动物生物化学核酸和化学.ppt

1、,第4章,核酸的化学,本章主要内容：,核酸的化学组成,核酸的结构,核酸的理化性质,著名的肺炎链球菌转化实验,更有说服力的噬菌体实验,脱氧核糖核酸，DNA （Deoxyribonucleic Acid），在原核细 胞是核质的成分，在真核细胞DNA与蛋白质结合形成染色 体，少量存在于线粒体。一个生命有机体的每个体细胞（除 生殖细胞外）都含有相同质和量的DNA，包含了它的全部遗 传信息。,核糖核酸，RNA （Ribonucleic Acid）主要存在于胞液内， 真核细胞的核仁和线粒体也含有少量RNA。RNA的量是变动 的。主要有mRNA，tRNA和rRNA。 病毒或者是DNA病毒或者是RNA病毒。,

2、1.核酸的化学组成,核酸，DNA或RNA，经核酸酶水解生成单核 苷酸。,单核苷酸是组成核酸的基本单位。,核苷酸进一步分解生成碱基、核糖（或脱氧 核糖）和磷酸。,核酸的水解,核酸 核苷酸 nucleic acid nucleotide,磷酸,phosphate,核苷 nucleoside,碱基 戊糖,base pentose,2 3 4,N 1,9,1.核酸的化学组成 1.1 碱基,胞嘧啶（Cytosine，C）,C,2,1 6 CH N H,C HN 3 4 5 CH,O,O,HN 3,C,2,1 6 CH N H,C 4 5 C,O,O,CH 3,N 3,C,2,CH,1 6 N H,C 4

3、 5 CH,NH 2,O,HC,C C,5,C 6 N,CH,N 7 8 9 N H,尿嘧啶（Uracil，U） NH2,HN 1 2,5 4,6 3 N,CH,N 7 8 N H,O,H2N,鸟嘌呤（Guanine, G）,胸腺嘧啶（Thymine，T） 核酸中的嘧啶碱基,腺嘌呤（Adenine, A） 核酸中的嘌呤碱基,1.核酸的化学组成 1.2 核糖,4,2 H,3 OH,H,5 CH2OH O H,H,OH H 1,4,2 H OH,5 CH2OH O H,H 3 OH,OH H 1,核糖（D-ribose）,脱氧核糖（2-deoxy-D-ribose）,DNA： 脱氧核糖,RNA：

4、核,糖,1.核酸的化学组成,1.3 核苷,A、 概念：,碱基和戊糖通过糖苷键连接而成的化合物,B、分类：,嘌呤核苷（腺苷、鸟苷）,嘧啶核苷（胞苷、尿苷、胸苷）,核糖核苷构成RNA,脱氧核糖核苷 构成DNA,N,N,N 9 N,O,H,OH,H 1,H,H,HO CH 2 H,N,HN H 2N,N 9 N,O,H,OH,H 1,H,H,HO CH 2 H,O,H,OH,H,H,HO CH 2 H,H 1,1 N,N,O,O,H,OH,H,H,HO CH2 H,H 1,1 N,HN O,腺嘌呤脱氧核苷,鸟嘌呤脱氧核苷,胞嘧啶脱氧核苷,胸腺嘧啶脱氧核苷,N,N,9 N,N,NH 2,OH,H 1,

5、H OH,H,HO CH 2 O H,HN,N,N,O,H 2N,9 N,O,OH,H 1,H OH,H,HO CH 2 H,O,OH,H OH,H,HO CH 2 H,H 1,1 N,N,NH 2,O,OH,H OH,H,HO CH2 O H,H 1,1 N,HN,O,O,腺嘌呤核苷 NH 2,鸟嘌呤核苷 O,胞嘧啶核苷 NH 2,尿嘧啶核苷 O,CH 3,核苷（上）与脱氧核苷（下）,1.核酸的化学组成,1.4 核苷酸,核苷酸（nucleotide）的概念：,核苷（脱氧核苷）与磷酸通过酯键结合,而成的化合物。,N,N,N 9 N,NH2,1,H H OH,N,O,HN H2N,N 9 N,H

6、 1 H OH,H 1 H OH,1 N,N,NH2,O,H 1 H OH,1 N,O,HN O,O,O P O CH2 O O H H OH,O,O P O CH2 O O H H OH,O,O P O CH2 O O H H OH,O,O P O CH2 O O H H OH,N,N,N 9 N,5腺嘌呤核苷酸 NH2,1,H H,H,N,5鸟嘌呤核苷酸 O,HN H2N,N 9 N,H 1 H H,H 1 H H,1 N,N,5胞嘧啶核苷酸 NH2,O,H 1 H H,N 1,5尿嘧啶核苷酸 O,HN O,5腺嘌呤脱氧核苷酸,5鸟嘌呤脱氧核苷酸,5胞嘧啶脱氧核苷酸,5胸腺嘧啶脱氧核苷酸,

7、O,O P O CH2 O O H H OH,O,O P O CH2 O O H H OH,O,O P O CH2 O O H H OH,O,O P O CH2 O O H H OH,CH3,核糖核苷酸（上）与脱氧核糖核苷酸（下）,1.核酸的化学组成,1.5 其他核苷酸,A 、参加能量代谢的核苷酸：ATP、ADP B 、参加细胞信号传导的核苷酸： 环腺苷酸（cyclic AMP，cAMP） 环鸟苷酸（cyclic GMP，cGMP）,O ,CH,N N,NH 2,H,N HC N 5 O CH 2 O H,-O,O O P O P O P O - O - O -,H H OH OH 腺嘌呤核苷

8、三磷酸（ATP）,N HC,N,CH,N N,NH 2,H O,H H OH,CH 2 O,H,O,O P,O- 3,5-环状腺苷酸（cAMP）,1.核酸的化学组成,DNA分子和RNA分子核苷酸组成的差别,5 H2C,5 CH2,5 H2C,3，5-磷 酸二酯键,NH2 N N N N,O,N,NH,N N,NH2 N N O,HO P O O O,3 OH,OH HO P O O O 3 O HO P O O O 3 O,G NH2,C A,3end,2. 核酸的结构 5end 2.1 核酸中核苷 酸的连结方式 3,5 phosphodiester linkage,侧链 核苷酸之 间的连接

9、方式是,主链,2.核酸的结构,2.2 DNA分子的结构,DNA分子的大小,天然存在的DNA分子最显著的特点是很长，分子质量很,大，一般在1061010 。,DNA的碱基组成有如下特点： 具有种的特异性。, 没有器官和组织的特异性。, 在同一种DNA中，A=T 、G = C+m5C，即A+G = T+C+mC。 年龄、营养状况、环境的改变不影响DNA的碱基组成。,2. 核酸的结构,2.3 核酸的一级结构,概念：,核酸一级结构指DNA或RNA中,核苷酸的排列顺序，亦可称之为碱基,排列顺序。,2.核酸的结构,2.4 DNA的二级结构,DNA双螺旋结构的研究背景 ：,A、Chargaff 规则：20世

10、纪40年代末至50年代初,a、Pu=Py，且A=T、G=C,b 、不同生物种属DNA碱基组成不同,c、同一个体不同器官(组织)的DNA碱基组成,B、Rosalind Franklin 获得高质量的DNA X衍射照,片，显示DNA分子呈螺旋外形,2.核酸的结构,DNA分子由两条多聚脱氧核糖核苷酸链(简称DNA单链)组 成。两条链沿着同一根轴平行盘绕，形成右手双螺旋结构。 两条链方向相反。,碱基位于螺旋的内侧，磷酸和脱氧核糖基以磷酸二酯键 相连形成的骨架位于螺旋外侧。,内侧碱基呈平面状，碱基平面与中心轴相垂直，脱氧核 糖的平面与碱基平面几乎成直角。相邻碱基平面在螺旋轴 之间的距离为0.34nm，旋

11、转夹角为36。因此，每10对核 苷酸绕中心轴旋转一圈，螺距为3.4nm。,DNA双螺旋结构要点 ：,2.核酸的结构,螺旋的直径约为2nm。沿螺旋的中心轴形成的大沟 和小沟交替出现。,两条链被碱基对之间形成的氢键稳定地维系在一起。 碱基的相互结合具有严格的配对规律，A与T，G与 C，A和T之间形成两个氢键，G与C之间形成三个氢键。,2.核酸的结构,Watson和Crick所提出 的模型称为B-DNA。,不同构型的 DNA,B型是最稳定的构型,2.核酸的结构,2.5 超螺旋DNA,A、原核生物：超螺旋结构,核小体的构成,核小体由DNA和组蛋白共同构成。,组蛋白H2A、H2B、H3和H4各2分子构成

12、八聚 体，DNA双螺旋缠绕在此八聚体上，形成核心颗,粒（core particle），核心颗粒间通过连接区（组 蛋白H1和60bp DNA）连接成串珠状结构。,长约140bp的DNA分子绕核心部位1圈。,核小体的串珠状结构,2. 核酸的结构,2.6 RNA分子的结构,mRNA：占细胞中RNA总量的3%5%，分子量大小不 一，不稳定，代谢活跃，更新迅速，是合成蛋白质的模板。 rRNA：细胞中含量最多的RNA，核糖体的组成成分，蛋白 质合成的场所。,tRNA：约占细胞中RNA总量的15%。约由7590个核苷酸 组成。蛋白质合成中携带活化的氨基酸。,RNA的碱基组成： A、G、C、U,RNA分子的类

13、型：mRNA、rRNA、tRNA,2.6.1 mRNA的结构和功能,把DNA所携带的遗传信息，按碱基互,补配对原则，抄录并传送至核糖体，用以 决定其合成蛋白质的氨基酸排列顺序 。,2.6.2 转运RNA的结构与功能,tRNA一级结构特点：,A、小分子单链RNA，70-90个核苷酸组成 B、含10-20%的稀有碱基（rare bases）,I、DHU、mA、mG,C、5 端通常为pG；3端通常为-CCA-OH,tRNA空间结构特点：,A、三叶草形二级结构：,AA臂：特异结合AA,反密码环(反密码子)：与密码子配对 DHU环：与氨基酰-tRNA合成酶结合 TC环：与核蛋白体结合,可变环,B、倒L形

14、三级结构,* tRNA的二级结构,三叶草形,氨基酸臂, 氨基酸臂 DHU环 反密码环 额外环 可变环 TC环,* tRNA的三级结构, 倒L形,* tRNA的功能,活化、搬运氨基 酸到核糖体，参与蛋 白质的翻译。,2.6.3 核蛋白体RNA的结构与功能,rRNA结构特点,A、原核生物有：5S、16S、23S三种 真核生物有：5S、5.8S、18S、28S四种,B、核蛋白体RNA和数十种蛋白质构成核蛋白 体( ribosome )，核蛋白体包括大、小两个亚基。,C、多个茎-环（stem-loop）结构,rRNA的功能,参与构成核蛋白体，是合成蛋白质的场所。,3.核酸的性质,3.1 紫外吸收的特性

15、,嘌呤和嘧啶在 260,nm有特异的吸收峰 , 这个性质用于核酸 的分析,3.核酸的性质,3.2 溶解性,溶于偏碱的溶剂中，可以为乙醇沉淀，容,易受机械作用力而断裂。,3.3 黏性,DNA溶液有高度的黏性,3.核酸的性质,3.4 DNA分子的变性,DNA双螺旋的有序结构受各种理化因子，如热、酸碱、变性 剂、有机溶剂以及稀释的作用，转变为无规则的线团结构。,变性的特征：增色 效应，黏度下降， 沉降系数增加，生 物学活性丧失,3. 核酸的性质,增色效应：核酸分子加热变性时，其在 260nm处的紫外吸收急剧增加的现象。,Tm值 ：当紫外吸收变化达到最大变化的半数,值时，此时所对应的温度称为熔解温度、

16、变,性温度或用Tm值表示。,DNA解链曲线,3.核酸的性质,影响Tm值的因素:,溶液的性质,大肠杆菌DNA在不同浓度 KCl溶液下的熔融温度曲线,DNA的性质和组成,3. 核酸的性质,3.4 复性（renaturation）,复性：变性DNA分开的两条链在适当条件下重新生,成双链结构的过程。,退火（annealing）:热变性的DNA经缓慢冷却后复性 的过程。,3.核酸的性质 3.5 分子杂交 当两条不同来源的 DNA（或RNA）链或DNA链与RNA链之间存在互补顺序 时，在一定条件下可以发生互补配对形成双螺旋分子，这种分子称为 杂交分,子。形成杂交分子的过程称为 分子杂交（molecule,

17、hybridization ） 。, ,研究DNA之间的亲缘关系； 发现基因的缺失或突变； 测定某种遗传信息的量； 鉴定某种基因等,3. 核酸的性质 核酸探针（nucleic acid probe）:能特异性的探测带某 一特定序列的DNA或RNA分子的标记核酸分子。 利用探针(probe),可以：, ,用于鉴定DNA的Southern印迹技术 用于鉴定RNA的Northern印迹技术 原位杂交技术 基因芯片技术等,以分子杂交为基础建立起的分子生物学研究技术有：,课堂提问,在pH为7.0时，哪种氨基酸带正电荷？,A 丙氨酸,B 亮氨酸 C 赖氨酸 D 谷氨酸 E 苏氨酸, 侧链上含有巯基的氨基酸

18、是？,A Arg,B Ser C Thr,D Cys,E Met, 请说出测定未知浓度蛋白质溶液浓度的方法及其原 理。,2.6.1 信使RNA的结构与功能,messenger RNA，mRNA,mRNA的前体,A、不均一核RNA,（heterogeneou nuclear RNA，hnRNA）,B、hnRNA的加工成熟,2.6.1 信使RNA的结构与功能,messenger RNA，mRNA,mRNA的前体,A、不均一核RNA,（heterogeneou nuclear RNA，hnRNA）,B、hnRNA的加工成熟,A、5-帽子（5-cap）:,m7GpppmNp-Np,作用：增强mRNA稳

19、定性、促进mRNA与 核蛋白体结合、加速翻译起始的速度。 B、3-尾（3-tail）: poly A 作用：与转位和稳定性有关 C、三联体密码（triplet code）: mRNA 分子上每相邻的三个碱基（核苷酸） 决定多肽链上的一个氨基酸。 D、编码区与非编码区,成熟mRNA的结构特点：, 核苷酸（NTP与dNTP）是合成RNA与DNA的原料；, 能量的利用形式，如ATP；, 参与代谢过程，如UTP参与糖原合成，CTP参与磷脂,合成，GTP参与蛋白质的合成；, 辅酶（基）的组成成分，如CoA， NAD， FAD等；, 参与代谢调节，如第二信使cAMP和cGMP。,1.1核苷酸的生理功能,1

20、.核苷酸的合成代谢,定义：利用磷酸核糖、氨基酸、一碳单位,及二氧化碳等简单物质为原料，经 过一系列酶促反应，合成嘌呤 (嘧 啶）核苷酸的途径。,部位：肝脏、小肠、胸腺,从头合成途径 (de novo synthesis),定义：利用体内游离的嘌呤（嘧啶）或嘌,呤(,呤核苷（嘧啶核苷），经过简单的反 应过程，合成嘌呤(嘧啶）核苷酸的 途径。,部位：脑、骨髓,补救合成途径 (salvage pathway),嘌呤碱环上原子的来源,1.2 嘌呤核苷酸的合成,嘌呤核苷酸从头合成的原料：,氨基酸：Gly、Asp、Gln,一碳单位：N10-CHO-FH4,N 5,N10=CH-FH4,CO2,5-磷酸核糖

21、( R-5-P ),A、IMP的合成,B、AMP和GMP的生成,嘌呤核苷酸从头合成的过程： 合成步骤分两个阶段,R-5-P,ADP ATP,PRPP合成酶,在谷氨酰胺，甘氨酸，,一碳单位，二氧化碳及 天冬氨酸的逐步参与下 AMP IMP GMP,H2N-1-R-5-P,PP-1-R-5-P 谷氨酰胺 酰胺转移酶 谷氨酸,次黄嘌呤核苷酸的合成途径,IMP可以转变成AMP和GMP,由AMP和GMP可以得到ATP 和GTP,ATP和GTP是合成RNA的原料,嘌呤核苷酸的合成要点, 在磷酸核糖分子上逐步合成嘌呤环；, PRPP是重要的中间代谢物，它不仅参与嘌呤核苷酸 的从头合成，而且参与嘧啶核苷酸的从

22、头合成及两,是5,类核苷酸的补救合成。是5-磷酸核糖的活性供体；, PRPP酰胺转移酶为关键酶。,嘌呤核苷酸的补救合成,嘌呤核苷酸补救合成的原料：,Purine ( A、G、I ),R-5-P ( PRPP ),嘌呤核苷酸补救合成的过程：,参与补救合成的酶：,腺嘌呤磷酸核糖转移酶,呤-,(adenine phosphoribosyl transferase,APRT) 次黄嘌呤-鸟嘌呤磷酸核糖转移酶 (hypoxanthine-guanine phosphoribosyl,transferase, HGPRT),利用体内现有游离的嘌呤或嘌呤核苷 经过简单的反应可以合成嘌呤核苷酸,缺乏HGPRT

23、酶, X-联锁 (Gene on X) 男性多发, 自毁容貌综合症/ Lesh-Nyhan综合症,特征： 嘌呤代谢高 200倍 尿酸尿酸水平高 痉挛 神经系统缺陷 攻击性行为 自残,节省从头合成时的能量和一些氨基酸,的消耗。,体内某些组织器官，如脑、骨髓等只,能进行补救合成。,嘌呤核苷酸补救合成的意义：,1.3 嘧啶核苷酸的合成,嘧啶碱环上原子的来源,嘧啶核苷酸从头合成的原料：,氨基酸：Asp、Gln CO2,5-磷酸核糖( R-5-P ),嘧啶核苷酸的从头合成途径,UMP的合成,CPS-I,CPS-II,分布 氮源 变构激活剂 功能,肝细胞线粒体中 氨 N-乙酰谷氨酸 尿素合成,胞液（所有细胞） 谷氨酰氨 无 嘧啶 合成,氨基甲酰磷酸合成酶 I、II 的区别,UTP和CTP 是RNA的原料,UTP和CTP的合成,2.1 脱氧核糖核苷酸的合成,脱氧核糖核苷酸的形成主要在二核苷酸的水平上进行。核糖核苷 酸还原酶从 NADPH获得电子时，需要硫氧化还原蛋白作为电子载体。 硫氧化还原蛋白有氧化型 /还原型两种形式，并以 FAD为辅基传递氢和 电子，构成一个复杂的氧化还原酶体系。,2 脱氧核糖核苷酸的合成,dNDP可以磷酸化生成dNTP，为DNA的合成准备原料,激酶,dNDP + ATP dNTP + ADP,