生物化学简明教程第四版04核酸

1、1,3 核酸,主要内容：,主要介绍碱基、核苷、核苷酸和核酸的结构、性质和功能，核酸的分离、提纯、鉴定等。,2,核酸的概述,核酸英文名nucleic acid（NA）,1868年瑞士F. Miescher（米歇尔）发现了核酸。,3,作业,4,5,6,7,8,9,类别,nucleic acid,10,DNA （ deoxyribonucleic acid）：大部分在核中 RNA （ ribonucleic acid ）：核,质均有分布 三种 RNA ：tRNA , mRNA, rRNA （ 15% （ 5% ）（ 80% ）,分布,11,98 核中（染色体中） 真核 线粒体（ mDNA ） 核外

2、叶绿体（ ctDNA ） DNA 拟核 原核 核外：质粒（质体） 病毒： DNA 病毒,12,核蛋白,磷酸,核苷,碱基,戊糖,蛋白质,核酸是由几十个甚至几千万个核苷酸聚合而成的具有一定空间结构的大分子化合物。,3.1 核酸的组成成分,13,3.1.1 碱基（base）：又称含氮碱,（1）嘧啶碱（pyrimidine, Py）,14,15,（2）嘌呤碱（purine, Pu）,其它嘌呤（核酸的代谢产物）：,黄嘌呤、次黄嘌呤、尿酸等,16,3.1.2 戊糖（pentose）,（1）结构,-D-核糖,-D-2-脱氧核糖,-D-2-O-甲基核糖,17,3.1.3 核苷,核苷：含N苷，-苷,18,核苷中

3、戊糖与碱基的连接方式：,腺嘌呤核苷 （adenosine）,胞嘧啶脱氧核苷 （deoxycytidne）,19,核苷,核糖核苷（核苷）：A、G、C、U,脱氧核糖核苷（脱氧核苷）：dA、dG、dC、dT,20,修饰核苷或稀有核苷,21,修饰核苷包括三种情况:,（1）由修饰碱基和糖组成的核苷,（2）由非修饰碱基和2-O-甲基核糖组成的核苷,（3）由碱基与糖连接方式特殊的核苷,22,（1）,（2）,23,(),24,修饰核苷的简写符号,少数修饰核苷用单字符号如D、I；但大多数修饰核苷是将碱基取代基、取代位置和取代数目写在核苷单字符号的左边，用小写英文字母代表取代基。,25,取代基用下列小写英文字母表

4、示 :,26,例：,27,注意：,例: 2-O-甲基腺苷 Am,含修饰核糖的核苷即2-O-甲基核苷的表示方法，在核苷符号的右下方注上一个小写m。,28,2，3，5一核糖核苷酸,(2-AMP),(3-AMP),(5-AMP),3.1.4 核苷酸,（1）核苷酸的结构和功能,29,30,31,3，5一脱氧核糖核苷酸,Deoxyadenosine 3- monphosphate (3- dAMP),Deoxyadenosine 5- monphosphate (5- dAMP),32,33,34,核苷酸的重要衍生物,ATP类的高能磷酸化合物,AMP,ADP,ATP,35,36,核苷酸是许多酶的辅因子的

5、结构成分,NAD、NADP、CoA、FAD,37,环状核苷酸,38,细胞内 :,ATP cAMP + PPi,磷酸二酯酶,5-AMP,腺苷酸环化酶 （AC）,39,核苷多磷酸类,40,(2)核苷酸性质,核苷酸紫外吸收性质,41,核苷酸两性解离性质,42,43,（,4,核苷酸的两性解离和等电点,44,45,46,3.2 核酸的一级结构,1核酸分子中核苷酸的连接方式,3 , 5 磷酸二酯键,47,RNA,5-磷酸端（常用5-P表示）；3-羟基端（常用3-OH表示） 方向性:注明它的方向是53或是35。,多聚核苷酸的表示方式,DNA RNA,5pdApdCpdGpdTOH 3 5pApCpGpUOH

6、 5pACGTGCGT 3 5pACGUAUGU 3 d（ pACGTGCGT） pACGUAUGU,49,3.3 DNA的二级结构,3.3.1 提出DNA双螺旋结构模型的根据,（1）x-光衍射分析,50,（2）DNA碱基组成的定量分析, DNA碱基组成有种的特异性，但没有组织、器官特异性。, A=T；G=C；A+G=T+C,20世纪40年代chargaff规则,51,（3）DNA的滴定曲线,52,3.3.2 DNA双螺旋结构模型的要点,1953年Watson和Crick提出了DNA双螺旋结构。,DNA 双螺旋结构的形成,54,55,DNA 双螺旋模型主要特征,两条反向平行的多聚核苷酸链沿同一

7、中心轴右旋相互盘绕而形成。 磷酸和脱氧核糖单位作为不变的骨架组成位于外侧，糖环平面与中轴平行，作为可变成分的碱基位于内侧，碱基平面与中轴垂直链间碱基按AT，GC配对（碱基配对原则，Chargaff定律），形成碱基堆积力。 螺旋直径2nm，相邻碱基平面垂直距离0.34nm,两核苷酸夹角为36，每一圈10个核苷酸，螺距为3.4nm。,56,DNA 双螺旋模型主要特征,4.DNA分子表面形成大沟和小沟。 5.大多数天然DNA属双链DNA（dsDNA），某些病毒为单链DNA(ssDNA)。 6.双链DNA分子主链上的化学键受碱基配对等因素影响旋转受到限制，使DNA分子比较刚硬，呈比较伸展的结构。,氢键

8、,DNA的双螺旋结构稳定因素,2.碱基堆集力（base-stacking forces）,3.磷酸基上负电荷被胞内组蛋白或正离子中和 4.碱基处于疏水环境中,58,DNA 双螺旋结构的意义,该模型揭示了脱氧核糖核酸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则，这是脱氧核糖核酸复制、转录和反转录的分子基础，亦是遗传信息传递和表达的分子基础。该模型的提出是20世纪生命科学的重大突破之一，它奠定了生物化学和分子生物学乃至整个生命科学飞速发展的基石。,59,3.3.3 DNA二级结构的其他类型,Watson Crick DNA双螺旋结构（B-DNA）,当DNA钠盐纤维相对湿度和盐的种类改变

9、时， DNA的构象发生改变。,不同DNA纤维的空间结构,60,Z-DNA,1979年美国ARich等人发现了左旋DNA（左手DNA双螺旋结构）,晶体X-光衍射分析,d(CpGpCpGpCpGp),61,三种 DNA 双螺旋构象比较,A B Z,外型 粗短 适中 细长,螺旋方向 右手 右手 左手,螺旋直径 2.3nm 2.0nm 1.8nm,碱基直升 0.26nm 0.34nm 0.38nm,每圈碱基数 11 10 12,螺距,2.8nm 3.4nm 4.5nm,碱基倾角 20 1 7,大沟 很窄很深 很宽较深 平坦,小沟 很宽、浅 窄、深 较窄很深,63,Z-DNA的生物功能：,与基因表达、基

10、因调控有关。,64,二重对称结构（回文结构也称反向重复）,65,66,镜像重复与三螺旋DNA,67,68,3.4 DNA的高级结构,噬菌体T2DNA长约50m,E-coli DNA 长约1mm,人生殖细胞DNA长约1m,69,动态中DNA超螺旋结构,70,生物中，DNA与组蛋白八聚体形成核小体结构时，存在着负超螺旋。 DNA拓扑异构酶可导致产生DNA超螺旋或消除超螺旋。 不同形状的DNA分子在琼脂糖中的迁移率,DNA分子的琼脂糖凝胶电泳图谱,3.4.1 环状DNA的超螺旋结构,71,生物中，DNA与组蛋白八聚体形成核小体结构时，存在着负超螺旋。 DNA拓扑异构酶可导致产生DNA超螺旋或消除超螺

11、旋。 不同形状的DNA分子在琼脂糖中的迁移率,3.4.1 环状DNA的超螺旋结构,螺旋和超螺旋电话线,螺旋,超螺旋,超螺旋状态的定量描述,公式1： L=T+W L连环数（linking number），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（twisting number） W超螺旋数或缠绕数（writhing number）,DNA 超螺旋的形成,超螺旋的拓扑学公式： L=T+W 或 =+,例1,75,不切开DNA分子的拓扑学参数的变化。,假定某环状分子的长度为5500个碱基对，在B-DNA的松弛状态下，则 T=5500/10=550 L=T+W L=T

12、=550 当分子转入70%酒精溶液时， 分子由B DNA转为A DNA L=550 T=5500/11=500 W=L-T=+50,例2,76,77,3.4.2 真核生物染色体结构,78,79,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， 每个染色体单体含10个螺旋圈）,81,3.5 DNA和基因组,3.5.1 基因和基因组的概念,基因（Gene）：也称为遗传因子。是指携带有遗传信息的

13、DNA序列，是控制性状的基本遗传单位。 （结构基因，调节基因，间隔序列） 基因组（Genome）：一般的定义是单倍体细胞中的全套染色体为一个基因组，或是单倍体细胞中的全部基因为一个基因组。,82,3.5 DNA和基因组,3.5.2 病毒和细菌基因组的特点,（1）共同点 基因组较小，只有一个环状或线形的DNA分子。 基因组的大部分序列是用来编码的，基因之间的间隔序列很短。 功能相关的基因常常串联在一起，由共同的调控元件调控，并转录成同一mRNA分子，指导多种蛋白质的合成。,83,3.5 DNA和基因组,3.5.3 真核生物基因组的特点,基因组较大，复制有多个起始点。 不存在操纵子结构。 存在大量

14、的重复序列。,84,RNA与DNA的差异 DNA RNA 糖 脱氧核糖 核糖 碱基 AGCT AGCU 不含稀有碱基 含稀有碱基,3.6 RNA的结构和功能,RNA的概述,3,5-磷酸二酯键,85,RNA 的类别,信使 RNA （mRNA ）：在蛋白质合成中起模板作用； 核糖体 RNA （ rRNA ）：与蛋白质结合构成核糖体，核糖体是蛋白质合成的场所； 转移 RNA （ tRNA ）：在蛋白质合成时起着携带活化氨基酸的作用。,hnRNA(核内不均一RNA); snRNA(小核RNA); scRNA（细胞质小RNA）;asRAN(反义RNA),86,（ 1 ） 氨基酸臂,（ 3 ）反密码环,（

15、 4 ）T C 环,（ 5 ）额外环,（ 2）二氢尿嘧啶环（DHU 环）,3.6.1 tRNA,87,3.6.1 tRNA,88,tRNA 的三级结构,89,3.6.2 rRNA,90,91,92,3.6.3 mRNA和 hnRNA,93,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-5 ppp5 -N-3 p ） +单顺反子+尾巴 （polyA）,原核细胞 mRNA 的结构特点,真核细胞 mRNA 的结构特点,m7G5 ppp5 Nm-3 p,96,3.7 核酸及核苷酸的性质,分子大小: DNA Mr

16、: 106 109 或更大,性状： DNA 为白色纤维状固体，而 RNA 为白色粉末。,溶解度： DNA 和 RNA 均不溶于一般的有机溶剂，微溶于水，但它们的钠盐在水中溶解度较大。,RNA Mr :104 106 或更大,3.7.1 一般的理化性质,黏度： DNA的极高， RNA的黏度较小。,水解性： RNA 能被稀碱水解（与2 -OH 有关）；在酸性条件下，磷酸酯键比糖苷键更稳定，酸水解DNA首先生成无嘌呤酸 。,97,3.7.2 紫外吸收性质,由于核酸中碱基的共轭双键，所以对紫外光有强烈吸收，最大吸收峰在260nm附近，利用这一特性可进行核酸的定量测定。,98,首先根据A260/A280

17、的比值判断核酸样品的纯度,纯DNA：A260/A280=1.8 纯RNA：A260/A280=2.0,（若样品中含有杂蛋白或苯酚，则A260/A280比值明显降低）,纯的核酸样品可根据260nm的光吸收值算出其含量,若260nm光吸收值为1相当于:,50g/ml双螺旋DNA 40g/ml单链DNA或RNA 20g/ml寡核苷酸。,99,1cm光径比色杯，260nm光吸收值:,1g/mL DNA:0.020 1g/mL RNA:0.024,氢键 碱基堆集力（base-stacking forces） 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,3.7.3 核酸结构的稳定性,101

18、,3.7.4 变性作用,1变性（denaturation）,核酸变性:是指核酸的空间构象被破坏,氢键断裂, 生物活性丧失的现象。 DNA分子变性： DNA分子由双链结构解链成单链的过程。,引起核酸变性的因素 ：热、酸碱和光辐射等 热变性：因加热而导致核酸的变性。 化学变性：因加入化学试剂而引起的变性。,102,（1）热变性,结构：螺旋线团,理化性质：紫外吸收 黏度浮力密度,生物活性：生物活性或丧失,DNA变性的本质是双链间氢键的断裂,103,（2）熔点（Tm）,Tm: 熔点，熔解温度， 变性温度，解链温度,Tm: DNA双链解开一半时的温度。,增色效应：当DNA从双螺旋结构变为单链的无规卷曲状态时，它在260nm处的吸收便增加的现象。,104,