《核酸化学 》ppt课件

1、第四章第四章 核酸的化学核酸的化学核酸的概念和重要性核酸的概念和重要性核酸的组成成分核酸的组成成分DNA的构造的构造DNA和基因组和基因组RNA的构造和功能的构造和功能核酸的性质核酸的性质核酸的序列测定核酸的序列测定核酸的生物学功能和实际意义核酸的生物学功能和实际意义一、核酸的概念和重要性一、核酸的概念和重要性1869年Miescher从细胞核中分别出核素nuclein。1889年Altman制备了核酸nucleic acid。193040年，Kossel & Levene等确定核酸的的组分：核酸脱氧核糖核酸deoxyribonucleic acid，DNA核糖核酸ribonuclei

2、c acid，RNA“四核苷酸假说：核酸由四种核苷酸组成的单体构成的，缺乏构造方面的多样性。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：DNA无荚膜，不致病温育有荚膜，致病传代传代有荚膜，致病有荚膜，致病有荚膜，致病除少数病毒RNA病毒以RNA作为遗传物质外，多数有机体的遗传物质是DNA。不同有机体遗传物质信息分子的构造差别，使得其所含蛋白质表现分子的种类和数量有所差别，有机体表现出不同的形状构造和代谢类型。RNA的主要作用是从DNA转录遗传信息，并指点蛋白质的合成。二、核酸的组成成分二、核酸的组成成分核酸 nucleic acid核苷酸 nucleot

3、ide核苷 nucleoside磷酸 phosphate嘌呤碱 purine base 或 嘧啶碱 pyrimidine base碱基 base核糖 ribose 或 脱氧核糖 deoxyribose 戊糖 amyl sugar一核糖和脱氧核糖一核糖和脱氧核糖OHOH2COHOHOH12OHOH2COHOH12-D-2-核糖-D-2-脱氧核糖O核糖 + H +糠醛甲基间苯二酚FeCl3绿色产物绿色产物脱氧核糖 + H+ -羟基-酮戊醛二苯胺蓝色产物蓝色产物RNA和和DNA定性、定量测定定性、定量测定二嘌呤碱和嘧啶碱二嘌呤碱和嘧啶碱NNNNHHHHNNNNHHHH123 456789嘌呤NH2腺

4、嘌呤 adenineANNNNHHHHOH2N鸟嘌呤 guanineGNNHHHH嘧啶123456NNHHHHNH2OH胞嘧啶 CytosineCNNHHHHOOHH尿嘧啶 uracilUNNHHHHOOHHCH3胸腺嘧啶 thymineTNNOOHHH酮式HNNOOHHH酮式HHH烯醇式三核苷三核苷OHOH2COHOHOH12345核 糖NNNNHHHH9腺嘌呤胸 苷OHOH2COHOHOH12345核 糖OHOH2COHOH12345核 糖NNOOHHH尿嘧啶H1尿苷NCOONHHH51OH假尿苷四核苷酸四核苷酸O-O胸苷-5-磷酸AMPOADPATPOOHOH2COHOHOH12345核

5、 糖NNNNHHHH9腺嘌呤胸 苷PP O- -OP O-OO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。在体内能量代谢中的作用：在体内能量代谢中的作用：ATP能量“货币UTP参与糖的相互转化与合成CTP参与磷脂的合成GTP参与蛋白质和嘌呤的合成第二信使第二信使cAMPOHO-O OCH2 TO=PO-35OHOHO-O OCH2 GO=PO-35OHO OCH2OHOH AO=POO-35351PPPOHATGpGpTpAOHpG-T-ApGTA三、三、DNA的构造的构造一一DNA的一级构造的一级构造由于DNA的脱氧核苷酸只在它们所携带的碱基上有区别，所以脱氧核苷酸

6、的序列常被以为是碱基序列base sequence)。通常碱基序列由DNA链的53方向写。DNA中有4种类型的核苷酸，有n个核苷酸组成的DNA链中能够有的不同序列总数为4n。二二DNA的双螺旋构造的双螺旋构造1953年，Watson 和Crick 提出。1. 双螺旋构造的主要根据双螺旋构造的主要根据1Wilkins和Franklin发现不同来源的DNA纤维具有类似的X射线衍射图谱。2Chargaff发现DNA中A与T、C与G的数目相等。后Pauling 和Corey发现A与T生成2个氢键、C与G生成3个氢键。3电位滴定证明，嘌呤与嘧啶的可解离基团由氢键衔接。2. 双螺旋构造模型要点双螺旋构造模

7、型要点1两条多核苷酸链反向平行。2碱基内侧，A与T、G与C配对，分别构成3和2个氢键。3双螺旋每转一周有10个bp，螺距3.4nm，直径2nm。3. 双螺旋构造的稳定要素双螺旋构造的稳定要素1氢键太弱；2碱基堆积力base stacking force，由芳香族碱基电子间的相互作用引起的，能构成疏水中心，是稳定DNA最重要的要素；3离子键减少双链间的静电斥力。4. DNA双螺旋的构象类型双螺旋的构象类型B-DNA：92%相对湿度，接近细胞内的相对湿度，接近细胞内的DNA构象，与构象，与Watson 和和Crick提出的模型类似。提出的模型类似。A-DNA：75%相对湿度，与溶液中相对湿度，与溶

8、液中DNA-RNA杂交分子的构杂交分子的构象类似，推测转录时发生象类似，推测转录时发生BA。其碱基平面倾斜。其碱基平面倾斜20，螺距，螺距与每一转碱基对数目都有变化。与每一转碱基对数目都有变化。Z-DNA：主链呈锯齿型左向环绕，直径约：主链呈锯齿型左向环绕，直径约1.8nm，螺距，螺距4.5nm，每一转含，每一转含12个个bp，只需小沟。，只需小沟。B-DNA与与Z-DNA的相的相互转换能够和基因的调控有关。互转换能够和基因的调控有关。C-DNA：4446%相对湿度，螺距相对湿度，螺距3.09nm，每转螺旋，每转螺旋9.33个个碱基对，碱基对倾斜碱基对，碱基对倾斜6。能够是特定条件下。能够是特

9、定条件下B-DNA和和A-DNA的转化中间物。的转化中间物。D-DNA：60%相对湿度，相对湿度，DNA中中A、T序列交替的区域。每个序列交替的区域。每个螺旋含螺旋含8个个bp，螺距，螺距2.43nm，碱基平面倾斜，碱基平面倾斜16。三三DNA的三级构造的三级构造线形分子、双链环状(dcDNA)超螺旋、染色体包装染色体包装染色体包装的构造模型多级螺旋模型多级螺旋模型紧缩倍数紧缩倍数 7 6 40 5 8400 DNA 核小体核小体 螺线管螺线管 超螺线管超螺线管 染色单体染色单体 2nm 10nm 30(10)nm 400nm 210m 一级包装一级包装 二级包装二级包装 三级包装三级包装 四

10、级包装四级包装 四、四、DNA与基因组织与基因组织DNATranscription RNAmRNA、tRNA、rRNATranslationProtein基因基因基因是基因是DNA片段的核苷酸序列，片段的核苷酸序列，DNA分子中最小的功分子中最小的功能单位。能单位。构造基因调理基因基因组基因组一一DNA与基因与基因二原核生物基因组的特点二原核生物基因组的特点1. DNA大部分为构造基因，每个基因出现频率低。2. 功能相关基因串联在一同，并转录在同一mRNA中多顺反子。3.有基因重叠景象。ABCDEFG三真核生物基因组的特点三真核生物基因组的特点1. 反复序列单拷贝序列：在整个DNA中只出现一次

11、或少数几次，主要为编码蛋白质的构造基因。中度反复序列 ：在DNA中可反复几十次到几千次。高度反复序列 ：可反复几百万次高度反复序列普通富含A-T或G-C，富含A-T的在密度梯度离心时在离心管中构成的区带比主体DNA更接近管口；富含G-C的更接近管底，称为卫星DNAsatellite DNA富含A-T富含G-C主体DNA2. 有断裂基因mRNA1 872bp内含子内含子intron)：基因中不为多肽编码，不在：基因中不为多肽编码，不在mRNA中出现。中出现。ABCDEG7 700bpF外显子外显子exons：为多肽编码的基因片段。：为多肽编码的基因片段。：由于基因中内含子的存在。例外：组蛋白基因

12、例外：组蛋白基因(histongene)和干扰素基因和干扰素基因(interferon gene)没有内含子。没有内含子。transcription五、五、RNA的构造与功能的构造与功能RNA分子是含短的不完全的螺旋区的多核苷酸链。一一tRNAtRNA约占RNA总量的15%，主要作用是转运氨基酸用于合成蛋白质。tRNA分子量为4S，1965年Holley 测定AlatRNA一级构造，提出三叶草二级构造模型。主要特征：主要特征：1.四臂四环；四臂四环；2.氨基酸臂氨基酸臂3端有端有CCAOH的共的共有构造；有构造；3.D环上有二氢尿嘧啶环上有二氢尿嘧啶D；4.反密码环上的反密码环上的反密码子与反

13、密码子与mRNA相互作用；相互作用；5.可变环上的核苷酸数目可可变环上的核苷酸数目可以变动；以变动；6.TC环含有环含有T和和；7.含有修饰碱基和不变核含有修饰碱基和不变核苷酸。苷酸。二二rRNA占细胞RNA总量的80%，与蛋白质40%共同组成核糖体。原原 核核 生生 物物 真 核 生 物核糖体rRNA核糖体rRNA70S30S、50S16S、5S、23S80S40S、60S18S、5S、5.8S、28S 三三mRNA与与hnRNAmRNA约占细胞约占细胞RNA总量的总量的35%，是蛋白质合成的模板。，是蛋白质合成的模板。真核生物mRNA的前体在核内合成，包括整个基因的内含子和外显子的转录产物

14、，构成分子大小极不均匀的hnRNA。四四snRNA和和asRNAsnRNA主要存于细胞核中，占细胞RNA总量的0.11%，与蛋白质以RNP核糖核酸蛋白的方式存在，在hnRNA和rRNA的加工、细胞分裂和分化、协助细胞内物质运输、构成染色质等方面有重要作用。asRNA可经过互补序列与特定的mRNA结合，抑制mRNA的翻译，还可抑制DNA的复制和转录。五五RNA的其它功能的其它功能1981年，Cech发现RNA的催化活性，提出核酸ribozyme。大部分核酶参与RNA的加工和成熟，也有催化C-N键的合成。23SrRNA具肽酰转移酶活性。RNA在DNA复制、转录、翻译中均有一定的调控作用，与某写物质

15、的运输与定位有关。六、核酸的性质六、核酸的性质一普通理化性质一普通理化性质1.为两性电解质，通常表现为酸性。2.DNA为白色纤维状固体，RNA为白色粉末，不溶于有机溶剂。3.DNA溶液的粘度极高，而RNA溶液要小得多。4.RNA能在室温条件下被稀碱水解而DNA对碱稳定。5.利用核糖和脱氧核糖不同的显色反响鉴定DNA与RNA。二核酸的紫外吸收性质二核酸的紫外吸收性质核酸的碱基具有共扼双键，因此有紫外吸收性质，吸收核酸的碱基具有共扼双键，因此有紫外吸收性质，吸收峰在峰在260nm蛋白质的紫外吸收峰在蛋白质的紫外吸收峰在280nm。核酸的光吸收值比各核苷酸光吸收值的和少3040%，当核酸变性或降解光

16、阴吸收值显著添加增色效应，但核酸复性后，光吸收值又回复到原有程度减色效应。00.10.20.30.4220240260280300波长 / nm光吸收三核酸构造的稳定性三核酸构造的稳定性1.碱基对间的氢键；2.碱基堆积力；3.环境中的正离子。四核酸的的变性四核酸的的变性 ：双螺旋区氢键断裂，空间构造破坏，构成单链无规线团状，只涉及次级键的破坏。DNA变性是个突变过程，类似结晶的熔解。将紫外吸收的添加量到达最大增量一半时的温度称熔解温度(melting temperature, Tm)。7075808590T /A /260nmTmTm影响Tm的要素：1G-C的相对含量 G+C% =Tm 69.

17、3 2.442介质离子强度低，Tm低。3高pH下碱基广泛去质子而丧失构成氢键的才干。4变性剂如甲酰胺、尿素、甲醛等破坏氢键，妨碍碱基堆积，使Tm下降。五核酸的复性退火五核酸的复性退火：变性核酸的互补链在适当条件下重新缔合成双螺旋的过程。影响复性速度的要素：1单链片段浓度2单链片段的大小3片段内反复序列的多少4溶液离子强度的大小5溶液温度的高低 T 25六分子杂交六分子杂交 ：在退火条件下，不同来源的DNA互补区构成氢键，或DNA单链和RNA链的互补区构成DNA-RNA杂合双链的过程。探针：用放射性同位素或荧光标志的探针：用放射性同位素或荧光标志的DNA或或RNA片段。片段。原位杂交技术：直接用

18、探针与菌落或组织细胞中的核酸原位杂交技术：直接用探针与菌落或组织细胞中的核酸杂交，未改动核酸所在的位置。杂交，未改动核酸所在的位置。点杂交：将核酸直接点在膜上，再与核酸杂交。点杂交：将核酸直接点在膜上，再与核酸杂交。Southern印迹法：将电泳分别后的印迹法：将电泳分别后的DNA片段从凝胶转移到片段从凝胶转移到硝酸纤维素膜上，再进展杂交。硝酸纤维素膜上，再进展杂交。Northern印迹法：将电泳分别后的印迹法：将电泳分别后的RNA吸印到纤维素膜上吸印到纤维素膜上再进展分子杂交。再进展分子杂交。七、核酸的序列测定七、核酸的序列测定目前多采用Sanger的酶法和Gilbert的化学法OHOH2C

19、HHOH12345核 糖NNNNHHHH9腺嘌呤ddATPPP P八、核酸的生物学功能和实际意义八、核酸的生物学功能和实际意义核酸是根本遗传物质，在蛋白质的生物合成上又占有重要位置，因此在个体的生长、生殖、遗传、变异和转化等一系列生命景象中起决议性作用。一核酸与遗传信息的传送一核酸与遗传信息的传送DNA是根本遗传物质 有了一定构造的DNA，才干产生一定构造的蛋白质，由一定构造的蛋白质才有一定形状和生理特征，所以根据DNA的特定遗传密码产生的蛋白质就代表特定生物的遗传性。在遗传过程中DNA的详细作用：1在细胞分裂时按照本人的构造准确复制传给后代；2作为模板将所贮遗传信息传给mRNA。RNA在传送

20、遗传信息上的作用 mRNA是蛋白质合成的模板；tRNA识别mRNA上的遗传密码，转运特定氨基酸到核糖体上合成肽链；rRNA是核糖体的主要成分，是翻译任务的场所。二核酸与蛋白质的生物合成二核酸与蛋白质的生物合成DNA转录为mRNA是有选择的，tRNA和rRNA也是DNA的转录产物。三核酸构造改动与生物变异三核酸构造改动与生物变异一切生物的变异和进化都可以说是由于DNA的构造改动而引起蛋白质改动的结果。生物遗传的变异来源于DNA碱基配对的改动，有的由于DNA碱基的颠倒如TA被颠倒为AT或被互换如GC被换为TA；有的由于在DNA复制过程中被脱漏了一对或多了一对核苷酸，或者在转译时发生了差误，如氨酰t

21、RNA合成酶错将一个构造与正常氨基酸非常类似的物质交给tRNA。还有一些生物的遗传性状发生了突变。四四DNA与细菌转化与细菌转化一种细菌的遗传性状因吸收了另一种细菌的DNA而发生改动的景象，称为细菌的转化。五核酸与病变五核酸与病变遗传性疾病是由于遗传缺陷而产生的，也就是DNA构造改动的结果。镰刀型红细胞贫血和白化病(albinism)。病毒对活细胞的侵染是寄主发生疾病，主要是由于核酸的的作用。流感、肝炎、带状疱疹、脊髓灰质炎、白血病、烟草斑纹病。六遗传工程六遗传工程遗传工程是用人工方法改组DNA，从而培育新型生物种类的技术。实验室中将细菌作资料研讨遗传工程过程可分为：1重组DNA分子基因重组；2将重组DNA引入受体细胞转化或转导。有利：有利：1有能够培育出高产抗病、耐旱、耐寒、耐盐碱有能够培育出高产抗病、耐旱、耐寒、耐盐碱的优良性能的动植物新种类；的优良性能的动植物新种类；2改良微生物种类使产生改良微生物种类使产生人工难以制得的生物活性物质如胰岛素、干扰素等；人工难以制得的生物活性物质如胰岛素、干扰素等；3处理某些疾病病因和控制这些疾病。处理某些疾病病因和控制这些疾病。不利：引起某些疾病的广泛流行和使某些细菌失去对抗菌素不利：引起某些疾病的广泛流行和使某些细菌失去对抗菌素的敏感性，或者使某些酶或激素失去应有的生物活性等。的敏感性，或者使某些酶或