生物化學：第二章核酸的化學ppt課件

1、 第二章 核酸的化學 周口師范學院生命科學系 (2019. 09) 主要內(nèi)容主要內(nèi)容一、一、 核酸的研討歷史和重要性核酸的研討歷史和重要性二、二、 核酸的組成和分類核酸的組成和分類三、三、 核酸的根本構造單位核酸的根本構造單位核苷酸核苷酸四、四、 DNA DNA的分子構造的分子構造五、五、 RNA RNA的分子構造的分子構造六、六、 核酸的理化性質及核酸研討常用技術核酸的理化性質及核酸研討常用技術核酸的發(fā)現(xiàn):1868 瑞士F.Miescher從膿細胞的細胞核中分別出了一 種含磷酸的有機物，當時稱為核素nuclein,后稱為核酸nucleic acid.核素本質是一種核糖核蛋白。.核酸生命物質的

2、主要組分，控制著生物的生長、發(fā)育、繁衍、遺傳等重要的生命活動。1944 Avery 等經(jīng)過肺炎球菌轉化實驗證明DNA是遺傳物質1953 Watson和Crick提出DNA構造的雙螺旋模型它不僅闡明了DNA分子的構造特征，而且提出了DNA作為執(zhí)行生物遺傳功能的分子，從親代到子代的DNA復制過程中遺傳信息的傳送方式及高度保真性，為遺傳學進入分子程度奠定了根底，成為現(xiàn)代分子生物學開展史上最為輝煌的里程碑。 1958 Crick提出遺傳信息傳送的中心法那么70年代 建立DNA重組技術80年代 分子生物學、分子遺傳學等學科突飛猛進開展，另有核酶的發(fā)現(xiàn)90年代以后 實施人類基因組方案HGP,生命科學進入一

3、個新時代21世紀初RNA組學誕生，并得到迅速開展，非編碼RNA研討已成為熱點。種種 類類分分 布布功功 能能DNA原核生物：核質區(qū)真核生物：95%在細胞核、5%在線粒體和葉綠體 遺傳信息的載體RNAtRNA原核生物：細胞質真核生物：75%在細胞質15%在線粒體和葉綠體10%在細胞核 攜帶、轉移aamRNA肽鏈合成的模板rRNA核糖體主要成分元素組成元素組成C、 H、 O、 N、P其中其中P的含量在核酸中相對恒定。在的含量在核酸中相對恒定。在DNA中為中為9.9%，在，在RNA中為中為9.4% 。這可用于測定核酸的。這可用于測定核酸的含量含量定磷法。定磷法。 戊糖 嘌呤 核糖脫氧核糖脫氧核糖 堿

4、基嘧啶嘧啶 核苷酸 磷酸 核苷構造組成 核核 苷苷 酸酸 RNARNA中中的的核核苷苷酸酸腺苷酸腺苷酸AMP鳥苷酸鳥苷酸GMP胞苷酸胞苷酸CMP尿苷酸尿苷酸UMPDNADNA中中的的核核苷苷酸酸脫氧腺苷酸脫氧腺苷酸d AMP脫氧鳥苷酸脫氧鳥苷酸d GMP脫氧胞苷酸脫氧胞苷酸d CMP脫氧胸苷酸脫氧胸苷酸d TMP生物體內(nèi)存在的核苷酸，多生物體內(nèi)存在的核苷酸，多是是5 5核苷酸。核苷酸。Nitrogenous basePentose sugarHOCH2HOHDoxyribose (in DNA)HOCH2HOOHRibose (in RNA)PhosphatePyrimidinesCytosi

5、neThymineUracilCUTPurinesAdenineGuanineAG嘌呤嘌呤嘧啶嘧啶Adenine (A)Guanine (G)Cytosine (C)Uracil (U)Thymine (T)修飾堿基修飾堿基腺嘌呤核苷酸腺嘌呤核苷酸 AMP Adenosine monophosphate脫氧腺嘌呤核苷酸脫氧腺嘌呤核苷酸dAMP Deoxyadenosine monophosphateOH鳥嘌呤核苷酸鳥嘌呤核苷酸GMP胞嘧啶核苷酸胞嘧啶核苷酸CMP尿嘧啶核苷酸尿嘧啶核苷酸UMP脫氧鳥嘌呤核苷酸脫氧鳥嘌呤核苷酸dGMP脫氧胞嘧啶核苷酸脫氧胞嘧啶核苷酸dCMP脫氧胸腺嘧啶核苷酸脫氧胸

6、腺嘧啶核苷酸dTMPHPPPPPPPP鳥嘌呤核苷酸鳥嘌呤核苷酸GMP尿嘧啶核苷酸尿嘧啶核苷酸UMP胞嘧啶核苷酸胞嘧啶核苷酸CMP腺嘌呤核苷酸腺嘌呤核苷酸AMP脫氧腺嘌呤核苷酸脫氧腺嘌呤核苷酸dAMP脫氧鳥嘌呤核苷酸脫氧鳥嘌呤核苷酸dGMP脫氧胞嘧啶核苷酸脫氧胞嘧啶核苷酸dCMP脫氧胸腺嘧啶核苷酸脫氧胸腺嘧啶核苷酸dTMP假尿苷假尿苷二氫尿嘧啶二氫尿嘧啶DHUAmCH3CH3H3Cm26AHH5 多磷酸核苷酸多磷酸核苷酸 環(huán)核苷酸環(huán)核苷酸 輔酶類核苷酸輔酶類核苷酸 5-NMP 5-NDP 5-NTPN=A、G、C、U 5-dNMP 5-dNDP 5-dNTP N=A、G、C、T AMP Aden

7、osine monophosphate ADP Adenosine diphosphate ATP Adenosine triphosphate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： ATP能量“貨幣 UTP參與糖的相互轉化與合成 CTP參與磷脂的合成 GTP參與蛋白質和嘌呤的合成另外:CDPG參與磷脂合成，ADPG、UDPG、GDPG、TDPG參與糖原、淀粉、纖維素、果膠等合成； 第二信使cAMP、cGMP，微生物細胞內(nèi)，還有cUMP、cCMP、cIMP，但功能不明。 輔酶如NAD+、NADP+、FMN、FAD、CoASH的組成成分，

8、參與細胞內(nèi)的氧化復原反響和酰基轉移反響； 醫(yī)療中，ATP作為能源藥物用于心力衰竭急救，cAMP用于心肌梗死，阿拉伯糖苷有抗DNA病毒作用，用于抗癌。環(huán)化核苷酸環(huán)化核苷酸cAMP、cGMP：被：被稱為第二信稱為第二信使，有放大使，有放大激素的作用激素的作用IMP GMPIMP GMP1. DNA 一級構造一級構造2. DNA的二級構造的二級構造3. DNA的三級構造的三級構造4. DNA與基因組與基因組5 5 3 3 1. DNA一級構造一級構造 DNA分子中各脫氧核苷酸之間的銜接方式3-5磷酸二酯鍵和陳列順序叫做DNA的一級構造，簡稱為堿基序列。一級構造的走向的規(guī)定為53。不同的DNA分子具有

9、不同的核苷酸陳列順序，因此攜帶有不同的遺傳信息。5 3 5 3 p p p pOH3 ACTG1 線條式線條式5 ACTGCATAGCTCGA 3 字母式字母式構造式構造式 DNADNA一級構造一級構造5 3 OHOHOH5 3 RNARNA RNA與與DNA一級構造的差別一級構造的差別 DNA RNA糖糖 脫氧核糖脫氧核糖 核糖核糖堿基堿基 AGCT AGCU 不含稀有堿基不含稀有堿基 含稀有堿基含稀有堿基DNADNA DNA的雙螺旋構造(Watson-Crick模型 DNA雙螺旋構造特征、穩(wěn)定要素及意義 DNA雙螺旋的多態(tài)性DNA的其它二級構造 DNA回文構造、發(fā)卡、十字架、三鏈構造等2.

10、 DNA二級構造二級構造5 3 5 3 5 3 5 3 磷酸磷酸核糖核糖堿基堿基T-A堿基對堿基對C-G堿基對堿基對 a. 兩條反向平行的多聚核苷酸鏈沿一個兩條反向平行的多聚核苷酸鏈沿一個假設的中心軸右旋相互環(huán)繞而構成。假設的中心軸右旋相互環(huán)繞而構成。 b. 磷酸和脫氧核糖單位作為不變的骨架磷酸和脫氧核糖單位作為不變的骨架組成位于外側，作為可變成分的堿基位于組成位于外側，作為可變成分的堿基位于內(nèi)側，鏈間堿基按內(nèi)側，鏈間堿基按AT，GC配對堿配對堿基配對原那么，基配對原那么，Chargaff定律。定律。 c. 螺旋直徑螺旋直徑2nm，相鄰堿基平面垂直間，相鄰堿基平面垂直間隔隔0.34nm,螺旋構

11、造每隔螺旋構造每隔10個堿基對個堿基對base pair, bp反復一次，間隔螺距為反復一次，間隔螺距為3.4nm。 d.螺旋外表不平滑，有大溝和小溝。螺旋外表不平滑，有大溝和小溝。 氫鍵氫鍵 堿基堆集力堿基堆集力 磷酸基上負電荷被胞內(nèi)磷酸基上負電荷被胞內(nèi)組蛋白或正離子中和組蛋白或正離子中和 該模型提示了該模型提示了DNA作為遺傳物質的穩(wěn)定性作為遺傳物質的穩(wěn)定性特征，最有價值的是確認了堿基配對原那么，特征，最有價值的是確認了堿基配對原那么，這是這是DNA復制、轉錄和反轉錄的分子根底，亦復制、轉錄和反轉錄的分子根底，亦是遺傳信息傳送和表達的分子根底。該模型的是遺傳信息傳送和表達的分子根底。該模型

12、的提出是提出是20世紀生命科學的艱苦突破之一，它奠世紀生命科學的艱苦突破之一，它奠定了生物化學和分子生物學乃至整個生命科學定了生物化學和分子生物學乃至整個生命科學飛速開展的基石。飛速開展的基石。 所謂DNA二級構造的多態(tài)性，是指DNA不僅具有多種方式的雙螺旋構造，而且還能構成三鏈、四鏈構造，闡明DNA的構造是動態(tài)的，而不是靜態(tài)的。核酸的構型的多樣性是由于核酸主干鏈上各鍵和堿基的旋轉呵斥的，而多鏈的DNA是特定的堿基序列導致的結果。l(1) B-DNA螺旋：規(guī)范的 Watson, Crick雙螺旋，細胞正常形狀下DNA存在的構型。l(2) A-DNA螺旋：DNA在75%相對濕度的鈉鹽中的構型。l

13、(3) C-DNA螺旋：DNA在66%相對濕度的鋰鹽中的構型。l(4) Z-DNA螺旋：左手的DNA螺旋，這種螺旋能夠在基因表達或遺傳重組中起作用。DNA雙螺旋的不同構型雙螺旋的不同構型A-DNAZ-DNAB-DNA回文序列回文序列發(fā)夾式構造發(fā)夾式構造十字形構造十字形構造中心區(qū)域中心區(qū)域DNA三鏈間三鏈間的堿基配對的堿基配對DNA分子內(nèi)分子內(nèi)的三鏈構造的三鏈構造 多聚嘌呤多聚嘌呤多聚嘧啶多聚嘧啶 在細胞內(nèi)，由于DNA分子與其它分子主要是蛋白質的相互作用，使DNA雙螺旋進一步扭曲構成的高級構造. 實例：超螺旋 核蛋白體 染色體chromosome超螺旋按其方向分為正超螺旋和負超螺旋兩種。真核生物

14、中，DNA與組蛋白八聚體構成核小體構造時，存在著負超螺旋。研討發(fā)現(xiàn)，一切的DNA超螺旋都是由DNA拓撲異構酶產(chǎn)生的。染色體包裝的多級螺旋模型染色體包裝的多級螺旋模型緊縮倍數(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 一級包裝一級包裝 二級包裝二級包裝 三級包裝三級包裝 四級包裝四級包裝 染色體的根本構造單位是核小體。核小體是由DNA和組蛋白組成的，組蛋白有五種。H2A,H2B,H3,H4 各兩分子構成一個八聚體，其外再由雙螺旋DNA繞其旋轉1.75圈(為DNA的三級構造)

15、，約含140bp ，稱為核小體的中心顆粒(core particle)。兩個中心顆粒之間由一段雙螺旋DNA鏈(約60bp)相連，稱為銜接部，組蛋白H1結合在此部位。假設干個核小體再螺旋構成核小體纖維，再進一步螺旋化構成染色體。從雙螺旋DNA到染色體，DNA總共緊縮了約800010000倍.核小體構造如下圖核小體構造如下圖: :4 DNA4 DNA與基因組與基因組DNATranscription RNAmRNA、tRNA、rRNATranslationProtein基因基因基因是DNA片段的核苷酸序列，DNA分子中最小的功能單位。構造基因構造基因調(diào)理基因調(diào)理基因基因組基因組DNADNA與基因與基

16、因l基因即一段有功能的DNA片段，生物細胞中DNA分子的最小功能單位交換單位。l一個細胞或生物體所含的全套基因稱基因組；l基因組方案：l人類基因組方案Human Genome Project， HGP l酵母基因組方案 YGPl大腸桿菌E.Coli真核生物基因組的特點真核生物基因組的特點A. 反復序列單拷貝序列：在整個DNA中只出現(xiàn)一次或少數(shù)幾 次，主要為編碼蛋白質的構造基因。中度反復序列：在DNA中可反復幾十次到幾 千次。高度反復序列：可反復幾百萬次高度反復序列普通富含A-T或G-C，富含A-T的在密度梯度離心時在離心管中構成的區(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DN

17、Asatellite DNA富含富含A-T富含富含G-C主體主體DNAB. 有斷裂基因mRNA1 872bp內(nèi)含子intron)：基因中不為多肽編碼，不在mRNA中出現(xiàn)。ABCDEG7 700bpF外顯子exons：為多肽編碼的基因片段。：由于基因中內(nèi)含子的存在。：由于基因中內(nèi)含子的存在。transcription原核生物基因組的特點原核生物基因組的特點A. DNA大部分為構造基因，每個基因出現(xiàn)頻 率低。B. 功能相關基因串聯(lián)在一同，并轉錄在同一mRNA中多順反子。C.有基因重疊景象。ABCDEFG1 RNA的一級構造的一級構造 2 tRNA 的分子構造的分子構造3 rRNA的分子構造的分子構

18、造4 mRNA的分子構造的分子構造 RNA分子中各核分子中各核苷之間的銜接方式苷之間的銜接方式3 -5磷酸二酯鍵磷酸二酯鍵和陳列順序叫做和陳列順序叫做RNA的一級構造的一級構造OHOHOH5 3 RNA與與DNA的差別的差別 DNA RNA糖糖 脫氧核糖脫氧核糖 核糖核糖堿基堿基 AGCT AGCU 不含稀有堿基不含稀有堿基 含稀有堿基含稀有堿基1 RNA的一級構造的一級構造 對于RNA的一級構造，研討最多的是tRNA。tRNA的5-末端總是磷酸化，而且常是pG ；3 -末端最后三個氨基酸順序一樣，總是CCAOH ；tRNA中含有較多的稀有堿基，每分子含715個，稀有堿基中最常見的是甲基化的堿

19、基。 在rRNA分子中，研討最多的是5SrRNA和16SrRNA。大腸桿菌中的5SrRNA的5 -端常出現(xiàn)pppU，3 -端為UOH ；第4347位的核苷酸順序為CGAAC真核細胞此序列那么出如今5.8SrRNA，這是rRNA與tRNA相互識別、相互作用的部位；原核細胞16SrRNA的3 -端總存在序列ACCUCCU，這是mRNA的識別位點。 mRNA相對分子質量不均一，代謝活潑，這給一級構造的研討帶來一定困難。真核細胞mRNA與原核mRNA比較，在構造上具有明顯的區(qū)別。真核細胞mRNA的3 -末端有一段可長達200個左右的聚腺苷酸poly A，稱為“尾構造；5 -末端有一個甲基化的鳥苷酸,稱

20、為“帽構造，表示m7Gp5p5pXpmY，其中X、Y為恣意堿基。這種“尾和“帽的構造在mRNA功能表現(xiàn)中具有重要作用。 二級構造特征： 單鏈三葉草葉形 四臂四環(huán) 三級構造 特征： 在二級構造根底上進一步折疊扭曲構成倒L型X光晶體衍射解出的 tRNA 立體構造特征： 單鏈，螺旋化程度較tRNA低 與蛋白質組成核糖體后方能發(fā)揚其功能5SRNA5SRNA的二級構造的二級構造原核生物原核生物mRNA特征：特征： 先導區(qū)先導區(qū)+翻譯區(qū)多順反子翻譯區(qū)多順反子+末端序末端序列列真核生物真核生物mRNA特征：特征： “帽子帽子m7G-5 ppp5 -N-3 p+單順反單順反 子子+“尾巴尾巴Poly A原核細

21、胞原核細胞mRNAmRNA的構造特點的構造特點5 3 順反子順反子順反子順反子順反子順反子插入順序插入順序插入順序插入順序先導區(qū)先導區(qū)末端順序末端順序真核細胞真核細胞mRNAmRNA的構造特點的構造特點AAAAAAA-OH5 “帽子帽子PolyA 3 順反子順反子m7G-5 ppp-N-3 p真核生物mRNA的一級構造可用下式表示 :5-帽子 5-非密碼區(qū) 密碼區(qū)3-非密碼區(qū) polyA 5-cap：m7G(5)pppNmp 5-cap cap0: m7G(5)pppNp cap1: m7G(5)pppNmpNp cap2: m7G(5)pppNmpNmpNp 5 -cap的功能的功能 (1)

22、 防止防止mRNA被核酸酶降解。被核酸酶降解。(2) 為為mRNA翻譯活性所必需。翻譯活性所必需。(3) 與蛋白質合成的正確起始有關。與蛋白質合成的正確起始有關。3 -polyA : polyA的殘基數(shù)的殘基數(shù)20200個，或更多。個，或更多。polyA的功能的功能 (1) 維護維護mRNA，免受核酸外切酶的作用。，免受核酸外切酶的作用。(2) 與翻譯有關，沒有與翻譯有關，沒有polyA翻譯活性降低。翻譯活性降低。(3) 與與mRNA從細胞核轉移到細胞質有關。從細胞核轉移到細胞質有關。 1 核酸的物理性質核酸的物理性質 2 核酸的紫外吸收特性核酸的紫外吸收特性max=260nm 3 核酸的變性

23、、復性和分子雜交核酸的變性、復性和分子雜交 4 核酸的溶鏈溫度核酸的溶鏈溫度Tm 5 核酸的水解核酸的水解性狀：RNA及其組分核苷酸、核苷、嘌呤堿、嘧啶堿的純品都呈白色的粉末或結晶；DNA那么為疏松的石棉一樣的纖維狀固體。粘性：核酸的水溶液粘度很大，粘度DNA大于RNA。核酸變性后，粘度下降。溶解性：RNA和DNA都是極性的化合物，普通說來，這些化合物都微溶于水，不溶于乙醇、乙醚、氯仿等有機溶劑。它們的鈉鹽易溶于水。 DNA和RNA在生物細胞內(nèi)都與蛋白質結合成核蛋白。物理性質物理性質天然天然DNA變性變性DNA核苷酸總吸收值核苷酸總吸收值1232202402602800.10.20.30.4波

24、長波長nmnm光光吸吸收收123核酸的光吸收值比各核苷酸光吸收值的和少30-40%，當核酸變性或降解光陰吸收值顯著添加增色效應，但核酸復性后，光吸收值又回復到原有程度減色效應。加熱加熱部分雙螺旋解開部分雙螺旋解開 無規(guī)那么線團無規(guī)那么線團 鏈內(nèi)堿基配鏈內(nèi)堿基配對對變性加熱變性加熱探針探針雜交緩慢冷卻雜交緩慢冷卻復性緩慢冷卻復性緩慢冷卻 變性：在物理、變性：在物理、化學要素影響下，化學要素影響下， DNA堿基對間的氫堿基對間的氫鍵斷裂，雙螺旋解鍵斷裂，雙螺旋解開，這是一個是躍開，這是一個是躍變過程，伴有變過程，伴有A260添加增色效應添加增色效應,DNA的功能喪失。的功能喪失。 復性：在一定條復性：在一定條件下，變性件下，變性DNA 單單鏈間堿基重新配對鏈間堿基重新配對恢復雙螺旋構造