生物化学课件1PPT课件

1、 1869 瑞士F. Miescher从脓细胞的细胞核中分离出了一 种 含磷酸的有机物，当时称为核素（nuclein）,后称 为核酸（nucleic acid）；此后几十年内，弄清了 核酸的组成及在细胞中的分布。 1944 Avery 等成功进行肺炎球菌转化试验；1952年Hershey 等的实验表明32P-DNA可进入噬菌体内， 证明DNA 是遗传物质。 返回返回第1页/共96页l 1953 Watson和Crick建立了DNA结构的 双螺旋模型，说明了基因的结构、 信息和功能三者间的关系，推动了 分子生物学的迅猛发展。l 1958 Crick提出遗传信息传递的中心法则。 l 60年代 RN

2、A研究取得大发展（操纵子学说， 遗传密码，逆转录酶）。 返回返回第2页/共96页 70年代 建立DNA重组技术，改变了分子生物学的面貌， 并导致生物技术的兴起。 80年代 RNA研究出现第二次高潮：ribozyme、反义RNA、 “RNA世界”假说等等。 90年代后 实施人类基因组计划（HGP）, 开辟了生命科学 新纪元。生命科学进入后基因时代： 蛋白质组学（proteomics） 结构基因组学（structural genomics） RNA组学（Rnomics）或核糖核酸组学 （ribonomics） 返回返回第3页/共96页2.1核酸的种类、分布与化学组成 一、核酸的种类与分布 第4页/

3、共96页一、核酸的种类和分布 脱氧核糖核酸（deoxyribonucleic acid DNA）核酸 mRNA 核糖核酸（RNA） tRNA ribonucleic acid rRNADNA主要存在于细胞核，线粒体、叶绿体也有。RNA主要存在于细胞质中，细胞核内也有。原核生物和真核生物都含有DNA和RNA。病毒只含有DNA或RNA第5页/共96页二、核酸的化学组成 核 酸（RNA、DNA）核苷酸磷酸核苷戊糖碱基核糖（RNA）脱氧核糖（DNA）A、G、C、U （RNA）A、G、C、T （DNA）第6页/共96页 （一）戊糖（戊糖（pentosepentose） OHOH2CHOHHOHOHHHO

4、HOH2CHOHHHOHHH-D-核糖核糖-D-2-脱氧核糖脱氧核糖第7页/共96页OHOH2CHOHHOCH3OHHH-D-2-O-D-2-O-甲基核糖第8页/共96页1. 1. 嘧啶碱（pyrimidine, Pypyrimidine, Py） （二）（二）碱基（碱基（basebase） 返回返回第9页/共96页尿嘧啶胞嘧啶胸腺嘧啶第10页/共96页（2 2）嘌呤碱（purine, Pupurine, Pu） 其它嘌呤（核酸的代谢产物）：黄嘌呤、次黄嘌呤、尿酸等 返回返回腺嘌呤鸟嘌呤第11页/共96页(三)核 苷胞嘧啶核苷尿嘧啶核苷鸟嘌呤核苷腺嘌呤核苷NNOHHONNNH2HONNOHH2

5、NNNNNNNNH2OHHOHHOHHHOCH2HOCH2OHHOHHOHHOHHOHHOHHHOCH2OHHOHHOHHHOCH2如果是存在于DNA中的脱氧核苷则2位则是H而不是OH。第12页/共96页核苷核苷 核糖核苷（核苷）：A、G、C、U 脱氧核糖核苷（脱氧核苷）：脱氧核糖核苷（脱氧核苷）：dA、dG、dC、dT 命名，简写符号命名，简写符号 第13页/共96页修饰核苷包括三种情况: : 由修饰碱基和糖组成的核苷 由非修饰碱基和2-O-2-O-甲基核糖组成的核苷 由碱基与糖连接方式特殊的核苷 修饰核苷（modified nucleosidemodified nucleoside） 稀有

6、核苷（uncommon nucleosideuncommon nucleoside） 返回返回第14页/共96页NNNNNHCH3dRN6-M ethyl-dAHNNHO5,6-dihydrouridineORHHH(D or hU)OCH2HHOHHOCH3HHO2-O-甲基腺苷Ade(Am)NNCH3NH25-Methyl-dCOdR第15页/共96页OCH2HHOHHOHHHO (p s e u d o u rid in e )HNNHOO51 假 尿 嘧 啶 核 苷() 返回返回第16页/共96页磷酸 + 戊糖 + 碱基=（四）核苷酸POOOHOHOCH2OHOHNNNH2OOHOCH

7、2OHOHNNNH2O第17页/共96页AMPADPATP核苷酸的重要衍生物核苷酸的重要衍生物 ATPATP类的高能磷酸化合物类的高能磷酸化合物 第18页/共96页 环状核苷酸环状核苷酸第19页/共96页 核苷酸的生物学功能核苷酸的生物学功能 作为核酸的单体作为核酸的单体 细胞中的携能物质（如细胞中的携能物质（如ATPATP、GTPGTP、CTPCTP、GTPGTP） 酶的辅助因子的结构成分（如酶的辅助因子的结构成分（如NADNAD） 细胞通讯的媒介（如细胞通讯的媒介（如cAMPcAMP、cGMPcGMP）第20页/共96页三、核酸的生物学功能 (1)DNA是主要遗传物质 (2)RNA的功能多

8、样性第21页/共96页肺炎球菌转化实验图解III SIII S型细胞 （有毒）II RII R型细胞（无毒）破碎细胞DNAaseDNAase降解 后的DNADNAII RII R型细胞接受III SIII S型DNADNA只有II RII R型大多数仍为II RII R型少数II RII R型细胞被转化产生III SIII S型荚膜S（光滑）（光滑）SRRR（粗糙）（粗糙）+DNA第22页/共96页2.1核酸的种类、分布与化学组成 一、核酸的种类与分布 DNA；RNA 二、核酸的化学组成 碱基；戊糖；磷酸；核苷；核苷酸 三、核酸的生物学功能 第23页/共96页2.2核酸的分子结构一、DNA的分

9、子结构（一）一级结构（二）二级结构（三）三级结构（四）DNA与蛋白质复合物的结构第24页/共96页1、核苷酸的连接方式核苷酸之间以核苷酸之间以磷酸二酯磷酸二酯键键连接形成多核苷酸链，连接形成多核苷酸链，即核酸即核酸。2、DNA的一级结构（一）DNA的一级结构第25页/共96页DNADNA一级结构的表示法一级结构的表示法53结构式结构式53 p p p pOH3ACTG1线条式线条式5 ACTGCATAGCTCGA 3字母式字母式 返回返回第26页/共96页（1）x-光衍射分析光衍射分析 1952年年M.Wilkins （二）DNADNA的二级结构 1 1提出DNADNA双螺旋结构模型的根据 第

10、27页/共96页第28页/共96页（2 2）DNADNA碱基组成的定量分析 2020世纪4040年代chargaffchargaff规则 DNA碱基组成有种的特异性，但没有组织、器碱基组成有种的特异性，但没有组织、器官特异性官特异性。 A=T；G=C；A+G=T+C 第29页/共96页（double-helical structure） 1953年年Watson和和Crick提出了提出了DNA双螺旋结构。双螺旋结构。 2 2DNADNA双螺旋结构模型双螺旋结构模型 返回返回第30页/共96页 特征：两条脱氧核苷酸链以反向平行的方式围绕同一中心轴向右盘绕主链处于螺旋的外侧（核糖+ +磷酸）核糖平

11、面与螺旋轴平行； 碱基处于螺旋的内侧，与中轴垂直。螺距：10bp3.4nm10bp3.4nm3603600 0 =2nm=2nm大沟与小沟： 蛋白质识别DNADNA的特定遗传信息的关键点 碱基互补配对第31页/共96页稳定DNA双螺旋结构的作用力 （1 1）互补碱基对之间的氢键 （2 2）碱基堆积力（base-stacking forcesbase-stacking forces） （3 3）磷酸基上的负电荷与介质中的阳离子之间形成的离子键 返回返回第32页/共96页DNADNA的双螺旋结构的意义的双螺旋结构的意义 该模型揭示了该模型揭示了DNADNA作为遗传物质的稳定性作为遗传物质的稳定性特

12、征，最有价值的是确认了碱基配对原则，特征，最有价值的是确认了碱基配对原则，这是是这是是DNADNA复制、转录和反转录的分子基础，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。该模亦是遗传信息传递和表达的分子基础。该模型的提出是本世纪生命科学的重大突破之一型的提出是本世纪生命科学的重大突破之一，它奠定了生物化学和分子生物学乃至整个，它奠定了生物化学和分子生物学乃至整个生命科学飞速发展的基石。生命科学飞速发展的基石。第33页/共96页第34页/共96页双螺旋结构的多态性第35页/共96页DNADNA分子内的分子内的三链结构三链结构 多聚嘌呤多聚嘧啶DNADNA分子间分子间的三链结

13、构的三链结构DNADNA三链间的三链间的碱基配对碱基配对T-A-TC-G-C 返回返回第36页/共96页DNA DNA 双链线状 双链环状 单链线状：动物病毒MVM MVM 单链环状：噬菌体X174 X174 真核细胞染色体DNA DNA 噬菌体T T2 2，T T5 5，T T7 7，P P2222 E-ColiE-Coli染色体DNA DNA 线粒体DNA DNA 叶绿体DNA DNA 多瘤病毒DNADNA，病毒SVSV4040DNA DNA 噬菌体和X174X174的复制型 第37页/共96页（三）DNA的三级结构 定义：双螺旋进一步扭曲形成的更高层次的空间结构。如扭拮、超螺旋等。第38

14、页/共96页螺旋和超螺旋电话线螺旋超螺旋第39页/共96页 （covalently closed circular DNA, cccDNAcovalently closed circular DNA, cccDNA） 的的超螺旋超螺旋结构（结构（superhelical structuresuperhelical structure） 形成超螺旋的基础形成超螺旋的基础: DNA双螺旋的扭曲形双螺旋的扭曲形成超螺旋成超螺旋（superhelix）1 1共价闭合环状共价闭合环状DNADNA第40页/共96页L=25,T=25,W=0松弛环形1152010523L=23,T=23,W=0解链环形15

15、101520231510152025L=23,T=25,W=2负超螺旋121482316131510152023右手旋转拧松两匝后的线形DNADNADNA超螺旋的形成超螺旋的形成超螺旋的拓扑学公式：L=T+W或 = + 第41页/共96页超螺旋状态的定量描述超螺旋状态的定量描述公式1 1：L=T+WL=T+W L L连环数（linking numberlinking number）， DNADNA双螺旋中一条链以右手螺旋与另一条链缠绕的次数。 T TDNADNA分子中的螺旋数（twisting numbertwisting number） W W超螺旋数或缠绕数（writhing number

16、writhing number）公式2 2：=（L-LL-L0 0）/L/L0 0 超螺旋度 （degree of supercoilingdegree of supercoiling） L L0 0松驰态DNADNA连环数L=25,T=25,W=0松弛环形1152010523L=23,T=25,W=2负超螺旋12148231613第42页/共96页DNADNA超螺旋结构形成的意义超螺旋结构形成的意义 使DNADNA形成高度致密状态从而得以装入核中；l 推动DNADNA结构的转化以满足功能上的需要。 如负超螺旋分子所受张力会引起互补链分 开导致局部变性，利于复制和转录。第43页/共96页 (

17、(四四) )、DNADNA与蛋白质复合物的结与蛋白质复合物的结构构 生物体内的核酸通常都与蛋白质结合形成复合物，以核蛋白（nucleoproteinnucleoprotein）的形式存在。DNADNA分子十分巨大，与蛋白质结合后被组装到有限的空间中。、病毒、细菌类核、真核染色体第44页/共96页第45页/共96页噬噬菌菌体体T2T2结结构构头部颈圈尾部基板尾丝尖钉第46页/共96页动物病毒切面模式图动物病毒切面模式图被膜（脂蛋白、被膜（脂蛋白、碳水化合物）碳水化合物）衣壳（蛋白质）衣壳（蛋白质）核酸核酸突起（糖蛋白）突起（糖蛋白）病毒粒病毒粒 返回返回第47页/共96页细菌拟核（细菌拟核（nu

18、cleoid nucleoid ）的突环结）的突环结构构RNA-RNA-蛋白质核心突环由双链DNADNA结合碱性蛋白质组成平均一个突环含有约 40kb DNA40kb DNA 返回返回第48页/共96页组蛋白与组蛋白与DNADNA的结合的结合组组蛋蛋白白与与DNA的的结结合合核小体核小体 返回返回第49页/共96页DNADNA的念珠状结构的念珠状结构 返回返回第50页/共96页核小体盘绕及染色质示意图核小体盘绕及染色质示意图 返回返回第51页/共96页真核生物染色体真核生物染色体DNADNA组装不同层次的组装不同层次的结构结构DNA(2nm)核小体链(11nm(11nm，每个核小体200bp)

19、200bp)纤丝(30nm(30nm，每圈6 6个核小体) )突环(150nm(150nm，每个突环大约75000bp)75000bp)玫瑰花结(300nm (300nm ，6 6个突环) )螺旋圈(700nm(700nm，每圈3030个玫瑰花) )染色体(1400nm,(1400nm,每个染色体含1010个玫瑰花200bp)200bp) 返回返回第52页/共96页二、二、 RNARNA的结构的结构（四）（四）RNARNA的三级结构的三级结构 （三）（三）RNARNA的二级结构的二级结构 （二（二）RNARNA的一级结构的一级结构 （一）（一）RNARNA的类别的类别 第53页/共96页（一）

20、（一）RNARNA的类别的类别1. 信使RNA (messenger RNA，mRNA)： 在蛋白质合成中起模板作用；2. 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；3. 转移RNA (transfor RNA，tRNA)： 在蛋白质合成时起着携带活化氨基酸的作用。第54页/共96页4 4其它类别的RNARNA （1）病毒）病毒RNA（Viral RNA, rRNA） （2）核内）核内RNA（nuclear RNA, nRNA） 不均一核不均一核RNA（heterogeneous nuclear RNA,H

21、nRNA） 小分子核小分子核RNA（small nuclear RNA, sn RNA） 小分子核仁小分子核仁RNA（small nucleolar RNA, sno RNA） 染色体染色体RNA（chromosomal RNA, ch RNA） （3）线粒体）线粒体RNA（mitochondrial RNA, mit RNA） （4）叶绿体）叶绿体RNA（chloroplast RNA, chlRNA或或ctRNA） 第55页/共96页1RNARNA分子中各核苷之间的连接分子中各核苷之间的连接 方式（方式（3 3 -5-5 磷酸二酯键磷酸二酯键）和）和 排列顺序叫做排列顺序叫做RNARNA的

22、一级结构的一级结构（二）（二）RNARNA的一级结的一级结构构 RNA RNA 与与 DNA DNA 的差异的差异 DNA RNA糖 脱氧核糖 核糖碱基 AGCT AGCU 不含稀有碱基 含稀有碱基 返回返回第56页/共96页2 2几类RNARNA的一级结构特点 （1）tRNA 分子量较小（25，000），沉降常数4S。 各种tRNA的链长很接近，一般在7393个核苷酸之间。 tRNA分子中约20多个位置上的核苷酸是保守的（不变和半不变的） 各种tRNA的3一端为CCA；5一端大多数 为pG，少数为pC。 tRNA分子中含有较多的修饰成分。 返回返回第57页/共96页原核生物核糖体原核生物核糖

23、体 70S50S30S5S rRNA， 23S rRNA34种蛋白质种蛋白质16S rRNA21种蛋白质种蛋白质（2 2）rRNA的一级结的一级结构构第58页/共96页真核生物核糖体真核生物核糖体 80S60S40S5SrRNA，5.8SrRNA，28SrRNA49种蛋白质种蛋白质18SrRNA33种蛋白质种蛋白质 返回返回第59页/共96页原核细胞原核细胞mRNAmRNA的结构特点的结构特点53顺反子顺反子顺反子插入顺序插入顺序先导区末端顺序先导区+翻译区（多顺反子）+末端序列第60页/共96页真核生物真核生物mRNAmRNA特征：特征：单顺反子5 5端端“帽子帽子”（m m7 7G-5G-

24、5 ppp5ppp5 -N-3-N-3 p p）3 3端端“尾巴尾巴”（Poly APoly A） 返回返回第61页/共96页真核细胞真核细胞mRNAmRNA的结构特点的结构特点AAAAAAA-OH5 “帽子” PolyA 3 顺反子m7G-5ppp-N-3 p 返回返回第62页/共96页5-cap：m7G(5)pppNmp 5-cap cap0: m7G(5)pppNp cap1: m7G(5)pppNmpNp cap2: m7G(5)pppNmpNmpNp 返回返回第63页/共96页 返回返回5-cap的功能 (1) 防止mRNA被核酸酶降解。 (2) 为mRNA翻译活性所必需。 (3)

25、与蛋白质合成的正确起始有关。第64页/共96页polyA的功能的功能: 3-polyA : polyA的残基数20200个，或更多。 (1) 保护mRNA，免受核酸外切酶的作用。 (2) 与翻译有关，没有polyA翻译活性降低。(3) 与mRNA从细胞核转移到细胞质有关。第65页/共96页RNA前体前体 成熟成熟RNA（有功能的（有功能的RNA） 断裂、修剪、修饰断裂、修剪、修饰 第66页/共96页大多数天然RNA是一条单链，通过自身回折形成部分螺旋区，部分非螺旋区。 少数病毒RNA如水稻矮缩病毒、呼肠孤病毒、伤瘤病毒等RNA是双链螺旋，类似于DNA的双螺旋结构。 （三）（三）RNARNA的二

26、级结构的二级结构第67页/共96页（三）（三）RNARNA的二级结的二级结构构RNA中双螺旋结构稳定的因素主要是碱基堆积力，其次是氢键。中双螺旋结构稳定的因素主要是碱基堆积力，其次是氢键。 第68页/共96页1 1tRNAtRNA的二级结构的二级结构（1）aa接受臂（amino acid arm） （2）二氢尿嘧啶环 （dihydrouridine loop, DHU loop） （3）反密码环（anticodon loop （4）额外环（extra loop） （5）TC环（TC loop） ） 返回返回第69页/共96页酵母酵母tRNA tRNA AlaAla 的的二级结二级结构构DHU环

27、IGC反密码环氨基酸臂可变环TC环CCAAla35反密码子第70页/共96页 1980年牛心线粒体年牛心线粒体tRNAser只有只有63个核苷酸，沉降常数个核苷酸，沉降常数3S，缺少，缺少D环环和和D臂，呈二叶草型。臂，呈二叶草型。 近年来发现近年来发现2种线虫线粒体种线虫线粒体tRNA也不是标准的三叶草结构。也不是标准的三叶草结构。 第71页/共96页2 2rRNA的二级结的二级结构构 返回返回特征： 单链，螺旋化程度较tRNAtRNA低 与蛋白质组成核糖体后方能发挥其功能第72页/共96页 rRNA rRNA的分子结构的分子结构特征： 单链，螺旋化程度较单链，螺旋化程度较tRNAtRNA低

28、低 与蛋白质组成核糖体后方能发挥其功能与蛋白质组成核糖体后方能发挥其功能5sRNA5sRNA的二级结构 返回返回第73页/共96页3 3mRNA的二级结构的二级结构 返回返回第74页/共96页tRNA的三级结构的三级结构 （四）（四）RNARNA的三级结构的三级结构第75页/共96页第76页/共96页一一、一般性质一般性质 二二、粘度粘度 三三、两性解离两性解离 四四、紫外吸收紫外吸收 五、沉降特性五、沉降特性 六、核酸的变性、复性和杂交六、核酸的变性、复性和杂交 返回返回第77页/共96页分子大小：分子大小：DNA Mr 1061010或更大或更大性状：性状：DNA为白色纤维状固体，而为白色

29、纤维状固体，而RNA为白色粉末。为白色粉末。 溶解度：溶解度：DNA和和RNA均不溶于一般的有机溶剂，均不溶于一般的有机溶剂，微溶于水，微溶于水， 但它们的钠盐在水中溶解度较大。但它们的钠盐在水中溶解度较大。 RNA Mr 104106或更大或更大 一、一般性质一、一般性质第78页/共96页二二、粘度粘度 三三、两性解离两性解离 由于核酸中碱基的共轭双键，所以对紫外由于核酸中碱基的共轭双键，所以对紫外有强烈吸收，最大吸收峰在有强烈吸收，最大吸收峰在260nm260nm附近，附近，利用这一特性可进行核酸的定量测定。利用这一特性可进行核酸的定量测定。 四、紫外吸收四、紫外吸收 返回返回第79页/共

30、96页首先根据首先根据A260/A280的比值判断核酸样品的纯度的比值判断核酸样品的纯度纯纯DNA：A260/A280=1.8 纯纯RNA：A260/A280=2.0（若样品中含有杂蛋白或苯酚，则（若样品中含有杂蛋白或苯酚，则A260/A280比值明显降低）比值明显降低）纯的核酸样品可根据纯的核酸样品可根据260nm的光吸收值算出其含量的光吸收值算出其含量若若260nm光吸收值为光吸收值为1相当于相当于50g/ml双螺旋双螺旋DNA或相当于或相当于40g/ml单链单链DNA或或RNA或相当于或相当于20g/ml寡核苷酸寡核苷酸第80页/共96页1核酸浮力密度的测定核酸浮力密度的测定 浮力密度：

31、经密度梯度沉降平衡法测出的密度浮力密度：经密度梯度沉降平衡法测出的密度 氯化绝（氯化绝（CsCl）密度梯度沉降平衡）密度梯度沉降平衡 五、沉降特性五、沉降特性 返回返回第81页/共96页 返回返回第82页/共96页用用12个已知浮力密度的标准个已知浮力密度的标准DNA样品作参考样品作参考 102022010)rr (2 . 4 式中式中 ：未知：未知DNA的密度的密度 0：标准：标准DNA的密度的密度 ：角速度（弧度：角速度（弧度/秒）秒） r： 未知未知DNA与转轴之间的距离与转轴之间的距离 r0：已知：已知DNA与转轴之间的距离与转轴之间的距离 返回返回第83页/共96页离心机结构示意图转

32、头转头腔沉降样品驱动马达真空冷冻 返回返回第84页/共96页沉降系数沉降系数（sedimentation coefficient） 生物大分子在单位离心力场作用下的沉降速度称为沉降系数。即沉降系数是微颗粒在离心力场的作用下，从静止状态到达极限速度所需要的时间。数学定义式为： 沉降系数单位：由于蛋白质、核酸、病毒等的沉降系数介于1 11010-13-13到2002001010-13-13秒的范围，为方便起见，把作为沉降系数的一个单位，用SvedbergSvedberg单位，用即S S表示。沉降系数（s s）与相对分子量（MrMr）的关系: :Mr =RTsD(1-)Svedberg方程:d /dt 2 s =s = 返回返回第85页/共96页2DNA中中G-C含量的测定含量的测定 G-C对的含量与浮力密度之间呈正比关系对的含