《核酸的化学》课件.ppt

1 第三章 核酸的化学 2 核膜 染色体丝 核孔 核基质纤维 组蛋白与非组蛋白 DNA 2nmdm 核小体 11nmdm 3 一 核酸的发现和研究简史 1868年 瑞士科学家F Miescher从细胞核中分离得到一种酸性物质 称为核素 1889年Altman从酵母和动物组织中制备了核酸 nucleicacid 1930 40年 Kossel Levene等确定核酸的的组分 DNA和RNA 20世纪20 40年代末 Griffith 英国 和Avery 美国 的 肺炎双球菌转化 实验证明DNA是有机体的遗传物质 1952年 Hershey和Chase利用病毒完成更有说服力的 噬菌体 实验 1953年J D Watson 美 和F Crick 英 提出DNA的双螺旋结构 20世纪自然科学最伟大的成就之一 1990年美国启动人类基因组计划 HGP 4 1953年J D Watson和F Crick提出DNA的双螺旋结构 20世纪自然科学最伟大的成就之一 一 核酸的发现和研究简史 5 人类基因组计划 1986年 著名生物学家 诺贝尔奖获得者雷纳托杜尔贝科 RenatoDulbecco 在Science杂志上率先提出 人类基因组计划 HumanGenomicProject HGP 1990年10月 美国政府决定出资30亿美元正式启动 人类基因组计划 预期到2005年拿到人体的全部基因序列 共约30亿个碱基对全序列 我国于1999年7月加入 承担约1 的测序任务 2002年2月12日 历时10载耗资20亿美元的人类基因组计划最终完成 并报道了99 的人类基因组序列 从这时起 生物学被重新划分为前基因组和后基因组两部分 我们正生活在后基因组时代 后基因组时代生物科学的研究重心 已从揭示生命的遗传信息 转移到在整体水平上对生物功能的研究 产生了以功能基因鉴定为中心的功能基因组学 functionalgenomics 由于生物功能的主要体现者是蛋白质 所以功能基因组学的研究便侧重在蛋白质组学 proteomics 在整体水平上研究细胞内蛋白质的组成及其活动规律 包括蛋白质的分离鉴别 修饰加工 转运定位 结构变化 蛋白质与蛋白质的相互作用 蛋白质与其它生物分子的相互作用等活动 6 第一节 核酸分子的化学组成 7 核酸 nucleicacid 是以核苷酸为基本组成单位的生物大分子 携带和传递遗传信息 8 核酸 核糖核酸 RNA 脱氧核糖核酸 DNA 90 存在细胞质中 10 存在细胞核中 主要存在细胞核 一 核酸种类与生物学功能 1 种类 9 脱氧核糖核酸 deoxyribonucleicacid DNA DNA分子含有生物物种的所有遗传信息 分子量一般都很大 DNA为双链分子 其中大多数是链状结构大分子 也有少部分呈环状结构 真核 细胞核DNA 与组蛋白 非组蛋白形成染色体 细胞器DNA 双链环形 一般裸露原核 裸露的DNA分子集中于核区 10 核糖核酸 ribonucleicacid 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 RNA为单链分子 根据RNA的功能 可以分为 snRNA SmallnuclearRNA snoRNA SmallnucleoarRNA scRNA SmallcytoplasmicRNA 反义RNA AntisenseRNA 核酶 Ribozyme 内切核酸酶 RNaseP 1 转移RNA transferRNA tRNA 2 核糖体RNA ribosomalRNA rRNA 3 信使RNA messengerRNA mRNA 4 特殊功能的RNA 11 DNA是主要的遗传物质1944 O Avery肺炎双球菌转化实验1952 A DHershey和M Chase噬菌体感染实验 2 核酸的生物学功能 一 核酸种类与生物学功能 12 RNA功能的多样性控制蛋白质的合成作用于RNA的转录后加工与修饰参与基因表达与细胞功能的调控生物催化作用遗传信息的加工与进化 2 核酸的生物学功能 13 肺炎双球菌转化实验 14 20世纪20 40年代末 Griffith 英国 和Avery 美国 的 肺炎双球菌转化 实验证明DNA是有机体的遗传物质 DNA 温育 S型 有荚膜 致病 15 16 噬菌体感染实验 搅拌破碎器作用 离心分离 说明噬菌体感染细菌时仅是DNA进入细菌的细胞 而蛋白质外壳没有进入 17 18 二 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 DNA平均含磷量为9 9 RNA为9 4 通过测定P的含量来推算核酸的含量 定磷法 任何核酸都含磷酸 所以核酸呈酸性 19 三 核酸分子的基本单位 核苷酸 核酸 核苷酸 核苷 磷酸 碱基 戊糖 核苷酸通式表示为 碱基 戊糖 磷酸 核苷 20 核酸nucleicacid 核苷酸nucleotide 核苷nucleoside 磷酸phosphate 嘌呤碱purinebase或嘧啶碱pyrimidinebase 碱基base 核糖ribose或脱氧核糖deoxyribose 戊糖amylsugar 21 一 碱基结构式1 嘧啶碱 尿嘧啶U胞嘧啶C胸腺嘧啶T2 嘌呤碱 腺嘌呤A鸟嘌呤G3 核酸中的修饰碱基 100余种 多数是甲基化的产物 戊糖 22 碱基 三 核酸分子的基本单位 核苷酸组成 23 1 戊糖 RNA 核糖 DNA 脱氧核糖 24 2 碱基 嘌呤碱 嘧啶碱 腺嘌呤 A 鸟嘌呤 G 胞嘧啶 C 胸腺嘧啶 T 尿嘧啶 U DNA特有 RNA特有 两者均有 25 嘌呤 26 胞嘧啶 C 两者均有 尿嘧啶 U RNA特有 胸腺嘧啶 T DNA特有 嘧啶 27 3 磷酸 DNA RNA均有 RNA AMP DNA dAMP 28 两类核酸的基本化学组成比较 碱基 戊糖 磷酸 嘌呤碱 嘧啶碱 脱氧核糖 核糖 腺嘌呤 A 鸟嘌呤 G 胞嘧啶 C 胸腺嘧啶 T 腺嘌呤 A 鸟嘌呤 G 胞嘧啶 C 尿嘧啶 U 磷酸 磷酸 29 碱基与戊糖之间 糖苷键 核苷与磷酸之间 磷酸酯键 三 核酸分子的基本单位 核苷酸结构 30 9 核苷 由戊糖和碱基以糖苷键连接而成 核苷 戊糖 碱基 腺苷 糖苷键 31 核苷 32 核苷酸 核苷 磷酸 核苷酸 由磷酸与核苷上戊糖5 位碳原子上的 OH脱水形成磷酸酯键形成的结构 33 核苷酸的结构和命名 腺嘌呤核苷酸 AMP 脱氧腺嘌呤核苷酸 dAMP OH H 34 脱氧腺苷酸dAMP腺苷酸AMP脱氧鸟苷酸dGMP鸟苷酸GMP脱氧胞苷酸dCMP胞苷酸CMP脱氧胸苷酸dTMP尿苷酸UMP 通式 碱基 戊糖 磷酸 1 核苷酸 DNA dNMP RNA NMP 三 核酸分子的基本单位 核苷酸种类 35 AMP ADP ATP P P 36 脱氧二磷酸腺苷酸dADP二磷酸腺苷酸ADP脱氧二磷酸鸟苷酸dGDP二磷酸鸟苷酸GDP脱氧二磷酸胞苷酸dCDP二磷酸胞苷酸CDP脱氧二磷酸胸苷酸dTDP二磷酸尿苷酸UDP 通式 碱基 戊糖 2磷酸 2 二磷酸核苷酸 DNA dNDP RNA NDP 三 核酸分子的基本单位 核苷酸种类 37 脱氧三磷酸腺苷酸dATP三磷酸腺苷酸ATP脱氧三磷酸鸟苷酸dGTP三磷酸鸟苷酸GTP脱氧三磷酸胞苷酸dCTP三磷酸胞苷酸CTP脱氧三磷酸胸苷酸dTTP三磷酸尿苷酸UTP DNA dNTP RNA NTP 通式 碱基 戊糖 3磷酸 3 三磷酸核苷酸 三 核酸分子的基本单位 核苷酸种类 38 写出下列核苷酸的中文全称dTTP脱氧三磷酸胸苷酸 GDP二磷酸鸟苷酸 dCMP脱氧胞苷酸写出下列核苷酸的英文简写脱氧二磷酸腺苷酸dADP三磷酸尿苷酸UTP脱氧鸟苷酸dGMP 39 复习 1 核酸的基本结构单位是 2 核酸的主要组成是 和 3 两类核酸在细胞中的分布不同 DNA主要位于 中 RNA主要位于 中 5 维持蛋白质分子一级结构的键是 维持核酸分子一级结构的键是 6 举出几个含有核苷酸的辅酶 7 举出几个含有核苷酸的高能化合物 8 举出几个含有核苷酸的信号分子 9 写出下列核苷酸的中文全称dTTP GDP dCMP10 写出下列核苷酸的英文简写脱氧二磷酸腺苷酸 三磷酸尿苷酸 脱氧鸟苷酸 核苷酸 碱基 戊 核糖和磷酸 细胞核 细胞质 HSCoA NAD NADP FAD ATP GTP CTP等 cAMP cGMP 40 核苷酸的衍生物 ATP 腺嘌呤核糖核苷三磷酸 ATP是生物体内分布最广和最重要的一种核苷酸衍生物 各种核苷三磷酸和脱氧核苷三磷酸是体内合成RNA和DNA合成的直接原料 它的结构如下 AMP ADP ATP 三 核苷酸的衍生物 41 1 腺苷三磷酸 ATP 主要功能 提供能量 AMP ADP ATP 能量储存 能量释放 能量储存 能量释放 42 2 环苷酸主要功能 参与细胞生理生化过程而控制生物的生长 分化和细胞对激素的效应 cAMP cGMP 43 第二节 核酸的结构 44 核酸的结构 一级结构 空间结构 45 定义 由核苷酸按一定的数目 比例和特定的排列顺序 通过3 5 磷酸二酯键连接而成的多核苷酸长链 维系键 磷酸二酯键 形式 多核苷酸长链 单链 5 3 一 核酸的一级结构 46 A A 47 RNA DNA 磷酸二酯键 碱基 碱基 5 末端 3 末端 5 3 5 3 OH OH 48 RNA 5 pUGCCA OH3 多核苷酸链的简写式 DNA 5 dpApTpGpCpA OH3 或5 dpATGCA OH3 线条式缩写 字母式缩写 A T G C A 5 3 49 DNA的一级结构中碱基顺序即为遗传信息储存的分子形式 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 50 一 DNA的空间结构 DNA的空间结构 二 核酸的空间结构 51 DNA的结构 一级结构 二级结构 DNA的两条多聚核苷酸链间通过氢键形成的双螺旋结构 三级结构 DNA双链进一步折叠卷曲形成的构象 52 1 DNA的二级结构1953年 Watson和Crick根据Chargaff规律和DNANa盐纤维的X光衍射分析提出了DNA的双螺旋结构模型 并对模型的生物学意义作出了科学的解释和预测 Chargaff规律1950年 p26 二 核酸的空间结构 DNA的二级结构 53 英国生物物理学家Astbury 1898 1961 1938年曾通过X射线结晶衍射图发现DNA分子是多聚核苷酸分子的长链排列 DNA双螺旋结构的发现过程 1950年 爱尔兰科学家Wilkins 1916 的研究小组保持DNA纤维的湿润状态且测定DNA在较高温度下的X射线衍射 DNA的X光衍射照片中有明显的几组点组成了十字的一横 提示DNA的整个结构为螺旋形 但证据并不充分 54 在1953年2月的讨论中 Wilkins出示了Franklin获得的非常清晰的DNA晶体衍射照片 这张照片突然激发了沃森头脑中的思维 DNA链只能是双链的才会显示出这样漂亮而清晰的图 1953年2月28日沃森和克里克重新摆弄出了正确的DNA双螺旋结构 1953年4月25日 自然 杂志发表了沃森与克里克的DNA双螺旋结构假说的不到1000字短文 核酸的分子结构 脱氧核糖核酸的一个结构模型 DNA双螺旋结构的发现过程 55 双螺旋结构模型要点 两条反向平行的多核苷酸链 走向分别为5 3 和3 5 二 核酸的空间结构 DNA的二级结构 56 5 C 磷酸与脱氧核糖在外侧 构成 的骨架 碱基在双螺旋内侧 碱基配对原则 两链为互补链 中间形成氢键 可变 不变 不变 可变 57 T A C T C G 碱基配对原则 A T G C 2 8 3 0 2 9 3 0 2 9 58 5 A C T G T A A C G T 59 维持DNA双螺旋结构稳定的因素 碱基堆积力 主要因素氢键静电排斥力 DNA互补双螺旋结构的意义 自身复制的功能 通过复制可以合成与其一模一样的DNA分子 二 核酸的空间结构 DNA的二级结构 60 DNA二级结构的多型性 1 B DNA 典型的Watson Crick双螺旋DNA 右手双螺旋 2 A DNA 右手双螺旋 外形粗短 RNA分子双螺旋区 RNA DNA杂交分子具有这种结构 3 Z DNA 左手螺旋 外形细长 天然B DNA的局部区域可以形成Z DNA A B Z DNA的比较 二 核酸的空间结构 DNA的二级结构 61 62 63 64 原核生物DNA的高级结构 2 DNA的三级结构 超螺旋 二 核酸的空间结构 DNA的三级结构 65 真核生物DNA的高级结构 二 核酸的空间结构 DNA的三级结构 66 DNA在真核生物细胞核内的组装 Pr DNA 2 H2A H2B H3 H4 组蛋白八聚体 核心 DNA盘绕在外 核心颗粒 H1 核小体 串联 串珠状结构 超螺旋 染色体 67 68 69 二 RNA的空间结构 RNA双链部分 DNA与RNA间碱基配对原则 A U G C 存在形式 单股多核苷酸链 主 部分双链 次 70 1 转运RNA tRNA 蛋白质合成时携带活化氨基酸 3 核糖体RNA rRNA 与蛋白质结合构成核糖体 蛋白质合成场所 2 信使RNA mRNA 蛋白质合成中起模板作用 分类 71 RNA的结构 一 RNA的一级结构AMP GMP CMP UMP通过3 5 磷酸二酯键形成线形多聚体 组成RNA的戊糖是核糖 RNA的U替代DNA中的T 此外 RNA中常有一些稀有碱基 天然RNA分子都是单链线形分子 只有部分区域是A 型双螺旋结构 73 二 tRNA的结构结构 二级结构是三叶草形 RNA的结构 有较多稀有碱基3 末端为 CCA OH5 末端大多为pG 或pC 氨基酸臂二氢尿嘧啶环反密码环额外环 可变环 TC环 假尿嘧啶环 74 识别mRNA上密码 3 端为 CCA 蛋白质合成时连接活化的氨基酸 1 tRNA二级结构 三叶草形 DHU环 T 环 75 N N二甲基鸟嘌呤 N6 异戊烯腺嘌呤 双氢尿嘧啶 DHU 4 巯尿嘧啶 稀有碱基 76 tRNA的三级结构 倒L形 在三叶草型二级结构的基础上 突环上未配对的碱基由于整个分子的扭曲而配成对 目前已知的tRNA的三级结构均为倒L型 77 tRNA 三级结构 倒L形 78 tRNA的三级结构 倒L形 tRNA的功能 转运氨基酸 识别密码子 参与翻译起始 参与DNA的反转录 参与基因表达调控 79 1 tRNA 二级结构 三叶草形三级结构 倒L形3 端为 CCA 蛋白质合成时连接活化的氨基酸密码环上有反密码子识别mRNA上密码 80 2 mRNA 转录DNA信息 作为蛋白质合成的直接模板 81 mRNA的结构 mRNA是在细胞核及线粒体内产生 然后进入细胞质及核糖体 mRNA约占细胞RNA总量的3 5 是蛋白质合成的模板 原核生物和真核生物mRNA在结构上有所区别 原核 没有5 帽子和3 polyA结构 真核 真核细胞mRNA的3 末端有一段长达200个核苷酸左右的聚腺苷酸 polyA 称为 尾结构 5 末端有一个甲基化的鸟苷酸 称为 帽结构 RNA的结构 5 加帽 3 加尾 82 2 mRNA 结构特点 5 有由7 甲基鸟嘌呤核苷酸三磷酸组成的帽状结构3 有由多聚腺苷酸组成的尾部结构 5 加帽 3 加尾 83 帽子结构 7 甲基鸟嘌呤核苷酸三磷酸 甲基化鸟苷酸经焦磷酸与mRNA的5 末端核苷酸相连 形成5 5 三磷酸连接 84 rRNA的结构所有生物的核糖体都是由大小不同的两个亚基所组成 大小亚基分别由几种rRNA和数十种蛋白质组成 RNA的结构 rRNA的功能 组成核糖体成分 催化蛋白质肽键的形成 参与tRNA与mRNA的结合 85 核糖体rRNA Pr 大 小亚基 大亚基 tRNA附着部位小亚基 mRNA附着部位 80S 60S 40S 86 小结DNA 主要的遗传物质 主要存在于细胞核 通过复制传递遗传信息给子代 通常为双链 含脱氧核糖 T为特有成分 RNA 主要在核内合成 主要分布于细胞质 遗传信息表达分子 指导合成蛋白质 通常为单链 含核糖 U为特有成分 87 第三节核酸的理化性质 二 酸碱性 两性解离 一般呈酸性 在中性溶液中带负电荷 可用电泳或离子交换法进行分离 一 溶解度 微溶于水 不溶于乙醇 乙醚等有机溶剂大分子 粘度高 88 三 核酸的紫外吸收 原因 核酸中有嘌呤与嘧啶碱 碱基 核苷 核苷酸和核酸在240 290nm的紫外波段有强烈的光吸收 max 260nm 89 三 核酸的紫外吸收 1 鉴定纯度纯DNA的A260 A280应大于1 8纯RNA的A260 A280应为2 0 若溶液中含有杂蛋白或苯酚 则A260 A280比值明显降低 2 含量计算 纯样品 A260 1 相当于 50ug mL双螺旋DNA或40ug mL单链DNA 或RNA 或20ug mL寡核苷酸 90 91 四 核酸的变性 复性和杂交 概念 加热 酸碱等条件下 核酸双螺旋区的氢键断裂 变成单链 不涉及共价键断裂 方法 过量酸 碱 加热 变性试剂如尿素 酰胺以及某些有机溶剂如乙醇 丙酮等 一 变性 92 DNA变性的本质是双链间氢键的断裂 不涉及磷酸二酯断裂 一级结构完整 93 变性过程 一 变性 四 核酸的变性 复性及杂交 94 一 变性 变性因素 四 核酸的变性 复性及杂交 变性后的理化性质 二级结构改变 双螺旋区氢键断裂 空间结构破坏 形成单链无规线团状 只涉及次级键的破坏 260nm紫外吸光度值升高 粘度降低 浮力密度升高 比旋下降 部分失活等 增色效应与减色效应 增色效应 在DNA的变性过程中 内部碱基暴露 对260nm波长紫外吸收增加 即增色效应 减色效应 95 DNA的紫外吸收光谱 核酸变性后紫外吸收特点 最大吸收波长 260nm 不变 紫外吸收能力增加 即具有增色效应 96 二 复性复性 在适当条件下 变性DNA的两条互补链可恢复天然的双螺旋构象 这一现象称为 退火 热变性的DNA经缓慢冷却后即可复性 这一过程称为退火 97 放在同一溶液中 只要两种单链分子之间存在着一定程度的碱基配对关系 在适宜的条件 温度及离子强度 下 就可以在不同的分子间形成杂化双链 这种现象称为核酸分子杂交 三 核酸的杂交 98 DNA DNA杂交双链分子 不同来源的DNA分子 99 100 101 第四节核酸的制备和含量测定 略 一 核酸的提取二 核酸的含量测定 一 定磷法 二 定糖法 102 一 紫外吸收法 原理 核酸中的嘌呤环 嘧啶环具有紫外吸收特性 最大吸收在260nm 103 二 定糖法1 RNA 测核糖 试剂 地衣酚 2 DNA 测脱氧核糖 试剂 二苯胺 脱水 核糖 浓酸糖糠深绿色化合物 地衣酚 670nm有最大吸收值 脱水 脱氧核糖 浓硫酸 羟基 酮基戊醛 二苯胺 595nm有最大吸收值 蓝色化合物 104 小结 核酸是生物体遗传和变异的物质基础 分为DNA和RNA两类 核酸的基本结构单位是核苷酸 它由碱基 戊糖和磷酸组成 组成两类核酸的碱基和戊糖有差异 核酸的一级结构为多聚核苷酸长链 DNA的二级结构是双螺旋结构 三级结构为超螺旋 RNA的主要为单链 个别片段自身折叠配对成双链区 RNA种类及功能 核酸理化性质 溶解度 酸碱性 变性与复性 分子杂交 105 复习与巩固 1 核酸完全的水解产物是 碱基 戊糖 和 磷酸 其中 又可分为 嘧啶 碱和 嘌呤 碱 戊酸 又可分为 脱氧核糖核 糖和 核酸 糖 DNA特有的是 胸腺嘧啶 糖 RNA特有的是 糖 2 体内的嘌呤主要有 腺嘌呤 和 鸟嘌呤 嘧啶碱主要有 胸腺嘧啶 胞嘧啶 和 尿嘧啶 其中DNA特有的是 胸腺嘧啶 RNA特有的是 尿嘧啶 106 复习与巩固 3 写出下列核苷酸符号的中文名称 TDP 二磷酸胸甘酸 dAMP 脱氧