生物化學(xué)章核酸化學(xué)

生物化學(xué)章核酸化學(xué)第1頁/共67頁第一節(jié)核酸的化學(xué)組成第二節(jié)DNA的結(jié)構(gòu)與功能第三節(jié)RNA的結(jié)構(gòu)與功能

第四節(jié)核酸的性質(zhì)第三章核酸化學(xué)第2頁/共67頁學(xué)習(xí)目標(biāo)1、掌握核酸的化學(xué)組成、核苷酸的組成、DNA與RNA的結(jié)構(gòu)與功能、核酸的理化性質(zhì)、DNA的變性。2、熟悉核小體的組成、核酸分子的雜交、基因與基因組。3、了解核酸的分離提純及定量測定，鑒定核酸樣品中核酸的純度。第3頁/共67頁第三章核酸化學(xué)什么是核酸？是由若干核苷酸組成的生物大分子，又稱為多聚核苷酸。攜帶和傳遞遺傳信息，是生命遺傳的物質(zhì)基礎(chǔ)。第4頁/共67頁分類存在作用脫氧核糖核酸（DNA）細(xì)胞核（主要）、線粒體遺傳信息的載體核糖核酸（RNA）細(xì)胞質(zhì)、細(xì)胞核和線粒體1、參與遺傳信息的傳遞和表達(dá)；2、某些病毒RNA可作為遺傳信息的載體，3、生物催化劑：核酶分類及作用第5頁/共67頁第一節(jié)核酸的化學(xué)組成第6頁/共67頁一、元素組成主要含有C、H、O、N、P等。

其中P含量較恒定，為9%～10%，為核酸的特征性元素，可用于核酸定量分析。

一般不含S元素第7頁/共67頁二、核酸基本組成單位——核苷酸核酸核苷酸磷酸核苷戊糖堿基水解第8頁/共67頁DNA的基本組成單位是什么？脫氧核糖核苷酸RNA的基本組成單位是什么？核糖核苷酸第9頁/共67頁核苷酸的基本組成成分1.磷酸（H3PO4）

磷酸為酸性物質(zhì)，可與戊糖以磷脂鍵相連。

定磷法：通過測定P元素的含量計(jì)算核酸的含量。第10頁/共67頁2.戊糖β-D-核糖β-D-2-脫氧核糖存在于RNA中存在于DNA中H第11頁/共67頁3.堿基基本結(jié)構(gòu)是含氮的雜環(huán)化合物；分為嘌呤和嘧啶。

堿基嘌呤

嘧啶腺嘌呤（A）鳥嘌呤（G）胞嘧啶（C）胸腺嘧啶（T）尿嘧啶（U）DNA、RNA均有DNA有RNA有第12頁/共67頁嘌呤腺嘌呤(adenine,A)鳥嘌呤(guanine,G)第13頁/共67頁嘧啶胞嘧啶(cytosine,C)尿嘧啶(uracil,U)胸腺嘧啶(thymine,T)第14頁/共67頁每種核酸都含有四種堿基：DNA含有A、G、C、TRNA含有A、G、C、U另外

除上述堿基外，核酸分子中還含有極少量的堿基稱為稀有堿基，如次黃嘌呤、二氫尿嘧啶、5-甲基胞嘧啶、5-羥基胞嘧啶等。第15頁/共67頁4、核苷堿基核糖核糖核苷存于RNA堿基脫氧核糖脫氧核糖核苷存于DNA糖苷鍵糖苷鍵第16頁/共67頁HHN2O112OHOHHCH2ONNHHH脫氧胞嘧啶核苷NNNN9NH2OOHOHHHHCH2OHH1'2'糖苷鍵腺嘌呤核苷糖苷鍵第17頁/共67頁核苷酸磷酸核糖核苷磷酸脫氧核糖核苷核糖核苷酸（NMP）脫氧核糖核苷酸（dNMP）酯鍵酯鍵DNA基本單位RNA基本單位AMP、GMP、UMP、CMPdAMP、dGMP、dTMP、dGMP第18頁/共67頁戊糖磷酸堿基自然界游離核苷酸主要以5’-核苷酸形式存在第19頁/共67頁多磷酸核苷酸NMP、NDP、NTPdNMP、dNDP、dNTP脫氧核苷一、二、三磷酸其中：N代表核苷或者脫氧核苷；M、D、T分別代表“一、二、三”根據(jù)磷酸基團(tuán)數(shù)目的不同核苷一、二、三磷酸第20頁/共67頁脫氧核糖核苷酸根據(jù)磷酸基團(tuán)數(shù)量不同分一磷酸脫氧核糖核苷（dNMP）二磷酸脫氧核糖核苷（dNDP）三磷酸脫氧核糖核苷（dNTP）核糖核苷酸根據(jù)磷酸基團(tuán)數(shù)量不同分一磷酸核苷（NMP）二磷酸核苷（NDP）三磷酸核苷（NTP）其中：N代表核苷或者脫氧核苷；M、D、T分別代表“一、二、三”二、核酸基本組成單位——核苷酸第21頁/共67頁

環(huán)化核苷酸:cAMP，cGMP第22頁/共67頁1.是核酸的基本組成單位；2.ATP是生物體能量的直接供應(yīng)體：

ATPADP+Pi+能量3.構(gòu)成多種輔酶：如NAD、CoA等；4.物質(zhì)代謝調(diào)節(jié)中的第二信使，如cAMP、cGMP。核苷酸的生理功能第23頁/共67頁三、核酸中核苷酸的連接方式第24頁/共67頁核苷酸之間以3,5-磷酸二酯鍵連接形成多核苷酸鏈，即核酸。CGA第25頁/共67頁每條鏈有兩端5’-末端帶游離磷酸基3’-末端帶游離羥基書寫方式：左向右，5’-末端寫在左側(cè)，3’-末端寫在右側(cè)第26頁/共67頁戊糖3`-OH5`-磷酸PA核苷酸5`3`首端末端PPPPPP

AGCTGCOH線條式5’pApGpCpTpG3’5’AGCTG3’堿基：用單字母

豎線：核糖碳鏈磷酸基團(tuán)：P

P與斜線：3’,

5’-磷酸二酯鍵書寫方法第27頁/共67頁小于50個(gè)核苷酸殘基組成的核酸，稱為寡核苷酸，大于50個(gè)稱為多核苷酸。RNA多聚核苷酸鏈DNA多聚脫氧核苷酸鏈第28頁/共67頁DNA與RNA的區(qū)別核酸堿基戊糖DNAA、G、C、T脫氧核糖RNAA、G、C、U核糖第29頁/共67頁

一級(jí)結(jié)構(gòu)

二級(jí)結(jié)構(gòu)

三級(jí)結(jié)構(gòu)第二節(jié)DNA的結(jié)構(gòu)與基因組

一、DNA的分子結(jié)構(gòu)第30頁/共67頁（一）DNA的一級(jí)結(jié)構(gòu)定義：指DNA分子中脫氧核苷酸的排列順序，即核苷酸序列。由于核苷酸間的差異主要是堿基不同，所以又稱為堿基序列或堿基排列順序。主要化學(xué)鍵：3’，5’-磷酸二酯鍵如果堿基順序發(fā)生變化，其生物學(xué)順序就會(huì)發(fā)生改變。第31頁/共67頁DNA攜帶的遺傳信息有兩類：1.有功能活性的DNA序列攜帶的信息。2.調(diào)控信息：能夠被各種蛋白質(zhì)分子特異性識(shí)別和結(jié)合。第32頁/共67頁（二）DNA的二級(jí)結(jié)構(gòu)

雙螺旋結(jié)構(gòu)：主要指兩條多核苷酸鏈反向平行盤繞所形成的雙螺旋結(jié)構(gòu)。第33頁/共67頁Watson

Crick雙螺旋結(jié)構(gòu)研究背景1951年富蘭克林獲得高質(zhì)量的DNA分子X線衍射照片；1953年美國科學(xué)家沃森和英國科學(xué)家克里克提出DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)。第34頁/共67頁雙螺旋結(jié)構(gòu)的主要結(jié)構(gòu)特點(diǎn)1、兩條鏈反向平行，右手螺旋；2、堿基互補(bǔ)配對(duì)：A=T（2個(gè)氫鍵）,G

C（3個(gè)氫鍵）；

3、雙螺旋穩(wěn)定因素：橫向氫鍵，縱向堿基堆積力。4、表面有大、小溝，蛋白質(zhì)結(jié)合的部位。5、螺旋直徑2nm，堿基位于內(nèi)側(cè)，每圈含10個(gè)堿基對(duì)，相鄰堿基間隔0.34nm，螺距為3.4nm。小溝大溝第35頁/共67頁Chargaff規(guī)則：①數(shù)量上：A=T,G=C②不同生物種屬的DNA堿基組成不同

③同一個(gè)體不同組織、器官的DNA具有相同的堿基組成第36頁/共67頁（三）DNA的三級(jí)結(jié)構(gòu)定義：指DNA在雙螺旋結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上進(jìn)一步盤旋扭曲形成更加復(fù)雜的超螺旋結(jié)構(gòu)。正超螺旋：盤旋方向與雙螺旋方向相同負(fù)超螺旋：盤旋方向與雙螺旋方向相反第37頁/共67頁第38頁/共67頁原核生物DNA超級(jí)結(jié)構(gòu)大多數(shù)原核生物ＤＮＡ都是環(huán)狀雙螺旋分子結(jié)構(gòu)，如細(xì)菌質(zhì)粒ＤＮＡ，還有某些病毒、噬菌體ＤＮＡ，真核生物細(xì)胞中的線粒體、葉綠體ＤＮＡ等都是環(huán)狀的，這些環(huán)狀ＤＮＡ多是負(fù)超螺旋結(jié)構(gòu)。第39頁/共67頁真核生物DNA的超級(jí)結(jié)構(gòu)真核生物染色體由DNA和蛋白質(zhì)構(gòu)成，其基本單位是核小體。

核小體：DNA雙鏈進(jìn)一步盤繞在以組蛋白為核心的結(jié)構(gòu)表面。核小體有組蛋白核心和盤繞在核心上的DNA構(gòu)成。

核心的組成：H2A、H2B、H3和H4各兩分子，形成八聚體。第40頁/共67頁第41頁/共67頁DNA的功能

DNA的基本功能是生物遺傳信息的攜帶者，并作為基因復(fù)制和轉(zhuǎn)錄的模板，其堿基序列決定氨基酸序列。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)。第42頁/共67頁★基因：指DNA分子中的特定區(qū)段，其中的核苷酸排列順序決定了基因的功能。能編碼有特定功能的蛋白質(zhì)或RNA，能負(fù)載遺傳信息?！锘蚪M：一個(gè)生物體的所有遺傳信息或全部基因序列的總和?！锶祟惢蚪M：包含了細(xì)胞核染色體DNA、線粒體DNA所攜帶的所有遺傳物質(zhì)。二、生物基因組學(xué)第43頁/共67頁基因的功能①荷載遺傳信息②傳遞遺傳信息③作為基因表達(dá)的模板第44頁/共67頁RNA的結(jié)構(gòu)第三節(jié)

RNA的結(jié)構(gòu)與功能RNA的一級(jí)結(jié)構(gòu)：多核糖核苷酸鏈中核苷酸的排列順序。主要化學(xué)鍵：3’，5’-磷酸二酯鍵RNA為一條多核苷酸鏈，有的堿基配對(duì)，有的不配對(duì)，可以螺旋，也可以不螺旋。RNA通常以單鏈形式存在，局部可有二、三級(jí)結(jié)構(gòu)第45頁/共67頁動(dòng)物細(xì)胞內(nèi)主要RNA的種類及功能功能核糖體組分蛋白質(zhì)合成模板轉(zhuǎn)運(yùn)氨基酸核糖體RNA信使RNA轉(zhuǎn)運(yùn)RNA細(xì)胞核和胞液rRNAmRNAtRNA第46頁/共67頁（一）信使RNAhnRNA（前提）

內(nèi)含子(intron)mRNA*mRNA成熟過程

外顯子(exon)mRNA的功能：作為蛋白質(zhì)合成的模板。剪接、加工第47頁/共67頁*mRNA結(jié)構(gòu)特點(diǎn)1.大多數(shù)真核mRNA的5′末端在轉(zhuǎn)錄后加上一個(gè)7-甲基鳥苷為起始結(jié)構(gòu)，形成帽子結(jié)構(gòu)：m7GpppNm-。2.大多數(shù)真核mRNA的3′末端有一個(gè)多聚腺苷酸（polyA）結(jié)構(gòu)，稱為多聚A尾。3、真核生物mRNA有編碼區(qū)和非編碼區(qū)。第48頁/共67頁5’-帽子結(jié)構(gòu)和3’-PolyA都有抗核酸外切酶降解的作用，即增加mRNA的穩(wěn)定性。5’-帽子結(jié)構(gòu)與蛋白質(zhì)翻譯起始有關(guān)，與mRNA核內(nèi)向胞質(zhì)轉(zhuǎn)移有關(guān)。帽子結(jié)構(gòu)與多聚A尾的功能第49頁/共67頁（二）轉(zhuǎn)運(yùn)RNA

tRNA的功能選擇性搬運(yùn)氨基酸到核糖體，參與蛋白質(zhì)的翻譯。第50頁/共67頁tRNA的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)1、單鏈小分子，由73-93個(gè)核苷酸組成。2、含稀有堿基較多：如二氫尿嘧啶（DHU）、假尿嘧啶（ψ）等。3、3′末端為—CCA-OH，結(jié)合、轉(zhuǎn)運(yùn)氨基酸部位。4、5′末端大多數(shù)為G，總是磷酸化。5、tRNA分子中約半數(shù)堿基可互相結(jié)合，形成雙螺旋，即tRNA的二級(jí)結(jié)構(gòu)，類似三葉草形。6、tRNA三級(jí)結(jié)構(gòu)呈倒“L”形。第51頁/共67頁*tRNA的二級(jí)結(jié)構(gòu)——三葉草形可變環(huán)不同tRNA堿基數(shù)目可變化結(jié)合rRNA、維持tRNA高級(jí)結(jié)構(gòu)第52頁/共67頁*tRNA的三級(jí)結(jié)構(gòu)——倒L形DHU環(huán)可變環(huán)TψC環(huán)第53頁/共67頁（三）核糖體RNA*rRNA的功能參與組成核糖體（rRNA+蛋白質(zhì)），核糖體作為蛋白質(zhì)生物合成的場所。核糖體包括大亞基和小亞基第54頁/共67頁除上述三種RNA外，真核細(xì)胞核內(nèi)還有非mRNA小RNA的RNA分子；主要包括核內(nèi)小RNA（snRNA），核仁小RNA（snoRNA）、胞質(zhì)小RNA（scRNA）、小片段干擾RNA（siRNA）等等。作用：RNA的轉(zhuǎn)錄后加工、轉(zhuǎn)運(yùn)以及基因表達(dá)的調(diào)控等。核酶：

具有催化活性的RNA，是一類生物催化劑，在RNA生物合成的剪接修飾中發(fā)揮重要作用。其他RNA第55頁/共67頁第三節(jié)核酸的理化性質(zhì)

一、核酸的一般性質(zhì)微溶于水，不溶于乙醇、乙醚和三氯甲烷（氯仿）等有機(jī)溶劑，在溶液中的粘度很高。主要組成元素：C、H、O、N、P（9%-10%），通過計(jì)算P的含量測定核酸含量。核酸為多元酸，具有較強(qiáng)的酸性；酸性條件下比較穩(wěn)定，堿性條件下易降解，具有兩性解離（酸性磷酸基，堿性堿基）；通過電泳或離子交換等分離純化核酸。屬于線性生物大分子，抗剪切力差。第56頁/共67頁二、核酸的紫外吸收性質(zhì)在260nm波長有最大吸收峰，記著OD260，是由嘌呤、嘧啶堿基的共軛雙鍵決定的。這一特性常用作核酸的定性、定量分析。DNA的紫外吸收光譜第57頁/共67頁（一）DNA變性

定義：指在某些理化因素作用下，DNA雙鏈之間的氫鍵發(fā)生斷裂，使雙鏈DNA解開為單鏈的過程。變性因素：加熱、強(qiáng)酸、強(qiáng)堿、有機(jī)溶劑等。變性后理化性質(zhì)的改變：粘度降低、紫外吸收值改變?nèi)?、核酸的變性、?fù)性和分子雜交第58頁/共67頁DNA變性本質(zhì)：雙鏈間氫鍵的斷裂，堿基堆積力被破壞，破壞DNA的二級(jí)結(jié)構(gòu)，但核苷酸的排列順序不變，即一級(jí)結(jié)構(gòu)不被破壞。第59頁/共67頁

增色效應(yīng)：在DNA變性過程中，解鏈導(dǎo)致更多的堿基中共軛雙鍵暴