北京化工大学生物化学课件核酸化学.ppt

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1、第五章 核酸化学,1 核酸通论 2 核酸基本构件单位核苷酸 3 DNA的分子结构 4 RNA的分子结构 5 核酸的性质,重点内容： 核苷酸的化学组成与命名； DNA的二级结构(双螺旋模型)； tRNA的二级结构。 难点内容： DNA分子结构与功能的关系； RNA分子结构与功能的关系。 了解内容：DNA双螺旋结构的生物学意义；DNA双螺旋结构稳定的因素； rRNA的三级结构。,第一节 核酸通论,1.1 核酸的研究历史和重要性 1.2 核酸的种类和分布,1.1 历史：l1869年瑞士青年科学家F. Miescher 首先发现核酸。 从外科绷带的脓细胞核中分离到含磷很高的酸性化 合物称为核素。,De

2、velopmental Biology 2005 278 274-288,19世纪末20世纪20年代 德国科学家A.Kossel和他的学生们发现了构成核酸 的四种碱基，1910年获得诺贝尔化学奖 美国科学家P.A.Levene及其同事研究了 碱基、核糖、磷酸的关系 1929年确定了核酸的种类： 核糖核酸(RNA) 根据核糖不同核酸可分为 脱氧核糖核酸(DNA),Fred Griffith 1879-1941,1928年英国细菌学家、医生 Fred Griffith通过研究肺炎 球菌发现了细菌转化现象。,有一种物质，能够从死细胞中 进入活的细胞中，改变了活细 胞的遗传性状，把它变成了有 毒细菌。

3、这种能转移的物质， 格里菲斯把它叫做转化因子 ！？,l1944年Avery（美） OswaldTheodore Avery， (18771955 ）加拿大生物化学家 通过细菌转化实验证明DNA是遗传物质功能。,1952年Alfred Hershey 和Martha Chase通过噬菌体T2的 双标记实验证明了DNA就是遗传物质基础。,l1953年Watson（美）Crick（英） 提出了DNA的双螺旋结构模型。,Kings College,University of Cambridge,l1960年Crick提出了中心法则。l1973年初DNA体外重组成功。l2002年人类基因组计划。 重要性

4、：核酸是遗传变异的物质基础； 多数生物的遗传物质是DNA； 少数病毒以RNA作为遗传物质。,核酸是蛋白质？,根据含戊糖的不同分为：RNA 核糖核酸 DNA 脱氧核糖核酸DNA：含脱氧核糖，98%以上存在于细胞核中。 在核中与组蛋白结合成核蛋白，形成染色体； 少量存在于线粒体、叶绿素、质粒中。RNA：90%存在于细胞质中，10%在核中。,2.2 核酸的种类、分布和含量,信使核糖核酸 mRNA RNA按功能分为 转运核糖核酸 t RNA 核糖体核糖核酸 r RNA,信使核糖核酸 mRNA： 在核中合成，存在于细胞质中；作为蛋白质合成的模板， 是将DNA的遗传信息传递到蛋白质的桥梁。 转运核糖核酸

5、t RNA： 在核中合成，存在于细胞质中； 作为搬运的工具，携带转运氨基酸到核糖体。 核糖体核糖核酸 r RNA： 在核仁中合成，存在于细胞质中 与蛋白质结合构成核糖体，作为蛋白质合成场所。,第二节、核酸的基本组成 （一）元素组成 C、H、O、N、P，个别含S P含量比较恒定，约910%，是核酸的特征元素。 测核酸含量常用定P法 ： 各种核酸含磷量比较接近； 磷易于测定。 1gP 10.5g核酸,（二）化学组成核酸的基本组成单位是核苷酸两类核酸（DNA，RNA）经不同程度的水解可得到 一系列产物，完全水解的三类终产物是： 磷酸、戊糖（5C）、碱基。 磷酸 核酸 核苷酸 戊糖（核糖或脱氧核糖）

6、核苷 碱基（嘌呤或嘧啶）,1磷酸：RNA、DNA两类核酸均含有。2戊糖：核糖和脱氧核糖,3碱基嘌呤碱和嘧啶碱碱基：是一些含N的杂环化合物，是嘌呤和嘧啶的衍生 物，具有碱性。,（1）嘧啶碱 三种基本嘧啶碱基： 嘧啶稀有碱基：核酸中一些含量甚少的碱基，大多是由基本 碱基上发生甲基化。,（2）嘌呤碱： 由一个嘧啶环和一个咪唑环形成的杂稠环。 两种基本嘌呤碱基： 嘌呤,酮式和烯醇式互变,主要形式,主要形式,糖苷键,4核苷：由碱基和戊糖脱水缩合而成的糖苷。 碱基与糖连接方式：糖苷键 （N糖苷键） 嘧啶核苷：C1N1 ：由糖C1与嘧啶N1相连 。 嘌呤核苷：C1N9 ：由糖C1与嘌呤N9相连。,根据所含戊

7、糖不同分为核糖核苷核苷脱氧核糖核苷脱氧核苷 嘧啶核苷 嘌呤核苷 碱基环元素编号： 1, 2, 3等； 糖环元素编号：1, 2 , 3 等。 核苷命名：先读碱基名称。如：腺苷，胞苷，尿苷,几种稀有核苷,6,2-O-甲基腺苷,N6，N6-二甲基腺苷,5核苷酸核苷酸：由核苷与磷酸形成的磷酸酯叫核苷酸。由核苷的戊糖的OH与磷酸成酯。,核糖上有三个自由羟基（2、3、5）可与磷酸成酯， 可形成三种形式的核苷酸：2-核苷酸； 3-核苷酸； 5-核苷酸。举例：,脱氧核糖有两个自由羟基（3、5） 可与磷酸成酯， 可形成两种形式的核苷酸：3-脱氧核苷酸； 5-脱氧核苷酸。举例：生物体内存在的核苷酸多为5-核苷酸。

8、,6多磷酸核苷酸 核苷酸含有不止一个磷酸，为多磷酸核苷酸，在体 内具有重要的生理作用。 如：参与体内多种物质合成代谢。 AMP：腺苷一磷酸 ADP： 腺苷二磷酸 ATP： 腺苷三磷酸,7环状核苷酸。如：3、5-环状腺苷酸。 磷酸与核糖的3及5位碳同时以两个酯键相连。 作用：环状核苷酸含量很少，但是在体内的代谢中 起重要的调节作用。常见的有cAMP，cGMP。,8、核酸 核苷酸间的连接键是3，5-磷酸二酯键， 由相间排列的戊糖和磷酸构成核酸大分子的主链， 而代表其特性的碱基则可以看成是有次序地连接在 其主链上的侧基基团。,两类核酸（DNA与RNA）的区别: 戊糖、碱基差异。 戊糖（D核糖） RN

9、A 碱基（腺嘌呤、鸟嘌呤、胞嘧啶、尿嘧啶） 戊糖（D2脱氧核糖） DNA 碱基（腺嘌呤、鸟嘌呤、胞嘧啶、胸腺嘧啶）,3.1 核酸分子中的共价键 3.2 DNA 一级结构 3.3 DNA碱基组成的Chargaff规则 3.4 DNA的二级结构 3.5 DNA的三级结构,第三节 DNA的结构 （deoxyribonucleic acid-DNA）,DNA形状：多为双链 多为线状 无支链。分子量大：106109 一级结构 DNA的结构 二级结构 空间结构 三级结构,3.1 核酸分子中核苷酸之间的共价键,3 -5 磷酸二酯键,3.2 DNA 的一级结构,DNA分子中各脱氧核苷酸之间的连接方式（3-5磷

10、酸二酯键）和排列顺序叫做DNA的一级结构，简称为碱基序列。 一级结构走向的规定为53 不同的DNA分子具有不同的核苷酸排列顺序，因此携带有不同的遗传信息。 一级结构的表示方法 结构式，线条式，字母式,DNA一级结构的表示法,（2）、 基因与基因组,基因（gene）：一段有功能的DNA片段，生物细胞中DNA分子的最小功能单位（交换单位）。,（3）、核酸的序列测定,双脱氧链终止法（Sanger酶法）,August 13, 1918,2. Gilbert化学降解法,3.3 DNA碱基组成的Chargaff规则,Chargaff首先注意到DNA碱基组成的某些规律性，在1950年总结出DNA碱基组成的规

11、律： 腺嘌呤和胸腺嘧啶的摩尔数相等，即 A=T。 鸟嘌呤和胞腺嘧啶的摩尔数也相等，即G=C。 含氨基的碱基总数等于含酮基碱基总数，即 A+C=G+T。 嘌呤的总数等于嘧啶的总数，即A+G=C+T。,3.4 DNA的二级结构,（1） DNA的双螺旋结构 (Watson-Crick模型) （2） DNA双螺旋结构特征及意义 （3） DNA双螺旋的多态性 （4）DNA的三股螺旋（triplex）,Kings College,University of Cambridge,DNA的双螺旋结构，由Watson，Crick于1953年提出。,1双螺旋结构的模型要点:（1）DNA由两条多核苷酸链围绕同一中心

12、轴向右缠绕 成双螺旋，两链彼此平行， 走向相反。,（2）每条链以脱氧核糖和磷酸为骨架(主链），处在 双螺旋的外侧； 糖与磷酸之间以磷酸二酯键相连； 糖环平面基本与螺旋轴平行。,（3）碱基在双螺旋内侧，碱基环平面与螺旋轴相垂 直，两相邻碱基之间的距离为0.34nm碱基堆积距离。,（4） 两条链之间通过碱基之间的氢键结合在一起；两 链间形成氢键具有一定的碱基配对原则。,配对原则：由一条链的嘌呤碱与另一条链的嘧啶碱配对碱基互补；而且必须A与T配对，形成两条氢键 A =T ；G与C 配对，形成三条氢链 GC。配对的碱基彼此称为互补碱基。根据碱基互补原则，当一条多核苷酸链的序列确定后即 可推知另一条互补

13、链的序列。,（5）螺旋每上升一圈，含十对碱基，上升一圈的距离3.4nm，两相邻核苷酸之间的夹角为36螺旋直径为2nm。成对碱基大致在同一平面，碱基与螺旋轴垂直；两相邻碱基 之间的距离为0.34nm 碱基堆积距离。 生物体主要为B-DNA。, 氢键 碱基堆积力 盐键 磷酸基上负电荷被胞内组蛋白或正电荷蛋白质形成 碱基处于疏水环境中,DNA的双螺旋结构稳定因素,DNA的双螺旋结构的意义,该模型揭示了DNA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DNA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

14、分子生物学乃至整个生命科学飞速发展的基石。,DNA双螺旋的不同构象,多聚嘧啶和多聚嘌呤组成的DNA螺旋区段，形成局部三股配对，并互相盘绕的三股螺旋，其中两股的碱基按Watson-Crick方式配对，第三股多聚嘧啶（镜像重复）通过TAT和CGC+配对，而处于双螺旋的大沟中。,*DNA三股螺旋（H-DNA, ts-DNA）,DNA的三股螺旋,嘧啶-嘌呤-嘧啶 嘌呤-嘧啶-嘧啶,DNA的三股螺旋,螺旋和超螺旋电话线,螺旋,超螺旋,3.5 DNA的三级结构,超螺旋是DNA三级结构的一种普遍形式，双螺旋DNA的松开导致负超螺旋，而拧紧则导致正超螺旋。,DNA核小体螺线管超螺线管染色单体,人的DNA大分子

15、 在染色之中反复 折叠盘绕共压缩 8000-10000倍,组蛋白与DNA的结合,核小体,核小体盘绕及染色质示意图,DNA,核小体,螺线管,超螺线管,染色单体,4 RNA的分子结构,4.1 RNA一级结构和类别 4.2 tRNA的分子结构 4.3 rRNA的分子结构 4.4 mRNA的分子结构,4.1.1 RNA的一级结构,RNA分子中各核苷之间的连接方式（3-5磷酸二酯键）和排列顺序叫做RNA的一级结构,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,OH,OH,OH,RNA主要存在于细胞质中，有多种不同功能，多数天然RNA分子为一

16、条单链，一些区域可自身回折，形成局部的双螺旋。,能形成碱基对的，自身回折形成“发夹”结构 不能形成碱基配对的，形成“突环”,4.1.2 RNA的类别,信使RNA（messenger RNA，mRNA）：在蛋白质合成中起模板作用，占RNA总量的5%； 核糖体RNA（ribosomal RNA，rRNA）：与蛋白质结合构成核糖体（ribosome）, 核糖体是蛋白质合成的场所，占细胞总RNA的80%左右； 转移RNA（transfer RNA，tRNA）：在蛋白质合成时起着携带活化氨基酸的作用，最小的一种RNA分子，占细胞中RNA总量的15%。,碱基组成：四种：腺嘌呤（A）、鸟嘌呤（G）、 胞嘧啶

17、（C）、尿嘧啶（U）； 还有一些稀有碱基，如二氢尿嘧啶，4-硫尿嘧啶等。碱基之间不像DNA那样有严格的组成规律 即：AU，GC； 但：AU，GC。原因：RNA分子为单链不是双螺旋，只有局部回折形 成双螺旋。,（一） mRNA 信使RNA含量：占全部RNA的3-5%。作用：以DNA为模板合成，作为蛋白质合成的模板， mRNA的核苷酸序列，决定相应蛋白质的氨基 酸序列。 将DNA的遗传信息传向蛋白质的桥梁。特点：代谢活跃，更新快，分子量差异较大。,(二) tRNA 转运 RNA含量：占全部RNA的15%。 功能：1携带并转运AA到核糖体，合成蛋白质； tRNA的AA臂，与AA结合携带AA，每种AA

18、只能由特定的tRNA搬运；,2识别密码反密码子环上的反密码子能与mRNA 上的密码子通过碱基互补配对而识别、结合。特点：每种AA至少有一种特定的tRNA。 细胞内一般有50种以上不同的tRNA。 真核生物细胞tRNA甚至可多达100多种。,结构特点：1分子量比较小25000道尔顿左右，由70-90个碱基组 成，沉降系数4s左右。2碱基组成有较多的稀有碱基。33-端都为CpCpA-OH。接合活化的氨基酸（与 氨基酸结合）故称为接受末端。45端，大多为pG或者pC.。,5二级结构都呈类似的三叶草结构： 叶柄：有局部双螺旋构成，A=U， G=C配对。 三片小叶：由突环构成。,三叶草分为以下几部分：l

19、氨基酸臂： 7对碱基对组成，富含G，包括3和5两个末端。 3-末端最后三个碱基CCA-OH，接受活化氨基酸。l二氢尿嘧啶环：含两个二氢尿嘧啶。 环：由8-12个核苷酸组成。 臂：由3-4对碱基对二氢尿嘧啶臂。l反密码子环 环：7个核苷酸组成，环正中三个核苷酸为反密码子。 臂：由5对碱基组成。,l额外环 由3-18个核苷酸组成，环大小变化较大，不同的 tRNA具有大小不同的额外环。lTC环 环：由7个碱基组成，大多tRNA均含T和。 T胸腺嘧啶核糖核苷 假尿嘧啶核苷 臂：由5对碱基组成。,6三级结构在二级结构基础上，整个分子的扭曲使未配对碱基按碱基配对原则形成氢键，构成三维结构，似一倒“L”形。

20、,tRNA的三级和二级结构,（二） rRNA 含量：占全部RNA的80%左右，存在于核糖体内。 作用：（1）与蛋白质结合形成核糖体，作为蛋白质合成场所。 核糖体rRNA（ 60%） + 蛋白质（40%） （2） 在蛋白质合成中起催化作用。,核糖体（核蛋白体，核糖核蛋白体）：分布在细胞质内的微小颗粒，直径2030nm。 游离存在（少）；附着在内质网上（多数）。特点：成分稳定代谢不活跃，分子量大 106。 核糖体为一大一小两个亚基，原核真核不同。,（四）RNA的其它功能 1981年发现有些RNA具有生物催化剂的功能。 核酶：具有催化活性的RNA。,5 核酸的理化性质,（一）一般理化性质 1.晶形

21、DNA为白色纤维状固体；RNA为白色粉末状固体 2.溶解性 均溶于水；不溶于一般有机溶剂 在 0.14M NaCl 和 1-2M NaCl中 DNA-蛋白 溶解度低 溶解度高 RNA-蛋白 溶解度高 溶解度低 3.粘度 DNA粘度很大 RNA粘度小得多 4.旋光性 均很强,（二） 两性性质核酸含酸性的磷酸基和碱性的碱基（嘌呤，嘧啶）为两性电解质，但是通常表现为酸性。,化学性质,（三） 紫外吸收性质 核酸的碱基对240-290nm紫外光有强烈的吸收。 最大的吸收峰在260nm。,应用：纯度鉴定定性最大吸收峰：核酸：260nm 蛋白质：280nm 由OD 260/OD280 比值可鉴定核酸的纯度。

22、 纯DNA OD 260/OD280为 1.8 纯RNA OD 260/OD280为 2.0 如果核酸中含蛋白质杂质，OD 260/OD280。 （蛋白质MAX=280nm）；,（四）核酸的变性1. 核酸变性：受某些理化因素的影响，核酸分子中双螺 旋碱基对之间的氢键和碱基堆积破裂，双螺旋解开变成单链的过程。（分子量不变）,变性因素：（）温度升高。 （）有机溶剂。 （）变性剂。 （） 4 pH 10 。,变性结果： （）紫外吸收增加-增色效应： 由于核酸变性而引起紫外吸收增加的现象。 原因：变性后碱基暴露，光吸收增强。（）粘度下降。（）原因：分子由双螺旋（具有一定刚性）变成线 团状。（）浮力密度

23、上升。（）（）生物活性丧失。,2. DNA 热变性和Tm ：过程： DNA溶于稀盐溶液 加温到80-100双螺旋氢键断裂，形成两股单链，紫外吸收骤然增加。,热变性特点：突变式的变性作用发生在一个很窄的温度范围内， 而不是随温度升高而逐渐发生，类似固态 结晶的熔解。 DNA 热变性温度称为熔点（融点），用Tm表示。,Tm：紫外吸收的增加量（增色效应）达最大量一半时的 温度。 （加热变性使DNA双螺旋结构失去一半时的温度。） DNA Tm值一般在7085 ，不同的DNA，Tm不同。,3影响Tm的因素（1）G-C含量： 含G-C高，Tm高；因为G-C含3对氢键； 含A-T高， Tm低；因为A-T含2

24、对氢键。（2）溶液的离子强度： 离子强度低，Tm低。（3）溶液pH：高pH使核酸失去质子，丧失生成H键 的能力； 低pH易脱嘌呤。（4）变性剂破坏H键,（二）复性复性：变性的DNA在适当条件下，两条彼此分开的互补 链重新碱基配对形成双螺旋的过程。 DNA热变性及复性示意图复性后一系列理化物性及生物学活性可恢复。减色效应：核酸在复性过程中紫外吸收值降低的现象。,影响复性的因素：(1) 热变性的DNA：缓慢冷却可复性，且可逆复性。 退火(Annealing)。 骤然冷却不可复性。,（2）单链浓度高，随机碰撞机会多，复性速度快。（3）片断大，不易复性。（4）片断重复序列高，易复性。（5）维持溶液一定

25、的离子强度，以减少核酸磷酸基的 负电荷斥力。,课后习题,1.自然界游离核苷酸中，磷酸最常见是位于( ) A.戊糖的C-5上；B.戊糖的C-2上 C.戊糖的C-3上；D.戊糖的C-2和C-5上 E.戊糖的C-2和C-3上,2.有关RNA的描写哪项是错误的 ( ) A.mRNA分子中含有遗传密码 B.tRNA是分子量最小的一种RNA C.胞浆中只有mRNA D.RNA可分为mRNA、tRNA、rRNA E.组成核糖体的主要是rRNA,A,C,3.某DNA分子中腺嘌呤的含量为15%，则胞嘧啶的含量应为( ) A.15%; B.30%; C.40%; D.35%; E.7%,D,4. Watson-C

26、rick DNA双螺旋结构模型的要点不包括 A右手双螺旋 B反向平行 C碱基在外 D氢键维系 E碱基配对,( ),C,5. 各种tRNA的3末端均有的结构是 AGGA-OH BCCA-OH CAAA-OH DUUA-OH ETTA-OH,( ),B,6关于DNA变性的描述，正确的是 A加热及冷冻是使DNA变性的常用方法 BDNA变性后产生增色效应 CDNA变性是不可逆的过程 D在Tm时，DNA分子有一半被解链 E变性后OD260减小,( ),7与DNA对比，RNA的特点包括 A分子较小，仅含几十-几千碱基 B是含局部双链结构的单链分子 C种类、大小及分子结构多样化 D功能多样性，主要是参与蛋白质的生物合成 E二级结构是双螺旋结构,( ),B, D,A,B,C,D,