生物化学：第二章核酸的化学ppt课件

1、 第二章 核酸的化学 周口师范学院生命科学系 (2019. 09) 主要内容主要内容一、一、 核酸的研讨历史和重要性核酸的研讨历史和重要性二、二、 核酸的组成和分类核酸的组成和分类三、三、 核酸的根本构造单位核酸的根本构造单位核苷酸核苷酸四、四、 DNA DNA的分子构造的分子构造五、五、 RNA RNA的分子构造的分子构造六、六、 核酸的理化性质及核酸研讨常用技术核酸的理化性质及核酸研讨常用技术核酸的发现:1868 瑞士F.Miescher从脓细胞的细胞核中分别出了一 种含磷酸的有机物，当时称为核素nuclein,后称为核酸nucleic acid.核素本质是一种核糖核蛋白。.核酸生命物质的

2、主要组分，控制着生物的生长、发育、繁衍、遗传等重要的生命活动。1944 Avery 等经过肺炎球菌转化实验证明DNA是遗传物质1953 Watson和Crick提出DNA构造的双螺旋模型它不仅阐明了DNA分子的构造特征，而且提出了DNA作为执行生物遗传功能的分子，从亲代到子代的DNA复制过程中遗传信息的传送方式及高度保真性，为遗传学进入分子程度奠定了根底，成为现代分子生物学开展史上最为辉煌的里程碑。 1958 Crick提出遗传信息传送的中心法那么70年代 建立DNA重组技术80年代 分子生物学、分子遗传学等学科突飞猛进开展，另有核酶的发现90年代以后 实施人类基因组方案HGP,生命科学进入一

3、个新时代21世纪初RNA组学诞生，并得到迅速开展，非编码RNA研讨已成为热点。种种 类类分分 布布功功 能能DNA原核生物：核质区真核生物：95%在细胞核、5%在线粒体和叶绿体 遗传信息的载体RNAtRNA原核生物：细胞质真核生物：75%在细胞质15%在线粒体和叶绿体10%在细胞核 携带、转移aamRNA肽链合成的模板rRNA核糖体主要成分元素组成元素组成C、 H、 O、 N、P其中其中P的含量在核酸中相对恒定。在的含量在核酸中相对恒定。在DNA中为中为9.9%，在，在RNA中为中为9.4% 。这可用于测定核酸的。这可用于测定核酸的含量含量定磷法。定磷法。 戊糖 嘌呤 核糖脱氧核糖脱氧核糖 碱

4、基嘧啶嘧啶 核苷酸 磷酸 核苷构造组成 核核 苷苷 酸酸 RNARNA中中的的核核苷苷酸酸腺苷酸腺苷酸AMP鸟苷酸鸟苷酸GMP胞苷酸胞苷酸CMP尿苷酸尿苷酸UMPDNADNA中中的的核核苷苷酸酸脱氧腺苷酸脱氧腺苷酸d AMP脱氧鸟苷酸脱氧鸟苷酸d GMP脱氧胞苷酸脱氧胞苷酸d CMP脱氧胸苷酸脱氧胸苷酸d TMP生物体内存在的核苷酸，多生物体内存在的核苷酸，多是是5 5核苷酸。核苷酸。Nitrogenous basePentose sugarHOCH2HOHDoxyribose (in DNA)HOCH2HOOHRibose (in RNA)PhosphatePyrimidinesCytosi

5、neThymineUracilCUTPurinesAdenineGuanineAG嘌呤嘌呤嘧啶嘧啶Adenine (A)Guanine (G)Cytosine (C)Uracil (U)Thymine (T)修饰碱基修饰碱基腺嘌呤核苷酸腺嘌呤核苷酸 AMP Adenosine monophosphate脱氧腺嘌呤核苷酸脱氧腺嘌呤核苷酸dAMP Deoxyadenosine monophosphateOH鸟嘌呤核苷酸鸟嘌呤核苷酸GMP胞嘧啶核苷酸胞嘧啶核苷酸CMP尿嘧啶核苷酸尿嘧啶核苷酸UMP脱氧鸟嘌呤核苷酸脱氧鸟嘌呤核苷酸dGMP脱氧胞嘧啶核苷酸脱氧胞嘧啶核苷酸dCMP脱氧胸腺嘧啶核苷酸脱氧胸

6、腺嘧啶核苷酸dTMPHPPPPPPPP鸟嘌呤核苷酸鸟嘌呤核苷酸GMP尿嘧啶核苷酸尿嘧啶核苷酸UMP胞嘧啶核苷酸胞嘧啶核苷酸CMP腺嘌呤核苷酸腺嘌呤核苷酸AMP脱氧腺嘌呤核苷酸脱氧腺嘌呤核苷酸dAMP脱氧鸟嘌呤核苷酸脱氧鸟嘌呤核苷酸dGMP脱氧胞嘧啶核苷酸脱氧胞嘧啶核苷酸dCMP脱氧胸腺嘧啶核苷酸脱氧胸腺嘧啶核苷酸dTMP假尿苷假尿苷二氢尿嘧啶二氢尿嘧啶DHUAmCH3CH3H3Cm26AHH5 多磷酸核苷酸多磷酸核苷酸 环核苷酸环核苷酸 辅酶类核苷酸辅酶类核苷酸 5-NMP 5-NDP 5-NTPN=A、G、C、U 5-dNMP 5-dNDP 5-dNTP N=A、G、C、T AMP Aden

7、osine monophosphate ADP Adenosine diphosphate ATP Adenosine triphosphate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： 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另外:CDPG参与磷脂合成，ADPG、UDPG、GDPG、TDPG参与糖原、淀粉、纤维素、果胶等合成； 第二信使cAMP、cGMP，微生物细胞内，还有cUMP、cCMP、cIMP，但功能不明。 辅酶如NAD+、NADP+、FMN、FAD、CoASH的组成成分，

8、参与细胞内的氧化复原反响和酰基转移反响； 医疗中，ATP作为能源药物用于心力衰竭急救，cAMP用于心肌梗死，阿拉伯糖苷有抗DNA病毒作用，用于抗癌。环化核苷酸环化核苷酸cAMP、cGMP：被：被称为第二信称为第二信使，有放大使，有放大激素的作用激素的作用IMP GMPIMP GMP1. DNA 一级构造一级构造2. DNA的二级构造的二级构造3. DNA的三级构造的三级构造4. DNA与基因组与基因组5 5 3 3 1. DNA一级构造一级构造 DNA分子中各脱氧核苷酸之间的衔接方式3-5磷酸二酯键和陈列顺序叫做DNA的一级构造，简称为碱基序列。一级构造的走向的规定为53。不同的DNA分子具有

9、不同的核苷酸陈列顺序，因此携带有不同的遗传信息。5 3 5 3 p p p pOH3 ACTG1 线条式线条式5 ACTGCATAGCTCGA 3 字母式字母式构造式构造式 DNADNA一级构造一级构造5 3 OHOHOH5 3 RNARNA RNA与与DNA一级构造的差别一级构造的差别 DNA RNA糖糖 脱氧核糖脱氧核糖 核糖核糖碱基碱基 AGCT AGCU 不含稀有碱基不含稀有碱基 含稀有碱基含稀有碱基DNADNA DNA的双螺旋构造(Watson-Crick模型 DNA双螺旋构造特征、稳定要素及意义 DNA双螺旋的多态性DNA的其它二级构造 DNA回文构造、发卡、十字架、三链构造等2.

10、 DNA二级构造二级构造5 3 5 3 5 3 5 3 磷酸磷酸核糖核糖碱基碱基T-A碱基对碱基对C-G碱基对碱基对 a. 两条反向平行的多聚核苷酸链沿一个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环绕而构成。假设的中心轴右旋相互环绕而构成。 b. 磷酸和脱氧核糖单位作为不变的骨架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组成位于外侧，作为可变成分的碱基位于内侧，链间碱基按内侧，链间碱基按AT，GC配对碱配对碱基配对原那么，基配对原那么，Chargaff定律。定律。 c. 螺旋直径螺旋直径2nm，相邻碱基平面垂直间，相邻碱基平面垂直间隔隔0.34nm,螺旋构

11、造每隔螺旋构造每隔10个碱基对个碱基对base pair, bp反复一次，间隔螺距为反复一次，间隔螺距为3.4nm。 d.螺旋外表不平滑，有大沟和小沟。螺旋外表不平滑，有大沟和小沟。 氢键氢键 碱基堆集力碱基堆集力 磷酸基上负电荷被胞内磷酸基上负电荷被胞内组蛋白或正离子中和组蛋白或正离子中和 该模型提示了该模型提示了DNA作为遗传物质的稳定性作为遗传物质的稳定性特征，最有价值的是确认了碱基配对原那么，特征，最有价值的是确认了碱基配对原那么，这是这是DNA复制、转录和反转录的分子根底，亦复制、转录和反转录的分子根底，亦是遗传信息传送和表达的分子根底。该模型的是遗传信息传送和表达的分子根底。该模型

12、的提出是提出是20世纪生命科学的艰苦突破之一，它奠世纪生命科学的艰苦突破之一，它奠定了生物化学和分子生物学乃至整个生命科学定了生物化学和分子生物学乃至整个生命科学飞速开展的基石。飞速开展的基石。 所谓DNA二级构造的多态性，是指DNA不仅具有多种方式的双螺旋构造，而且还能构成三链、四链构造，阐明DNA的构造是动态的，而不是静态的。核酸的构型的多样性是由于核酸主干链上各键和碱基的旋转呵斥的，而多链的DNA是特定的碱基序列导致的结果。l(1) B-DNA螺旋：规范的 Watson, Crick双螺旋，细胞正常形状下DNA存在的构型。l(2) A-DNA螺旋：DNA在75%相对湿度的钠盐中的构型。l

13、(3) C-DNA螺旋：DNA在66%相对湿度的锂盐中的构型。l(4) Z-DNA螺旋：左手的DNA螺旋，这种螺旋能够在基因表达或遗传重组中起作用。DNA双螺旋的不同构型双螺旋的不同构型A-DNAZ-DNAB-DNA回文序列回文序列发夹式构造发夹式构造十字形构造十字形构造中心区域中心区域DNA三链间三链间的碱基配对的碱基配对DNA分子内分子内的三链构造的三链构造 多聚嘌呤多聚嘌呤多聚嘧啶多聚嘧啶 在细胞内，由于DNA分子与其它分子主要是蛋白质的相互作用，使DNA双螺旋进一步扭曲构成的高级构造. 实例：超螺旋 核蛋白体 染色体chromosome超螺旋按其方向分为正超螺旋和负超螺旋两种。真核生物

14、中，DNA与组蛋白八聚体构成核小体构造时，存在着负超螺旋。研讨发现，一切的DNA超螺旋都是由DNA拓扑异构酶产生的。染色体包装的多级螺旋模型染色体包装的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 四级包装四级包装 染色体的根本构造单位是核小体。核小体是由DNA和组蛋白组成的，组蛋白有五种。H2A,H2B,H3,H4 各两分子构成一个八聚体，其外再由双螺旋DNA绕其旋转1.75圈(为DNA的三级构造)

15、，约含140bp ，称为核小体的中心颗粒(core particle)。两个中心颗粒之间由一段双螺旋DNA链(约60bp)相连，称为衔接部，组蛋白H1结合在此部位。假设干个核小体再螺旋构成核小体纤维，再进一步螺旋化构成染色体。从双螺旋DNA到染色体，DNA总共紧缩了约800010000倍.核小体构造如下图核小体构造如下图: :4 DNA4 DNA与基因组与基因组DNATranscription RNAmRNA、tRNA、rRNATranslationProtein基因基因基因是DNA片段的核苷酸序列，DNA分子中最小的功能单位。构造基因构造基因调理基因调理基因基因组基因组DNADNA与基因与基

16、因l基因即一段有功能的DNA片段，生物细胞中DNA分子的最小功能单位交换单位。l一个细胞或生物体所含的全套基因称基因组；l基因组方案：l人类基因组方案Human Genome Project， HGP l酵母基因组方案 YGPl大肠杆菌E.Coli真核生物基因组的特点真核生物基因组的特点A. 反复序列单拷贝序列：在整个DNA中只出现一次或少数几 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DN

17、Asatellite DNA富含富含A-T富含富含G-C主体主体DNAB. 有断裂基因mRNA1 872bp内含子intron)：基因中不为多肽编码，不在mRNA中出现。ABCDEG7 700bpF外显子exons：为多肽编码的基因片段。：由于基因中内含子的存在。：由于基因中内含子的存在。transcription原核生物基因组的特点原核生物基因组的特点A. DNA大部分为构造基因，每个基因出现频 率低。B. 功能相关基因串联在一同，并转录在同一mRNA中多顺反子。C.有基因重叠景象。ABCDEFG1 RNA的一级构造的一级构造 2 tRNA 的分子构造的分子构造3 rRNA的分子构造的分子构

18、造4 mRNA的分子构造的分子构造 RNA分子中各核分子中各核苷之间的衔接方式苷之间的衔接方式3 -5磷酸二酯键磷酸二酯键和陈列顺序叫做和陈列顺序叫做RNA的一级构造的一级构造OHOHOH5 3 RNA与与DNA的差别的差别 DNA RNA糖糖 脱氧核糖脱氧核糖 核糖核糖碱基碱基 AGCT AGCU 不含稀有碱基不含稀有碱基 含稀有碱基含稀有碱基1 RNA的一级构造的一级构造 对于RNA的一级构造，研讨最多的是tRNA。tRNA的5-末端总是磷酸化，而且常是pG ；3 -末端最后三个氨基酸顺序一样，总是CCAOH ；tRNA中含有较多的稀有碱基，每分子含715个，稀有碱基中最常见的是甲基化的碱

19、基。 在rRNA分子中，研讨最多的是5SrRNA和16SrRNA。大肠杆菌中的5SrRNA的5 -端常出现pppU，3 -端为UOH ；第4347位的核苷酸顺序为CGAAC真核细胞此序列那么出如今5.8SrRNA，这是rRNA与tRNA相互识别、相互作用的部位；原核细胞16SrRNA的3 -端总存在序列ACCUCCU，这是mRNA的识别位点。 mRNA相对分子质量不均一，代谢活泼，这给一级构造的研讨带来一定困难。真核细胞mRNA与原核mRNA比较，在构造上具有明显的区别。真核细胞mRNA的3 -末端有一段可长达200个左右的聚腺苷酸poly A，称为“尾构造；5 -末端有一个甲基化的鸟苷酸,称

20、为“帽构造，表示m7Gp5p5pXpmY，其中X、Y为恣意碱基。这种“尾和“帽的构造在mRNA功能表现中具有重要作用。 二级构造特征： 单链三叶草叶形 四臂四环 三级构造 特征： 在二级构造根底上进一步折叠扭曲构成倒L型X光晶体衍射解出的 tRNA 立体构造特征： 单链，螺旋化程度较tRNA低 与蛋白质组成核糖体后方能发扬其功能5SRNA5SRNA的二级构造的二级构造原核生物原核生物mRNA特征：特征： 先导区先导区+翻译区多顺反子翻译区多顺反子+末端序末端序列列真核生物真核生物mRNA特征：特征： “帽子帽子m7G-5 ppp5 -N-3 p+单顺反单顺反 子子+“尾巴尾巴Poly A原核细

21、胞原核细胞mRNAmRNA的构造特点的构造特点5 3 顺反子顺反子顺反子顺反子顺反子顺反子插入顺序插入顺序插入顺序插入顺序先导区先导区末端顺序末端顺序真核细胞真核细胞mRNAmRNA的构造特点的构造特点AAAAAAA-OH5 “帽子帽子PolyA 3 顺反子顺反子m7G-5 ppp-N-3 p真核生物mRNA的一级构造可用下式表示 :5-帽子 5-非密码区 密码区3-非密码区 polyA 5-cap：m7G(5)pppNmp 5-cap cap0: m7G(5)pppNp cap1: m7G(5)pppNmpNp cap2: m7G(5)pppNmpNmpNp 5 -cap的功能的功能 (1)

22、 防止防止mRNA被核酸酶降解。被核酸酶降解。(2) 为为mRNA翻译活性所必需。翻译活性所必需。(3) 与蛋白质合成的正确起始有关。与蛋白质合成的正确起始有关。3 -polyA : polyA的残基数的残基数20200个，或更多。个，或更多。polyA的功能的功能 (1) 维护维护mRNA，免受核酸外切酶的作用。，免受核酸外切酶的作用。(2) 与翻译有关，没有与翻译有关，没有polyA翻译活性降低。翻译活性降低。(3) 与与mRNA从细胞核转移到细胞质有关。从细胞核转移到细胞质有关。 1 核酸的物理性质核酸的物理性质 2 核酸的紫外吸收特性核酸的紫外吸收特性max=260nm 3 核酸的变性

23、、复性和分子杂交核酸的变性、复性和分子杂交 4 核酸的溶链温度核酸的溶链温度Tm 5 核酸的水解核酸的水解性状：RNA及其组分核苷酸、核苷、嘌呤碱、嘧啶碱的纯品都呈白色的粉末或结晶；DNA那么为疏松的石棉一样的纤维状固体。粘性：核酸的水溶液粘度很大，粘度DNA大于RNA。核酸变性后，粘度下降。溶解性：RNA和DNA都是极性的化合物，普通说来，这些化合物都微溶于水，不溶于乙醇、乙醚、氯仿等有机溶剂。它们的钠盐易溶于水。 DNA和RNA在生物细胞内都与蛋白质结合成核蛋白。物理性质物理性质天然天然DNA变性变性DNA核苷酸总吸收值核苷酸总吸收值1232202402602800.10.20.30.4波

24、长波长nmnm光光吸吸收收123核酸的光吸收值比各核苷酸光吸收值的和少30-40%，当核酸变性或降解光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。加热加热部分双螺旋解开部分双螺旋解开 无规那么线团无规那么线团 链内碱基配链内碱基配对对变性加热变性加热探针探针杂交缓慢冷却杂交缓慢冷却复性缓慢冷却复性缓慢冷却 变性：在物理、变性：在物理、化学要素影响下，化学要素影响下， DNA碱基对间的氢碱基对间的氢键断裂，双螺旋解键断裂，双螺旋解开，这是一个是跃开，这是一个是跃变过程，伴有变过程，伴有A260添加增色效应添加增色效应,DNA的功能丧失。的功能丧失。 复性：在一定条复性：在一定条件下，变性件下，变性DNA 单单链间碱基重新配对链间碱基重新配对恢复双螺旋构造