核酸化学012012最新生物化学精品ppt课件

第五章 核酸化学,Nucleic Acids,第一节 概 述,一、 核酸的定义 核酸(nucleic acid):核酸是生物体内一类含有磷酸基团的生物大分子。 核酸以核苷酸为基本组成单位，携带和传递遗传信息。 二、核酸的作用：生物信息的储存和传递,三、染色体、DNA 、基因,基因是指在染色体上占有一定位置的遗传单位。,1944年，O.T.Avery的肺炎双球菌转化实验,夹膜致病肺炎球菌,证明DNA是遗传物质,(有毒)死细菌中的某种物质转移到(无毒)活细菌中，并使之具有毒性，导致小鼠死亡。 他将这种细菌遗传类型的转变称为转化，并将引起转化的物质称为转化因子(tranforming principle)。 转化因子是DNA。,1952，A.D Hershey 和M. Chase 噬菌体感染实验,启动于1990年，至2003年完成了基因组的精细图，测出了全部30亿对碱基中的99.9%。现已进入后基因组时代，其中很重要的一个方向就是疾病的基因诊断、基因治疗和基因工程药物的生产。,人类基因组计划,1869年 Fridrich Miescher从脓细胞中提取“核素” 1944年 Avery等人证实DNA是遗传物质 1953年 Watson和Crick发现DNA的双螺旋结构 1968年 Nirenberg发现遗传密码 1975年 Temin和Baltimore发现逆转录酶 1981年 Gilbert和Sanger建立DNA 测序方法 1985年 Mullis发明PCR 技术 1990年 美国启动人类基因组计划(HGP) 1994年 中国人类基因组计划启动 2001年 美、英等国完成人类基因组计划基本框架,四、核酸的发现和研究工作进展,1869年 核酸的发现,Friedrich Miescher是一位年轻的瑞士医生，1869年工作在德国生理化学家Felix Hoppe-Seyler的实验室，当时主要研究细胞核的化学成分。他从外科医院收集了一些废弃的外科绷带，洗下脓细胞，然后用盐酸处理，获得的细胞核用于研究核的化学成分。当用酸继续处理时有白色沉淀出现，沉淀中含碳、氢、氧、氮和高浓度的磷。先命名为核素，后发现它有很强的酸性，改称核酸。后来被证明是脱氧核糖核酸（DNA）。之后不久 Hoppe-Seyler从酵母中分离出一种类似的物质，即核糖核酸（RNA）。,1953年Wasten 和 Crick 提出DNA双螺旋结构模型。 该模型的建立说明了基因的 结构、信息和功能三者之间 的关系。它被认为是20世纪 自然科学中最伟大的成就之 一，它给生命科学带来深远 的影响，并为分子生物学的 发展奠定了基础。,五、核酸的化学组成,(deoxyribonucleic acid, DNA),(ribonucleic acid, RNA),脱氧核糖核酸,核糖核酸,90%以上分布于细胞核，其余分布于核外如线粒体，叶绿体，质粒等。,分布于胞核、胞液。,携带遗传信息，决定细胞和个体的基因型(genotype)。,参与细胞内DNA遗传信息的表达。某些病毒RNA也可作为遗传信息的载体。,1、核酸的分类及分布,2、核酸的种类及分布,核 酸,生命信息的遗传是DNA主要的使命,RNA 除在病毒和类病毒中起遗传作用外，它在细胞内还有多种功能,3、元素组成,主要元素组成： C、H、O、N、P(911%),与蛋白质比较，核酸一般不含S，而P的含量较为稳定，占9-11%。,4、基本构成单位：核苷酸(nucleotide),核苷酸由戊糖、磷酸和含氮碱三部分构成,核酸的水解产物：,两者均为构型,组成DNA 为-D-核糖,5、核酸中的糖戊糖,组成RNA 为-D-2-脱氧核糖,2. 脱氧核糖(deoxyribose),1. 核糖(ribose),戊糖与脱氧戊糖区别,注意：脱氧核糖的第二位C原子上连接的是H，而不是OH。 戊糖有D-型和L-型之分。由于C1是手性碳，又有-和-两种构型。核酸中的戊糖均为-D-型。,1,6、核酸中的碱基成分,碱基（base): 一类含氮的有机碱。碱基是含氮的杂环化合物嘧啶和嘌呤的衍生物。下图为嘧啶和嘌呤的骨架结构，图中所标的号码用于碱基的命名。 常见（标准）碱基有5种：3种嘧啶和2种嘌呤,腺嘌呤 (adenine, A ) 鸟嘌呤 (guanine, G ) 胞嘧啶 (cytosine, C ) 胸腺嘧啶(thymine, T ) 尿嘧啶 (uracil, U ),嘌呤(purine),嘧啶(pyrimidine),碱 基,腺嘌呤,鸟嘌呤,胞嘧啶,尿嘧啶,胸腺嘧啶,核苷 nucleoside,糖与碱基之间的C-N键，称为C-N糖苷键。,核糖核苷：AR, GR, UR, CR 脱氧核苷：dAR, dGR, dTR, dCR,7、核苷酸,肽键,核苷酸(ribonucleotide)的结构与命名,核苷和磷酸以磷酸酯键连接,2、稀有核苷酸：稀有碱基/核苷/核苷酸,3、核苷酸的其他形式,多磷酸核苷（NDP、NTP),环化核苷酸（cAMP、cGMP等）,辅酶或辅基（NAD、NADP、FAD、CoA等，均含有AMP），,活性代谢物（UDPG、CDP-胆碱，等）,1、核苷酸的组成：含氮碱基、戊糖和磷酸。,核苷酸的衍生物,ATP的性质,ATP 分子的最显著特点是含有两个高能磷酸键。ATP水解时, 可以释放出大量自由能。 ATP 是生物体内最重要的能量转换中间体。ATP 水解释放出来的能量用于推动生物体内各种需能的生化反应。 ATP 也是一种很好的磷酰化剂。磷酰化反应的底物可以是普通的有机分子，也可以是酶。磷酰化的底物分子具有较高的能量（活化分子），是许多生物化学反应的激活步骤。,GTP (鸟嘌呤核糖核苷三磷酸),GTP是生物体内游离存在的另一种重要的核苷酸衍生物。它具有ATP 类似的结构, 也是一种高能化合物。 GTP主要是作为蛋白质合成中磷酰基供体。在许多情况下, ATP 和 GTP 可以相互转换。,cAMP和cGMP,cAMP(3,5-环化腺苷酸)和cGMP(3,5-环化鸟苷酸)的主要功能是作为细胞的第二信使。 cAMP和cGMP的环状磷酯键是一个高能键。在pH7.4, cAMP和cGMP的水解能约为43.9 KJ/mol，比ATP水解能高得多。,核苷酸的命名及缩写符号,Mono-单，di-双，tri-,三,核苷酸的重要作用,第二节 核酸的结构,一、一级结构（primary structure）,一级结构是指核酸分子中核苷酸的排列顺序及连接方式。核苷酸的排列顺序代表了遗传信息。,1、核苷酸的连接方式： 3, 5磷酸二酯键,2、核酸的基本结构形式：多核苷酸链,首端： 5 端(游离磷酸基) 末端： 3端(游离羟基) 多核苷酸链的方向： 5端3端(由左至右),3、表示方法：结构式、线条式、 文字缩写,核酸共价结构的几种表示方法,（1）线条式：竖线戊糖 B 碱基 P 磷酸基,（2）字母缩写式：字母代表核苷或核苷酸 P在核苷之左表示与C5相连 P在核苷之右表示与C3 相连 如： pApCpTpG 书写顺序为游离5磷酸端在左， 游离3磷酸端在右。 5 UpCpApGp 3或者 5 U C A G 3,磷酸二酯键的位置是3 5 ,G,G,结构式,线条式,缩写式,二、核酸的高级结构,在一级结构的基础上折叠或盘绕而形成高级结构,1950年,Chargaff 发现DNA碱基组成的规律； Chargaff 规则： A = T；G = C 腺嘌呤与胸腺嘧啶摩尔数相等 即 A与T配对； 鸟嘌呤与胞嘧啶摩尔数相等，即 G与C配对,碱基的理化数据分析：A-T、G-C以氢键配对较合理,DNA纤维的X-线衍射图谱分析,DNA双螺旋结构的研究背景,Franklin and Wilkins 对DNA X衍射获得清晰的衍射图。为DNA双螺旋结构模型的建立奠定了基础.从X衍射图可清晰看到一个3.4间隔,骨架分子结构示意图,DNA,1、DNA的空间结构,（一）DNA的二级结构（secondary structure）,1、碱基组成规则(Chargaff规则),A=T，G=C； A+G=T+C(嘌呤与嘧啶的总数相等),有种属特异性,无组织、器官特异性,不受年龄、营养、性别及其他环境等影响,DNA分子由两条DNA单链组成。 DNA的双螺旋结构是分子中两条DNA单链之间基团相互识别和作用的结果。 双螺旋结构是DNA二级结构的最基本形式。,DNA双螺旋结构的特点,double helix model,DNA双螺旋结构的要点,（1）两条反向平行的多核苷酸链围绕同一中心轴相互缠绕，两条链均为右手螺旋。 螺旋中的两条链方向相反，即其中一条链的方向为5端3端，而另一条链的方向为3端5端。,（2）嘌呤和嘧啶碱基位于螺旋的内侧，磷酸和脱氧核糖基位于螺旋外侧。碱基环平面与螺旋轴垂直，糖基环平面与碱基环平面成90角。,（3）螺旋横截面的直径约为2nm，每条链相邻两个碱基平面之间的距离为0.34 nm，每10个核苷酸形成一个螺旋，其螺矩（即螺旋旋转一圈的高度）为3.4 nm。,（4）维持两条DNA链相互结合的力是链间碱基对形成的氢键。碱基结合具有严格的配对规律:A与T结合，G与C结合，这种配对关系，称为碱基互补。A和T之间形成两个氢键，G与C之间形成三个氢键。 在DNA分子中，嘌呤碱基的总数与嘧啶碱基的总数相等。 A+G=C+T,（5）螺旋表面形成大沟(major groove)及小沟(minor groove)，彼此相间排列。小沟较浅；大沟较深，是蛋白质识别DNA碱基序列的基础。 （6）氢键维持双链横向稳定性，碱基堆积力维持双链纵向稳定性。,（二）二级结构： 双螺旋结构模型(double helix model),1、Watson-Crick双螺旋结构模型(B-DNA),（1）反平行双链：脱氧核糖-磷酸骨架位于外侧，碱基对位于内侧,（2）碱基互补配对：AT配对（两个氢键），GC配对（三个氢键）；碱基对平面垂直纵轴,（3）右手双螺旋：螺距为3.4 nm，直径为2.0 nm，10bp/圈,（4）表面功能区：小沟较浅；大沟较深，是蛋白质识别DNA碱基序列的基础,（5）维持结构稳定的力量：氢键维持双链横向稳定，碱基堆积力维持螺旋纵向稳定,3、其他螺旋形式,Z-DNA（左手双螺旋） A-DNA,DNA双螺旋的稳定性,DNA双螺旋结构在生理条件下很稳定。 维持这种稳定性的因素包括：两条DNA链之间形成的氢键，碱基堆积力。 双螺旋结构内部形成的疏水区，消除了介质中水分子对碱基之间氢键的影响； 介质中的阳离子（如Na+、K+和Mg2+）中和了磷酸基团的负电荷，降低了DNA链之间的排斥力等。 改变介质条件和环境温度，将影响双螺旋的稳定性。,天然存在的DNA分子最显著的特点是很长，分子质量很大，一般在1061010。 大肠杆菌染色体由400万碱基对(basepair，bp)组成的双螺旋DNA单分子。其长度为1.4106nm，相当于1.4mm，而直径为20nm，相当原子的大小。 黑腹果蝇最大染色体由6.2107bp组成，长2.1cm 多瘤病毒的DNA由5100bp组成 ，长1.7mm,2、DNA的三级结构,双螺旋进一步扭曲,形成一种比双螺旋更高层次的空间构象。包括：线状DNA形成的纽结、超螺旋和多重螺旋、环状DNA形成的结、超螺旋和连环等,线型DNA（liner DNA） 双链断开,松弛型环状DNA,解链环状DNA（ocDNA）,超螺旋型DNA(cccDNA）,大多数原核生物 ： 1）共价封闭的环状双螺旋分子 2）超螺旋结构：双螺旋基础上的螺旋化,正超螺旋(positive supercoil):盘绕方向与双螺旋方同相同 负超螺旋(negative supercoil):盘绕方向与双螺旋方向相反,超螺旋DNA具有更为致密的结构，可以将很长的DNA分子压缩在一个很小的体积内。在生物体内，绝大多数DNA以超螺旋的形式存在。,3、RNA的分子结构,RNA的结构特点,RNA是单链分子，因此在RNA分子中，嘌呤的总数不一定等于嘧啶的总数。 RNA分子中，部分区域也能形成双螺旋结构，不能形成双螺旋的部分，则形成单链突环。这种结构称为“发夹型”结构。 在RNA的双螺旋结构中，碱基的配对情况不象DNA中严格。G 除了可以和C 配对外，也可以和U 配对。G-U 配对形成的氢键较弱。不同类型的RNA, 其二级结构有明显的差异。 tRNA中除了常见的碱基外，还存在一些稀有碱基，这类碱基大部分位于突环部分.,4、tRNA