生物化学核酸生物化学幻灯片

第二章,核酸的化学,本章主要内容 核苷酸 DNA RNA 核酸的性质,认识核酸在生命科学上的重要性 弄清碱基、核苷、核苷酸和核酸分子结构上的关系 掌握核酸的化学本质及DNA和RNA在组分、结构和功能上的差异 认识核酸的结构与其性质与功能之间的关系。,学习要求,1869年 F.Miescher首先从伤员绷带的脓细胞中分离得到称为“核素”的核酸 1944年 O.N.Avery通过转化实验证实DNA是主要的遗传物质 1953年 J. D.Watson和F.H.C.Crick提出DNA双螺旋结构模型 1958年 Crick提出遗传信息传递的中心法则 1970年,建立DNA重组技术 1980年后,分子生物学、分子遗传学等学科突飞猛进发展，提出并完成HGP.,核酸化学的发展过程,一、概述 概念,核酸(nucleic acid)是由碱基（嘌呤和嘧啶）、戊糖和磷酸组成的高分子物质，是生物体的基本组成。 种类： DNA （脱氧核糖核酸） RNA（核糖核酸）,“四核苷酸假说”：核酸由四种核苷酸组成的单体构成的，缺乏结构方面的多样性,不大可能有重要的生理功能。 1944年，Avery等人的肺炎双球菌转化实验证实核酸是生命遗传的基础物质。 1952年，Hershey和Chase的T2噬菌体侵染实验彻底证明遗传物质是核酸，而不是蛋白质。,1928年，英国 S型肺炎球菌：有荚膜，菌落表面光滑 R型肺炎球菌：没有荚膜，菌落表面粗糙,著名的肺炎球菌实验,结果说明？,结果说明：加热杀死的S型肺炎球菌中一定有某种特殊的生物分子或遗传物质，可以使无害的R型肺炎球菌转化为有害的S型肺炎球菌 这种生物分子或遗传物质是什么呢？,著名的肺炎球菌实验,纽约洛克非勒研究所 Avery 从加热杀死的S型肺炎球菌将蛋白质、核酸、多糖、脂类分离出来，分别加入到无害的R型肺炎球菌中， 结果发现，惟独只有核酸可以使无害的R型肺炎球菌转化为有害的S型肺炎球菌。 1944年 结论：DNA是生命的遗传物质,噬菌体侵染实验,分布：,DNA：主要在细胞核中，是染色体的主 要成分。此外在线粒体、叶绿体. RNA：主要在细胞质中，此外在线粒体、细胞核核仁；,二、核酸的组成成分,核酸是一种线形多聚核苷酸(polynucleotide), 其基本结构单位是核苷酸(nucleotide)。,核苷酸的基 本结构,（一）核酸中的戊糖,D-核糖（D-ribose） D-脱氧核糖 （D-deoxyribose） 核酸据此分类： 脱氧核糖DNA； 核糖RNA； 核酸中的戊糖均为 -D-型,核苷酸,从两类核酸的水解产物可看到它们组成的差别?,（二）碱基,核酸中的碱基分两类： 1、嘧啶碱(pyrimidine)：是嘧啶的衍生物。,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）,2、嘌呤碱(purine)：由嘌呤衍生而来。,1,2,3,4,5,6,7,8,9,嘌呤,腺嘌呤 adenine,（A）,鸟嘌呤 guanine,（G）,3、稀有碱基：,一些修饰碱基，因含量甚少而称之。 大多为甲基化碱基，多在tRNA中。,（三）核苷： (nucleoside),核苷：戊糖与碱基缩合而成，并以糖苷键相连接。 糖苷键： 二者的连接是C-N键，称N-糖苷键。,腺 苷,尿苷,OH,假尿苷（）,核苷的表示：,核苷：A、G、 C 、U 脱氧核苷：dA,dG,dC,dT 修饰核苷： 如5-甲基脱氧胞嘧啶：m5dC。,脱氧核糖核酸和核糖核酸异同的对比,（四）核苷酸(nucleotide，nt),1、种类： 1）按酯化位点：可在核糖的2- , 3-, 5-； 2）按核糖类型： 核苷酸、 脱氧核苷酸,核苷中戊糖的羟基被磷酸酯化，即为核苷酸。,2、结构：,3、表示：,与一个磷酸结合MP：(d)AMP、(d)GMP、(d)CMP、(d)TMP、UMP 与二个磷酸结合DP：如：ADP 与三个磷酸结合TP： 如：ATP,核苷酸,4、特殊核苷酸：,环核苷酸： 核糖3-, 5- 成环。 cAMP、 cGMP 功能： 第二信使，激素、一些药物、神经递质通过其发挥生理作用。,核苷酸,核苷酸衍生物,环化磷酸化,cAMP,cGMP,核苷酸衍生物,5- IMP 5- 肌苷酸 (5- 次黄嘌呤核苷酸) 5- GMP,（五）核苷酸的连接方式,1、 3-, 5磷酸二酯键将核苷酸连接成核酸大分子。,一、核苷酸,2、核酸的一级结构：,多核苷酸链中各核苷酸残基的排列顺序。,3,5,1,P,P,P,OH,A,T,G,pGpTpAOH,pG-T-A,pGTA,1）一级结构表示方法如上：,2）读向：,碱基序列从左到右表示5 3，由3-, 5磷酸二酯键连接。 若两链反向平行，则需注明每条链的走向。如： 5A-T-G-C-C-T-G-A 3 3 T-A-C-G-G-A-C-T 5,核苷酸,三、DNA,（一）DNA 的一级结构： 由数量庞大的4种脱氧核苷酸通过3-, 5磷酸二酯键连接成的直线形或环形多聚体。,（二）DNA的双螺旋二级结构,1、双螺旋结构模型建立的依据： 1） chargaff对DNA碱基组成的定量分析,提出碱基配对原则：A=T， GC 2）根据对DNA纤维和晶体的x-衍射分析。 3）电位滴定证明。 A=T， GC,DNA,双螺旋中的碱基对（base pair,bp),2.双螺旋结构的特点:(Watson-Crick模型）,1）形成： 两条链反向平行； DNA一条链为另一条链互补链 右手螺旋。,DNA,2）结构：,A、核糖-磷酸以3-, 5磷酸二酯键连接成骨架； 碱基在内； A=T， GC B、大沟、小沟。,DNA,3）尺寸：,DNA,A、直径：2nm ； B、碱基距离：0.34nm； C、一周10个核苷酸； D、螺距：3.4nm 。,4）双螺旋的稳定性：,A、依靠碱基堆积力 B、氢键 C、离子键,3、二级结构的构象类型：,DNA,B-DNA,A-DNA,Z-DNA,B-DNA与A-DNA,几种DNA钠盐的特点 ：,B-DNA：生理状态下多为此种；92%相对湿度 A-DNA：右手螺旋；75%相对湿度；生理状态 下多见dsRNA、DNA-RNA Z-DNA：人工合成、左手螺旋；嘧啶、嘌呤交 替；有m5dC ；与基因表达调控有关； 此外，还发现有C、D、E等型。,(三）DNA的三级结构,DNA双螺旋进一步扭曲即成 三级结构。 天然DNA有双链DNA（dsDNA）， 有的病毒为单链DNA（ssDNA） 在dsDNA中： 线形分子（大多数） 环状分子（dcDNA）：质粒、,DNA,1、超螺旋结构,特点： 可将长链压缩 在一较小体内； 密度大； 凝胶电泳中移 动速度快。,DNA,回文结构中的单链可形成发夹结构,特殊DNA的结构,上页 下页 章首 节首,双链回文结构可形成十字架结构,特殊DNA的结构,上页 下页 章首 节首,DNA的其他结构,DNA三股螺旋概念是在1957年提出来的，当时有人发现，人工合成的一条右手螺旋多聚物(A)n与另两条右手螺旋多聚物(T)n形成三股螺旋结构，这是分子间的三股螺旋。此后有人研究证明，聚dA链首先与一条聚dT链互补形成双螺旋，然后，在高盐条件下， 另一条dT链再同双螺旋形成三股螺旋结构。 双螺旋结构通过Watson-Crick氢键稳定而三股螺旋是通过 Hoogsteen氢键稳定。,DNA的三股螺旋结构,2、核小体中的 扭曲方式,在真核细胞染色质中， DNA双螺旋分子盘绕 在组蛋白上形成核小体。 许多核小体由DNA 连成念珠状结构，再盘 绕压缩成高层次的结构 染色体。,DNA,真核生物：DNA和蛋白质组装成染色体，染色体的基本单位是核小体。,核小体进一步旋转折叠形成棒状染色体，将近1 m长的DNA分子容纳于直径只有数微米的细胞核中。,1、DNA是遗传信息的载体,半保留复制 保证了亲代 性状传到子 代，保证了 亲代与子代 的相似性。,DNA,（四）DNA的功能,2、DNA是变异的物质基础,变异是生物进化的基础。变异的发生： 1）DNA复制时出错； 2）理化因素等引起碱基变化或缺失，使DNA碱基序列改变，从而发生性状变异。,DNA,四、RNA,（一）RNA的结构 组成：4种核苷酸，有稀有碱基； 连接：同DNA 形成：一般以DNA为模板合成，有例外。 结构：单链线形分子，局部区域有双螺旋。,（二）RNA的类型,三种： 信使RNA（messenger RNA,mRNA) 核糖体RNA (ribosomel RNA,rRNA) 转运RNA (transfer RNA,tRNA),RNA,三种RNA的功能,mRNA是遗传信息的携带者。在细胞核中转录DNA上的遗传信息，再进入细胞质，蛋白质合成的模板。 tRNA起识别密码子和携带相应氨基酸的作用。 rRNA和蛋白质共同组成的复合体就是核糖体，核糖体是蛋白质合成的场所。,1、tRNA,约占全部RNA的 15%；由70-90个核 苷酸组成许多种类； 沉降系数4S。,RNA,1）tRNA结构：,一级结构多已清楚， 含较多稀有碱基； 二级结构为三叶草 有：aa臂、 二氢嘧啶环、 反密码环、 可变环、 T 环,RNA,主要特征： 1.四臂四环； 2.氨基酸臂3端有CCAOH的共有结构； 3.D环上有二氢尿嘧啶（D）； 4.反密码环上的反密码子与mRNA相互作用； 5.可变环上的核苷酸数目可以变动； 6.TC环含有T和；7.含有修饰碱基和不变核苷酸。,tRNA 三级结构 为倒L型,A、在pr合成中转运aa； B、在pr合成的起始、DNA反转录合成及其它代谢调节中起作用。,2）tRNA功能：,2、mRNA和hnRNA,1）合成： 以DNA为模板(核内) 合成 hnRNA（含内含子和外显子） 加工 成熟的mRNA 入细胞质 蛋白质合成,RNA,合成mRNA,切除内含子,2) mRNA结构特点：,3末端有polyA结构：与mRNA从核入质有关。 5末端有帽子结构：G被甲基化，此可能与pro合成的起始有关。,3) 功能：是蛋白质合成的模板,3、rRNA,1)占RNA总量的80%，是构成核糖体的骨架。 2)核糖体功能： pr合成的部位. 3）结构：分大、小亚基 一、二级结构多已确定，但功能不清。,RNA,原核细胞：70S核糖体； 真核细胞：80S核糖体；,核糖体RNA自我剪切,1983年在四 膜虫中发现 RNA有催化功能,4、RNA的功能,1）在DNA复制、转录、翻译中起重要调控 作用； 2）有催化作用； 3）可作为遗传物质（如逆转录病毒）。,RNA,五、核酸的性质,（一）一般的理化性质,为两性电解质，通常表现为酸性。 DNA为白色纤维状固体，RNA为白色粉末，微溶于水，不溶于一般的有机溶剂。 DNA溶液的粘度极高，而RNA溶液要小得多。 核酸在离心力的作用下，可以从溶液中沉降下来，其沉降速度与核酸的大小和密度有关。,核酸的溶解性质,DNA和RNA都微溶于水，不溶于乙醇、氯仿等有机溶剂。 DNP溶于高浓度盐溶液中，而RNP溶于低浓度盐溶液。，利用这一性质可分离DNA和RNA。,0.14摩尔法:分离DNA蛋白(DNP)和RNA(RNP)蛋白(RNP)的方法 DNA蛋白:在0.14mol/L的NaCl溶液中溶解度最低. RNA蛋白:在0.14mol/L的NaCl溶液中溶解度较大.,水解性：可被酸、碱或酶水解，DNA比RNA对稀碱稳定。,核酸分子中的磷酸二酯键可在酸、碱性和酶条件下水解切断,结果是多核苷酸链被打断,核酸被降解. 酸解 酸可以使DNA和RNA降解，酸对核酸的作用因酸的浓度、温度和作用时间的不同而不同。,碱解,DNA和RNA对碱的耐受程度有很大差别。例如，在0.1