winne-生物化学-核酸

第二章核酸,20世纪是物理学的世纪,21世纪是生命科学的世纪,生命是什么？,蛋白质+核酸,21世纪是蛋白质和核酸的世纪！,蛋白质、核酸谁更“牛”？,第一节核酸的化学组成,Whatsnucleicacid?1869Miescher从脓细胞的细胞核中分离出了一种含磷酸的有机物，当时称为核素（nuclein）,后称为核酸（nucleicacid）1935年，Kossel和Levene等确定核酸的组分是DNA和RNA，提出“四核苷酸假说1944年Avery等人通过肺炎球菌转化试验证明DNA是遗传物质1953年Watson和Crick提出DNA结构的双螺旋模型1958年Crick提出遗传信息传递的中心法则70年代建立DNA重组技术80年代以后，分子生物学、分子遗传学等学科突飞猛进发展，90年代以后，实施人类基因组计划（HGP）,核糖核酸(ribonucleicacid,RNA)RNA主要参与遗传信息的表达;脱氧核糖核酸(deoxyribonucleicacid,DNA)DNA是遗传信息的载体;,核酸的分类：,RNA和DNA都是以单核苷酸(nucleotide)为基本单位所组成的多核苷酸长链。,核酸的元素组成,组成核酸的基本元素：C、H、O、N、其中P的含量比较稳定，占9.5%，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。,核酸的水解产物：,1.嘧啶碱(pyrimidine)：,核苷酸中的碱基组成,2.嘌呤碱(purine)：,戊糖,戊糖(pentose)：,磷酸,脱氧核糖,碱基,磷酸,A腺嘌呤,G鸟嘌呤,C胞嘧啶,T胸腺嘧啶,DNA与RNA在化学组成上的区别,脱氧核苷酸,核糖,碱基,磷酸,A腺嘌呤,G鸟嘌呤,C胞嘧啶,U尿嘧啶,核糖核苷酸,AGCT,AGCU,核苷(nucleoside)：,核苷是由戊糖与含氮碱基经脱水缩合而生成的化合物。在大多数情况下，核苷是由核糖或脱氧核糖的C1-羟基与嘧啶碱N1或嘌呤碱N9进行缩合，故生成的化学键称为，N糖苷键。,“稀有核苷”是由“稀有碱基”所生成的核苷。,核苷酸的结构,核苷酸(nucleotide)是由核苷与磷酸经脱水缩合后生成的磷酸酯类化合物，包括:核糖核苷酸:5-AMP,5-GMP,5-CMP,5-UMP脱氧核糖核苷酸:5-dAMP,5-dGMP,5-dCMP,5-dTMP与磷酸基缩合的位置：2-核苷酸、3-核苷酸和5-核苷酸。最常见的核苷酸是5-核苷酸（5常被省略）,5-核苷酸的分子结构,5-核苷酸又可按其在5位缩合的磷酸基的多少，分为一磷酸核苷（核苷酸）、二磷酸核苷和三磷酸核苷。,1、3，5-环化腺苷酸（cAMP）,核苷酸的衍生物环核苷酸,放大激素信号,2、3，5-环化鸟苷酸（cGMP）,缩小激素信号,核苷酸的衍生物辅酶类核苷酸,在物质代谢中递氢体,核苷酸的连接方式,一分子核苷酸的3-位羟基与另一分子核苷酸的5-位磷酸基通过脱水可形成3,5-磷酸二酯键，从而将两分子核苷酸连接起来。,3,5-磷酸二酯键的形成,核苷酸连成长链过程演示,以脱氧核苷酸为例,核酸一级结构的简写：5-pGpApCpTpTpApC-OH-35-GACTTAC-3,第二节DNA的分子结构,LOREMIPSUMDOLOR,DNA的一级结构,DNA的一级结构是指DNA分支中脱氧核苷酸的排列顺序。遗传信息就存在于DNA的不同碱基排列顺序中。,DNA的二级结构双螺旋结构模型,DNA双螺旋结构是DNA二级结构的一种重要形式，它是Watson和Crick两位科学家于1953年提出来的一种结构模型（获1962年度诺贝尔奖）。,JamesWatson(L)andFrancisCrick(R),andthemodeltheybuiltofthestructureofDNA,DNA双螺旋结构模型的要点：,目前已知DNA双螺旋结构可分为：A、B、C、D（右手双螺旋）Z型（左手双螺旋）,DNA双螺旋结构模型要点,1、反平行的两条多核苷酸链形成右手双股螺旋2、外侧：磷酸与脱氧核糖内侧：嘌呤与嘧啶碱碱基互补规律：A-T，G-C3、碱基平面与纵轴垂直，糖环平面与纵轴平行横向作用力：氢键纵向作用力：碱基平面间的堆积力4、每圈螺旋：10个核苷酸碱基堆积距：0.34nm双螺旋直径：2nm,两条反平行的多核苷酸链绕同一中心轴相缠绕，形成右手双股螺旋，一条53，另一条35,磷酸与脱氧核糖彼此通过3、5-磷酸二酯键相连接，构成DNA分子的骨架。,磷酸与脱氧核糖在双螺旋外侧，嘌呤与嘧啶碱位于双螺旋的内侧。,碱基互补规律：A-T，G-C,碱基平面与纵轴垂直，糖环平面与纵轴平行,两条核苷酸链之间依靠碱基间的氢键结合在一起。,螺圈之间主要靠碱基平面间的堆积力维持,每圈螺旋10个核苷酸碱基堆积距0.34nm，双螺旋平均直径2nm双螺旋表面有凹陷，分别称为大沟和小沟,B型双螺旋DNA的结构特征,例题,已知某DNA溶液,碱基A占16%,求其余碱基所含的比例。解：因为，A=T，G=C所以，T=A=16%G=C=50%-16%=34%,DNA的三级超螺旋结构,超螺旋结构(superhelix或supercoil)DNA双螺旋链再盘绕即形成超螺旋结构。,螺旋,超螺旋,绝大多数原核生物的DNA都是共价封闭的环状双螺旋。如果再进一步盘绕则形成麻花状的超螺旋结构。,（一）原核生物DNA的高级结构：,（二）DNA在真核生物细胞核内的组装：,在真核生物中，双螺旋的DNA分子围绕一蛋白质八聚体进行盘绕，从而形成特殊的串珠状结构，称为核小体(nucleosome)。核小体结构属于DNA的高级结构。,核小体的结构,核小体、染色质与染色体,第三节RNA的分子结构,LOREMIPSUMDOLOR,RNA在蛋白质生物合成过程中起着重要的作用RNA通常以单链形式存在，但也可形成局部的双螺旋结构。RNA分子的种类较多，分子大小变化较大，功能多样化。主要的RNA种类有rRNA、mRNA、tRNA、HnRNA、SnRNA、SnoRNA、ScRNA等。,RNA的种类,（1）细胞质中的RNA核糖体RNA（ribosomalRNA,rRNA）转运RNA（transferRNA,tRNA）信使RNA（messageRNA,mRNA）小胞浆RNA（scRNA,smallcytosolRNA）线粒体RNA叶绿体RNA（2）细胞核中的RNAhnRNA(heterogeneousnuclearRNA)不均一RNAsnRNA(smallnuclearRNA),小核RNA；chRNA(chromosomeRNA),染色体RNA；（3）病毒RNA,RNA的种类、分布与功能,转运核糖核酸（tRNA）,tRNA是分子量最小，但含有稀有碱基最多的RNA，约占总RNA的15%。tRNA是保守性最强的RNA。tRNA是单链核酸，但其分子中的某些局部也可形成双螺旋结构。,转运核糖核酸（tRNA）的结构,tRNA的二级结构由于局部双螺旋的形成而呈现“三叶草”形，故称为“三叶草”结构。tRNA的“三叶草”形结构包括：四臂四环靠氢键维持稳定性。,携带氨基酸,辨认并结合氨基酰tRNA合成酶,识别mRNA上的密码,识别并结合核蛋白体,氨基酸臂,DHU臂,反密码臂,可变臂,TC臂,tRNA的三级结构（倒L型）：,氨基酸接受臂与反密码子环分别位于两端；分子上有两个双螺旋区；构象靠非螺旋区的碱基之间的氢键维持。,信使核糖核酸（mRNA）,mRNA占细胞总RNA的2%5%，大小相差很大，不稳定，寿命短。mRNA分子中带有遗传密码，其功能是为蛋白质的合成提供模板(templet)mRNA分子中每三个相邻的核苷酸组成一组，在蛋白质翻译合成时代表一个特定的氨基酸，这种核苷酸三联体称为遗传密码（coden)。,mRNA的结构,核蛋白体核糖核酸（rRNA）,rRNA是细胞内含量最多的RNA，约占RNA总量的80%以上。rRNA与蛋白质一起构成核蛋白体（核糖体），作为蛋白质生物合成的场所。,第四节核酸的理化性质,LOREMIPSUMDOLOR,一、酸碱性质,两性电解质：含酸性的磷酸基团，又含弱碱性的碱基，通常表现为较强的酸性。pH大于4时，呈阴离子状态。,二、溶解性和粘度,1、溶解性：微溶于水，不溶于有机溶剂、所以常用乙醇、异丙醇从溶液中沉淀提取核酸2、粘度：DNARNADNA粘度很大，可作为变性指标RNA粘度很小,三、紫外吸收,碱基、核苷、核苷酸和核酸在240290nm的紫外波段有强烈的光吸收，max=260nm,鉴定纯度：纯DNA的A260/A280应为1.8纯RNA的A260/A280应为2.0,五、变性、复性和分子杂交,1、变性在物化因素影响下，核酸互补碱基之间的氢键断裂的现象。DNA：双链变成两条单链RNA：局部双螺旋被破坏，失去原有的空间构象,增色效应(hyperchromiceffect)：指DNA变性后对260nm紫外光的光吸收度增加的现象；旋光性下降；粘度降低；生物学功能丧失或改变。,DNA变性后的性质改变：,加热DNA溶液，使其对260nm紫外光的吸收度突然增加，达到其最大值一半时的温度，就是DNA的变性温度（融解温度，meltingtemperature,Tm）。,DNA变性温度：,Tm的高低与DNA分子中G+C的含量有关，G+C的含量越高，则Tm越高。,变性DNA在一定条件下，两条互补的单链重新缔合而恢复天然的双螺旋结构，其物理性质和生物活性随之恢复的过程。热变性的DNA在缓慢冷却后可以复性，也称为退火。,2、复性,DNA复性后，一系列性质将得到恢复，但是生物活性一般只能得到部分的恢复，具有减色效应。将热变性的DNA骤然冷却至低温时，DNA不可能复性。变性的DNA缓慢冷却时可复性，因此又称为“退火”。退火温度Tm25复性影响因素片段浓度/片段大小/片段复杂性（重复序列数目）/溶液离子强度,DNA的复性,3、分子杂交,在变性的DNA溶液中加入外源DNA单链分子或RNA单链分子，去掉变性条件后复性形成双螺旋结构的过程。