高中生物竞赛核酸.ppt

第五讲核酸的化学,第一节概述第二节核酸的化学组成第三节核酸的分子结构第四节核酸的性质,第一节概述,一、核酸的发现二、核酸的生物学功能三、核酸的分布四、核酸的种类,一、核酸的发现,1869年Miescher从细胞核中分离出核素（nuclein）。,1889年Altman制备了核酸（nucleicacid）。,193040年，Kossel&Levene等确定核酸的的组分：,20世纪40年代末，Avery的“肺炎双球菌转化”实验证明DNA是有机体的遗传物质：,二、核酸的生物学功能,核酸是生物遗传的物质基础，各种生物遗传信息储存于核酸的核苷酸序列中，蛋白质的结构是由核酸决定的。,真核生物原核生物DNA细胞核（98%）细胞质（类核部分）细胞质（少量）质粒DNA线粒体（少量）病毒DNA叶绿体（少量）等RNA细胞质（90%）细胞质核仁（少量）病毒RNA注：生物细胞都含有DNA和RNA；病毒中要么只含DNA，要么只含RNA。,三、核酸的分布,98核中（染色体中）真核线粒体核外叶绿体DNA拟核原核核外：质粒（plasmid）病毒：DNA病毒,返回,四、核酸的种类,1、脱氧核糖核酸（DNA，细胞核）DeoxyribonucleicAcid2、核糖核酸（RNA，胞质）RibonucleicAcid,Next,脱氧核糖核酸（DNA）,DNA为双链分子，其中大多数是线形结构大分子，也有少部分呈环状结构，,Next,核糖核酸（RNA）,RNA主要是负责DNA遗传信息的翻译和表达，分子量要比DNA小得多。RNA为单链分子。根据RNA的功能，可以分为mRNA、tRNA和rRNA三种其它RNA病毒：SARS。,Next,mRNA、tRNA和rRNA,mRNA：占全部RNA的5%，可以作为合成蛋白质的直接模板。tRNA：占全部RNA的16%，在蛋白质合成中起转运AA的功能。rRNA：占全部RNA的80%，是构成核糖体的成分，原核细胞中有5S、16S、28S三种，真核细胞中有5S、5.8S、18S、28S四种。,S为沉降系数（sedimentationcoefficient），当用超速离心测定一个粒子的沉淀速度时，此速度与粒子的大小直径成比例。5S含有120个核苷酸，16S含有1540个核苷酸，而23S含有2900个核苷酸。而真核生物有4种rRNA，它们分子大小分别是5S、5.8S、18S和28S，分别具有大约120、160、1900和4700个核苷酸。,返回,第二节核酸的化学组成,一、核酸的元素组成二、核酸的基本组成单位核苷酸,一、核酸的元素组成,组成核酸的基本元素：C、H、O、N、P；其中P的含量比较稳定，占9%-10%，通过测定P的含量来推算核酸的含量（定磷法）。DNA平均含磷量为9.9%，RNA为9.4%。任何核酸都含磷酸，所以核酸呈酸性。,二、核酸的基本组成单位-核苷酸,1、嘌呤和嘧啶碱基2、稀有碱基3、戊糖4、核苷5、核苷酸,1、嘌呤碱和嘧啶碱,1,2,3,4,5,6,7,8,9,嘌呤,腺嘌呤adenine,（A）,鸟嘌呤guanine,（G）,嘧啶,1,2,3,4,5,6,H,胞嘧啶Cytosine,（C）,尿嘧啶uracil,（U）,H,H,胸腺嘧啶thymine,（T）,H,H,烯醇式,核酸中也存在一些不常见的稀有碱基。稀有碱基的种类很多，大部分是上述碱基的甲基化产物。,2、稀有碱基,对核酸的生物功能有重要作用,3、戊糖结构,组成核酸的戊糖有两种。DNA所含的糖为-D-2-脱氧核糖；RNA所含的糖则为-D-核糖。,4、核苷结构,糖与碱基之间的C-N键，称为C-N糖苷键。,1,1,1,1,9,9,1,1,核苷的种类,DNA中的脱氧核苷：dA、dG、dC、dT；RNA中的核苷：A、G、C、U。,尿苷,OH,假尿苷（）,5、核苷酸,核苷酸结构核苷酸种类核苷三磷酸环化腺苷酸,1）、核苷酸结构,5,5,3,3,磷酸与核苷5位-OH脱水形成磷酸酯键,2）、核苷酸种类,RNA中含有腺苷酸AMP，鸟苷酸GMP，胞苷酸CMP，尿苷酸UMP，,DNA中含有脱氧腺苷酸dAMP脱氧鸟苷酸dGMP脱氧胞苷酸dCMP脱氧胸苷酸dTMP,3）、核苷三磷酸ATP的结构,细胞中的核苷三磷酸都是高能磷酸化合物。如：dGTP、GTP等。,4）、环化腺苷酸-cAMP的结构,ATP在腺苷酸环化酶作用下脱去焦磷酸形成cAMP。哺乳动物体内的激素很多是通过cAMP起作用的，因此，cAMP被称为第二信使。体内重要的环化核苷酸有3，5-环化腺苷酸（cAMP）和3，5-环化鸟苷酸（cGMP）；它们不是核酸的组成成分，而是重要的调节物质。,第三节核酸的分子结构,一、磷酸二酯键与多核苷酸链二、DNA的分子结构三、RNA的分子结构,一、3，5磷酸二酯键,RNA,DNA,磷酸二酯键,碱基,碱基,5末端,3末端,多核苷酸链,注意链的方向性,3末端,5末端,二、DNA的分子结构,DNA的分子大小与形状DNA的一级结构DNA的二级结构B型Z型A型DNA的三级结构基因的特点,1、DNA的分子大小与形状,DNA的分子大小取决于组成DNA的碱基对（bp或kb)的数目DNA远远大于蛋白质的分子,原核：双链环状DNA（dcDNA）病毒：单链环状DNA（scDNA）单链线性DNA（ssDNA）,4）DNA大小的计算,DNA分子量=核苷酸对的平均分子量核苷酸对数目DNA分子长度=核苷酸对之间的轴距核苷酸对数目核苷酸对数目=DNA分子量核苷酸对的平均分子量,2、DNA的一级结构,概念：DNA多核苷酸链中脱氧核苷酸的组成和排列顺序为DNA一级结构。也可指DNA分子中碱基的顺序。DNA的碱基顺序本身就是遗传信息存储的分子形式。生物界物种的多样性即寓于DNA分子中四种核苷酸千变万化的不同排列组合之中。（如：4n）,4）DNA一级结构的表示方法,5PAPCPGPCPTPGPTPAOH35PACGCTGTAOH3,a、线条式缩写,b、字母式缩写,OH,5）Chargaff定则（1950s,E.Chargaff发现）,DNA碱基组成符合：A+G=T+C不对称比率：A+T/G+C；物种不同，DNA碱基组成不同，物种亲缘愈接近，碱基组成也愈接近，该比率越相近似。具有种的特异性，没有器官和组织的特异性，年龄、营养状况、环境的改变不影响DNA的碱基组成。,3、DNA的二级结构,Watson和Crick于1953年提出了DNA双螺旋结构模型，说明了DNA的二级结构。（即B型DNA）,DNA双螺旋结构模型要点（1）,螺旋中的两条链反向平行，即其中一条链的方向为53，而另一条链的方向为35，两条链共同围绕一个假想的中心轴呈右手双螺旋结构。,DNA双螺旋结构模型要点（2）,疏水的碱基位于双螺旋的内侧，亲水的磷酸和脱氧核糖基位于螺旋外侧。碱基平面与螺旋轴垂直，脱氧核糖平面与碱基与中心轴平行。由于几何形状的限制，碱基对只能由嘌呤和嘧啶配对，即A与T，G与C。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。,DNA双螺旋结构模型要点（3）,由于碱基对排列的方向性，使得碱基对占据的空间是不对称的，因此，在双螺旋的表面形成大小两个凹槽，分别称为大沟和小沟，二者交替出现，作用于DNA和蛋白质的相互识别。,DNA双螺旋结构模型要点（4）,双螺旋横截面的直径约为2nm，相邻两个碱基平面之间的距离（轴距）为0.34nm，每10个核苷酸形成一个螺旋，其螺距（即螺旋旋转一圈）的高度）为3.4nm。,DNA双螺旋结构模型要点（5）,两条链借碱基之间的氢键和碱基堆积力（即碱基之间的范德华力），主链上带负电的磷酸与溶液阳离子之间的离子键牢固的连接起来，维持DNA双螺旋的三维结构。两条链是互补关系。,A型DNA双螺旋结构,A型双螺旋结构是DNA钠盐在相对湿度为75%时具有的结构状态，B型DNA双螺旋结构是DNA钠盐在相对湿度为92%时具有的结构状态，,1979年，A.Rich等人用X射线衍射分析法分析人工合成的DNA小片段晶体时，发现d(CGCGCG)是左旋的双螺旋结构，因为磷酸基在多核苷酸骨架上的分布呈“Z”字型，又称为ZDNA。,Z型DNA双螺旋结构,DNA的B型和A型双螺旋结构参数,Z-DNA和B-DNA的主要区别,继续,返回,A型结构中碱基平面与螺旋主轴不是垂直的，每对碱基的升高较少，碱基间的夹角也小，螺距缩短，,两条多核苷酸链绕成一个左手螺旋；糖磷酸骨架链的走向呈Z字形；分子外表只有一道沟槽，大沟消失，小沟加深；碱基对在分子轴外侧，并构成分子的凸面；双螺旋体比较细长。,4、DNA的三级结构-超螺旋,超螺旋是指双螺旋进一步扭曲或再螺旋的构象正超螺旋（变紧）和负超螺旋（变松）人类46条染色体的DNA总长可达1.7m，经过螺旋化压缩，实际总长只有200nm如线粒体DNA、细菌质粒DNA、病毒DNA,DNA的存在形式-核小体,真核生物中DNA双螺旋沿着组蛋白八聚体核心的短轴绕1.75圈，形成左手超螺旋，称核小体。染色质的基本结构单位是核小体。串珠状结构进一步卷曲形成螺线管，后者再进一步卷曲形成超螺旋管，形成染色单体。,组蛋白八聚体,核小体,H1组蛋白,5、基因和基因组,基因即一段有功能的DNA片段，生物细胞中DNA分子的最小功能单位（交换单位）。一个细胞或生物体所含的全套基因称基因组；基因组计划：人类基因组计划（HumanGenomeProject，HGP）酵母基因组计划（YGP）,三、RNA的分子结构,RNA的分类及特点原核细胞与真核细胞mRNA结构比较tRNA的分子结构,1、RNA的分类及特点,碱基组成：A、G、C、U（AU/GC）；稀有碱基较多，稳定性较差，易水解；多为单链结构，少数局部形成螺旋（发夹结构）；分子较小。信使RNA（mRNA）转运RNA（tRNA）核糖体RNA（rRNA）,mRNA,成熟mRNA不含内含子，hnRNA含有。mRNA从DNA转录遗传信息，并作为蛋白质合成的模板，决定蛋白质的氨基酸顺序。,rRNA,与多种蛋白质结合成核糖体真核细胞核糖体大亚基含28S、5.8S、5S三种rRNA，小亚基只含18S一种。,tRNA,分子最小。它在蛋白质生物合成中起翻译mRNA信息，并将相应的氨基酸转运到核糖体，参与蛋白质体的合成。已知每一个氨基酸至少有一个相应的tRNA。,2、真核细胞mRNA的一级结构为：,AGU起始密码,帽状结构,不翻译区,翻译区,UGAUAGUAA,不翻译区,polyA,5端有甲基化的帽，3端有polyA尾巴；一般为单顺反子结构，即一个mRNA中只含有一条多肽链信息，能指导一个蛋白质的生物合成；3）mRNA代谢很慢。,next,原核细胞mRNA的结构,原核细胞mRNA的结构与真核细胞显著不同：5端无帽状结构，3端不含polyA结构一般为多顺反子结构，即一个mRNA中常含有几个蛋白质信息，能指导几个蛋白质的生物合成mRNA代谢很快。,1）tRNA分子的一级结构特点,大多数为76个核苷酸组成的单链，沉降系数为4S；5端为pG，3端为pCCAOH；有十几个位置的核苷酸是恒定的；有较多的修饰核苷酸。,3、tRNA分子结构,2）tRNA的二级结构特点-三叶草型,3端有一段以-CCA为主的单链区；大约有50%的核苷酸配对，形成4个双螺旋区，称为臂或茎；大约有50%的核苷酸不配对，形成4个环；不同的tRNA分子在长度上的变化主要发生在三个区域：D环、D茎、额外环。,tRNA的二级结构4茎,氨基酸接受茎、D茎、反密码子茎、TC茎；氨基酸臂包含有tRNA的3-末端和5-末端，由7对核苷酸组成，5-末端为G，3-末端的最后3个核苷酸残基都是-C-C-AOH，此结构是tRNA结合活化氨基酸的部位。,tRNA的二级结构4环,反密码环左臂二氢尿嘧啶环（DHU或D环）附加叉（可变环或额外环）右臂TC环（胸苷T、假尿嘧啶核苷、胞苷C）,氨基酸接受臂,四环,Goon,tRNA的三级结构-倒L型,指tRNA的三叶草型结构进一步扭曲折叠形成一种形状象倒L型字母的三维结构。,tRNA倒L型结构的基本特征,氨基酸接受茎和TC茎组成一个螺旋，D茎和反密码子茎组成另一个螺旋，这两个螺旋构成了象字母L的形状；出现了二级结构所没有的三级氢键，碱基堆积力是稳定倒L型结构的主要因素之一；分子有柔韧性；在倒L型分子的中部是由D环、D茎、和可变环组成的核心区域。,tRNA的三级结构-倒L型,第四节核酸的性质,一、一般物理性质二、核酸的水解三、两性解离四、紫外吸收性质五、稳定性六、变性七、复性与杂交,一、一般物理性质,1、DNA白色纤维状固体，RNA白色粉末状固体，都微溶于水，不溶于乙醇，因此常用乙醇来沉淀DNA；DNA溶液黏度大于RNA；2、DNA难溶于0.14mol/L的NaCl溶液，可溶于12mol/L的NaCl溶液，RNA则相反，可据此分离二者；3、加热条件下，D核糖浓盐酸苔黑酚绿色；D2脱氧核糖酸二苯胺蓝紫色,二、核酸的水解,核酸分子中的磷酸二酯键可在酸或碱性条件下水解切断。DNA和RNA对酸或碱的耐受程度有很大差别。室温条件下，DNA在碱中变性，但不水解，RNA水解。例如，在0.1mol/LNaOH溶液中，RNA几乎可以完全水解；DNA在同样条件下则不受影响。,三、两性解离,核酸含酸性的磷酸基团，又含弱碱性的碱基，为两性电解质，可发生两性解离；,四、紫外吸收,在核酸分子中嘌呤碱和嘧啶碱都含有共轭双键体系，在260nm有最大吸收值；可以作为区别蛋白质、对核酸及其组份定性和定量测定的依据，进行核酸纯度鉴定，也可作为核酸变性和复性的指标。,五、DNA的稳定性,DNA的溶液呈粘稠状，但实际上DNA的双螺旋结构僵直而有刚性，易断成碎片，这也是目前难以获得完整大分子DNA的原因。溶液状态的DNA易受DNA酶作用而降解，抽干水分的DNA性质十分稳定。,1、概念,是指核酸双螺旋区的多聚核苷酸链间的氢键断裂，变成单链结构的过程。,六、DNA的变性,2、DNA的变性的条件,能够引起核酸变性的因素有：温度升高；酸碱度改变、pH（11.3或5.0）；有机溶剂如甲醛和尿素、甲酰胺等；低离子强度。,3、DNA变性的特征,变性核酸将失去其部分或全部的生物活性。变性改变了DNA的二级结构。核酸的变性并不涉及磷酸二酯键的断裂，所以它的一级结构(碱基顺序)保持不变。DNA的变性过程是突变性的，它在很窄的温度区间内完成。DNA解链温度紫外吸收值明显增加，即增色效应。粘度降低，沉降系数增加。,DNA解链温度（熔点，Tm）,当50%的DNA变性时的温度称为该DNA的解链温度，一般DNA的Tm值在70-85C之间。均一DNA（如病毒）的Tm值范围较小。分子中G和C的含量越高，越不易变性，Tm值越高。可通过经验公式计算：（GC)%=