核酸的化学PPT课件

.,1,教学目的与要求：1.掌握核酸的基本组成单位及其连接方式。2.掌握DNA与RNA的结构与理化性质。3.熟悉DNA及RNA的功能，基因组。4.了解DNA变性及其应用。,.,2,教学内容：1.核酸的分类及其在细胞内的分布2.核酸的化学组成3.DNA的分子结构4.RNA的分子结构5.核酸的理化性质,.,3,本章重点：核酸的化学组成DNA与RNA的分子结构本章难点：DNA结构、RNA结构,.,4,核酸（Nucleicacid）同蛋白质一样，也是重要的生物大分子，是生物体的基本组成物质。与蛋白质不同的是，核酸是生命遗传的物质基础，是遗传信息的载体，而蛋白质是生命的体现形式。在所有的生物大分子聚合物中，核酸占据了一个非常独特的地位：核酸本身参与了生物体内的许多重要反应在核酸分子中以遗传密码的形式含有生物体内所有的遗传信息：忠实的实现从母代细胞向子代细胞中的传递指导生物体内蛋白质的合成有能力为适应遗传的进化而发生适当的突变,.,5,.,6,英国细菌学家FGriffith（18771941）于1928年发现当他对老鼠同时注射活的R（粗糙）型无毒肺炎球菌以及加热杀死的S（光滑）型有毒肺炎球菌时，很多老鼠不久即死亡，它们的血液中含有活的S型细菌。这一发现表明活的无毒R型细菌从死去的有毒S型菌得到了一些什么东西从而使无毒的R型转化成有毒的S型肺炎球菌。后来认为某些遗传信息被“转化因子”转移了。,.,7,艾弗里(OswardAvery)等人(1944)从S型细菌中分别抽提出DNA、蛋白质和荚膜物质，并把每一种成分同活的R型细菌混合，悬浮在合成培养液中。结果发现只有DNA组分能够把R型细菌转变成S型细菌。而且DNA的纯度越高，这种转化的效率也越高。这说明，一种基因型细胞的DNA进入另一种基因型的细胞后，可引起稳定的遗传变异。,.,8,大量的实验证明：任何有机体，包括病毒、细菌、动植物等，都无一例外的含有核酸。核酸在生物体的个体发育、生长、繁殖、遗传和变异等生物过程中起着极为重要的作用。概括而言核酸是生物的遗传物质，它是控制生物性状的最根本原因所在，在核酸中存储着大量的遗传信息。,.,9,第一节核酸的分类和分布,核酸分为两大类：脱氧核糖核酸DeoxyribonucleicAcid（DNA）核糖核酸RibonucleicAcid（RNA）,98核中（染色体中）真核线粒体（mDNA）核外叶绿体（ctDNA）DNA拟核原核核外：质粒（plasmid）病毒：DNA病毒,.,10,RNA主要存在于细胞质中,tRNA(转运核糖核酸TransferRNA)rRNA(核蛋白体核糖核酸RibosomalRNA)mRNA(信使核糖核酸MessengerRNA)其它核内异质RNA（heterogeneousnuclearRNA，hnRNA）核内小RNA（smallnuclearRNA，snRNA）RNA病毒：SARS,.,11,是遗传信息的载体是构成细胞核内染色质（体）的重要组成部分,蛋白质的生物合成,能同游离在细胞中的对应氨基酸结合，并将这种活化的氨基酸运载到蛋白质合成的场所核蛋白体,连同一些蛋白质共同构成了核蛋白体的大小两个亚基,能够将存在于DNA上的遗传信息忠实的从细胞核中带到细胞质中，并以mRNA为模板来指导蛋白质的生物合成,hnRNA：某些mRNA的前体分子snRNA：可参与RNA分子的拼接等过程,.,12,第二节核酸的化学组成,一、组成核酸的基本化学成分,元素组成：CHONP,蛋白质N16%核酸P9%，不含S,.,13,核酸完全水解产生嘌呤和嘧啶等碱性物质、戊糖（核糖或脱氧核糖）和磷酸的混合物。核酸部分水解则产生核苷酸。一分子核苷酸部分水解后除产生核苷外，还有一分子磷酸。每个核苷分子含一分子碱基和一分子戊糖，核酸的各种水解产物可用层析或电泳等方法分离鉴定。,嘌呤碱嘧啶碱,核糖脱氧核糖,.,14,（一）戊糖,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。,二、组成核酸的基本单位-核苷酸（戊糖、碱基、磷酸）,.,15,（二）碱基,嘌呤（Purine）双环化合物,A腺嘌呤Adenine,G鸟嘌呤guanine,嘌呤碱和嘧啶碱,.,16,2.嘧啶（Pyrimidine）,H3C,植物DNA中有相当量的5-甲基胞嘧啶。一些大肠杆菌噬菌体核酸中，5-羟甲基胞嘧啶代替了胞嘧啶。,.,17,DNA:ATGCRNA:AUGC稀有碱基：种类极多，大多数是甲基化碱基。大多存在于RNA分子中，特别是tRNA分子中。虽然数量极少，但在遗传信息的传递过程中起着重要的作用。,.,18,（三）核苷（nucleoside）,核苷戊糖+碱基糖与碱基之间的C-N键，称为C-N糖苷键,AdenosineGuanosineCytidineUridine,.,19,（四）碱基-戊糖-磷酸间的化学键,核苷酸戊糖+碱基+磷酸,.,20,（五）核苷酸衍生物,1.继续磷酸化,三磷酸腺苷,.,21,2.环化磷酸化,cAMP,cGMP,3，5-环化腺苷酸,3，5-环化鸟苷酸,.,22,3.肌苷酸及鸟苷酸(强力味精),IMPGMP,.,23,三、核酸中核苷酸的连接方式,核苷酸的连接方式是通过一个核苷酸的C3-OH与另一分子核苷酸的5-磷酸基形成3,5-磷酸二酯键相连而成的链状聚合物。,.,24,第三节DNA的结构,一、DNA的一级结构组成：四种脱氧核糖核苷酸A、T、G、C连接方式：3,5-磷酸二酯键相连书写方式：5末端置于左边，3末端置于右边，从左向右方向书写。有线条式、文字式、省略式和结构式,DNARNA,.,25,pApCpTpGpGpACTGG,dACTGG5ACTGG3,.,26,.,27,通过对DNA的碱基组成的定量测定，发现有如下规律：,A=TG=CA+G=T+CDNA的碱基组成具有种的特异性，即不同生物种的DNA具有自己独特的碱基组成。DNA的碱基组成没有组织器官的特异性，即同一生物的各种组织器官的DNA具有基本相同的碱基组成。年龄、营养状态、环境的改变不影响DNA的碱基组成。,DNA双螺旋结构建立的实验依据,.,28,人类基因组计划（Humangenomeproject）：由美国于1987年启动，中国于1999年9月积极参加到这项研究计划中的，承担其中1%的任务，即人类3号染色体短臂上约3000万个碱基对的测序任务。中国因此成为参加这项研究计划的唯一的发展中国家。2000年6月26日人类基因组工作草图完成。,20世纪50年代初，英国科学家威尔金斯等用X射线衍射技术对DNA结构潜心研究了3年，意识到DNA是一种螺旋结构。女物理学家富兰克林在1951年底拍到了一张十分清晰的DNA的X射线衍射照片。1952年，美国化学家鲍林发表了关于DNA三链模型的研究报告，这种模型被称为螺旋。沃森与威尔金斯、富兰克林等讨论了鲍林的模型。威尔金斯出示了富兰克林在一年前拍下的DNAX射线衍射照片，沃森看出了DNA的内部是一种螺旋形的结构，他立即产生了一种新概念：DNA不是三链结构而应该是双链结构。他们继续循着这个思路深入探讨，极力将有关这方面的研究成果集中起来。根据各方面对DNA研究的信息和自己的研究和分析，沃森和克里克得出一个共识：DNA是一种双链螺旋结构。这真是一个激动人心的发现！沃森和克里克立即行动，马上在实验室中联手开始搭建DNA双螺旋模型。从1953年2月22日起开始奋战，他们夜以继日，废寝忘食，终于在3月7日，将他们想像中的美丽无比的DNA模型搭建成功了。沃森、克里克的这个模型正确地反映出DNA的分子结构。此后，遗传学的历史和生物学的历史都从细胞阶段进入了分子阶段。由于沃森、克里克和威尔金斯在DNA分子研究方面的卓越贡献，他们分享1962年的诺贝尔生理医学奖。,沃森Watson,JamesDewey美国生物学家,克里克Crick,FrancisHarryCompton英国生物物理学家,二、DNA的二级结构,.,30,.,31,（一）提出DNA双螺旋结构模型的主要依据：同一种属，不同组织的DNA分子具有相同的碱基组成；不同种属间的DNA分子具有不同的碱基组成；对于给定种属的DNA分子，其碱基组成不随年龄、营养状态或环境的变化而改变；无论何种DNA分子，其碱基组成都存在这样的关系：A=T，G=C，也可以写为A+G=T+C；DNA晶体结构的X-射线衍射照片表明，沿DNA纤维的长轴存在着0.34nm和3.4nm两个周期性的变化由于当时还不可能获得DNA分子结晶，Watson和Crick所用的资料来自在湿度为92%时所得到的DNA钠盐纤维。这种DNA被称为B型DNA。,.,32,（二）B-DNA双螺旋模型要点,1、双螺旋是由两条反向平行的多核苷酸链构成，两条链绕同一“中心轴”旋转成右手双螺旋。2、两条主链是通过脱氧核糖与磷酸基相间连接构成的，位于双螺旋的外侧。沿螺旋轴间观察，双螺旋表面形成一大、一小两个凹下去的槽，称为大沟(Majorgroove)和小沟(Minorgroove)。3、位于双螺旋内侧的碱基可以与对侧的碱基形成氢键，与配对，形成两个氢键，与配对，形成三个氢键（碱基互补配对原则）。、DNA双螺旋的直径是nm，每个碱基对形成一个平面，两个碱基对平面之间的距离为0.34nm。螺旋每旋转一周为10个碱基对，距离为3.4nm.5、稳定DNA结构的主要因素是碱基堆积力。由于碱基是疏水性的，这种非极性碱基纵向堆积成有次序的螺旋时，在碱基原子之间发生相互吸引产生静电引力或范德华力等，从而使螺旋结构稳定。,交替出现的脱氧核糖与带负电的磷酸彼此通过3,5-磷酸二酯键相连接，位于双螺旋的外侧，构成DNA分子的骨架，形成较深的大沟（宽度为1.2nm，深度为0.85nm）；而疏水的碱基，嘌呤与嘧啶则堆积在双螺旋链的内侧，形成小沟（宽度为0.6nm，深度为0.75nm）；碱基平面与纵轴垂直，糖环的平面则与纵轴平行；,B型是最稳定的构型,.,33,(三)DNA结构的多态性,B-DNA双螺旋A-DNA双螺旋Z-DNA双螺旋C-DNA双螺旋A-DNA双螺旋-B-DNA双螺旋-B-DNA双螺旋C-DNA双螺旋D-DNA双螺旋E-DNA双螺旋,.,34,DNA的结构是动态的：B型双螺旋：以在生理盐溶液中抽出的DNA纤维在92%相对湿度下进行X-射线衍射图谱为依据进行推测的；A型双螺旋：以钾或铯作为离子，相对湿度为75%时，DNA分子的X-射线衍射图给出的是A构象。A-DNA每个螺旋含11个碱基对，而且变成A-DNA后，大沟变窄、变深，小沟变宽、变浅。大沟小沟是DNA行驶功能时蛋白质的识别位点，所以由B-DNA变为A-DNA后，蛋白质对DNA分子的识别也发生了相应变化。,.,35,双螺旋DNA的结构参数,一般来说，AT丰富的DNA片段常呈B-DNA。采用乙醇沉淀法纯化DNA时，整个过程中，大部分DNA由B-DNA经过C-DNA，最终变构为A-DNA。,.,36,三、DNA的三级结构,DNA双螺旋的进一步扭曲构成三级结构，即超螺旋（正、负超螺旋）结构。线粒体DNA，病毒DNA和细菌质粒DNA都是环形DNA，天然的环形可以进一步扭曲称麻花状超螺旋结构。原核双链环状DNA（dcDNA）病毒单链环状DNA（scDNA）单链线性DNA（ssDNA）,.,37,.,38,真核双链线性DNA（dsDNA）,DNA的存在形式,真核生物中，DNA与组蛋白八聚体形成核小体结构时，存在着负超螺旋。研究发现，所有的DNA超螺旋都是由DNA拓扑异构酶产生的。真核生物DNA分子较大，由于DNA分子形成有层次的超螺旋而以一种高度压缩的核酸组蛋白形式，即染色体形式存在，所以一个十分小的核便可容纳一个或多个相当大的DNA分子。DNA超螺旋结构与功能的关系还不是很清楚，可能与复制及转录有关。,.,40,四、DNA与基因组,基因（gene）：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）。,.,41,基因组（genome）：某生物体（完整单倍体）所含全部遗传物质的总和。包括：核基因组（拟核/核DNA）及核外（质粒/质体DNA）,各种细胞、病毒和细菌质粒中基因组的大小,.,42,(一)真核生物基因组结构特点,1.真核生物基因组DNA与蛋白质结合形成染色体,储存于细胞核内,体细胞内的基因组是双份的（除配子细胞外）,即有两份同源的基因组2.真核细胞基因转录产物为单顺反子,即一个结构基因转录生成一个mRNA分子.3.基因组中存在着大量的重复序列,即在整个DNA中有许多重复出现的核苷酸顺序,重复序列可长可短。卫星DNA(satelliteDNA)是一类高度重复序列DNA在介质氯化铯中作密度梯度离心，离心速度可以高达每分钟几万转；此时DNA分子将按其大小分布在离心管内不同密度的氯化铯介质中，小的分子处于上层，大的分子处于下层；从离心管外看，不同层面的DNA形成了不同的条带。根据荧光强度的分析，可以看到在一条主带以外还有一个或多个小的卫星带。这些在卫星带中的DNA即被称为卫星DNA，这种DNA的GC含量一般少于主带中的DNA，浮力密度也低。,.,43,卫星DNA按其重复单元的核苷酸的多少，可以分为两类。一类是小卫星DNA(minisatelliteDNA)，由几百个核苷酸对的单元重复组成。另一类是微卫星DNA(microsatelliteDNA)，由2个到20个左右的核苷酸对的单元重复成百上千次所组成,.,44,Alu序列是灵长类基因组内的特有的含量丰富的中度重复序列,由300bp的短序列所组成,在单倍体基因组中有30万50万份拷贝,其间隔平均为5kb.到目前为止,对于Alu序列的功能了解的还不多,据推测可能与基因转录的调节,hnRNA的加工以及DNA复制的启动有关.目前已发现众多的疾病与Alu序列在基因组内的插入和不等同源重组有关。,.,45,4、基因组中不编码的区域多于编码区域。5、基因是不连续的，即以断裂基因的形式存在。在真核生物结构基因的内部存在许多不编码蛋白质的间隔序列，称内含子（intron）,编码区则称为外显子（exon）.6、基因组远大于原核生物的基因组，具有许多复制起始点，而每个复制子的长度较小。,.,46,（二）原核生物基因组结构特点,基因组较小，没有核膜，且形式多样。功能相关的结构基因常常串连在一起，并转录在同一个mRNA分子中，称为多顺反子。DNA分子绝大部分用于编码蛋白质，不编码部分（间隔区）通常包含控制基因表达的核苷酸序列。基因重叠是病毒基因组的结构特点，即一段DNA片段能够编码两种甚至三种蛋白质分子。除真核细胞病毒外，基因是连续的，即不含内含子。,.,47,第四节RNA的分子结构,一、RNA的类型mRNA（hnRNA核不均一RNA）tRNArRNAsnRNA,RNA：遗传信息的传递者,.,48,(一)信使RNA,信使RNA,1.占细胞RNA总量5%,2.以DNA模板合成RNA,3.以mRNA为模板合成蛋白质,4.原核生物中mRNA寿命很短,真核细胞mRNA寿命较长,5.真核生物有5-帽子结构和3端多聚A尾巴,6.mRNA从5末端到3末端结构依次5-帽子结构,5末端非编码区,编码区,3-末端非编码区,多聚A尾巴,polyA尾一般由数十个至一百几十个腺苷酸连接而成。随着mRNA存在时间的延续，这段polyA尾巴慢慢变短。原核生物的mRNA没有这种首尾结构。,.,49,帽子结构常分三种类型:m7G5ppp5N(帽子0)m7G5ppp5Nm(帽子1)m7G5ppp5N1mpN2m(帽子2),.,50,核糖体RNA,1.占细胞RNA总量80%，是细胞质中核蛋白体的组成成分。,2.核蛋白体：直径1020m颗粒,3.rRNA占核糖体的60%，其余为蛋白质。,4.在细胞核内合成，分泌到核外,5.是蛋白质合成的场所在蛋白质合成过程中，mRNA只有结合到核蛋白体上后，才能起到模板作用。多个核蛋白体结合在mRNA链上，就成为多聚核蛋白体的复合物。,.,51,转运RNA,1.占细胞RNA总量的15%，游离状态存在于细胞质中，分子量低,2.特异携带氨基酸和特异识别mRNA三联密码子，在蛋白质合成时携带一定的氨基酸，把氨基酸转运到核蛋白体的mRNA上。,3.tRNA3末端三个碱基为CCA序列，与其所特异的氨基酸结合的部位发挥功能必不可少的,4.核糖分子上的2-或3-上的羟基与氨基酸羧基脱水形成酯键而实现tRNA与氨基酸分子的相连接，形成氨基酰-tRNA，实现对氨基酸的转运。,.,52,二、RNA的一级结构,RNA与DNA相似，也是无分支的大分子。RNA是由许多的核糖核苷酸按照一定的方式、数量和顺序排列，通过3，5-磷酸二酯键相互连接而形成的多聚核苷酸链。尽管RNA分子中核糖环上2号碳原子上存在着游离的羟基，但它并不与磷酸形成酯键（P24）。用牛脾磷酸二酯酶降解天然RNA时，降解产物中只有3-核苷酸而无2-核苷酸就支持了上述结论。,.,53,同DNA相比，RNA结构有以下不同点：天然RNA分子都是单链分子。戊糖是-D-核糖，而DNA是-D-2-脱氧核糖RNA四种碱基是A、U、G、C，另个含较多稀有碱基，而DNA中主要含有A、G、T、C原核生物5端没有帽子结构和3端polyA尾巴（此结构与mRNA的半寿期及其由细胞核向细胞质转移有关）所有的tRNA其3端的三个碱基都是-CCA-OH序列,.,54,三、RNA的二级结构,1一种氨基酸对应最少一种tRNA,2与氨基酸结合后，称某氨基酰tRNA（丙氨酰tRNAAla）3分子量25000左右，大约由7393个核苷酸组成，沉降系数为4S左右。4分子中含有较多的修饰成分。53-末端都具有CpCpAOH的结构。,.,55,氨基酸臂,二氢尿嘧啶环,假尿嘧啶环,额外环,RNA的二级结构、三级结构,反密码子环,1.氨基酸臂氨基酸臂是结合氨基酸的部位，由3端和5端附近的7个碱基对形成的双螺旋区，其3端的-CCA-OH不参与碱基互补配对，以游离的单链形式存在。与该tRNA对应的氨基酸的羟基通过与3端腺苷酸中2-或3-羟基间脱水形成酯键而结合在tRNA上；2.反密码子环反密码子环由7个核苷酸组成，环的中间是由三个核苷酸组成的反密码子，不同的tRNA该环上的反密码子不同。这个特殊的三联体核酸恰好能与mRNA上其所对应的密码子反向互补配对；3.二氢尿嘧啶环D环由812个核苷酸组成，其中含有稀有碱基二氢尿嘧啶，故得名，有人认为此环可能和识别氨基酰-tRNA合成酶有关，但尚无确切的证据；4.胸腺假尿苷胞苷环TC环是由7个不形成碱基对的核苷酸组成的小环，接在由5个碱基对组成的螺旋区的一端，其间含有RNA中很少见的碱基胸腺嘧啶（T），另外还含有稀有碱基假尿嘧啶，此环可能为tRNA与核蛋白体结合所必需；5.额外环由318个核苷酸组成，此环并