生物化學(xué)課件6核酸PPT學(xué)習(xí)教案

1、會(huì)計(jì)學(xué)1生物化學(xué)課件生物化學(xué)課件6核酸核酸 概述 核酸的一級(jí)結(jié)構(gòu)與序列分析 DNA的高級(jí)結(jié)構(gòu) DNA遺傳物質(zhì) DNA的性質(zhì)主要內(nèi)容第1頁(yè)/共96頁(yè)核酸是以核苷酸為基本組成單位的生物大分子，在生物體內(nèi)負(fù)責(zé)生命信息的儲(chǔ)存和傳遞。分類：按其所含戊糖不同分為DNA和RNA。重要性：DNA是主要遺傳物質(zhì)，負(fù)責(zé)遺傳信息的貯存和發(fā)布。 RNA的功能多樣性，參與遺傳信息的表達(dá)。1. 核酸的概念及研究進(jìn)展第2頁(yè)/共96頁(yè)核酸研究史上的大事件 1868年，瑞士青年科學(xué)家 F.Miescher 從外科繃帶上膿細(xì)胞的細(xì)胞核中分離得到一種含磷較高的酸性物質(zhì)，稱之為核素（nuclein）。 1889年, Altmann

2、將其純化，把不含蛋白質(zhì)的物質(zhì)稱為核酸第3頁(yè)/共96頁(yè)核酸研究史上的大事件1943年 E .Chargaff 的工作推理出堿基配對(duì)的理論1944年 Avery等肺炎球菌轉(zhuǎn)化試驗(yàn)證明DNA是遺傳物質(zhì) 1953年 Watson-Crick 建立了DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)模型1958年 Crick 提出遺傳信息傳遞的中心法則1968年 M.W.Niberg 發(fā)現(xiàn)遺傳密碼 1975年 H.M.Temin 和 D.Baltimore 發(fā)現(xiàn)反轉(zhuǎn)錄酶 1981年 W.Gilbert 和 F.Sanger 建立 DNA測(cè)序方法 1985年 PCR技術(shù)的發(fā)明 1990年 美國(guó)啟動(dòng)人類基因組計(jì)劃( HGP ) 1994年

3、 中國(guó)人類基因組計(jì)劃啟動(dòng) 2001年 美、英等國(guó)完成人類基因組計(jì)劃基本框架第4頁(yè)/共96頁(yè)DNA：-D-2-脫氧核糖 A、G、C、TRNA：-D-核糖 A、G、C、U 核 酸（RNA、DNA）核苷酸磷酸核苷戊糖堿基核糖（RNA）脫氧核糖（DNA）嘌呤嘧啶腺嘌呤 鳥(niǎo)嘌呤 胞嘧啶 胸腺嘧啶 尿嘧啶 第5頁(yè)/共96頁(yè)戊 糖OHHOHHOHOHHHOCH2HOCH2OHHOHHHOHHD-核糖D-2-脫氧核糖DNA含脫氧核糖RNA含核糖第6頁(yè)/共96頁(yè)NNH132456 嘧 啶(pyrimidine)胞嘧啶(cytosine, C)NNHNH2O尿嘧啶(uracil, U)NHNHOO胸腺嘧啶(thy

4、mine, T)NHNHOOCH3第7頁(yè)/共96頁(yè)嘌 呤(purine)NNNHN123456789NNNHNNH2腺嘌呤(adenine, A)NNHNHNNH2O鳥(niǎo)嘌呤(guanine, G)第8頁(yè)/共96頁(yè) 核酸中除了5類基本的堿基外，還有一些含量甚少的堿基，稱為稀有堿基。組成核酸的稀有堿基：Im5Chm5CDHUNNNNONNNH2OCH3次黃嘌呤5-甲基胞嘧啶5-羥甲基胞嘧啶二氫尿嘧啶 第9頁(yè)/共96頁(yè)正常生理?xiàng)l件下，主要以酮式結(jié)構(gòu)形式存在。第10頁(yè)/共96頁(yè)核 苷 (ribonucleoside)堿基和核糖（脫氧核糖）通過(guò)糖苷鍵連接形成核苷（脫氧核苷）;糖環(huán)上的第 1位C原子與嘌呤

5、第9位N原子或嘧啶第1位N原子相連，堿基平面與戊糖平面互相垂直。OHOCH2OHOHNNNH2O11第11頁(yè)/共96頁(yè)胞嘧啶核苷尿嘧啶核苷鳥(niǎo)嘌呤核苷腺嘌呤核苷NNOHHONNNH2HONNOHH2NNNNNNNNH2OHHOHHOHHHOCH2HOCH2OHHOHHOHHOHHOHHOHHHOCH2OHHOHHOHHHOCH2第12頁(yè)/共96頁(yè)嘧啶核甘中嘧啶堿基對(duì)核糖的取向只有反式構(gòu)象嘌呤核甘中嘌呤堿基對(duì)核糖的取向有順式和反式兩種構(gòu)象第13頁(yè)/共96頁(yè)核苷酸 (ribonucleotide)POOOHOHOCH2OHOHNNNH2O第14頁(yè)/共96頁(yè)核糖核苷的糖環(huán)上有三個(gè)（5、3、2）游離的羥

6、基，可以形成三種核苷酸；脫氧核糖核苷酸有兩個(gè)（5、3）游離羥基，形成兩種核苷酸。但天然的只發(fā)現(xiàn)5連接磷酸的核苷酸， 5 -核苷酸是核酸的基本單位。OBOH OHOH2CPOHHOOB=腺嘌呤，鳥(niǎo)嘌呤，胞嘧啶，尿嘧啶或胸腺密啶核糖核苷酸 OH2CPOHHOOOBOH脫氧核糖核苷酸第15頁(yè)/共96頁(yè)核苷酸：AMP、GMP、UMP、CMP脫氧核苷酸：dAMP、dGMP、dTMP、dCMP 第16頁(yè)/共96頁(yè) ADPAMPATPNNNCHCCHNCOPOOPPOOOHHHOHOHHCCHOHOOHOHOHOCH2NH212354第17頁(yè)/共96頁(yè)第18頁(yè)/共96頁(yè)第19頁(yè)/共96頁(yè)核酸的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)第20

7、頁(yè)/共96頁(yè)3, 5 磷酸二酯鍵第21頁(yè)/共96頁(yè)自由的 5 磷酸基團(tuán)自由的3 OH第22頁(yè)/共96頁(yè)A G P5 P T PG PC PT P OH 3 5 pApGpTpGpCpT-OH 3 5 A G T G C T 3 書(shū)寫(xiě)及閱讀方向：從5端（左側(cè)）到3端（右側(cè)），ApG 表示(A-3)- P (5-G) 。第23頁(yè)/共96頁(yè) 第24頁(yè)/共96頁(yè)DNA(脫氧核糖核酸脫氧核糖核酸)RNA（核糖核酸）（核糖核酸）分布分布98%于細(xì)胞核中，于細(xì)胞核中，少量存于線粒體和少量存于線粒體和葉綠體中葉綠體中90%cell質(zhì)中，質(zhì)中，10%細(xì)胞細(xì)胞核中，核中，tRNA 15%，mRNA 5%, rRN

8、A 80%生物生物功能功能遺傳物質(zhì)基礎(chǔ)，儲(chǔ)遺傳物質(zhì)基礎(chǔ)，儲(chǔ)存和傳遞遺傳信息存和傳遞遺傳信息基因表達(dá)，指導(dǎo)蛋白質(zhì)基因表達(dá)，指導(dǎo)蛋白質(zhì)合成，生物催化合成，生物催化,有時(shí)有時(shí)RNA也是遺傳物質(zhì)也是遺傳物質(zhì)核糖核糖D2脫氧核糖脫氧核糖D核糖核糖堿基堿基A、C、G、TA、C、G、U磷酸磷酸磷酸磷酸磷酸磷酸核酸的分布及功能第25頁(yè)/共96頁(yè)核蛋白體核蛋白體RNA信使信使RNA轉(zhuǎn)運(yùn)轉(zhuǎn)運(yùn)RNA核內(nèi)不均一核內(nèi)不均一RNA核內(nèi)小核內(nèi)小RNA胞漿小胞漿小RNA 細(xì)胞核和胞液細(xì)胞核和胞液線粒體線粒體功功能能rRNAmRNA mt rRNAtRNAmt mRNAmt tRNAHnRNASnRNASnoRNAscRNA/

9、7SL-RNA 核蛋白體組分核蛋白體組分蛋白質(zhì)合成模板蛋白質(zhì)合成模板轉(zhuǎn)運(yùn)氨基酸轉(zhuǎn)運(yùn)氨基酸成熟成熟mRNA的前體的前體參與參與hnRNA的剪接、轉(zhuǎn)運(yùn)的剪接、轉(zhuǎn)運(yùn)rRNA的加工、修飾的加工、修飾蛋白質(zhì)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)定位合成蛋白質(zhì)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)定位合成的信號(hào)識(shí)別體的組分的信號(hào)識(shí)別體的組分核仁小核仁小RNA核蛋白體核蛋白體RNA信使信使RNA轉(zhuǎn)運(yùn)轉(zhuǎn)運(yùn)RNA核內(nèi)不均一核內(nèi)不均一RNA核內(nèi)小核內(nèi)小RNA胞漿小胞漿小RNA 細(xì)胞核和胞液細(xì)胞核和胞液線粒體線粒體功功能能rRNAmRNA mt rRNAtRNAmt mRNAmt tRNAHnRNASnRNASnoRNAscRNA/7SL-RNA 核蛋白體組分核蛋白體組分蛋白質(zhì)

10、合成模板蛋白質(zhì)合成模板轉(zhuǎn)運(yùn)氨基酸轉(zhuǎn)運(yùn)氨基酸成熟成熟mRNA的前體的前體參與參與hnRNA的剪接、轉(zhuǎn)運(yùn)的剪接、轉(zhuǎn)運(yùn)rRNA的加工、修飾的加工、修飾蛋白質(zhì)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)定位合成蛋白質(zhì)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)定位合成的信號(hào)識(shí)別體的組分的信號(hào)識(shí)別體的組分核仁小核仁小RNARNA的分類及功能第26頁(yè)/共96頁(yè)紫外吸收特性可以鑒定核酸樣品的純度第27頁(yè)/共96頁(yè) 2 第28頁(yè)/共96頁(yè)1. DNA一級(jí)結(jié)構(gòu)：4種脫氧核苷酸dAMP、dGMP、dCMP、dTMP按照一定的排列順序通過(guò)磷酸二酯鍵連接而成的沒(méi)有分支的多核苷酸鏈。第29頁(yè)/共96頁(yè) DNA堿基組成的特點(diǎn):v 具有種的特異性;v 沒(méi)有器官和組織的特異性；v 年齡、營(yíng)養(yǎng)狀況、環(huán)

11、境的改變不影響DNA的堿基組成；v DNA的堿基組成符合堿基摩爾比例規(guī)律。第30頁(yè)/共96頁(yè) DNA堿基摩爾比例規(guī)律第31頁(yè)/共96頁(yè)第32頁(yè)/共96頁(yè)Sanger法的程序第33頁(yè)/共96頁(yè)第34頁(yè)/共96頁(yè)第35頁(yè)/共96頁(yè)第36頁(yè)/共96頁(yè)第37頁(yè)/共96頁(yè)vmRNA的穩(wěn)定性維系：作為一種保護(hù)裝置將mRNA 5端封閉起來(lái)，可使mRNA免受核酸外切酶的水解破壞；v翻譯起始的調(diào)控：作為蛋白質(zhì)合成起始的辨認(rèn)信號(hào)，啟動(dòng)和加速翻譯過(guò)程。v mRNA核內(nèi)向胞質(zhì)的轉(zhuǎn)位第38頁(yè)/共96頁(yè)帽子結(jié)構(gòu)第39頁(yè)/共96頁(yè)第40頁(yè)/共96頁(yè) 2. tRNA的一級(jí)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)第41頁(yè)/共96頁(yè)第42頁(yè)/共96頁(yè)第43頁(yè)/

12、共96頁(yè)第44頁(yè)/共96頁(yè)1. 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(duì)較合理 DNA纖維的X-射線衍射圖譜分析 第45頁(yè)/共96頁(yè)2. DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型要點(diǎn) DNA分子由兩條方向相反多聚脫氧核糖核苷酸鏈沿著同一根軸平行盤(pán)繞，形成右手雙螺旋結(jié)構(gòu)。其中一條鏈的方向?yàn)?3，而另一條鏈的方向?yàn)?5。第46頁(yè)/共96頁(yè)2. DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型要點(diǎn) 疏水堿基于螺旋的內(nèi)側(cè)，親水的磷酸基和脫氧核糖以磷酸二酯鍵相連成的骨架位于外側(cè)；雙螺旋的直徑為2nm，沿中心軸形成大溝和小溝交替出現(xiàn)第47頁(yè)/共96頁(yè)2. DNA雙

13、螺旋結(jié)構(gòu)模型要點(diǎn) 堿基呈平面狀，與中心軸垂直；相鄰堿基平面間的距離為 0.34nm，夾角為36；每10對(duì)核苷酸繞中心軸旋轉(zhuǎn)一圈，故螺旋的螺距為 3.4nm。第48頁(yè)/共96頁(yè)2. DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型要點(diǎn) 兩條鏈堿基對(duì)之間形成氫鍵，堿基的相互結(jié)合具有嚴(yán)格的配對(duì)規(guī)律，即AT、GC配對(duì)。A和T之間形成兩個(gè)氫鍵，G與C之間形成三個(gè)氫鍵。第49頁(yè)/共96頁(yè)第50頁(yè)/共96頁(yè)堿基配對(duì)第51頁(yè)/共96頁(yè)v兩條DNA鏈之間形成的氫鍵。v堿基堆積力：由于雙螺旋結(jié)構(gòu)內(nèi)部形成的疏水區(qū)，消除了介質(zhì)中水分子對(duì)堿基之間氫鍵的影響。v介質(zhì)中的陽(yáng)離子（如Na+、K+和Mg2+）中和了磷酸基團(tuán)的負(fù)電荷，降低了DNA鏈之間的排

14、斥力、范德華力等。v改變介質(zhì)條件和環(huán)境溫度，將影響雙螺旋的穩(wěn)定性。第52頁(yè)/共96頁(yè)DNA雙螺旋結(jié)構(gòu) DNA，雙螺旋，正反向，互補(bǔ)鏈。 A對(duì)T，GC連， 配對(duì)時(shí)， 成氫鍵。 十堿基，轉(zhuǎn)一圈，螺距34點(diǎn)中間。 堿基力和氫鍵，維持螺旋結(jié)構(gòu)堅(jiān)。 第53頁(yè)/共96頁(yè)DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的多樣性Watson和Crick所提出的模型稱為B-DNA, B型是最穩(wěn)定的構(gòu)型第54頁(yè)/共96頁(yè)第55頁(yè)/共96頁(yè)1957年發(fā)現(xiàn)在基因的調(diào)控區(qū)或染色質(zhì)的 重組部位有DNA的三螺旋結(jié)構(gòu)第56頁(yè)/共96頁(yè)第57頁(yè)/共96頁(yè)螺旋。第58頁(yè)/共96頁(yè)第59頁(yè)/共96頁(yè)第60頁(yè)/共96頁(yè)三種環(huán)狀分子具有相同結(jié)構(gòu)，但L值不同，稱為拓?fù)?/p>

15、異構(gòu)體。自然界存在的所有超螺旋DNA分子都是最初纏繞不足形成的負(fù)超螺旋第61頁(yè)/共96頁(yè)真核生物內(nèi)，DNA以致密形式存在于細(xì)胞核的染色體中。染色體的基本單位是核小體核小體：DNA和組蛋白共同構(gòu)成核心組蛋白：4種組蛋白(H2A , H2B , H3 ,H4)形成的8聚體DNA：以負(fù)超螺旋纏繞在核心組蛋白上H1在核小體之間起連接作用染色體的基本單位是核小體(nucleosome)第62頁(yè)/共96頁(yè)核小體的串珠狀結(jié)構(gòu) 第63頁(yè)/共96頁(yè)第64頁(yè)/共96頁(yè)發(fā)夾式結(jié)構(gòu) A-U, C-G配對(duì) 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)。

16、第65頁(yè)/共96頁(yè)v 呈“三葉草” 形狀，一般可將其分為四臂四環(huán)：大致分為氨基酸臂、二氫尿嘧啶環(huán)、反密碼子環(huán)、額外環(huán)和TC環(huán)五部分 。 第66頁(yè)/共96頁(yè)tRNA三葉草結(jié)構(gòu)進(jìn)一步扭曲、折疊形成倒寫(xiě)“”字母的三維結(jié)構(gòu)。第67頁(yè)/共96頁(yè)tRNA的二級(jí)結(jié)構(gòu)與倒結(jié)構(gòu)三葉草結(jié)構(gòu)第68頁(yè)/共96頁(yè) rRNA的種類（根據(jù)沉降系數(shù)）：真核生物： 5S rRNA 28S rRNA 5.8S rRNA 18S rRNA原核生物： 5S rRNA 23S rRNA 16S rRNA第69頁(yè)/共96頁(yè)第70頁(yè)/共96頁(yè)第71頁(yè)/共96頁(yè)v 特定的組織細(xì)胞的DNA數(shù)量是穩(wěn)定的，隨著組織的復(fù)雜，其數(shù)量逐漸增加;v 年齡

17、、營(yíng)養(yǎng)狀況和環(huán)境的改變不影響DNA的數(shù)量和組成;v DNA堿基的組成具有種的特異性。第72頁(yè)/共96頁(yè)第73頁(yè)/共96頁(yè)第74頁(yè)/共96頁(yè)l基因組較小，形式多樣，可能是DNA，也可能是RNA，可能是單鏈,雙鏈的，閉環(huán)分子，線性分子；細(xì)菌染色體為環(huán)狀雙鏈DNA分子，與RNA和支架蛋白構(gòu)成致密區(qū)域，稱類核(nucleoid)。l功能相關(guān)的結(jié)構(gòu)基因常常串連在一起，并轉(zhuǎn)錄在同一個(gè)mRNA分子中，稱為多順?lè)醋?polycistron)。lDNA分子絕大部分用于編碼蛋白質(zhì)，非編碼區(qū)通常包含控制基因表達(dá)的順序。l基因重疊是病毒基因組的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。第75頁(yè)/共96頁(yè)真核生物基因組結(jié)構(gòu)特點(diǎn)單順?lè)醋?monocis

18、tron)，即一個(gè)結(jié)構(gòu)基因轉(zhuǎn)錄、翻譯成一個(gè)mRNA分子，一條多肽鏈;存在大量重復(fù)序列，包括衛(wèi)星DNA、反向重復(fù)序列和較復(fù)雜的重復(fù)單位組成的重復(fù)序列;基因組中不編碼的區(qū)域多于編碼區(qū)域基因是不連續(xù)的，在真核生物結(jié)構(gòu)基因的內(nèi)部存在許多不編碼蛋白質(zhì)的間隔序列(intervening sequences)，稱為內(nèi)含子(intron)，編碼區(qū)則稱為外顯子(exon)?；蚪M遠(yuǎn)大于原核生物的基因組，具有許多復(fù)制起點(diǎn)，而每個(gè)復(fù)制子的長(zhǎng)度較小。第76頁(yè)/共96頁(yè)核酸的降解指通過(guò)核酸酶或物理、化學(xué)的方法使核酸的3, 5磷酸二酯鍵斷裂，多聚核甘酸鏈變成小段寡聚核甘酸鏈。1. 降解與變性振蕩、攪拌、反復(fù)凍融等易導(dǎo)致DNA的降解第77頁(yè)/共96頁(yè)DNA的變性第78頁(yè)/共96頁(yè)第79頁(yè)/共96頁(yè)DNA的變性第80頁(yè)/共96頁(yè)v 低或高的pH值條件趨向影響DNA雙螺旋中氫鍵的形成，導(dǎo)致DNA的變性。 低離子濃度v 雙鏈DNA濃度過(guò)低，帶正電荷的物質(zhì)減少導(dǎo)致DNA 上帶負(fù)電荷的磷酸基團(tuán)部分脫防護(hù)，使相連的磷酸基團(tuán)相互斥力增加，使DNA雙鏈分離。第81頁(yè)/共96頁(yè) Tm：變性是在一個(gè)相當(dāng)窄的溫度范