（中職）生物化學(xué)基礎(chǔ)第二章教學(xué)課件高教版

生物化學(xué)基礎(chǔ)第二章第二章

核酸1868年，瑞士化學(xué)家米歇爾從膿細(xì)胞中首先分離得到一種含氮和磷特別豐富的沉淀物質(zhì)，隨后人們多次發(fā)現(xiàn)了這類物質(zhì)的存在。由于這類物質(zhì)是從細(xì)胞核中提取出來的，而且都具有酸性，因此被稱為核酸。現(xiàn)代醫(yī)學(xué)的發(fā)展離不開對核酸的研究和利用，核酸疫苗應(yīng)用于病毒、細(xì)菌和寄生蟲等感染性疾病的防治研究已廣泛展開。因此，核酸的研究對醫(yī)學(xué)的發(fā)展具有重大意義。知識(shí)小課堂1.掌握核酸的基本組成成分、基本結(jié)構(gòu)單位及核苷酸的連接方式，DNA和RNA的一級、二級結(jié)構(gòu)。2.熟悉核酸的功能、元素組成特點(diǎn)；DNA的變性、復(fù)性及核酸的分子雜交。3.了解核酸的一般理化性質(zhì)。學(xué)習(xí)目標(biāo)2.1核酸的化學(xué)組成2.1.1核酸的基本組成單位——核苷酸核酸水解可得到核苷酸，徹底水解后所得產(chǎn)物為磷酸、戊糖和堿基，如圖2-1所示。RNA為單鏈結(jié)構(gòu)，平均長度為2000個(gè)核苷酸；而DNA為雙鏈結(jié)構(gòu)，人類單倍基因組序列由3.2×109個(gè)堿基對組成，即同等數(shù)量的核苷酸。圖2-1核酸的水解產(chǎn)物1.戊糖核糖中的戊糖有兩種，均為β-D-型。組成DNA分子的戊糖是β-D-2-脫氧核糖，組成RNA分子的戊糖是β-D-核糖，其化學(xué)結(jié)構(gòu)如圖2-2所示。圖2-2兩種戊糖的化學(xué)結(jié)構(gòu)2.堿基核糖中的堿基分為嘌呤堿和嘧啶堿，均為含氮雜環(huán)化合物。嘌呤堿主要包括腺嘌呤（A）和鳥嘌呤（G）；嘧啶堿主要包括胞嘧啶（C）、尿嘧啶（U）和胸腺嘧啶（T）。DNA和RNA各含有4種堿基，包括2種嘌呤堿基和2種嘧啶堿基，其中A、G、C為DNA和RNA共享，而U只存在于RNA中，T只存在于DNA中。DNA和RNA基本組成成分的比較如表2-1所示。除了上述5種基本的堿基外，核酸分子中還含有幾十種經(jīng)過甲基化、羥甲基化等修飾的堿基，因其在核酸分子中的出現(xiàn)頻率低、含量少，故稱為稀有堿基。3.核苷與核苷酸核苷是由堿基和戊糖通過糖苷鍵（N-C）形成的化合物。生物體內(nèi)的游離核苷酸多是5′-核苷酸，帶有1個(gè)磷酸基的核苷酸（或脫氧核苷酸）稱為核苷（或脫氧核苷）一磷酸（NMP）或簡稱核苷酸（或脫氧核苷酸），如圖2-3所示。每條核苷酸鏈有5′和3′兩個(gè)末端。圖2-3腺苷、脫氧腺苷及腺苷酸、脫氧腺苷酸的化學(xué)結(jié)構(gòu)核苷酸包括核糖核苷酸和脫氧核苷酸，分別是RNA和DNA的基本組成單位，如表2-2所示。表2-2RNA和DNA的基本組成單位2.1.2體內(nèi)某些重要的核苷酸1.多磷酸核苷酸在核苷一磷酸的基礎(chǔ)上，磷酸基還能與磷酸結(jié)合生成核苷二磷酸（NDP）和核苷三磷酸（NTP）。例如，1分子5′-腺苷酸（AMP）結(jié)合1分子磷酸生成腺苷二磷酸（ADP），后者再結(jié)合1分子磷酸生成腺苷三磷酸（ATP），如圖2-4所示。圖2-4NMP、NDP和NTP的結(jié)構(gòu)2.環(huán)化核苷酸人體內(nèi)存在環(huán)化核苷酸（見圖2-5），重要的環(huán)化核苷酸有3′，5′-環(huán)腺苷酸（cAMP）和3′，5′-環(huán)鳥苷酸（cGMP），是細(xì)胞內(nèi)重要的信息分子，在激素發(fā)揮生理作用的過程中起第二信使的作用。圖2-5ATP和cAMP的化學(xué)結(jié)構(gòu)3.輔酶類核苷酸一些核苷酸及其衍生物還是多種重要輔酶或輔基的組成成分，參與生物氧化和物質(zhì)代謝的調(diào)節(jié)，如煙酰胺腺嘌呤二核苷酸（NAD+）、煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸（NADP+）、黃素單核苷酸（FMN）等。2.2DNA的結(jié)構(gòu)和功能2.2.1DNA的一級結(jié)構(gòu)DNA的一級結(jié)構(gòu)是指DNA分子中脫氧核苷酸從5′-末端到3′-末端的排列順序。由于脫氧核苷酸之間的差別僅在于堿基，所以DNA的一級結(jié)構(gòu)就是它的堿基排列序列。DNA的一級結(jié)構(gòu)的表示方式從繁到簡如圖2-6所示。圖2-6DNA中核苷酸的連接方式與DNA一級結(jié)構(gòu)的表示方法（3）同一個(gè)體的不同器官、不同組織的DNA具有相同的堿基組成。（2）不同生物種屬的DNA堿基組成不同。（1）腺嘌呤與胸腺嘧啶的摩爾數(shù)相等，而鳥嘌呤與胞嘧啶的摩爾數(shù)相等。2.2.2DNA的二級結(jié)構(gòu)1.DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的研究背景20世紀(jì)中期，美國生物化學(xué)家查伽夫（E.Chargaff）利用層析和紫外吸收光譜等技術(shù)研究了DNA的化學(xué)組成，并提出了以下關(guān)于DNA中4種堿基組成的Chargaff規(guī)則：這一規(guī)則暗示了DNA的堿基A與T、G與C是以某種相互配對的方式存在的。1951年，威爾金斯和富蘭克林獲得了高質(zhì)量的DNA分子X線衍射圖像。1953年，沃森和克里克綜合了前人的研究成果，提出了DNA分子雙螺旋結(jié)構(gòu)的模型。2.DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型的要點(diǎn)（1）DNA分子是由兩條平行但走向相反［一條鏈為5′→3′（正方向），另一條鏈為3′→5′］的多聚脫氧核苷酸鏈圍繞同一中心軸，以右手螺旋方式形成的雙螺旋結(jié)構(gòu)，其表面有一條大溝與一條小溝，如圖2-7所示。這些溝狀結(jié)構(gòu)與蛋白質(zhì)、DNA之間的相互識(shí)別有關(guān)。圖2-7DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)示意（4）DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的橫向穩(wěn)定性靠兩條鏈間的氫鍵維系，縱向穩(wěn)定性則靠堿基平面間的疏水性堿基堆積力維系。（3）雙螺旋結(jié)構(gòu)的直徑為2.4nm，螺距為3.54nm，每一個(gè)螺旋有10.5個(gè)堿基對，每兩個(gè)相鄰的堿基對平面之間的垂直距離為0.34nm。（2）雙螺旋結(jié)構(gòu)的外側(cè)是由磷酸與脫氧核糖組成的親水性骨架，內(nèi)側(cè)是疏水的堿基，堿基平面與中心軸垂直。兩條鏈同一平面上的堿基形成氫鍵，使兩條鏈連接在一起。A與T之間形成兩個(gè)氫鍵，G與C之間形成三個(gè)氫鍵。2.DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型的要點(diǎn)“種瓜得瓜，種豆得豆”。遺傳物質(zhì)的基本特征之一是能夠精確地自我復(fù)制，這是保證遺傳信息準(zhǔn)確地傳遞給下一代的前提。DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型理論的核心是堿基配對，這種配對規(guī)則為解釋DNA復(fù)制機(jī)制提供了理論基礎(chǔ)，也是理解生物遺傳機(jī)制的關(guān)鍵。DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型的提出標(biāo)志著分子生物學(xué)這門學(xué)科的誕生。2.2.3DNA的高級結(jié)構(gòu)生物界的DNA是長度十分可觀的大分子，因此，DNA在形成雙螺旋結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，還要進(jìn)一步盤繞和壓縮，形成致密的超級結(jié)構(gòu)。原核生物、線粒體、葉綠體中的DNA呈共價(jià)封閉的雙螺旋環(huán)狀結(jié)構(gòu)，這種環(huán)狀結(jié)構(gòu)還需再螺旋化形成超螺旋，如圖2-8所示。當(dāng)螺旋方向與DNA雙螺旋方向相同時(shí)，形成正超螺旋；反之，則形成負(fù)超螺旋。自然界中DNA環(huán)狀結(jié)構(gòu)以負(fù)超螺旋為主。圖2-8DNA環(huán)狀結(jié)構(gòu)與超螺旋結(jié)構(gòu)真核生物的DNA以高度有序的形式存在于細(xì)胞核內(nèi)，在細(xì)胞周期的大部分時(shí)間里以松散的染色質(zhì)形式出現(xiàn)，在細(xì)胞分裂期形成高度致密的染色體（見圖2-9）。核小體是染色質(zhì)的基本組成單位，由DNA和5種組蛋白共同構(gòu)成：各兩個(gè)分子的組蛋白H2A、H2B、H3和H4形成八聚體的核心組蛋白。圖2-9DNA折疊、盤繞形成高度有序和致密的染色體2.2.4DNA的功能DNA的基本功能是作為生物遺傳信息的攜帶者，是基因復(fù)制和轉(zhuǎn)錄的模板，并通過DNA的堿基序列決定蛋白質(zhì)的氨基酸順序。DNA是生命遺傳的物質(zhì)基礎(chǔ)，也是個(gè)體生命活動(dòng)的信息基礎(chǔ)。遺傳信息以基因的形式存在，基因（gene）是DNA分子中的特定區(qū)段。一個(gè)生物體的全部DNA序列稱為基因組，有些病毒的基因組是RNA序列。2.3RNA的結(jié)構(gòu)與功能RNA的一級結(jié)構(gòu)是指RNA分子中核苷酸從5′-末端到3′-末端的排列順序。RNA通常以一條核苷酸鏈的形式存在，但可以通過鏈內(nèi)的堿基配對形成局部雙螺旋，從而形成莖環(huán)狀的二級結(jié)構(gòu)和特定的三級結(jié)構(gòu)。對細(xì)胞中全部RNA分子的結(jié)構(gòu)與功能進(jìn)行系統(tǒng)的研究，從整體水平闡明RNA的生物學(xué)意義即RNA組學(xué)。2.3.1mRNA的結(jié)構(gòu)與功能1960年，法國科學(xué)家雅各布（F.Jacob）和莫諾德（J.Monod）等人用放射性核素示蹤實(shí)驗(yàn)證實(shí)，一類大小不一的RNA才是蛋白質(zhì)在細(xì)胞內(nèi)合成的模板，后來這類RNA又被確認(rèn)是在核內(nèi)以DNA為模板合成的，然后轉(zhuǎn)移至細(xì)胞質(zhì)內(nèi)。這類RNA被命名為信使RNA（mRNA）。mRNA占細(xì)胞總RNA的2%～5%，代謝非常活躍，真核生物mRNA的半壽期很短，從幾分鐘到數(shù)小時(shí)不等。在細(xì)胞核內(nèi)初合成的RNA分子比成熟的mRNA大得多，分子大小不一，故被稱為不均一核RNA。hnRNA是mRNA的前體，在細(xì)胞核內(nèi)存在的時(shí)間極短，經(jīng)剪接、加工轉(zhuǎn)變?yōu)槌墒斓膍RNA。mRNA的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)如下：1.帽子結(jié)構(gòu)真核生物mRNA的5′-末端有特殊的帽子結(jié)構(gòu)，大部分真核細(xì)胞mRNA的5′-末端都以7-甲基鳥苷三磷酸（m7Gppp）為起始結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)稱為帽子結(jié)構(gòu)，如圖2-10所示。mRNA的帽子結(jié)構(gòu)對mRNA從細(xì)胞核向細(xì)胞質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)、與核糖體結(jié)合、與翻譯起始因子結(jié)合及mRNA穩(wěn)定性的保持等均起重要作用。圖2-10真核生物mRNA5′-末端帽子結(jié)構(gòu)2.多聚腺苷酸尾真核生物mRNA的3′-末端有數(shù)十至數(shù)百個(gè)由腺苷酸連接而成的多聚腺苷酸結(jié)構(gòu)，稱為多聚腺苷酸尾或多聚A尾目前認(rèn)為，3′多聚A尾結(jié)構(gòu)和5′帽子結(jié)構(gòu)共同負(fù)責(zé)mRNA從核內(nèi)向細(xì)胞質(zhì)轉(zhuǎn)移、維系mRNA的穩(wěn)定性及翻譯起始的調(diào)控。3.遺傳密碼子mRNA的功能是把核內(nèi)DNA的堿基順序按照堿基互補(bǔ)原則抄錄并轉(zhuǎn)移到細(xì)胞質(zhì)中，再依照自身的堿基順序指導(dǎo)蛋白質(zhì)合成過程中的氨基酸順序，也就是為蛋白質(zhì)的生物合成提供直接模板，即每3個(gè)相鄰的核苷酸組成堿基三聯(lián)體，代表一種氨基酸，這種堿基三聯(lián)體稱為遺傳密碼子。2.3.2tRNA的結(jié)構(gòu)與功能已完成一級結(jié)構(gòu)測定的100多種轉(zhuǎn)運(yùn)RNA（tRNA）都是由74～95個(gè)核苷酸組成的，約占細(xì)胞總RNA的15%。tRNA具有較好的穩(wěn)定性，所有tRNA具有以下結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：1.稀有堿基tRNA含有多種稀有堿基，占所有堿基的10%～20%，包括二氫尿嘧啶（DHU）、假尿嘧啶（）、次黃嘌呤（I）和甲基化的嘌呤（如mG，mA）等，它們均是轉(zhuǎn)錄后修飾而成的，如圖2-11所示。圖2-11tRNA分子中的稀有堿基2.環(huán)狀結(jié)構(gòu)tRNA的核苷酸中存在一些能形成互補(bǔ)配對的區(qū)域，可以形成局部雙螺旋，呈莖狀。中間不能配對的部分則膨出形成環(huán)狀結(jié)構(gòu)。這些莖環(huán)結(jié)構(gòu)又稱發(fā)夾結(jié)構(gòu)。發(fā)夾結(jié)構(gòu)的存在使得tRNA的二級結(jié)構(gòu)形似三葉草，如圖2-12所示。圖2-12tRNA的二級結(jié)構(gòu)3.“L”形結(jié)構(gòu)tRNA具有共同的倒“L”形三級結(jié)構(gòu)，一端為氨基酸臂，另一端為反密碼環(huán)。L形的拐角處是DHU環(huán)和TC環(huán)，如圖2-13所示。圖2-13tRNA的三級結(jié)構(gòu)4.作為各種氨基酸的載體所有tRNA的3′-末端都是以CCA結(jié)束的，氨基酸可以通過酯鍵連接在最后一個(gè)核苷酸的核糖的2′-OH或3′-OH上。不同的tRNA可以結(jié)合不同的氨基酸，有的氨基酸只有一種tRNA作為載體，有的則有數(shù)種tRNA作為載體，這是由密碼子的簡并性決定的。010201012.3.3rRNA的結(jié)構(gòu)與功能核糖體RNA（rRNA）是細(xì)胞內(nèi)含量最多的RNA，占細(xì)胞總RNA的80%以上。01（2）核糖體是蛋白質(zhì)合成的場所，起裝配機(jī)的作用。在裝配過程中，無論是何種mRNA或tRNA，都必須與核糖體進(jìn)行結(jié)合，這樣氨基酸才能有序地魚貫而入，肽鏈合成才能啟動(dòng)和延伸。（1）原核生物含有3種rRNA，它們分別與不同的核糖體蛋白結(jié)合形成核糖體的大亞基和小亞基，其中23S與5SrRNA存在于大亞基，16SrRNA存在于小亞基。（3）不同來源的rRNA的堿基組成差別很大，但各種rRNA的核苷酸序列已經(jīng)測定完成，科學(xué)家據(jù)此推測出了它們的二級結(jié)構(gòu)和空間結(jié)構(gòu)。例如，真核生物18SrRNA的二級結(jié)構(gòu)呈花狀（見圖2-14），眾多的莖環(huán)結(jié)構(gòu)為核糖體蛋白的結(jié)合和組裝提供了結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。原核生物16SrRNA的二級結(jié)構(gòu)與真核生物18SrRNA的二級結(jié)構(gòu)極為相似。圖2-14真核生物的18SrRNA的二級結(jié)構(gòu)010203043.酸堿性質(zhì)核酸是兩性電解質(zhì)，含有酸性的磷酸基和堿性的堿基。因磷酸基的酸性較強(qiáng)，核酸分子通常表現(xiàn)為較強(qiáng)的酸性。2.4核酸的理化性質(zhì)與應(yīng)用2.4.1核酸的一般性質(zhì)2.溶解性DNA和RNA均屬于極性化合物，微溶于水，不溶于乙醇、乙醚、氯仿等有機(jī)溶劑。4.紫外吸收嘌呤和嘧啶都含有共軛雙鍵，因此，核苷、核苷酸、核酸都具有紫外吸收的特征。在中性條件下，其最大吸收峰在260nm附近。1.分子大小、黏度核酸是生物大分子，其大小常用堿基數(shù)b（單鏈）、堿基對數(shù)bp（雙鏈）表示。核酸為線性大分子，有非常高的黏度。2.4.2DNA的變性與復(fù)性1.變性DNA變性是指在某些理化因素的作用下，DNA雙鏈互補(bǔ)堿基對之間的氫鍵發(fā)生斷裂，使雙鏈DNA解鏈為單鏈的過程。引起DNA變性的因素有加熱、有機(jī)溶劑、酸、堿、尿素和酰胺等。在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)最常用的使DNA變性的方法是加熱。加熱使DNA解鏈過程中，更多的共軛雙鍵得以暴露，DNA在260nm處的吸光度增高，稱為增色效應(yīng)。如果在連續(xù)加熱的過程中以溫度相對于A260作圖，所得的曲線稱為解鏈曲線（見圖2-15）。從曲線中可以看出，DNA變性從開始解鏈到完全解鏈?zhǔn)窃谝粋€(gè)相當(dāng)窄的溫度范圍內(nèi)完成的。在DNA解鏈過程中，A260的值達(dá)到最大變化值的