生物化学课件：02 核酸

1、第二章 核酸的化学 Nucleic Acid Chemistry,核 酸(nucleic acid),是以核苷酸为基本组成单位的生物大分子，携带和传递遗传信息。,核酸的种类、分布和功能,第一节 核酸的分子组成与一级结构,一、元素组成,C、H、O、N、 P等，P含量最稳定，9 10%, 核酸的定量 (与Pr相比不含S）,二 核酸的基本结构单位核苷酸,核酸（DNA和RNA）是由多个单核苷酸聚合而成的多聚核苷酸（polynucleotides)。,核酸,核苷酸,水 解,核酸的基本结构单元是核苷酸。核苷酸水解成 核苷和磷酸, 而核苷又水解戊糖和碱基。,(一)、核苷酸的组成及结构 磷酸 戊糖 碱基,嘧啶

2、,嘌呤,（一）碱基 (base),含氮杂环化合物,1,2,3,4,5,6,7,8,9,嘌呤,腺嘌呤 adenine,（A）,鸟嘌呤 guanine,（G）,2种嘌呤：,嘧啶,1,2,3,4,5,6,H,胞嘧啶 Cytosine,（C）,尿嘧啶 uracil,（U）,H,H,胸腺嘧啶 thymine,（T）,3种嘧啶,腺嘌呤(A),鸟嘌呤(G),胞嘧啶(C),胸腺嘧啶(T),DNA,尿嘧啶(U),RNA,-D-2-核糖,-D-2-脱氧核糖,O,核糖 (Ribose) 构成 RNA,脱氧核糖 (Deoxyribose) 构成 DNA,（二）戊糖,碱基戊糖 核苷，二者以糖苷键相连,（三）核 苷（nu

3、cleoside）,核 苷,脱氧核苷,糖苷键,糖苷键,腺 苷,尿苷,戊糖,（四）核苷酸（nucleotide）,核苷磷酸，以磷酯键相连,5-核苷酸,5-脱氧核苷酸,酯键,酯键,戊糖+碱基+磷酸,H2O,H2O,碱基,磷酸,戊糖,糖苷键,酯键,（对DNA为H）,体内重要的游离核苷酸及其衍生物,（一）多磷酸核苷酸 NDP NTP (A，G, C, U） dNDP dNTP (A，G, C, T）,P,-O,腺苷-5-磷酸,O,M-单 D-二 T三 P-磷酸,碱基,核苷,5脱氧核苷酸,A G C T,脱氧腺苷 脱氧鸟苷 脱氧胞苷 胸 苷,脱氧腺苷酸（dAMP） 脱氧鸟苷酸（dGMP） 脱氧胞苷酸（d

4、CMP） 脱氧胸苷酸（dTMP）,DNA,核苷酸的命名,核苷酸名称中的缩写符号, DNA、RNA组成异同,DNA与RNA结构相似，但在组成成份上略有不同：,功能 能量物质 ATP （能量“货币”） UTP（糖的合成） GTP（蛋白质和嘌呤的合成） CTP（磷脂的合成） 合成核酸的原料 NTP（RNA） dNTP（DNA）,（二）环化核苷酸,3，5-环化腺苷酸 cAMP,3，5-环化鸟苷酸 cGMP,-第二信使 参与体内代谢调节和细胞信号转导,（三）含核苷酸的生物活性物质,辅酶I（NAD+） 辅酶II（NADP+） 辅酶A (CoA-SH） 黄素腺嘌呤二核苷酸（FAD),均含腺苷酸（AMP）,参

5、与生物氧化、物质代谢,多聚核苷酸（polynucleotides）,核酸（DNA和RNA）是由多个单核苷酸通过3，5磷酸二酯键相连而成的多聚核苷酸长链。核苷酸的多少和排列顺序不同，但连接方式一样,寡聚核苷酸（oligonucleotides）： 50bp,脱H2O 酯键相连,3，5-磷酸二酯键,5-磷酸端（常用5-P 表示）； 3-羟基端（常用3 -OH表示） 核苷酸链具有方向性，当表示一个核苷酸链时，必须注明它的方向是53或是35。,DNA分子的一级结构的表示方法有三种:,53,结构式,（1）结构式表示法： （2）线条式表示法： （3）文字式表示法：,线条式,文字表示： 5pApTpGpCp

6、A3或 5ATGCA3,一、核酸的基本结构单位：核苷酸(nucleotide),小结,（1）核苷酸的组成：碱基、戊糖和磷酸。,（2）核苷酸的其他形式,多磷酸核苷（NDP、NTP) 环化核苷酸（cAMP、cGMP等） 辅酶或辅基（NAD、NADP、FAD、CoA等）,（1）、核苷酸的连接方式： 3, 5磷酸二酯键,末端： 5 端、 3端 多核苷酸链的方向： 5端3端(由左至右),二、核酸的基本结构形式 ：多聚核苷酸 （polynucleotide),第二节 DNA的空间结构与功能,一、DNA的一级结构： 概念： DNA分子中核苷酸的排列顺序和连接方式。 又可指碱基的排列顺序，即DNA序列（seq

7、uence),DNA分子的一级结构储存了大量的遗传信息,(4n),二、DNA的空间结构,（一）DNA的二级结构,-双螺旋结构模型,DNA双螺旋结构研究的背景 DNA是遗传的物质基础 Chargaff原则 DNA 分子X射线衍射分析 双螺旋结构模型的建立,1950年前后，Erwin Charggff等人采用纸层析及紫外吸收技术测定了多种生物体DNA的碱基组成。 不同来源的DNA碱基组成（摩尔%） DNA来源 腺嘌呤 胸腺嘧啶 鸟嘌呤 胞嘧啶 人 30.4 30.1 19.6 19.9 绵羊 23.9 28.7 21.1 20.9 公牛 29.0 28.7 21.2 21.2 大鼠 28.6 28

8、.4 21.4 20.4 母鸡 28.0 28.4 22.0 21.6 大肠杆菌 24.7 23.6 25.7 25.7,2、Charggff原则： 所有DNA分子中，A%T% G%C% （嘌呤碱的摩尔数=嘧啶碱的摩尔数） 不同生物的DNA碱基组成不同 同一生物体的DNA碱基组成没有组织器官特异性 这预示着碱基互补配对的可能性，即A与T配对， G与C配对。,Erwin Chargaff （19051995）,这些结果后来为DNA的双螺旋结构模型提供了一个有力的佐证。,DNA 分子 X射线衍射照片,3、 DNA 分子X射线衍射照片,4DNA双螺旋结构模型（double-helical struc

9、ture）,James Watson & Francis Crick,1953年， James Watson & Francis,1、螺旋中的两条链反向平行，即其中一条链的方向为53，而另一条链的方向为35，两条链共同围绕一个假想的中心轴呈右手双螺旋结构。亲水磷酸、戊糖为骨架，疏水碱基向内；,（二）DNA 双螺旋结构要点,2、互补双链，碱基之间氢键连接，AT,GC；每个碱基对处于同一平面，碱基平面垂直于中心轴； 由于几何形状的限制，碱基对只能由嘌呤和嘧啶配对，即A与T，G与C。这种配对关系，称为碱基互补。A和T之间形成两个氢键， G与C之间形成三个氢键。,3、双螺旋横截面的直径约为2 nm，相

10、邻两个碱基平面之间的距离（轴距）为0.34 nm，每10个核苷酸形成一个螺旋，其螺距（即螺旋旋转一圈）的高度）为3.4 nm。,4、由于碱基对排列的方向性，使得碱基对占据的空间是不对称的，因此， 在双螺旋的表面形成大小两个凹槽，分别称为大沟（major groove)和小沟(minor groove),二者交替出现，是蛋白质DNA相互作用的基础 。,氢键维持 DNA 双链横向稳定性， 碱基堆积力维持双链纵向稳定性(主要）。,离子键 磷酸基团上的负电荷与介质中的阳离子之间形成离子键，减少双链间的静电排斥力。,5.稳定双螺旋结构的力,其中碱基堆积力是使DNA结构稳定的最主要因素,小结,1、碱基组成

11、规则(Chargaff规则),A=T，G=C； A+G=T+C 有种属特异性 无组织、器官特异性 不受年龄、营养、性别及其他环境等影响,（2）碱基互补配对：AT配对（两个氢键），GC配对（三个氢键）；碱基对平面垂直纵轴,（3）右手双螺旋：螺距为3.4 nm，直径为2.0 nm，10bp/圈,（4）表面功能区：小沟较浅；大沟较深，是蛋白质识别DNA碱基序列的基础,（5）维持结构稳定的力量：氢键维持双链横向稳定，碱基堆积力维持螺旋纵向稳定,2、Watson-Crick双螺旋结构模型(B-DNA),（1）反平行双链：脱氧核糖-磷酸骨架位于外侧，碱基对位于内侧,超螺旋结构(superhelix 或su

12、percoil) DNA双螺旋链进一步盘曲所形成的构象即超螺旋结构。,三、DNA的超螺旋结构与染色质组装,（一）DNA的超螺旋结构,正超螺旋(positive supercoil)-右手超螺旋 盘绕方向与DNA双螺旋方同相同,负超螺旋(negative supercoil)-左手超螺旋 盘绕方向与DNA双螺旋方向相反,（二）真核生物细胞中DNA的组装,核小体是真核细胞染色体的基本结构单位。,核小体的组成 DNA：约200bp 组蛋白：H1 H2A，H2B H3 H4,核小体结构,组蛋白H2A,H2B,H3,H4 各两分子构成一个八聚体， 由146bp DNA双螺旋沿着组蛋白八聚体核心绕1.75

13、圈，形成核心颗粒(core particle) 各核心颗粒间有一个连接区，由60bp的DNA链和 1个分子组蛋白H1构成 。,染色质纤维,人类46条染色体的DNA总长可达1.7m，经过螺旋化压缩，实际总长只有200nm。,Reverse transcription,中心法则 (Central Dogma),Replication,第三节、RNA的结构与功能,（一）RNA的特点及分类,结构特点： 1. 碱基组成：A、G、C、U （AU/GC）； 2. 稀有碱基较多，稳定性较差，易水解； 3. 为单链结构，少数局部形成螺旋（发夹结构or茎环结构）；,RNA的种类、分布、功能,（一）RNA的一级结构

14、,RNA分子中核糖核苷酸的排列顺序,核糖核苷酸的种类：A、G、C、U（A-U，G-C） 连接方式： 3，5磷酸二酯键,（二）RNA的二级结构,“茎” “环”结构,（三）RNA的三级结构 “假结”,一、RNA的一般结构,二、核糖体RNA（Ribosomal RNA , rRNA）,含量最多。 功能：与多种蛋白质结合成核糖体或核蛋白体（ribosome），是细胞内蛋白质合成的场所。,rRNA是核糖体的组成成分,其种类和大小用S表示,21种,原核,真核,小亚基,rRNA 蛋白质,rRNA 蛋白质,大亚基,16 S,18 S,33种,5S，23S,5S，5.8S ， 28S,49种,34种,大 小,3

15、0 S,40 S,大 小,50 S,60 S,核蛋白体,大 小,70 S,80 S,核蛋白体的组成,原核生物与真核生物的核糖体均由大亚基和小亚基构成,三、信使RNA（Messenger RNA，mRNA),1、含量最少，种类最多,2、结构特点： 前体：不均一核RNA （heterogeneous nuclear RNA, hnRNA) 5帽：m7Gppp（7-甲基鸟嘌呤核苷三磷酸） 加速蛋白质翻译的起始速度 3尾：多聚腺苷酸(polyA ),增加mRNA稳定性 编码区：决定氨基酸的顺序，内含子和外显子 非编码区,真核细胞的 基因结构,hn RNA,成熟 mRNA,3、功能：作为蛋白质合成的模板

16、。,三、转运RNA（Transfer RNA， tRNA）,结构特点： 1、含稀有碱基（DHU，假尿嘧啶，mG，mA）； 2、二级结构为三叶草形； 3、三级结构为倒 “L” 形；,分子最小。,功能：转运氨基酸至蛋白质合成场所,DHU 环,反密码环,TC 环,额外环 (可变的),tRNA 的二级结构 三叶草形,反密码子,氨基酸臂,tRNA的“倒L”型三级结构,在三叶草型二级结构的基础上， 突环上未配对的碱基由于整个分子的扭曲而配成对，目前已知的tRNA的三级结构均为倒L型,snmRNA 参与基因表达的调控（small non-messenger RNA）,核内小RNA（ Small nuclea

17、r RNA） 核仁小RNA（ small nucleolar RNA） 胞质小RNA （ small cytoplasmic RNA, scRNA） 催化性小RNA（ small catalytic RNA） 小片断干扰 RNA（ small interfering RNA）,功能： 在hnRNA和rRNA的转录后加工，转运以及基因表达过程的调控等方面具有重要的生理作用,核酸在真核与原核细胞中的不同时空特性,紫外吸收 变性、 复性与杂交,第四节、核酸理化性质,一、核酸的紫外吸收,根据A260/A280的比值判断核酸样品的纯度,纯DNA：A260/A280=1.8 纯RNA：A260/A280=

18、2.0,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,或相当于40g/ml单链DNA或RNA,或相当于20g/ml寡核苷酸。,二、DNA的变性(denaturation),定义：在某些理化因素作用下，DNA双链解开成两条单链的过程。,因素：过量酸，碱，加热，变性试剂如尿素、 酰胺以及某些有机溶剂如乙醇、丙酮等。,变性后其它理化性质变化：,粘度下降,DNA双螺旋是紧密的刚性结构，变性后转化成柔软而松散的无规则单股线性结构，因此粘度明显下降。,比旋度下降,变性后整个DNA分子的对称性及分子构型改变，使DNA溶液的旋光性发生变化。,OD2

19、60增高,增色效应(hyperchromic effect)：指DNA变性后其紫外吸收 明显增强的效应。,减色效应：DNA复性时，其溶液OD260降低。,在DNA双螺旋结构中碱基藏入内侧，变性时DNA双螺旋解开，于是碱基外露，碱基中电子的相互作用更有利于紫外吸收，故而产生增色效应。,DNA变性的本质：维持双螺旋稳定性的氢键断裂，碱基间的堆积力遭到破坏，但不涉及到其一级结构(磷酸二酯键)的改变。,更具典型意义,加热引起的DNA变性称为。 由于DNA的热变性是加热引起DNA双螺旋结构解体 成为单链的过程,所以又称为DNA解链或融解作用.,DNA的热变性,Tm：变性是在一个相当窄的温度范围内完成，在这一范围内，紫外光吸收值达到最大值的50%时的温度称为DNA的解链温度，又称融解温度(melting temperature, Tm)。,影响Tm值的因素,1、G-C的相对含量,G+C的含量高，Tm高（因G- C之间有三个氢键， A-T有两个氢键，故G-C较A-T稳固）。,2、核酸分子长度,核酸分子越长，解链时所需能量越高，Tm值越大,3.与离子强度有关：溶液的离子强度较低时，Tm值较低，熔点范围也较宽，反之亦然。,三、核酸的复性与分子杂交,DNA复性(renaturation)的定义 在适当条件下，变性DNA的两条互补链可恢复天然的双螺旋构象，这一现象称