《核酸的化学结构》PPT课件.ppt

第八章 核酸的化学结构,生物化学,概述 核酸的化学组成 DNA的结构 RNA的结构与功能 核酸的性质,教学内容,第一节 概述,核酸是重要的遗传物质 核酸的分类及分布 核酸的水解,教学内容,核酸(nucleic acid)是生物特有的重要的大分子化合物，广泛存在于各类生物细胞中，“种瓜得瓜，种豆得豆”的遗传现象即源于核酸上所携带的遗传信息。,一、核酸是重要的遗传物质,早在1868年，瑞士的一位年轻科学家Miescher(米歇尔)从外科绷带上脓细胞的细胞核中分离出了一种具有极强酸性的物质，它的含磷量之高超过任何当时已经发现的有机化合物，由于来源于细胞核，被称为“核素”。1889年，Altmann(奥特曼)将之纯化，并其中不含蛋白质成分称为“核酸”。,现在我们已有充分的事实证明，所有的生物无例外的都含有核酸，核酸是一切生物必定含有的正常成分。,二、核酸的种类、分布与功能,分类：核酸分为二大类核糖核酸(RNA)，脱氧核糖核酸(DNA)。 分布：多数细胞含有两种核酸，DNA主要存在于细胞核中，少量存在细胞核外；RNA则主要存在于细胞质中，少量存于在细胞核中；病毒只含有一种核酸，多数细菌病毒(噬菌体)属于DNA病毒 ，少数噬菌体属RNA病毒；植物病毒绝大部分为RNA病毒，少数为DNA病毒；动物病毒中，有的属DNA病毒 ，有的属RNA病毒 ；不含外壳蛋白类病毒，仅由RNA组成。 功能：对绝大多数生物而言DNA是遗传信息的贮存和携带者，在不含有DNA的RNA毒中，RNA是遗传物质；RNA的主要功能是参与遗传信息的表达。,三、核酸的水解,核酸分子很大，但可在酸、碱和酶的催化下逐步降解，所以可以通过分离鉴定降解的中间产物和最终产物，来分析核酸的组成成分以及这些成分的相互关系。,核酸,核苷酸,核苷,磷酸,碱基,戊糖,核酸逐步降解的过程：,核酸是由核苷酸组成的，核苷酸是组成核酸的基本结构单位。核酸是由几百甚至几千万个核苷酸聚合而成的生物大分子，称为多聚核苷酸。而碱基、戊糖和磷酸则是组成核酸的基本组分。,部分水解产物,完全水解产物,第二节 核酸的化学组成,碱基、戊糖和磷酸 核苷 核酸的基本结构单位核苷酸 核酸分子中核苷酸的连接方式,教学内容,从化学的角度看， 核酸是核苷酸的多聚体。而核苷酸又是由更小的分子碱基、戊糖和磷酸组成。,一、核酸的基本组分 碱基、戊糖和磷酸,DNA与RNA在组分上的差异,碱基：核酸中的碱基有两类：嘌呤碱和嘧啶碱。它们是含氮的杂环化合物，所以称为碱基，也称含氮碱。,嘌呤碱,嘧啶碱,腺嘌呤(A) 鸟嘌呤(G),胞嘧啶(C) 尿嘧啶(U) 胸腺嘧啶(C),碱基的结构特征： 核酸中的碱基都含N的杂环化合物，嘌呤环和嘧啶环均呈平面或接近于平面的结构。由于存在共轭双键，故在250-280nm处有紫外吸收光谱，最大吸收峰在260nm处。 核酸中五种碱基中的酮基和氨基，均位于碱基环中氮原子的邻位，可以发生酮式-烯醇式或氨基-亚氨基之间的结构互变。这种互变异构在基因的突变和生物的进化中具有重要作用。,核酸稀有碱基：除上述5种基本的碱基外，核酸中还有一些含量稀少的碱基，通常称为稀有碱基。这些碱基大多是在上述嘌呤或嘧啶碱的不同部位甲基化或进行其它的化学修饰而形成的衍生物，因此也称之为修饰碱基。,戊糖和磷酸： 核酸中的戊糖有核糖和脱氧核糖两种，分别存在于核糖核苷酸和脱氧核糖核苷酸中。核酸中两种戊糖都是以-呋喃环形结构存在，不具有直链醛型结构。 核酸是含磷的生物大分子，DNA和RNA分子中都含有一定量的磷酸，所以核酸呈酸性，可与Na+、多胺、组蛋白结合。核酸中的磷酸参与形成3,5-磷酸二酯键，使核酸连成多核苷酸链。,核苷由戊糖和碱基缩合而成，并以糖苷键连接。糖环上的C1与嘧啶碱的N1或与嘌呤碱的N9相连接。所以糖与碱基之间的连键是NC键，称为N-糖苷键。糖环中C1是不对称碳原子，所以有-和-两种构型。但核酸分子中的糖苷键均为-糖苷键。 应用X-光衍射分析证明，核苷中的碱基与糖环平面互相垂直。,二、核苷,核苷的类别及名称： 根据组成核苷的戊糖不同，分成核糖核苷与脱氧核糖核苷两大类。,常见核苷的名称及代表符号,三、核酸的基本结构单位 核苷酸,核苷酸是核苷的磷酸酯，由嘌呤碱或嘧啶碱、核糖或脱氧核糖和磷酸所组成。含核糖的核苷酸称核糖核苷酸，含脱氧核糖的核苷酸称脱氧核糖核苷酸。,常见核苷酸的名称及代表符号,核苷酸的结构：,细胞中的游离核苷酸及其衍生物 除了上述存在于RNA和DNA中的核苷酸外，生物体细胞中还有一些以游离形式存在的核苷酸,它们在生物体中具有非常重要的生物学功能。,核苷的多磷酸化合物： 生物体内 AMP可进一步磷酸化形成ADP和ATP。其它单核苷酸也可以和腺苷酸一样磷酸化。它们在生物体内具有重要和生物学功能。 环化核苷酸 ： 在生物细胞中，还存在着环化核苷酸，其中研究得最多的是3,5-环腺苷酸(cAMP)和 3,5-环鸟苷酸(cGMP)。它是由核苷酸上的磷酸与核糖的3,5碳原子形成双酯环化而成。 核苷酸的衍生物 ： 生物体中还存在着一些核苷酸的衍生物，它们在生物体中作为辅酶或辅基参与代谢作用。,ADP和ATP在生物体能量转换中的重要作用,四、核酸分子中核苷酸的连接方式,构成核酸大分子的基本单位是核苷酸，很多实验证明DNA和RNA都是没有分支的多核苷酸长链。,3,5 -磷酸二酯键,主链、侧链和末端 在核酸的多核苷酸链中，核苷酸与核苷酸之间的连接是通过磷酸核糖残基（戊糖和磷酸）通过共价键连接起来的，称为主链；核苷酸上所带的各种碱基可以看成是连系在核酸主链上的侧链基团。 DNA和RNA中的磷酸二酯键在主链中都有相同的取向，因此线型DNA或RNA具有极性，并有独特的5或3末端。,多核苷酸链的简写式,字符式：书写一条多核苷酸链时，用英文大写字母缩写符号代表碱基，用小写英文字母P代表磷酸残基。核酸分子中的糖基、糖苷键和酯键等均省略不写，将碱基和磷酸相间排列即可。书写时一般从5碳位写起到3碳位结束 。 线条式：在字符书写基础上，以垂线(位于碱基之下)和斜线(位于垂线与之间)分别表示糖基和磷酸酯键。,5pApCpTpTpGpApApCpG3 5pApCpUpUpGpApApCpG3 此式可进一步简化为： 5pACTTGAACG3 5pACUUGAACG3,第三节 DNA的结构和性质,DNA分子的大小及碱基组成 DNA的一级结构 DNA的二级结构 DNA的三级结构,教学内容,一、DNA分子的大小及碱基组成,核酸是生物大分子：天然DNA分子最显著的特点是分子质量很大，一般在1061011。不同的生物DNA分子的大小是不同。,不同的生物DNA分子的大小,DNA的碱基组成： Chargaff定律： 19491951年间，Chatgaff应用紫外分光光度法结合纸层析等技术，对不同来源的DNA进行了碱基定量分析， 得出了组成DNA的四种碱基的比例关系，即A、T、G、C四种碱基在DNA分子中的摩尔比例都接近为1，也称为碱基当量定律。,不同生物来源的DNA四种碱基比例关系,DNA碱基组成的特点： 具有种的特异性。来自不同种生物的DNA其碱基组成不同，而且种系发生愈接近的生物，其碱基组成也愈接近。 没有器官和组织的特异性。在同一生物体内的各种不同器官和组织的DNA碱基组成基本相似。 在各种DNA中腺嘌呤与胸腺嘧啶的摩尔数相等，即AT，鸟嘌呤与胞嘧啶(包括5甲基胞嘧啶)的摩尔数相等，即GC+m5C；因此嘌呤碱基的总摩尔数等于嘧啶碱基的总数，即A+GT+C+m5C，这个碱基摩尔比例规律称为DNA的碱基当量定律。 此外，年龄、营养状况、环境的改变不影响DNA的碱基组成。 这些发现不仅为DNA能携带遗传信息的论点提供了依据，而且为DNA 结构模型中的碱基配对原则奠定了基础。,二、DNA的一级结构,核酸是由很多单核苷酸聚合形成的多聚核苷酸。DNA的一级结构是指DNA分子中核苷酸的排列顺序，DNA顺序(或序列)是这一概念的简称。由于核苷酸之间的差异仅仅是碱基的不同，故可称为碱基顺序。 生物世界里形形色色的遗传信息都包含在组成DNA的A,G,C,T这四种核苷酸的排列顺序之中。DNA分子中不同排列顺序的DNA区段构成特定的功能单位，这就是基因，不同基因的功能各异，各自分布在DNA的一定区域。,三、DNA的二级结构,DNA的二级结构就是DNA的双螺旋结构，它是于1953年两个年青的科学家Watson和Crick建立的。 这是一个能够从分子水平上阐明遗传基本特征的DNA二级结构，它使长期以来神秘的DNA成为了真实的分子实体。这是分子生物学诞生的标志，并开拓了生物化学和分子生物学发展的未来。,DNA双螺旋结构的主要依据：,Chatgaff 对DNA碱基组成的研究结果：即A=T和C=G，为DNA 结构模型中的碱基配对原则奠定了基础。 Wilkins及其同事Franklin等用X射线衍射方法获得的DNA结构资料：X射线衍射技术是一种在原子水平上间接观测晶体物质的分子结构的方法。这个研究小组制备的高度定向的DNA纤维晶体能够得到精确反映DNA某些结构特征的X 射线衍射图片,其影像表明了DNA结构的螺旋周期性,碱基的空间取向等。这些资料对Watson和Crick构建DNA双螺旋结构模型起了关键性作用。 四种碱基的物化数据表明A与T、C与G配对时，两个碱基对的大小相近，化学合理。因为它们的酮基与氨基及其键长、键角表明这两个碱基对之间适合形成氢键。酸碱滴定也表明DNA中氨基和酮基间能形成氢键，这也为双螺旋模型的建立提供了一定的依据。,DNA双螺旋结构的要点,主干链反向平行：DNA分子是一个由两条平行的脱氧多核苷酸链围绕同一个中心轴盘曲形成的右手螺旋结构，两条链行走方向相反，一条链为53走向，另一条链为35走向。磷酸基和脱氧核糖基构成链的骨架，位于双螺旋的外侧；碱基位于双螺旋的内侧。碱基平面与中轴垂直。 侧链碱基互补配对：两条脱氧多核苷酸链通过碱基之间的氢键连接在一起。碱基之间有严格的配对规律：A与T配对，其间形成两个氢键；G与C配对，其间形成三个氢键。这种配对规律，称为碱基互补配对原则。每一碱基对的两个碱基称为互补碱基，同一DNA分子的两条脱氧多核苷酸链称为互补链。 大沟与小沟：大沟与小沟分别指双螺旋表面凹下去的较大沟槽和较小沟槽。小沟位于双螺旋互补链之间，而大沟位于相毗邻的双股之间。 结构参数：DNA双螺旋的直径为2nm，一圈螺旋含10个碱基对，每一碱基平面间的轴向距离为0.34nm，故每一螺旋的螺距为3.4nm，每个碱基的旋转角度为36,主干链反向平行,侧链碱基互补配对,大沟与小沟,结构参数,维持DNA双螺旋稳定的因素,碱基堆积力；DNA分子内部碱基对疏水的芳环堆积所产生的疏水作用力和上下相邻的芳环的电子的相互作用即称为碱基堆积力，这是维持DNA双螺旋最主要的作用力。 两条多核苷酸链间的互补碱基对之间的H键作用。 主链上带负电荷的磷酸基与溶液中的阳离子之间形成的离子键也是维持双螺旋结构的作用力。,DNA双螺旋结构的重要意义 碱基配对是DNA结构中最重要的特征之一，由于碱基配对总是A对T，G对C。因此两条链之间的碱基顺序是互补的，即一条链的一侧为A时，另一条链的对应位置定为T，一条链的一侧为G时，另一条链的对应位置一定为C，因此从一条链的碱基顺序，就可以推知另一条链的碱基顺序。由于这两条链具有互补的碱基顺序，故相互间称为互补链，此规律是阐明遗传信息传递的关键。 可见，DNA双螺旋模型的提出，不仅在理论上能圆满地解释DNA是遗传和变异的物质基础，还清楚地表明DNA怎样复制和传递信息，而且很快被科学家们的实验所证实。,DNA双螺旋的构象类型,B-DNA与-型DNA：Watson和Crick提出的DNA双螺旋结构是DNA钠盐纤维在相对湿度为92时所处的状态，称为B-DNA。当DNA钠盐纤维在相对湿度为75%时，则以A-DNA的状态存在。A-DNA也是右手螺旋，但它们的双螺旋结构的螺旋距离以及碱基平面与中心轴间的关系等方面与B-DNA是有差异的。 右旋DNA与左旋DNA：B-DNA和A-DNA都是右手螺旋，但在某些特定的核苷酸顺序条件下，会有左手螺旋存在。1979年，美国麻省理工学院的Rich及王连君等人用x射线衍射分析了人工合成的d(CGCGCG) DNA小片段晶体，发现形成的是左手螺旋。由于左旋DNA中磷原子的走向呈锯齿形(zig-zag)被称之为Z-DNA。,三种DNA双螺旋构象,三种DNA双螺旋构象参数比较,四、DNA的三级结构,DNA三级结构是指DNA分子在二级结构的基础上进一步扭曲和折叠所形成的特定构象。包括线形双链中的扭结、超螺旋、多重螺旋等多种形式。 超螺旋是DNA三级结构的最常见的形式。环状分子、线形双螺旋分子两端连接起来或因蛋白质结合而固定时，进一步扭曲都可形成超螺旋。,原核生物的超螺旋DNA的形成： 绝大部分原核生物的DNA都是共价封闭的环状双螺旋分子，这种双螺旋分子还需再次螺旋化形成超螺旋结构。,如一细菌环型双链DNA共含250bp，它应形成25圈螺旋(连锁数L=25)。现在，如切割其骨架中的任一磷酸二酯键，它就转变为含同数碱基对的线型B-DNA。如使所形成的线型DNA的一端固定另一端向左放松2圈(L=23)，然后再使两端重新闭合，由于B-DNA是一种在能力学上稳定的结构，螺旋数的减少就使其转变为一种受力状态。 分子所经受的张力可以按两种方式分布：一种方式是分子保留一单链区，其余部分仍保持B-DNA状态；另一种方式是形成超螺旋，超螺旋的形成使已放松的双螺旋分子的碱基对接近于B-DNA中的状态。,L=T+W,负超螺旋和正超螺旋： 超螺旋有负超螺旋和正超螺旋两种形式。双螺旋DNA处于松驰状态时所形成的超螺旋为负超螺旋(右手超螺旋)，处于拧紧状态时所形成的超螺旋为正超螺旋(左手超螺旋) 。 天然的DNA都呈负超螺旋，但在体外人工条件下可得正超螺旋。,DNA超螺旋的意义 自然界中绝大多数DNA分子都是以负超螺旋结构存在，其意义在于：,在结构上与线性DNA或松弛型环状DNA相比，有密度大、体积小等特点，在细胞中所占体积较为经济。 超螺旋能影响双螺旋的解链程度，因而影响DNA分子与其他分子，如酶、蛋白质等分子的相互作用，参与DNA复制、重组、转录等重要功能。,真核生物的染色质DNA： 真核生物中，构成染色质的基本单位是核小体。 核小体由核小体核心和连接区组成。核小体核心由组蛋白八聚体(由H2A、H2B、H3、H4各两分子组成)和盘绕其上的一段约含146碱基对的DNA双链组成，连接区含有组蛋白H1和一小段DNA双链(约60个碱基对)。 核小体彼此相连成串珠状染色质细丝，染色质细丝螺旋化形成染色质纤维，后者进一步卷曲、折叠形成染色单体。这样，DNA的长度被压缩近万倍。,五、DNA的性质,DNA的一般物理性质： 溶解特性：DNA为白色纤维状固体，微溶于水，呈酸性，加碱可促进溶解。但不溶于乙醇、乙醚和氯仿等一般有机溶剂，因此常用有机溶剂(如乙醇)来沉淀DNA。 分子的形状及粘度：DNA分子极为细长，因此DNA溶液的粘度很大，加入乙醇后可用玻璃棒将黏稠的DNA搅缠起来。 刚性： DNA溶液是呈黏稠状，但DNA双螺旋结构实际上显得僵直具有刚性，经不起剪切力的作用，容易断裂成碎片，这也是目前难以获得完整大分子DNA的原因。 降解：溶液状态的DNA易受DNA酶的作用而降解，抽干水分的DNA的性质却十分稳定。,DNA的紫外吸收性质 DNA分子中的嘌呤碱基和嘧啶碱基具有共轭体双键，对260290nm波段的紫外光有极强的吸收，其最高吸收峰接近260nm。由于蛋白质在这一光区仅有很弱的吸收，因此可利用这一光学特性来定量地检测DNA。 DNA在260nm处的光吸收值比组成它的各种核苷酸的光吸收值要小得多(约少30%40%)，这是因为DNA分子中的碱基紧密地堆积在一起造成的。,DNA的变性与复性 天然DNA在某些理化因素 (如加热、加酸碱、加乙醇、丙酮、尿素等有溶剂)的作用下，分子中原有规律的双螺旋结构变成单链的无规律的“线团”，这就是DNA的变性。 若仅仅是DNA分子某些部分的两条链分开，称为部分变性。当两条链完全分开时，则是完全变性。 DNA的变性是DNA分子空间结构的变化，并不涉及一级结构，所以变性后的核酸分子量不变。 变性DNA的两条互补链在适当条件下重新缔合成双螺旋的过程称为复性。,增色效应与减色效应： 变性后的DNA除了生物活性的丧失外，同时也表现出一系列物理化学性质的改变，如粘度下降、浮力密度增高和260nm紫外吸收值明显增加等特点。 DNA变性后在260 nm处的紫外吸收有显著升高的现象称为增色效应。这是跟踪测定DNA变性的一种最为简便的方法。 复性后的DNA分子不仅生物学活性可以得到恢复或部分恢复，物理化学性质也可得到恢复， 260nm紫外吸收值明显降低，称为减色效应。,DNA加热变性与Tm： DNA的加热变性，不是随着温度升高逐渐发生的，而是当温度达到某一数值时，在一个很窄的温度范围内突然发生并迅速完成的，就象晶体物质达到熔点时突然融化一样。因此DNA的热变性也称为熔解。,图表示的是小牛胸腺DNA热变性时，在不同温度下测定A260值，可以得到一条S形曲线，称热变性曲线或解链曲线。当A260升高达到最大值一半时的温度称熔解温度，用Tm表示。Tm又称解链温度或熔点。,影响Tm的因素： DNA分子中碱基的组成：Tm的大小是与DNA分子中G+C含量有关的。当分析测定了不同来源DNA的G+C和Tm后得知G+C愈高的DNA，Tm值也越高。 介质离子强度：溶液中离子强度，低则Tm降低，离子强度高Tm也升高。所以，保存DNA制品，应该在较高离子强度的缓冲液(约lmolL的NaCl溶液)中为好。 DNA的均一性：DNA样品如果组分均一，则变件过程在一个窄的温度范围内发生。当DNA组分不均一，则熔程宽，变性发生在一个较宽的温度范围内。,不同碱基的组成的DNA分子Tm,0.15mol/LNaCl溶液中，经验公式：(G+C)%=(Tm69.3)2.44,DNA复性与分子杂交： DNA热变性时，两条链是分开的，如果将此热溶液缓慢冷却(称为退火处理)，则可重新组合成双螺旋，这一过程叫做复性。 当不同来源的变性DNA单链，若有互补碱基序列，经退火处理也可形成杂合的双螺旋分子，这个过程称为分子杂交。杂交的双链螺旋分子称杂交分子。,第四节 RNA的分子结构,RNA的结构特征 mRNA、tRNA和rRNA的结构与功能,教学内容,一、RNA的结构特征,RNA主要是由腺苷酸、鸟苷酸、胞苷酸、尿苷酸四种核苷酸组成，它们按照一定的顺序连接成多聚核苷酸链就是RNA的一级结构。 RNA的碱基组成不象DNA那样有严格的规律，根据RNA的某些理化性质和X射线衍射分析证明大多数天然RNA分子是一条单链，单链RNA分子可通过自身反向折叠，A与U配对，G与C配对，形成链内氢键，构成如DNA那样的双螺旋，而不能配对的碱基则形成环状突起。所以RNA的二级结构称为“发夹”或“茎环”结构。,二、mRNA、tRNA和rRNA的 结构与功能,RNA普遍存在于各种生物的细胞中，种类很多，信使RNA(mRNA)，核糖体RNA(rRNA)和转移RNA(tRNA) ，他们都参与蛋白质的生物合成。此外还有许多小RNA，如核内小RNA(snRNA)，反义RNA(asRNA)等，不同种类的RNA结构与功能各不相同。,tRNA的结构与功能 tRNA是以游离状态存在于细胞质中一种分子较小的RNA，占细胞中RNA总量的15%，由核内形成并迅速加工后进入细胞质，它在蛋白质生物合成中的作用是运转氨基酸。,tRNA的一级结构 所有tRNA都是单链分子，一般由7493个核苷酸组成，大部分为76个核苷酸；单链的tRNA的通过碱基配对折叠成三叶草形的二级结构； 所有tRNA的3-末端都含有-CCA三个末成对的核苷酸； tRNA的稀有碱基含量非常丰富，约有70余种。每个tRNA中修饰