《生物化学》课件-核酸化学VIP

第二章核酸化学,主要内容：介绍核酸的分类和化学组成，重点讨论DNA和RNA的结构特征，初步认识核酸的结构特征与其功能的相关性；介绍核酸的主要理化性质和核酸研究的一般方法。,返回,思考,核酸的结构与功能,第一节核酸通论第二节核酸基本构件单位核苷酸第三节DNA的分子结构第四节RNA的分子结构第五节核酸的某些理化性质及核酸研究常用技术第六节人类基因组计划简介,第一节核酸通论,一、核酸的研究历史和重要性二、核酸的种类和分布三、DNA储存遗传信息的证实,核酸的研究历史和重要性,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）；此后几十年内，弄清了核酸的组成及在细胞中的分布。1889年R.Altmann最先提出核酸的名称1912年Levene提出四核苷酸假说1943年Chargaff规则,1944Avery等成功进行肺炎球菌转化试验；1952年Hershey等的实验表明32P-DNA可进入噬菌体内，证明DNA是遗传物质。1953Watson和Crick建立了DNA结构的双螺旋模型，说明了基因的结构、信息和功能三者间的关系，推动了分子生物学的迅猛发展。1958Crick提出遗传信息传递的中心法则，60年代RNA研究取得大发展（操纵子学说，遗传密码，逆转录酶）。,核酸的研究历史和重要性（续）历史,70年代建立DNA重组技术，改变了分子生物学的面貌，并导致生物技术的兴起。80年代PCR扩增，RNA研究出现第二次高潮：ribozyme、反义RNA、“RNA世界”假说等等。90年代以后实施人类基因组计划（HGP）,开辟了生命科学新纪元。生命科学进入后基因时代：功能基因组学（functionalgenomics）蛋白质组学（proteomics）结构基因组学（structuralgenomics）RNA组学（Rnomics）或核糖核酸组学（ribonomics）,2006年诺贝尔奖,与靶基因同源的双链RNA诱导的特异转录后基因沉默现象。其作用机制是双链RNA被特异的核酸酶降解，产生干扰小RNA(siRNA)，这些siRNA与同源的靶RNA互补结合，特异性酶降解靶RNA，从而抑制、下调基因表达。已经发展成为基因治疗、基因结构功能研究的快速而有效的方法。,RNA干扰的机制,病毒基因、人工转入基因、转座子等外源性基因随机整合到宿主细胞基因组内，并利用宿主细胞进行转录时，常产生一些dsRNA。宿主细胞对这些dsRNA迅即产生反应其胞质中的核酸内切酶Dicer将dsRNA切割成多个具有特定长度和结构的小片段RNA（大约2123bp），即siRNA。siRNA在细胞内RNA解旋酶的作用下解链成正义链和反义链，继之由反义siRNA再与体内一些酶(包括内切酶、外切酶、解旋酶等)结合形成RNA诱导的沉默复合物(RNA-inducedsilencingcomplex，RISC)。RISC与外源性基因表达的mRNA的同源区进行特异性结合，RISC具有核酸酶的功能，在结合部位切割mRNA，切割位点即是与siRNA中反义链互补结合的两端。被切割后的断裂mRNA随即降解，从而诱发宿主细胞针对这些mRNA的降解反应。,核酸分类和分布,脱氧核糖核酸（deoxyribonucleicacid,DNA）:遗传信息的贮存和携带者，生物的主要遗传物质。在真核细胞中，DNA主要集中在细胞核内，线粒体和叶绿体中均有各自的DNA。原核细胞没有明显的细胞核结构，DNA存在于称为类核的结构区。每个原核细胞只有一个染色体，每个染色体含一个双链环状DNA。核糖核酸（ribonucleicacid,RNA）：主要参与遗传信息的传递和表达过程，细胞内的RNA主要存在于细胞质中，少量存在于细胞核中，病毒中RNA本身就是遗传信息的储存者。另外在植物中还发现了一类比病毒还小得多的侵染性致病因子称为类病毒，它是不含蛋白质的游离的RNA分子，还发现有些RNA具生物催化作用（ribozyme）。,核酸化学,核酸的主要功能1、DNA是主要的遗传物质2、RNA作为某些病毒的遗传物质参与蛋白质的合成功能的多样性（调节、催化等功能）目前发现每种病毒中只含其中一类核酸，因此共有两类病毒：DNA病毒（DNAvirus）RNA病毒（RNAvirus）,核酸化学,拟病毒类病毒朊病毒疯牛病羊瘙痒症克雅氏综合症SARS病毒：SevereAcuteRespiratorySyndrome,病毒的核酸,乙肝病毒部分双链DNASARS单链RNA烟草花叶病毒单链RNA禽流感病毒单链-RNAAID2条相同+RNA,肺炎球菌转化实验图解,IIIS型细胞（有毒）,IIR型细胞（无毒）,破碎细胞,DNAase降解后的DNA,IIR型细胞接受IIIS型DNA,只有IIR型,大多数仍为IIR型,少数IIR型细胞被转化产生IIIS型荚膜,S（光滑）,S,R,R,R（粗糙）,+,DNA,噬菌体侵染细菌实验,证明：DNA是（主要）遗传物质？,赫尔希和蔡斯,第二节核酸的基本结构单位核苷酸,一、核苷酸的化学组成与命名1、碱基、核苷、核苷酸的概念和关系2、常见碱基的结构与命名法3、常见（脱氧）核苷酸的基本结构与命名4、稀有核苷酸5、细胞内游离核苷酸及其衍生物二、核苷酸的生物学功能,5-磷酸核苷酸的基本结构,（N=A、G、C、U、T）,H,H,(O)H,1,2,N,OH,CH2,H,H,5,4,3,P,O-,O,O,O-,核糖,磷酸,碱基,碱基、核苷、核苷酸的概念和关系,Nitrogenousbase,Pentosesugar,Phosphate,基本碱基结构和命名,嘌呤,嘧啶,Adenine(A),Guanine(G),Cytosine(C),Uracil(U),Thymine(T),核苷酸的结构和命名,腺嘌呤核苷酸（AMP）Adenosinemonophosphate,脱氧腺嘌呤核苷酸（dAMP）Deoxyadenosinemonophosphate,H,OH,常见（脱氧）核苷酸的结构和命名,鸟嘌呤核苷酸（GMP）,尿嘧啶核苷酸（UMP）,胞嘧啶核苷酸（CMP）,腺嘌呤核苷酸（AMP）,脱氧腺嘌呤核苷酸（dAMP）,脱氧鸟嘌呤核苷酸（dGMP）,脱氧胞嘧啶核苷酸（dCMP）,脱氧胸腺嘧啶核苷酸（dTMP）,几种稀有核苷,几种稀有核苷酸,假尿苷（）,二氢尿嘧啶（DHU）,Am,CH3,m26G,H,H,5,H,H,细胞内游离核苷酸及其衍生物,多磷酸核苷酸环核苷酸辅酶类核苷酸。,腺苷酸及其多磷酸化合物,AMPAdenosinemonophosphate,ADPAdenosinediphosphate,ATPAdenosinetriphosphate,其他核苷多磷酸、寡核苷多磷酸-魔斑核苷酸主要是指ppGpp，pppGpp，ppApp，pppApp及AppppA等特殊核苷酸衍生物，因为在最初发现它们时，它们在纸层析图谱上的斑点不同于通常的核苷酸，当时称为魔斑，因而后来称这类核苷酸为魔斑核苷酸。ppGpp或pppGpp是当大肠杆菌在氨基酸缺乏的营养不良环境条件下，由于细胞内空载tRNA诱导合成作为信号，使细胞的代谢活动受到严格控制，加快体内原有蛋白质的分解以获得用以合成生命活动所必需的蛋白质的氨基酸，细菌的这种对环境的反应称应急反应。超级调控因子，对代谢有重要调节作用,ppApp，pppApp是枯草杆菌在营养不利的环境条件下合成的（不同于大肠杆菌），诱导细胞产生芽孢，使细胞处于休眠状态渡过恶劣时期。,cAMP(cGMP)的结构,Cyclicadenylie(Guanine)acid,二、核苷酸的生物学功能,作为核酸的单体细胞中的携能物质（如ATP、GTP、CTP、GTP）酶的辅助因子的结构成分（如NAD）细胞通讯的媒介（如cAMP、cGMP）参与细胞代谢（如UDP、CDP）,第二节DNA的分子结构,一、核酸分子中的共价键二、DNA一级结构三、DNA碱基组成的Chargaff规则四、DNA的二级结构五、DNA的三级结构六、DNA与蛋白质复合物的结构,核酸分子中核苷酸之间的共价键,3-5磷酸二酯键,二、DNA的一级结构,DNA分子中各脱氧核苷酸之间的连接方式（3-5磷酸二酯键）和排列顺序叫做DNA的一级结构，简称为碱基序列。一级结构的走向的规定为53。不同的DNA分子具有不同的核苷酸排列顺序，因此携带有不同的遗传信息。一级结构的表示法结构式，线条式，字母式,DNA一级结构的表示法,三、DNA碱基组成的Chargaff规则,Chargaff首先注意到DNA碱基组成的某些规律性，在年总结出DNA碱基组成的规律：腺嘌呤和胸腺嘧啶的摩尔数相等，即A=T。鸟嘌呤和胞腺嘧啶的摩尔数也相等，即G=C。含氨基的碱基总数等于含酮基碱基总数，即A+C=G+T。嘌呤的总数等于嘧啶的总数，即A+G=C+T。,DNA、RNA的一级结构,DNA一级结构,四、DNA的二级结构,（1）DNA的双螺旋结构(Watson-Crick模型)（2）DNA双螺旋结构特征及意义（3）DNA双螺旋的多态性（4）DNA的三股螺旋（tripkex）,DNA的双螺旋结构的形成,DNA的双螺旋模型特点,a.两条反向平行的多聚核苷酸链沿一个假设的中心轴右旋相互盘绕而形成。b.磷酸和脱氧核糖单位作为不变的骨架组成位于外侧，作为可变成分的碱基位于内侧，链间碱基按AT，GC配对（碱基配对原则，Chargaff定律）c.螺旋直径2nm，相邻碱基平面垂直距离0.34nm,螺旋结构每隔10个碱基对（basepair,bp）重复一次，间隔为3.4nm,氢键碱基堆集力磷酸基上负电荷被胞内组蛋白或正离子中和碱基处于疏水环境中,DNA的双螺旋结构稳定因素,DNA的双螺旋结构的意义,（1）DNA的复制DNA的遗传信息在生物世代间、细胞世代间传递。该模型直接地解释了遗传物质自我复制的机制。（2）遗传与变异DNA分子的碱基序列具有保守性和变异性,碱基对是突变的最小单位。（3）生物的性状控制蛋白质生物合成时遗传密码与反密码互补配对。（4）为现代分子生物学与基因工程奠定了理论基础。,DNA双螺旋的不同构象,三种DNA双螺旋构象比较,A-DNA,Z-DNA,B-DNA,ABZ,外型粗短适中细长,螺旋方向右手右手左手,螺旋直径2.55nm2.37nm1.84nm,碱基直升0.23nm0.34nm0.38nm,碱基夹角32.7034.6060.00,每圈碱基数1110.412,轴心与碱基对关系,2.46nm3.32nm4.56nm,碱基倾角1901090,糖苷键构象反式反式C、T反式，G顺式,大沟很窄很深很宽较深平坦,小沟很宽、浅窄、深较窄很深,DNA分子间的三链结构,五、DNA的三级结构,1超螺旋DNA（supercoiledDNA）,2拓朴异构酶（topoisomerase）,(1)超螺旋DNA的形成(2)超螺旋状态的定量描述()DNA超螺旋结构形成的重要意义,(1)两类拓朴异构酶(2)拓朴异构酶作用机理,DNA的三级结构指双螺旋DNA分子通过扭曲和折叠所形成的特定构象，包括不同二级结构单元间的相互作用、单链和二级结构单元间的相互作用以及DNA的拓扑特征。,螺旋和超螺旋电话线,螺旋,超螺旋,DNA超螺旋的形成,超螺旋的拓扑学公式：L=T+W或=+,超螺旋状态的定量描述,公式1：L=T+WL连环数（linkingnumber），DNA双螺旋中一条链以右手螺旋与另一条链缠绕的次数。TDNA分子中的螺旋数（twistingnumber）W超螺旋数或缠绕数（writhingnumber）,公式2：=（L-L0）/L0超螺旋度（degreeofsupercoiling）L0松驰态DNA连环数,公式3：超螺旋密度(L-T)/T细胞内的欠旋通常在5%-7%的范围中，也就是=0.05到0.07,DNA超螺旋结构形成的意义,使DNA形成高度致密状态从而得以装入核中；推动DNA结构的转化以满足功能上的需要。如负超螺旋分子所受张力会引起互补链分开导致局部变性，利于复制和转录。,原核生物两类拓扑异构酶,除连环数（L）不同外其他性质均相同的DNA分子称为拓扑异构体（topoisomerase）。DNA拓扑异构酶通过改变DNA的L值而影响其拓扑结构。拓扑异构酶I通过使DNA的一条链发生断裂和再连接，能使超螺旋DNA转变成松弛型环状DNA，每催化一次可消除一个负超螺旋，即使L增加，反应无需供给能量。拓扑异构酶II则刚好相反，可使松弛型环状DNA转变成负超螺旋DNA，每催化一次，L减少，可引入负超螺旋。拓扑异构酶II亦称促旋酶，它可以使DNA的两条链同时断裂和再连接，当它引入超螺旋时需要ATP提供能量。细胞内两类拓扑异构酶的含量受严格的控制，使细胞内DNA保持在一定的超螺旋水平。,原核拓扑异构酶I的作用机制,连接数=n,连接数=n+1,穿越断口和使两端连接,切割,a,b,c,d,拓扑异构酶II的作用机制,拓扑异构酶,六、DNA与蛋白质复合物的结构,生物体内的核酸通常都与蛋白质结合形成复合物，以核蛋白（nucleoprotein）的形式存在。DNA分子十分巨大，与蛋白质结合后被组装到有限的空间中。,、病毒、细菌拟核、真核染色体,染色质经过4级包装，共压缩了8400倍。从DNA到核小体压缩7倍，从核小体到螺线管压缩6倍，从螺线管到超螺线管压缩40倍，从超螺线管到染色体压缩5倍。,噬菌体T2结构,动物病毒切面模式图,被膜（脂蛋白、碳水化合物）,衣壳（蛋白质）,核酸,突起（糖蛋白）,病毒粒,细菌拟核（nucleoid）的突环结构,RNA-蛋白质核心,突环由双链DNA结合碱性蛋白质组成,平均一个突环含有约40kpDNA,组蛋白与DNA的结合,核小体,DNA的念珠状结构,核小体盘绕及染色质示意图,真核生物染色体DNA组装不同层次的结构,DNA（2nm）,核小体链（11nm，每个核小体200bp）,纤丝（30nm，每圈6个核小体）,突环（150nm，每个突环大约75000bp）,玫瑰花结（300nm，6个突环）,螺旋圈（700nm，每圈30个玫瑰花）,染色体（1400nm，每个染色体含10个玫瑰花200bp）,第四节RNA的分子结构,一、RNA一级结构和类别二、tRNA的分子结构三、rRNA的分子结构四、mRNA的分子结构,RNA的类别,信使RNA（messengerRNA，mRNA）：在蛋白质合成中起模板作用；核糖体RNA（ribosoalRNA，rRNA）：与蛋白质结合构成核糖体（ribosome）,核糖体是蛋白质合成的场所；转移RNA（transforRNA，tRNA）：在蛋白质合成时起着携带活化氨基酸的作用。,细胞核和胞液线粒体功能核糖体RNArRNAmtrRNA核蛋白体的组分信使RNAmRNAmtmRNA蛋白质合成模板转运RNAtRNAmttRNA转运氨基酸不均一核RNAhnRNAmRNA的前体小核RNASnRNA参与hnRNA的剪接、转运小核仁RNASnoRNArRNA的加工、修饰小胞质RNAscRNA/7SL-RNA蛋白质内质网定位合成的信号识别体的组分,RNA的一级结构,RNA分子中各核苷之间的连接方式（3-5磷酸二酯键）和排列顺序叫做RNA的一级结构,RNA与DNA的差异DNARNA糖脱氧核糖核糖碱基AGCTAGCU不含稀有碱基含稀有碱基,tRNA的结构,二级结构特征：单链三叶草叶形四臂四环,三级结构特征：在二级结构基础上进一步折叠扭曲形成倒L型,酵母tRNAAla的二级结构,3,5,tRNA的三级结构,rRNA的分子结构,特征：单链，螺旋化程度较tRNA低与蛋白质组成核糖体后方能发挥其功能,5sRNA的二级结构,mRNA的分子结构,原核生物mRNA特征：先导区+翻译区（多顺反子）+末端序列真核生物mRNA特征：“帽子”（m7G-5ppp5-N-3p）+单顺反子+“尾巴”（PolyA）,原核细胞mRNA的结构特点,SD序列：在细菌mRNA起始密码子AUG上游10个碱基左右处，有一段富含嘌呤的序列,真核细胞mRNA的结构特点,第五节核酸的某些理化性质及核酸研究常用技术,一、核酸的两性解离性质二、核酸的紫外吸收（max=260nm）三、核酸的变性、复性和分子杂交四、核酸的熔解温度（Tm）五、核酸的沉降性质,核苷酸的解离曲线,pK1=0.8第一磷酸基,pK3=6.3第二磷酸基,pK2=4.3含氮环,胞嘧啶核苷酸,pK1=1.0第一磷酸基,pK3=6.4第二磷酸基,烯醇式羟基,尿嘧啶核苷酸,pH,离子化程度,小牛胸线DNA的滴定曲线,DNA的紫外吸收光谱,天然DNA变性DNA核苷酸总吸收值,123,DNA的变性过程,加热,部分双螺旋解开无规则线团链内碱基配对,核酸的变性、复性和杂交,变性：在物理、化学因素影响下，DNA碱基对间的氢键断裂，双螺旋解开，这是一个是跃变过程，伴有A260增加（增色效应）,DNA的功能丧失。复性：在一定条件下，变性DNA单链间碱基重新配对恢复双螺旋结构，伴有A260减小（减色效应）,DNA的功能恢复。,Southern印迹法,DNA分子,限制片段,限制性酶切割,琼脂糖电泳,转移至硝酸纤维素膜上,与放射性标记DNA探针杂交,放射自显影,带有DNA片段的凝胶,凝胶,滤膜,用缓冲液转移DNA,吸附有DNA片段的膜,分子杂交的原理示意图,不同来源的DNA单链间或单链DNA与RNA之间只要有碱基配对的区域，在复性时可形成局部双螺旋区，称核酸分子杂交（hybridization）制备特定的探针（probe）通过杂交技术可进行基因的检测和定位研究。实例：southern印迹法,Tm：熔解温度（meltingtemperature）,DNA的变性发生在一个很窄的温度范围内，通常把热变性过程中A260达到最大值一半时的温度称为该DNA的熔解温度，用Tm表示。Tm的大小与DNA分子中（G+C）的百分含量成正相关，测定Tm值可推算核酸碱基组成及判断DNA纯度。,1,2,3,Tm69.3（G+C）/2.44,在Tm时，DNA内50%的双链结构被解开。DNA的Tm一般在82-95之间。,人类基因组计划概况（HumanGenomeProject，HGP）,该计划是美国科学家在1985年率先提出，1990年正式启动。美、英、德、法、日先后参加了此项工作，1999年我国成为HGP的第六个成员国。HGP旨在阐明人类基因组DNA所具有的3109核苷酸的序列，发现所有的人类基因并阐明其在染色体上的位置，破译人类的全部遗传信息，使得人类第一次在分子水平上全面地认识自我。到目前为止，已完成了人类基因组的框架图，测序的工作已基本完成。HGP的实施，揭开了生命科学新的一页，它可以造福于人类，但也面临的伦理的挑战。,HGP取得的成就,完成了人类基因组工作草图绘制,揭示了人类基因组若干细节基本上测定了人类基因组上的碱基序列一些模式生物(酵母、线虫、果蝇、拟南介等)和作物（如水稻）基因草图绘制成功，测序基本完成促进了生物信息学、蛋白质组学、糖组学的迅猛发展人类基因组草图绘就，中国科学家功不可没,四张图,遗传图（连锁图）基因在染色体上的遗传距离物理图序列标签位点为路标转录图（cDNA图）全序列图全部核苷酸序列最详尽的物理图,HGP面临的挑战,基因的隐私权问题基因组图谱和信息的使用与人的社会权利问题基因资源问题基因知识的滥用问题,人类将进入生物经济时代,基因操纵生命的工具基因组潜藏着巨大的经济价值基因技术21世纪的投资热点,谁掌握了人类基因图谱，就等于谁破译了人类的生命密码，获得了操纵生命的工具。与互联网相比，网络只是对人类的信息沟通带来了巨大的革命，而基因领域的革命则能够从根本上改变人类的命运，基因工程所带来的商业机会将会大大超过网络。,离心机结构示意图,转头,转头腔,沉降样品,驱动马达,真空,冷冻,最快的是超螺旋，其次是线性DNA，最慢的是开环DNA；提取质粒的时候常见的是两条带：超螺旋和开环DNA。,质粒提取琼脂糖电泳的3个条带，到底每条是什么？,沉降系数（sedimentationcoefficient）,生物大分子在单位离心力场作用下的沉降速度称为沉降系数。即沉降系数是微颗粒在离心力场的作用下，从静止状态到达极限速度所需要的时间。,数学定义式为：,沉降系数单位：由于蛋白质、核酸、病毒等的沉降系数介于110-13到20010-13秒的范围，为方便起见，把作为沉降系数的一个单位，用Svedberg单位，用即S表示。,问答题,1、某DNA样品含腺嘌呤15.1%（按摩尔碱基计），计算其余碱基的百分含量。2、DNA双螺旋结构是什么时候，由谁提出来的？试述其结构模型。3、DNA双螺旋结构有些什么基本特点？这些特点能解释哪些最重要的生命现象？4、tRNA的结构有何特点？有何功能？5、DNA和RNA的结构有何异同？6、简述核酸研究的进展，在生命科学中有何重大意义？6、计算（1）分子量为3105的双股DNA分子的长度；（2）这种DNA一分子占有的体积；（3）这种DNA一分子占有的螺旋圈数。（一个互补的脱氧核苷酸残基对的平均分子量为618）名词解释变性和复姓分子杂交增色效应和减色效应回文结构TmcAMPChargaff定律,回文结构,回文结构：反向重复序列在DNA两条链中以二重对称存在，即对称轴一侧的片段旋转180后，与另一侧片段对称重复。能形成发卡结构和十字形结构。镜像重复结构：反向重复序列在DNA的一条链中。不能形成发卡结构和十字形结构。,核酸化学,核酸化学,DNA和基因组,（一）基本概念：、中心法则：复制DNARNA蛋白质mRNA,rRNA,tRNA复制RNA蛋白质,复制（replication）DNA通过自我复制合成出与母链完全相同的子链DNA分子。转录（transcription）通过碱基配对的方式合成出与DNA核苷酸序列相对应的RNA。翻译（translation）由mRNA指导蛋白质合成的过程。基因（gene）遗传学上将DNA分子中最小的功能单位称为基因。是一个含有特定遗传信息的核苷酸序列，是遗传物质的最小功能单位。基因组（genome）核内（完整单倍体）所有染色体上的基因。基因组学（genomics）：研究生物体的基因组的大小、组织和基因组成的学科,结