生物化学ppt第一章核酸的结构与功能.ppt

第一章 核酸的结构与功能,第一节 核酸是遗传物质的载体 第二节 核酸的基本化学组成 第三节 DNA的结构 第四节 RNA的结构与功能 第五节 核酸的性质,核酸是一类重要的生物大分子，担负着生命信息的储存与传递。 核酸是现代生物化学、分子生物学的重要研究领域，是基因工程操作的核心分子。,核酸概述,第一节 核酸是遗传物质的载体,一、核酸的研究发现史 1868年，F. Miescher从细胞核中分离得到一种酸性物质，即现在被称为核酸的物质。,1944年，Avery的转换转化实验,or,and,可分离,1952年， Hexshey、Chase T2噬菌体（捣碎器实验） 1953年，Watson、Crick DNA双螺旋模型 核酶（Ribozyme）,98核中（染色体中） 真核 线粒体（mDNA） 核外 叶绿体（ctDNA） DNA 拟核或类核 原核 核外：质粒（plasmid） 病毒：DNA病毒,二、核酸的种类和分布,核酸分为两大类： 脱氧核糖核酸 Deoxyribonucleic Acid （DNA） 核糖核酸 Ribonucleic Acid（RNA）,RNA主要存在于细胞质中,tRNA rRNA mRNA 其它 RNA病毒：SARS,三、分子生物学的中心法则,第二节 核酸的基本化学组成,核酸,核苷酸,核苷,磷酸,碱基,戊糖,元素组成： C H O N P,核酸完全水解产生嘌呤和嘧啶等碱性物质、戊糖（核糖或脱氧核糖）和磷酸的混合物。每个核苷分子含一分子碱基和一分子戊糖，一分子核苷酸部分水解后除产生核苷外，还有一分子磷酸。核酸的各种水解产物可用层析或电泳等方法分离鉴定。,组成核酸的戊糖有两种。DNA所含的糖为 -D-2-脱氧核糖；RNA所含的糖则为-D-核糖。,一、戊糖,二、碱基,1. 嘌呤（Purine）,2. 嘧啶（Pyrimidine）,核酸中也存在一些不常见的稀有碱基。稀有碱基的种类很多，大部分是上述碱基的甲基化产物。,三、核苷（nucleoside）,核苷 戊糖+碱基 糖与碱基之间的C-N键，称为C-N糖苷键,假尿苷（） 次黄苷（肌苷）I 黄嘌呤核苷 X 二氢尿嘧啶核苷 DHU 2-O-甲基腺苷Am 取代核苷的表示方式 5-甲基鸟苷 m5G,Adenosine Guanosine Cytidine Uridine,四、核苷酸（nucleotide） 核苷酸 核苷+磷酸 戊糖+碱基+磷酸,五、核苷酸衍生物,1. 继续磷酸化,2.环化磷酸化,cAMP,cGMP,3. 肌苷酸及鸟苷酸(强力味精),4. 辅酶 NAD(辅酶I，烟酰胺腺嘌呤二核苷酸)、NADP (辅酶II，烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸) 、FMN（黄素单核苷酸）、FAD（黄素腺嘌呤二核苷酸）、CoASH（辅酶A）,IMP GMP,六、多聚核苷酸（核酸）,多聚核苷酸是通过一个核苷酸的C3-OH 与另一分子核苷酸的5-磷酸基形成3,5-磷酸二酯键相连而成的链状聚合物。,5-磷酸端（常用5-P表示）；3-羟基端（常用3-OH表示） 多聚核苷酸链具有方向性，当表示一个多聚核苷酸链时，必须注明它的方向是53或是35。,多聚核苷酸的表示方式,DNA RNA,5PdAPdCPdGPdTOH 3 5PAPCPGPUOH 或5ACGTGCGT 3 5ACGUAUGU 3 ACGTGCGT ACGUAUGU,第三节 DNA的结构,一、DNA的一级结构 脱氧核糖核酸的排列顺序 可以用碱基排列顺序表示 连接键：3，5-磷酸二酯键 磷酸与戊糖顺序相连形成主链骨架 碱基形成侧链 多核苷酸链均有5-末端和3-末端 DNA的碱基顺序本身就是遗传信息存储的分子形式。生物界物种的多样性即寓于DNA分子中四种核苷酸千变万化的不同排列组合之中。,核酸的序列测定,双脱氧链终止法（Sanger酶法） 2. Gilbert化学降解法,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）。,基因组（genome）：某生物体（完整单倍体）所含全部遗传物质的总和。 包括：核基因组（拟核/核DNA）及核外（质粒/质体DNA）,各种细胞、病毒和细菌质粒中基因组的大小,3. 原核生物基因组特点 重复序列少，多位编码区 多为操纵子形式组织 有重叠基因存在,真核生物基因组特点 以染色体存在 重复序列多,基因组计划 人类基因组计划（Human Genome Project， HGP ） 酵母基因组计划 （YGP） 大肠杆菌（E.Coli）,二、DNA的二级结构 DNA的双螺旋模型,1953年，J. Watson和F. Crick 在前人研究工作的基础上，根据DNA结晶的X-衍射图谱和分子模型，提出了著名的DNA双螺旋结构模型，并对模型的生物学意义作出了科学的解释和预测。 在DNA分子中，嘌呤碱基的总数与嘧啶碱基的总数相等。,DNA双螺旋模型要点,B型结构 两条链反向平行，右手螺旋 碱基在内（AT，GC）碱基平面垂直于螺旋轴 戊糖在外，双螺旋每转一周 为10碱基对（bp） A型结构 碱基平面倾斜20，螺旋变粗变短，螺距23nm。 Z型结构 左手螺旋，只有小沟,双螺旋DNA的结构参数,双螺旋稳定的力 氢键 碱基堆积力（疏水相互作用及范德华力） 离子键等 则:DNA变性剂（热、pH、脲/酰胺、有机溶剂）,三链DNA：Hoogsten方式配对,DNA的三链结构可能与基因表达调控有关。第三股链的存在可能阻碍了一些调控蛋白或RNA聚合酶与DNA的结合。,二、DNA的三级结构,DNA双螺旋的进一步扭曲构成三级结构，负超螺旋 原核 双链环状DNA（dcDNA） 病毒 单链环状DNA（scDNA） 单链线性DNA（ssDNA）,DNA的存在形式,真核 双链线性DNA（dsDNA）,第四节 RNA的结构与功能,一、结构特点 碱基组成 A、G、C、U （AU/GC） 稀有碱基较多，稳定性较差，易水解 多为单链结构，少数局部形成螺旋 分子较小 分类 mRNA（hnRNA 核不均一RNA） tRNA rRNA （snRNA/asRNA） 少数RNA病毒,二、tRNA,占RNA总量的15 一种氨基酸对应最少一种RNA,分子量25000左右，大约由7090个核苷酸组成，沉降系数为4S左右。 分子中含有较多的修饰成分。 3-末端都具有CpCpAOH的结构。,tRNA的三级结构,三、rRNA,占RNA总量的80,四、mRNA和hnRNA,占细胞总RNA的35,真核细胞mRNA的3-末端有一段长达200个核苷酸左右的聚腺苷酸(polyA)，称为 “尾结构” ，5 -末端有一个甲基化的鸟苷酸，称为” 帽结构“ 。,五、snRNA （small nucleic RNA 小核RNA） scRNA （small cytoplasmic RNA） asRNA （antisense RNA）,帽子结构和3PolyA都有抗核酸外切酶 降解的作用。另外5帽子结构可能与蛋白质合成的正确起始作用及协助核糖体与mRNA相结合有关。,第五节 核酸的性质,二、核酸的紫外吸收特性,在核酸分子中，由于嘌呤碱和嘧啶碱具有共轭双键体系，因而具有独特的紫外线吸收光谱，一般在260nm左右有最大吸收峰，可以作为核酸及其组份定性和定量测定的依据。 以A260/A280进行定性、定量 DNA和RNA溶液中加入溴化乙锭（EB），在紫外下发出荧光 核酸的光吸收值常比其各核苷酸成分的光吸收值之和少30一40。这是在有规律的双螺旋结构中碱基紧密地堆积在一起造成的。这种现象叫做DNA的减色效应。,三、核酸的变性、复性与分子杂交,1. 变性 稳定核酸双螺旋次级键断裂，空间结构破坏，变成单链结构的过程。核酸的一级结构(碱基顺序)保持不变。 变性表征 生物活性部分丧失、粘度下降、浮力密度升高、紫外吸收增加（增色效应：260nm紫 外吸收值升高） 变性因素 pH（11.3或5.0） 变性剂（脲、甲酰胺、甲醛） 低离子强度 加热,DNA的变性过程是突变性的，它在很窄的温度区间内完成。因此，通常将紫外吸收的量达最大量一半时的温度称熔解温度，用Tm表示。 一般DNA的Tm值在70-85C之间。DNA的Tm值与分子中的G和C的含量有关。 G和C的含量高，Tm值高。因而测定Tm值，可反映DNA分子中G, C含量，可通过经验公式计算：（G+C)%=(Tm-69.3)2.44,2. 热变性和Tm,3. 核酸的复性,变性核酸的互补链在适当的条件下，重新缔合成为双螺旋结构的过程称为复性。 DNA复性后，一系列性质将得到恢复，但是生物活性一般只能得到部分的恢复，具有减色效应。 将热变性的DNA骤然冷却至低温时，DNA不可能复性。变性的DNA缓慢冷却时可复性，因此又称为“退火”。 退火温度Tm25 复性影响因素 片段浓度/片段大小/片段复杂性（重复序列数目）/ 溶液离子强度,4.分子杂交,DNA单链与在某些区域有互补序列的异源DNA单链或RNA链形成双螺旋结构的过程。这样形成的新分子称为杂交DNA分子。 核酸的杂交在分子生物学和遗传学的研究中具有重要意义。 Southern 杂交（Southern bolting） Northern 杂交（Northern bolting） Western 杂交 （Western bolting）,本 章 小 结,核酸是遗传物质载体的证明和研究历史 核酸的化学结构：戊糖、碱基（A、T、G、C、U），核苷、核苷酸及其衍生物的结构特点（原子编号） DNA的结构：一级结构（核酸序列及其表示、基因及基因组、序列测定）、二级结构（ Watson Crick双螺旋模型、ZDNA）、结构维持的化学键 RNA结构与功能：碱基组成特点、RNA的种类结构及功能 核酸的性质：酸碱性、变性与复性、分子杂交,习 题 1、比较DNA、RNA在化学组成上、分子结构上、生物学功