生物化学第四章 核酸化学知识点归纳

生 物 化 学 第四章核 酸 化 学 核酸是生物体内的重要生物大分子 核酸不仅与正常的生命活动如生长繁殖等有着密 切关系 而且与生命的异常活动如人体肿瘤发生 辐射损伤等也息息相关 核酸的研究是分子生物学的重要领域 一 核酸的概述 二 核酸的化学组成 三 核酸的分子结构 目录 四 核酸及核苷酸的性质四 核酸及核苷酸的性质 五 核酸的分离提取和纯化五 核酸的分离提取和纯化 一 核酸的发展史 二 核酸的分类和分布 三 核酸的生物学功能 概述 I 一 核酸的发展史 1869 年 瑞士生物学家Miescher首 先从外科手术绷带上脓细胞的细胞核 中分离出白色微酸性的含磷有机物质 称为核质 nuclein Miescher 1889年 Altmann 制备了不含蛋白的核酸制品 提出核酸 nucleic acid 1928年 英国细菌学家Griffith发现 了肺炎双球菌的转化现象 肺炎双球菌 Diplococcus pneumoniae 是一种病原菌 存在着光滑型 Smooth简称S型 和粗糙型 Rough简 称R型 两种不同类型 肺炎双球菌 肺炎双球菌的种类S型肺炎双球菌R型肺炎双球菌 菌落 肉眼观察 菌落光滑菌落粗糙 菌体 显微镜观察 有多糖类荚膜无多糖类荚膜 毒性 动物实验 有毒无毒 致病情况 使人患肺炎 使老 鼠患败血症死亡 不使人和老鼠患 病 实验证实 S 型死菌体内有转化因子能引起R 型活菌转化 产生S 型活菌 这种转化因子是遗传物质 1944年 美国的O Avery C Macleod及 M Mccarty等人在Griffith工作的基础上 利用体外转化实验对肺炎双球菌的转化本 质进行了深入的研究 实验 从S 型活菌体内提取DNA 蛋白质和荚膜多糖 将它们分别和 R 型活菌混合均匀后 注射入小白鼠体内 结果 只有注射S 型菌DNA和R 型活菌的混合液的小白鼠才死亡 O Avery 实验证实 DNA是遗传物质 光滑型细胞 有毒 粗糙型细胞 无毒 破碎细胞 DNAase降解 后的DNA 粗糙型细胞接 受光滑型 DNA 只有粗糙型 S S RR R DNA 1952年 Hershey和Chase的T2噬菌体的感染实验 T2噬菌体 是一类专门寄生在细菌体内的病 毒 具有蝌蚪状外形 头部呈正20面体 外 壳由蛋白质构成 头部包裹DNA作为遗传物 质 仅蛋白质分子中含有硫 甲硫氨酸和半 胱氨酸 磷几乎都存在于DNA分子中 T2噬菌体的感染实验 实验发现 35S标记主要出现在宿主细胞外 而32P标 记主要出现在宿主细胞内 并且在噬菌体 的子代中也检测到32P 该实验是DNA作为遗传物质的直接证据 1953 Watson和Crick提出DNA结构 的双螺旋模型 揭开了分子生物学的 序幕 Watson and Crick 1958年Crick提出了 中心法则 20世纪90年代实施的人类基因组计划 HGP 测定了组成人类染色体中 所包含的30亿个碱基对组成的核苷酸序列 绘制了人类基因组图谱 20世纪70年代DNA重组技术的诞生和发展 使以核酸的研究为基本内容 的基因工程技术 成为当前科技领域中发展最快的学科之一 20世纪60年代RNA研究取得重大发展 如1961 年 J Monod和 F Jacob提出操纵子学说 Nirenberg和Khorana等破译了遗传密码 人类基因组计划是人类科学史上的一个伟大工程 二 核酸的分类和分布 核酸按其结构中所含戊糖的不同分为 核糖核酸脱氧核糖核酸 一 脱氧核糖核酸 真核生物 细胞核 主要 原核生物 细胞质 类核部分 质粒DNA 线粒体mtDNA 少量 叶绿体ctDNA 少量 分布 病毒DNA病毒 RNA病毒 DNA 二 核糖核酸 RNA Ribonucleic Acid mRNA 信使RNA 约占总RNA 5 tRNA 转移RNA 约占总RNA 10 15 rRNA 核糖体RNA 约占总RNA 80 传递DNA的遗传信息 是蛋白质合成的模板 转运氨基酸 是蛋白质合成的装配机 组成核糖核蛋白体 是蛋白质生物合成的场所 分布 细胞质 生物细胞都含有DNA和RNA 病毒中只含有一种 DNA或RNA 根据RNA 在蛋白质 合成中所 起的作用 hnRNA snRNA mRNA的前体物 snRNA参与RNA的修饰加工和对细 胞与基因行为的调控 是一类新的 核酸调控分子 不编码蛋白 质的RNA 一 核酸是遗传变异的物质基础 遗传是相对的 有了遗传的特征才保持物种的相对稳定性 变异是绝对的 有变异才有物种的进化和生物发展的可能 生物遗传特征的延续与生物进化都是由基因所决定的 基因是指含有合成一个功能性生物分子 蛋白质或RNA 所需信息的一 个特定DNA 片段 遗传与变异是最 重要 最本质的 生命现象 三 核酸的生物学功能 三 核酸的生物学功能 二 核酸负责遗传信息的传递 蛋白质的生物合成和生物性状的表现 如新陈代谢 生长发育 组织分化等 都直接与核酸紧密相关 DNAmRNA蛋白质 转录 翻译 核酸的化学组成 II 一 核酸的元素组成 核酸 由C H O N P等元素组成 特点 与蛋白质相比 1 一般不含S元素 2 P元素含量较多并且恒定 占9 10 利用P含量来计算核酸量 核酸定量测定的经典方法 脱氧核糖 核酸 核苷酸 磷酸 核苷 戊糖 嘌呤 嘧啶 碱基 核糖 二 核酸的物质组成 1 碱基 嘌呤 嘧啶 RNA A G C U DNA A G C T 一 核苷和核苷酸 嘌呤 腺嘌呤 adenine A 鸟嘌呤 guanine G N N N N H H H H N N N N H H H2N O 1 2 4 3 5 6 7 8 9 H 嘌呤碱 N N N N NH2 H N H H H HN3 5 6 1 4 2 嘧啶 N N H H H NH2 O 胞嘧啶 cytosine C HN N H H H 尿嘧啶 uracil U O O N N H H H 胸腺嘧啶 thymine T O O CH3 嘧啶碱 2H 2H 两类碱基可发生酮式 烯醇式互变 在生理条件下或者酸性和中 性介质中 它们均以酮式为主 鸟嘌呤 烯 醇 式 酮式 胞嘧啶 N NH2 NO N N NH2 HO H N N N OH H2N N H N N H2N N N H H O 2H 2H tRNA中稀有碱基含量可达碱基总量的10 以上 H N N N N O H H H 次黄嘌呤5 甲基胞嘧啶 稀有碱基 NH2 H N N H O CH3 稀有碱基是五种碱基环上的某一位置被一些化学基团 如 甲基化 甲硫基化等 修饰后的衍生物 二氢尿嘧啶 HN CH2 CH2 O O N H O HOH2C O H O H O H 1 2 D 核糖 H O HOH2C O H O H 1 2 DNA RNA D 2 脱氧核糖 D 核糖 D 2 脱氧核糖 2 戊糖 核糖和脱氧核糖 3 核苷 核苷由戊糖和碱基缩合而成 并以糖苷键连接 糖与碱基之间的C N键 称为 C N糖苷键 嘧啶碱N1上的H 嘌呤碱N9上的H 核苷中的碱基 与糖环平面互 相垂直 9 N N N N H H NH2 1 2 3 4 5 O HOH2C O H O H H H 腺 苷腺 苷 1 N N O H H H O 1 2 3 4 5 O HOH2C O H O H H H 尿苷 尿苷 DNA中的四种核苷 N N N N NH2 O H H H CH2 H HO H OH H2N N N N N O H O H H H CH2 H HO H OH N N NH2 O O H H H CH2 H HO H OH O H H H CH2 H HO H OH N N O O CH3H 腺嘌呤脱氧核苷鸟嘌呤脱氧核苷胸腺嘧啶脱氧核苷胞嘧啶脱氧核苷 N N N N NH2 O H H CH2 H HO H OHOH H2N N N N N O H O H OH H CH2 H HO H OH N N NH2 O O H OH H CH2 H HO H OH O H OH H CH2 H HO H OH N N O O H 腺嘌呤核苷鸟嘌呤核苷胞嘧啶核苷尿嘧啶核苷 RNA中的四种核苷 假 尿 嘧 啶 核 苷 假尿嘧啶核苷的核糖不是与尿嘧啶 的N1相连接 而是与嘧啶环的C5相 连接 O CH2 OH NH 1 O N O H 5 OH OH 由碱基与糖连接方式特殊的核苷 稀有核苷 由修饰碱基和糖组成的核苷 N N CH2 CH2 O O H O OH OH H HOCH2 H 二 氢 尿 嘧 啶 核 苷 5 磷 酸 核 苷 酸 的 基 本 结 构 N A G C U T O O O H H O H 1 2 N OH CH2 H H 5 4 3 核糖 P O O O 磷酸 碱基 基本结构单位 核苷酸 nucleotide 4 核苷酸 核苷酸是核苷的磷酸酯 5 磷酸腺嘌呤核糖核苷 5 磷酸腺嘌呤脱氧核糖核苷 dAMP AMP H 核苷酸 核糖核苷酸 脱氧核糖核苷酸 2 3 5 核糖核苷酸 3 5 脱氧核糖核苷酸 核糖核苷酸 构成RNA 脱氧核糖核苷酸 构成DNA 二 环化核苷酸和核苷酸衍生物 1 环化核苷酸 O P O OH NH2 N N N NHH CH2O H O OH 5 3 3 5 环化腺苷酸 第 二 信 使 cAMP O OH OH N N N N O H2N H H H CH2 PO O O 3 5 环化鸟苷酸 cGMP 放大激素作用信号缩小激素作用信号 作为细胞功能的调节分子和信号分子 2 核苷酸衍生物 1 9 5 3 O O OH OH NH2 N N N NHH CH2O P O O AMP ADP ATP RNA 合成 前体 ATP GTP CTP UTP DNA 合成 前体 dATP dGTP dCTP dTTP 它们都是 高能化合物 ATP H2OADP Pi H 释放能量 光能或化学能 O P O O O P O O 一 DNA的分子结构 二 RNA的分子结构 核酸的 分子结构 III 一 DNA的分子结构 DNA的一级结构 DNA的空间结构 5 端 3 端 C G A 一 DNA的一级结构 不同的DNA分子 脱氧核苷酸数 目 四种碱基的比例 排列顺序不同 一级结构 DNA核苷酸链中 脱氧核糖核苷酸的组成和排列顺 序 简称为碱基序列 5 3 多 聚 核 苷 酸 链 具 有 方 向 性 5 3 RNADNA 多聚核苷酸链具有方向性 必须注明方向是5 3 或是3 5 5 端 自由的5 磷酸基团 3 端 自由3 羟基 一级结构的走向规定为 5 3 1 DNA一级结构的表示法 5 3 结构式 5 3 pppp OH 3 ACTG 1 线条式 5 ACTG 3 文字式 5 pApCpTpG OH 3 一段DNA序列 重复顺序 间隔顺序与插入顺序 回文结构 2 真核细胞染色质DNA与原核生物DNA一级结构特点 真核生物DNA的特点 2 真核细胞染色质DNA与原核生物DNA一级结构特点 重复顺序 单一顺序 整个DNA中只出现一次或少数几次 主要为编码蛋白质的结构基因 中度重复顺序 300bp或更长 可重复几百次到 几千次 高度重复顺序 重复顺序结构短 含5 100bp 重复次数达几百万次 重复顺序 重复排列的核苷酸序列 2 真核细胞染色质DNA与原核生物DNA一级结构特点 高度重复序列一般富含A T或G C 富含A T 的在密度梯度离心时在离心管中形成的区带 比主体DNA更靠近管口 富含G C的更靠近 管底 称为卫星DNA satellite DNA 富含A T 富含G C 主体DNA 间隔顺序与插入顺序 间隔顺序 插入顺序 不编码蛋白质 在基因之间 不编码任何蛋白质 在基因之内 mRNA 1 872bp 内含子 intron 不在mRNA中出现 ABCDEG 7 700bp F 外显子 exons 编码蛋白质的基因顺序 transcription翻译 回文结构 T A G C T A T