí)際意義核酸的生物學(xué)功能和實(shí)際意義一、核酸的概念和重要性一、核酸的概念和重要性1869年Miescher從細(xì)胞核中分別出核素nuclein。1889年Altman制備了核酸nucleic acid。193040年，Kossel & Levene等確定核酸的的組分：核酸脫氧核糖核酸deoxyribonucleic acid，DNA核糖核酸ribonuclei

2、c acid，RNA“四核苷酸假說(shuō)：核酸由四種核苷酸組成的單體構(gòu)成的，缺乏構(gòu)造方面的多樣性。20世紀(jì)40年代末，Avery 的“肺炎雙球菌轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)證明DNA是有機(jī)體的遺傳物質(zhì)：DNA無(wú)莢膜，不致病溫育有莢膜，致病傳代傳代有莢膜，致病有莢膜，致病有莢膜，致病除少數(shù)病毒RNA病毒以RNA作為遺傳物質(zhì)外，多數(shù)有機(jī)體的遺傳物質(zhì)是DNA。不同有機(jī)體遺傳物質(zhì)信息分子的構(gòu)造差別，使得其所含蛋白質(zhì)表現(xiàn)分子的種類和數(shù)量有所差別，有機(jī)體表現(xiàn)出不同的形狀構(gòu)造和代謝類型。RNA的主要作用是從DNA轉(zhuǎn)錄遺傳信息，并指點(diǎn)蛋白質(zhì)的合成。二、核酸的組成成分二、核酸的組成成分核酸 nucleic acid核苷酸 nucleot

3、ide核苷 nucleoside磷酸 phosphate嘌呤堿 purine base 或 嘧啶堿 pyrimidine base堿基 base核糖 ribose 或 脫氧核糖 deoxyribose 戊糖 amyl sugar一核糖和脫氧核糖一核糖和脫氧核糖OHOH2COHOHOH12OHOH2COHOH12-D-2-核糖-D-2-脫氧核糖O核糖 + H +糠醛甲基間苯二酚FeCl3綠色產(chǎn)物綠色產(chǎn)物脫氧核糖 + H+ -羥基-酮戊醛二苯胺藍(lán)色產(chǎn)物藍(lán)色產(chǎn)物RNA和和DNA定性、定量測(cè)定定性、定量測(cè)定二嘌呤堿和嘧啶堿二嘌呤堿和嘧啶堿NNNNHHHHNNNNHHHH123 456789嘌呤NH2腺

4、嘌呤 adenineANNNNHHHHOH2N鳥嘌呤 guanineGNNHHHH嘧啶123456NNHHHHNH2OH胞嘧啶 CytosineCNNHHHHOOHH尿嘧啶 uracilUNNHHHHOOHHCH3胸腺嘧啶 thymineTNNOOHHH酮式HNNOOHHH酮式HHH烯醇式三核苷三核苷OHOH2COHOHOH12345核 糖NNNNHHHH9腺嘌呤胸 苷OHOH2COHOHOH12345核 糖OHOH2COHOH12345核 糖NNOOHHH尿嘧啶H1尿苷NCOONHHH51OH假尿苷四核苷酸四核苷酸O-O胸苷-5-磷酸AMPOADPATPOOHOH2COHOHOH12345核

5、 糖NNNNHHHH9腺嘌呤胸 苷PP O- -OP O-OO各種核苷三磷酸和脫氧核苷三磷酸是體內(nèi)合成RNA和DNA合成的直接原料。在體內(nèi)能量代謝中的作用：在體內(nèi)能量代謝中的作用：ATP能量“貨幣UTP參與糖的相互轉(zhuǎn)化與合成CTP參與磷脂的合成GTP參與蛋白質(zhì)和嘌呤的合成第二信使第二信使cAMPOHO-O OCH2 TO=PO-35OHOHO-O OCH2 GO=PO-35OHO OCH2OHOH AO=POO-35351PPPOHATGpGpTpAOHpG-T-ApGTA三、三、DNA的構(gòu)造的構(gòu)造一一DNA的一級(jí)構(gòu)造的一級(jí)構(gòu)造由于DNA的脫氧核苷酸只在它們所攜帶的堿基上有區(qū)別，所以脫氧核苷酸

6、的序列常被以為是堿基序列base sequence)。通常堿基序列由DNA鏈的53方向?qū)?。DNA中有4種類型的核苷酸，有n個(gè)核苷酸組成的DNA鏈中能夠有的不同序列總數(shù)為4n。二二DNA的雙螺旋構(gòu)造的雙螺旋構(gòu)造1953年，Watson 和Crick 提出。1. 雙螺旋構(gòu)造的主要根據(jù)雙螺旋構(gòu)造的主要根據(jù)1Wilkins和Franklin發(fā)現(xiàn)不同來(lái)源的DNA纖維具有類似的X射線衍射圖譜。2Chargaff發(fā)現(xiàn)DNA中A與T、C與G的數(shù)目相等。后Pauling 和Corey發(fā)現(xiàn)A與T生成2個(gè)氫鍵、C與G生成3個(gè)氫鍵。3電位滴定證明，嘌呤與嘧啶的可解離基團(tuán)由氫鍵銜接。2. 雙螺旋構(gòu)造模型要點(diǎn)雙螺旋構(gòu)造模

7、型要點(diǎn)1兩條多核苷酸鏈反向平行。2堿基內(nèi)側(cè)，A與T、G與C配對(duì)，分別構(gòu)成3和2個(gè)氫鍵。3雙螺旋每轉(zhuǎn)一周有10個(gè)bp，螺距3.4nm，直徑2nm。3. 雙螺旋構(gòu)造的穩(wěn)定要素雙螺旋構(gòu)造的穩(wěn)定要素1氫鍵太弱；2堿基堆積力base stacking force，由芳香族堿基電子間的相互作用引起的，能構(gòu)成疏水中心，是穩(wěn)定DNA最重要的要素；3離子鍵減少雙鏈間的靜電斥力。4. DNA雙螺旋的構(gòu)象類型雙螺旋的構(gòu)象類型B-DNA：92%相對(duì)濕度，接近細(xì)胞內(nèi)的相對(duì)濕度，接近細(xì)胞內(nèi)的DNA構(gòu)象，與構(gòu)象，與Watson 和和Crick提出的模型類似。提出的模型類似。A-DNA：75%相對(duì)濕度，與溶液中相對(duì)濕度，與溶

8、液中DNA-RNA雜交分子的構(gòu)雜交分子的構(gòu)象類似，推測(cè)轉(zhuǎn)錄時(shí)發(fā)生象類似，推測(cè)轉(zhuǎn)錄時(shí)發(fā)生BA。其堿基平面傾斜。其堿基平面傾斜20，螺距，螺距與每一轉(zhuǎn)堿基對(duì)數(shù)目都有變化。與每一轉(zhuǎn)堿基對(duì)數(shù)目都有變化。Z-DNA：主鏈呈鋸齒型左向環(huán)繞，直徑約：主鏈呈鋸齒型左向環(huán)繞，直徑約1.8nm，螺距，螺距4.5nm，每一轉(zhuǎn)含，每一轉(zhuǎn)含12個(gè)個(gè)bp，只需小溝。，只需小溝。B-DNA與與Z-DNA的相的相互轉(zhuǎn)換能夠和基因的調(diào)控有關(guān)?；マD(zhuǎn)換能夠和基因的調(diào)控有關(guān)。C-DNA：4446%相對(duì)濕度，螺距相對(duì)濕度，螺距3.09nm，每轉(zhuǎn)螺旋，每轉(zhuǎn)螺旋9.33個(gè)個(gè)堿基對(duì)，堿基對(duì)傾斜堿基對(duì)，堿基對(duì)傾斜6。能夠是特定條件下。能夠是特

9、定條件下B-DNA和和A-DNA的轉(zhuǎn)化中間物。的轉(zhuǎn)化中間物。D-DNA：60%相對(duì)濕度，相對(duì)濕度，DNA中中A、T序列交替的區(qū)域。每個(gè)序列交替的區(qū)域。每個(gè)螺旋含螺旋含8個(gè)個(gè)bp，螺距，螺距2.43nm，堿基平面傾斜，堿基平面傾斜16。三三DNA的三級(jí)構(gòu)造的三級(jí)構(gòu)造線形分子、雙鏈環(huán)狀(dcDNA)超螺旋、染色體包裝染色體包裝染色體包裝的構(gòu)造模型多級(jí)螺旋模型多級(jí)螺旋模型緊縮倍數(shù)緊縮倍數(shù) 7 6 40 5 8400 DNA 核小體核小體 螺線管螺線管 超螺線管超螺線管 染色單體染色單體 2nm 10nm 30(10)nm 400nm 210m 一級(jí)包裝一級(jí)包裝 二級(jí)包裝二級(jí)包裝 三級(jí)包裝三級(jí)包裝 四

10、級(jí)包裝四級(jí)包裝 四、四、DNA與基因組織與基因組織DNATranscription RNAmRNA、tRNA、rRNATranslationProtein基因基因基因是基因是DNA片段的核苷酸序列，片段的核苷酸序列，DNA分子中最小的功分子中最小的功能單位。能單位。構(gòu)造基因調(diào)理基因基因組基因組一一DNA與基因與基因二原核生物基因組的特點(diǎn)二原核生物基因組的特點(diǎn)1. DNA大部分為構(gòu)造基因，每個(gè)基因出現(xiàn)頻率低。2. 功能相關(guān)基因串聯(lián)在一同，并轉(zhuǎn)錄在同一mRNA中多順反子。3.有基因重疊景象。ABCDEFG三真核生物基因組的特點(diǎn)三真核生物基因組的特點(diǎn)1. 反復(fù)序列單拷貝序列：在整個(gè)DNA中只出現(xiàn)一次

11、或少數(shù)幾次，主要為編碼蛋白質(zhì)的構(gòu)造基因。中度反復(fù)序列 ：在DNA中可反復(fù)幾十次到幾千次。高度反復(fù)序列 ：可反復(fù)幾百萬(wàn)次高度反復(fù)序列普通富含A-T或G-C，富含A-T的在密度梯度離心時(shí)在離心管中構(gòu)成的區(qū)帶比主體DNA更接近管口；富含G-C的更接近管底，稱為衛(wèi)星DNAsatellite DNA富含A-T富含G-C主體DNA2. 有斷裂基因mRNA1 872bp內(nèi)含子內(nèi)含子intron)：基因中不為多肽編碼，不在：基因中不為多肽編碼，不在mRNA中出現(xiàn)。中出現(xiàn)。ABCDEG7 700bpF外顯子外顯子exons：為多肽編碼的基因片段。：為多肽編碼的基因片段。：由于基因中內(nèi)含子的存在。例外：組蛋白基因

12、例外：組蛋白基因(histongene)和干擾素基因和干擾素基因(interferon gene)沒有內(nèi)含子。沒有內(nèi)含子。transcription五、五、RNA的構(gòu)造與功能的構(gòu)造與功能RNA分子是含短的不完全的螺旋區(qū)的多核苷酸鏈。一一tRNAtRNA約占RNA總量的15%，主要作用是轉(zhuǎn)運(yùn)氨基酸用于合成蛋白質(zhì)。tRNA分子量為4S，1965年Holley 測(cè)定AlatRNA一級(jí)構(gòu)造，提出三葉草二級(jí)構(gòu)造模型。主要特征：主要特征：1.四臂四環(huán)；四臂四環(huán)；2.氨基酸臂氨基酸臂3端有端有CCAOH的共的共有構(gòu)造；有構(gòu)造；3.D環(huán)上有二氫尿嘧啶環(huán)上有二氫尿嘧啶D；4.反密碼環(huán)上的反密碼環(huán)上的反密碼子與反

13、密碼子與mRNA相互作用；相互作用；5.可變環(huán)上的核苷酸數(shù)目可可變環(huán)上的核苷酸數(shù)目可以變動(dòng)；以變動(dòng)；6.TC環(huán)含有環(huán)含有T和和；7.含有修飾堿基和不變核含有修飾堿基和不變核苷酸。苷酸。二二rRNA占細(xì)胞RNA總量的80%，與蛋白質(zhì)40%共同組成核糖體。原原 核核 生生 物物 真 核 生 物核糖體rRNA核糖體rRNA70S30S、50S16S、5S、23S80S40S、60S18S、5S、5.8S、28S 三三mRNA與與hnRNAmRNA約占細(xì)胞約占細(xì)胞RNA總量的總量的35%，是蛋白質(zhì)合成的模板。，是蛋白質(zhì)合成的模板。真核生物mRNA的前體在核內(nèi)合成，包括整個(gè)基因的內(nèi)含子和外顯子的轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物

14、，構(gòu)成分子大小極不均勻的hnRNA。四四snRNA和和asRNAsnRNA主要存于細(xì)胞核中，占細(xì)胞RNA總量的0.11%，與蛋白質(zhì)以RNP核糖核酸蛋白的方式存在，在hnRNA和rRNA的加工、細(xì)胞分裂和分化、協(xié)助細(xì)胞內(nèi)物質(zhì)運(yùn)輸、構(gòu)成染色質(zhì)等方面有重要作用。asRNA可經(jīng)過(guò)互補(bǔ)序列與特定的mRNA結(jié)合，抑制mRNA的翻譯，還可抑制DNA的復(fù)制和轉(zhuǎn)錄。五五RNA的其它功能的其它功能1981年，Cech發(fā)現(xiàn)RNA的催化活性，提出核酸ribozyme。大部分核酶參與RNA的加工和成熟，也有催化C-N鍵的合成。23SrRNA具肽酰轉(zhuǎn)移酶活性。RNA在DNA復(fù)制、轉(zhuǎn)錄、翻譯中均有一定的調(diào)控作用，與某寫物質(zhì)

15、的運(yùn)輸與定位有關(guān)。六、核酸的性質(zhì)六、核酸的性質(zhì)一普通理化性質(zhì)一普通理化性質(zhì)1.為兩性電解質(zhì)，通常表現(xiàn)為酸性。2.DNA為白色纖維狀固體，RNA為白色粉末，不溶于有機(jī)溶劑。3.DNA溶液的粘度極高，而RNA溶液要小得多。4.RNA能在室溫條件下被稀堿水解而DNA對(duì)堿穩(wěn)定。5.利用核糖和脫氧核糖不同的顯色反響鑒定DNA與RNA。二核酸的紫外吸收性質(zhì)二核酸的紫外吸收性質(zhì)核酸的堿基具有共扼雙鍵，因此有紫外吸收性質(zhì)，吸收核酸的堿基具有共扼雙鍵，因此有紫外吸收性質(zhì)，吸收峰在峰在260nm蛋白質(zhì)的紫外吸收峰在蛋白質(zhì)的紫外吸收峰在280nm。核酸的光吸收值比各核苷酸光吸收值的和少3040%，當(dāng)核酸變性或降解光

16、陰吸收值顯著添加增色效應(yīng)，但核酸復(fù)性后，光吸收值又回復(fù)到原有程度減色效應(yīng)。00.10.20.30.4220240260280300波長(zhǎng) / nm光吸收三核酸構(gòu)造的穩(wěn)定性三核酸構(gòu)造的穩(wěn)定性1.堿基對(duì)間的氫鍵；2.堿基堆積力；3.環(huán)境中的正離子。四核酸的的變性四核酸的的變性 ：雙螺旋區(qū)氫鍵斷裂，空間構(gòu)造破壞，構(gòu)成單鏈無(wú)規(guī)線團(tuán)狀，只涉及次級(jí)鍵的破壞。DNA變性是個(gè)突變過(guò)程，類似結(jié)晶的熔解。將紫外吸收的添加量到達(dá)最大增量一半時(shí)的溫度稱熔解溫度(melting temperature, Tm)。7075808590T /A /260nmTmTm影響Tm的要素：1G-C的相對(duì)含量 G+C% =Tm 69.

17、3 2.442介質(zhì)離子強(qiáng)度低，Tm低。3高pH下堿基廣泛去質(zhì)子而喪失構(gòu)成氫鍵的才干。4變性劑如甲酰胺、尿素、甲醛等破壞氫鍵，妨礙堿基堆積，使Tm下降。五核酸的復(fù)性退火五核酸的復(fù)性退火：變性核酸的互補(bǔ)鏈在適當(dāng)條件下重新締合成雙螺旋的過(guò)程。影響復(fù)性速度的要素：1單鏈片段濃度2單鏈片段的大小3片段內(nèi)反復(fù)序列的多少4溶液離子強(qiáng)度的大小5溶液溫度的高低 T 25六分子雜交六分子雜交 ：在退火條件下，不同來(lái)源的DNA互補(bǔ)區(qū)構(gòu)成氫鍵，或DNA單鏈和RNA鏈的互補(bǔ)區(qū)構(gòu)成DNA-RNA雜合雙鏈的過(guò)程。探針：用放射性同位素或熒光標(biāo)志的探針：用放射性同位素或熒光標(biāo)志的DNA或或RNA片段。片段。原位雜交技術(shù)：直接用

18、探針與菌落或組織細(xì)胞中的核酸原位雜交技術(shù)：直接用探針與菌落或組織細(xì)胞中的核酸雜交，未改動(dòng)核酸所在的位置。雜交，未改動(dòng)核酸所在的位置。點(diǎn)雜交：將核酸直接點(diǎn)在膜上，再與核酸雜交。點(diǎn)雜交：將核酸直接點(diǎn)在膜上，再與核酸雜交。Southern印跡法：將電泳分別后的印跡法：將電泳分別后的DNA片段從凝膠轉(zhuǎn)移到片段從凝膠轉(zhuǎn)移到硝酸纖維素膜上，再進(jìn)展雜交。硝酸纖維素膜上，再進(jìn)展雜交。Northern印跡法：將電泳分別后的印跡法：將電泳分別后的RNA吸印到纖維素膜上吸印到纖維素膜上再進(jìn)展分子雜交。再進(jìn)展分子雜交。七、核酸的序列測(cè)定七、核酸的序列測(cè)定目前多采用Sanger的酶法和Gilbert的化學(xué)法OHOH2C

19、HHOH12345核 糖NNNNHHHH9腺嘌呤ddATPPP P八、核酸的生物學(xué)功能和實(shí)際意義八、核酸的生物學(xué)功能和實(shí)際意義核酸是根本遺傳物質(zhì)，在蛋白質(zhì)的生物合成上又占有重要位置，因此在個(gè)體的生長(zhǎng)、生殖、遺傳、變異和轉(zhuǎn)化等一系列生命景象中起決議性作用。一核酸與遺傳信息的傳送一核酸與遺傳信息的傳送DNA是根本遺傳物質(zhì) 有了一定構(gòu)造的DNA，才干產(chǎn)生一定構(gòu)造的蛋白質(zhì)，由一定構(gòu)造的蛋白質(zhì)才有一定形狀和生理特征，所以根據(jù)DNA的特定遺傳密碼產(chǎn)生的蛋白質(zhì)就代表特定生物的遺傳性。在遺傳過(guò)程中DNA的詳細(xì)作用：1在細(xì)胞分裂時(shí)按照本人的構(gòu)造準(zhǔn)確復(fù)制傳給后代；2作為模板將所貯遺傳信息傳給mRNA。RNA在傳送

20、遺傳信息上的作用 mRNA是蛋白質(zhì)合成的模板；tRNA識(shí)別mRNA上的遺傳密碼，轉(zhuǎn)運(yùn)特定氨基酸到核糖體上合成肽鏈；rRNA是核糖體的主要成分，是翻譯任務(wù)的場(chǎng)所。二核酸與蛋白質(zhì)的生物合成二核酸與蛋白質(zhì)的生物合成DNA轉(zhuǎn)錄為mRNA是有選擇的，tRNA和rRNA也是DNA的轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物。三核酸構(gòu)造改動(dòng)與生物變異三核酸構(gòu)造改動(dòng)與生物變異一切生物的變異和進(jìn)化都可以說(shuō)是由于DNA的構(gòu)造改動(dòng)而引起蛋白質(zhì)改動(dòng)的結(jié)果。生物遺傳的變異來(lái)源于DNA堿基配對(duì)的改動(dòng)，有的由于DNA堿基的顛倒如TA被顛倒為AT或被互換如GC被換為TA；有的由于在DNA復(fù)制過(guò)程中被脫漏了一對(duì)或多了一對(duì)核苷酸，或者在轉(zhuǎn)譯時(shí)發(fā)生了差誤，如氨酰t

21、RNA合成酶錯(cuò)將一個(gè)構(gòu)造與正常氨基酸非常類似的物質(zhì)交給tRNA。還有一些生物的遺傳性狀發(fā)生了突變。四四DNA與細(xì)菌轉(zhuǎn)化與細(xì)菌轉(zhuǎn)化一種細(xì)菌的遺傳性狀因吸收了另一種細(xì)菌的DNA而發(fā)生改動(dòng)的景象，稱為細(xì)菌的轉(zhuǎn)化。五核酸與病變五核酸與病變遺傳性疾病是由于遺傳缺陷而產(chǎn)生的，也就是DNA構(gòu)造改動(dòng)的結(jié)果。鐮刀型紅細(xì)胞貧血和白化病(albinism)。病毒對(duì)活細(xì)胞的侵染是寄主發(fā)生疾病，主要是由于核酸的的作用。流感、肝炎、帶狀皰疹、脊髓灰質(zhì)炎、白血病、煙草斑紋病。六遺傳工程六遺傳工程遺傳工程是用人工方法改組DNA，從而培育新型生物種類的技術(shù)。實(shí)驗(yàn)室中將細(xì)菌作資料研討遺傳工程過(guò)程可分為：1重組DNA分子基因重組；2將重組DNA引入受體細(xì)胞轉(zhuǎn)化或轉(zhuǎn)導(dǎo)。有利：有利：1有能夠培育出高產(chǎn)抗病、耐旱、耐寒、耐鹽堿有能夠培育出高產(chǎn)抗病、耐旱、耐寒、耐鹽堿的優(yōu)良性能的動(dòng)植物新種類；的優(yōu)良性能的動(dòng)植物新種類；2改良微生物種類使產(chǎn)生改良微生物種類使產(chǎn)生人工難以制得的生物活性物質(zhì)如胰島素、干擾素等；人工難以制得的生物活性物質(zhì)如胰島素、干擾素等；3處理某些疾病病因和控制這些疾病。處理某些疾病病因和控制這些疾病。不利：引起某些疾病的廣泛流行和使某些細(xì)菌失去對(duì)抗菌素不利：引起某些疾病的廣泛流行和使某些細(xì)菌失去對(duì)抗菌素的敏感性，或者使某些酶或激素失去應(yīng)有的生物活性等。的敏感性，或者使某些酶或