生物化学第三章 核酸化学ppt课件

1、生生 物物 化化 学学BiochemistryBiochemistry第三周第三周 第二讲第二讲2019.9.302019.9.30蛋白质章节测验1班级、学号、姓名班级、学号、姓名问题一：问题一： 如何通过样品中的含氮量如何通过样品中的含氮量N%）来大致地推测样）来大致地推测样品中粗蛋白的含量品中粗蛋白的含量Pro%）？）？ 解释这样推测的依据是什么？解释这样推测的依据是什么？问题二：问题二：维持蛋白质一、二、三级结构的主要作用力分别维持蛋白质一、二、三级结构的主要作用力分别有那些？有那些？问题三：问题三：凝胶过滤分离蛋白质的依据和原理？凝胶过滤分离蛋白质的依据和原理？通过本章的学习应该明确以

2、下几个问题：通过本章的学习应该明确以下几个问题：1 1、核酸的种类、基本组成单位是什么？、核酸的种类、基本组成单位是什么？ RNARNA的三种主要形式是什么？的三种主要形式是什么？ 它们分别承担什么样的生物功能？它们分别承担什么样的生物功能？2 2、DNADNA和和RNARNA的一级结构和二级结构分别有何特征？的一级结构和二级结构分别有何特征？3 3、什么是、什么是DNADNA的变性和复性？有何特征？的变性和复性？有何特征？第一节第一节 概述概述一、核酸的发现与发展一、核酸的发现与发展 18691869年核酸最早分离自外科绷带脓细胞的细胞核，年核酸最早分离自外科绷带脓细胞的细胞核，当时发现这种

3、物质含磷量之高超过当时发现的任何当时发现这种物质含磷量之高超过当时发现的任何一种有机物，并且含有很强的酸性，故得名核酸。一种有机物，并且含有很强的酸性，故得名核酸。 19091909年其组成被研究清楚，年其组成被研究清楚，19441944年生物功能初步澄年生物功能初步澄清，后来在清，后来在X X射线衍射技术支持下建立双螺旋结构模射线衍射技术支持下建立双螺旋结构模型。型。核酸的分类及分布核酸的分类及分布 存在于细胞核和线粒体内。存在于细胞核和线粒体内。存在于胞核、胞液和线粒体。存在于胞核、胞液和线粒体。(deoxyribonucleic acid, DNA)(ribonucleic acid,

4、RNA)脱氧核糖核酸脱氧核糖核酸 核糖核酸核糖核酸携带遗传信息，决定细胞和个携带遗传信息，决定细胞和个体的遗传型体的遗传型(genotype)。参与遗传信息的复制与表达。参与遗传信息的复制与表达。某些病毒某些病毒RNA也可作为遗传信也可作为遗传信息的载体。息的载体。DNARNA蛋白质蛋白质复制复制复制复制转录转录反转录反转录翻译翻译染色体的结构染色体的结构示意图示意图核酸核酸核苷酸核苷酸磷酸磷酸核苷核苷戊糖戊糖碱基碱基水水解解核酸的化学组成核酸的化学组成除含除含C C、H H、O O、N N外，还含有较多的磷和少量的硫，含磷外，还含有较多的磷和少量的硫，含磷量在量在9 91010一、磷酸一、磷

5、酸phosphate） OH HO-P=O OH二、戊二、戊 糖糖（构成（构成RNA）核糖核糖(ribose)（构成（构成DNA）脱氧核糖脱氧核糖(deoxyribose)12453OOHOHHHHCH2OHHOHOHOHHHHCH2OHHOH12345嘌呤嘌呤 嘧啶嘧啶 碱基碱基腺嘌呤腺嘌呤A）鸟嘌呤鸟嘌呤G）胞嘧啶胞嘧啶C）胸腺嘧啶胸腺嘧啶T）尿嘧啶尿嘧啶U）DNA、RNA均有均有DNA有有RNA有有每种核酸都含有四种碱基每种核酸都含有四种碱基 。三、碱基nitrogenous base）嘌呤嘌呤(purine) NNNHN123456789NNNHNNH2腺嘌呤腺嘌呤(adenine,

6、A)NNHNHNNH2O鸟嘌呤鸟嘌呤(guanine, G)碱碱 基基NNH132456嘧啶嘧啶(pyrimidine)胞嘧啶胞嘧啶(cytosine, C)NNHNH2O尿嘧啶尿嘧啶(uracil, U)NHNHOO胸腺嘧啶胸腺嘧啶(thymine, T)NHNHOOCH3四、核苷四、核苷nucleoside)nucleoside)核苷是核糖与碱基核苷是核糖与碱基( (嘌呤碱或嘧啶碱嘌呤碱或嘧啶碱) )结合物。结合物。 嘌呤核苷是嘌呤的第嘌呤核苷是嘌呤的第9 9位位N N与核糖或与核糖或脱氧核糖第脱氧核糖第1 1位碳连接；位碳连接； 嘧啶核苷是嘧啶的的第嘧啶核苷是嘧啶的的第1 1位位N N与

7、核糖与核糖或脱氧核糖第或脱氧核糖第1 1位碳连接；位碳连接；碱基和核糖或脱氧核糖通过糖苷键连碱基和核糖或脱氧核糖通过糖苷键连接形成核苷接形成核苷(nucleoside) （或脱氧核苷）。（或脱氧核苷）。腺嘌呤核苷NNNN9NH2OOHOHHHHCH2OHH12糖苷键胞嘧啶脱氧核苷1NNONH212OHOHHHHCH2OHH糖苷键核苷酸：核苷酸：AMP, GMP, UMP, CMP脱氧核苷酸：脱氧核苷酸：dAMP, dGMP, dTMP, dCMP 核苷脱氧核苷和磷酸以酯键连接形成核核苷脱氧核苷和磷酸以酯键连接形成核苷酸脱氧核苷酸）。苷酸脱氧核苷酸）。 糖苷键酯键腺苷酸NNNN9NH2OOHOH

8、HHHCH2H12OPO- -HOO5核苷酸是核苷的磷酸酯。核苷酸是核苷的磷酸酯。 核糖核苷酸的磷酸酯有三种形式核糖核苷酸的磷酸酯有三种形式(2(2、3 3和和5 5位位) )； 脱氧核糖核苷酸的磷酸酯有两种形式脱氧核糖核苷酸的磷酸酯有两种形式(3(3和和5 5位位) )。八种核苷酸如下表所示八种核苷酸如下表所示 M-M-单单(D-(D-二、二、T T三）；三）；P-P-磷酸磷酸 RNARNA的名称为某苷的名称为某苷( (一磷一磷) )酸，酸，DNADNA在某前加脱氧两字。在某前加脱氧两字。例如：例如：AMPAMP称腺苷一磷酸称腺苷一磷酸( (或腺苷酸），或腺苷酸）， dAMPdAMP称为脱氧

9、腺苷一磷酸脱氧腺苷酸）。称为脱氧腺苷一磷酸脱氧腺苷酸）。 稀有核苷酸与上类似；稀有核苷酸与上类似；腺腺嘌嘌呤呤 A鸟鸟嘌嘌呤呤 G胞胞嘧嘧啶啶 C尿尿嘧嘧啶啶 U胸胸腺腺嘧嘧啶啶 TRNA AMPGMPCMPUMP未未发发现现DNAdAMPdGMPdCMP未未发发现现dTMPl 多磷酸核苷酸：多磷酸核苷酸：l NMP，NDP，NTPNNNN9NH2OOHOHHHHCH2H12OPO- -OOPOO- -OPO- - -OO一磷酸腺苷（AMP）二磷酸腺苷（ADP）三磷酸腺苷（ATP）六、稀有组分六、稀有组分Minor componentsMinor components）稀有组分是稀有碱基和稀有

10、核苷的总称。稀有组分是稀有碱基和稀有核苷的总称。1 1、稀有碱基、稀有碱基Minor basesMinor bases） 次黄嘌呤次黄嘌呤(I)(I)、黄嘌呤、黄嘌呤(X)(X)、5-5-甲基胞嘧甲基胞嘧啶啶(m5C)(m5C)、二氢尿嘧啶、二氢尿嘧啶(Dhu )(Dhu )、 5- 5-羟甲基胞羟甲基胞嘧啶嘧啶(hm5C)(hm5C)2 2、稀有核苷、稀有核苷Minor nucleosideMinor nucleoside） 假尿嘧啶核苷假尿嘧啶核苷()()、次黄嘌呤核苷、二、次黄嘌呤核苷、二氢尿嘧啶核苷。氢尿嘧啶核苷。一、核酸的一级结构一、核酸的一级结构 核酸的一级结构是指核苷酸的组成核酸

11、的一级结构是指核苷酸的组成及排列顺序即碱基序列）。及排列顺序即碱基序列）。 DNA DNA、RNARNA都是由许多核苷酸通过都是由许多核苷酸通过3 3、5 5磷酸二酯键将前一个核苷酸与后磷酸二酯键将前一个核苷酸与后一个核苷酸连接起来，形成无分支一个核苷酸连接起来，形成无分支的多核苷酸链。的多核苷酸链。 在链的一端的一个戊糖的在链的一端的一个戊糖的3 3位上位上OHOH是是游离存在的，另一端的戊糖其游离存在的，另一端的戊糖其5 5位上位上连有一个磷酸基团呈单磷酸酯状态，连有一个磷酸基团呈单磷酸酯状态，这两个末端分别称为这两个末端分别称为3 3末端及末端及5 5末端。末端。5端端3端端核苷酸之间以

12、核苷酸之间以3 , 5 -磷酸二酯键连接形成磷酸二酯键连接形成多核苷酸链，即核酸。多核苷酸链，即核酸。CGADNA一级结构的简写形式 核苷酸顺序又称碱基顺序，是蛋白质与RNA结构的生物语言。戊糖P53首端首端末端末端PPPPPP A G C T G C书写方法书写方法PPAPCPCPTPGOHCPTPAPA53pApCpTpGpCpTpApApC-OH 35 ACTGCTAAC35 DNA 与与RNA的区别的区别核酸核酸碱基碱基戊糖戊糖DNAA、G、C、T脱氧脱氧核糖核糖RNAA、G、C、U核糖核糖二、二、 DNA DNA的二级结构的二级结构双螺旋结构双螺旋结构DNADNA双螺旋结构模型的要点

13、双螺旋结构模型的要点(1) DNA(1) DNA分子是由两条反平行分子是由两条反平行的多聚脱氧核苷酸链，绕的多聚脱氧核苷酸链，绕同一中心轴盘旋形成的右同一中心轴盘旋形成的右手螺旋结构；手螺旋结构；(2) (2) 每条主链由脱氧核糖与每条主链由脱氧核糖与磷酸通过磷酸通过3 3、5 5磷酸二酯键磷酸二酯键连接而成，并位于螺旋外连接而成，并位于螺旋外侧。碱基位于螺旋内侧，侧。碱基位于螺旋内侧，碱基平面与螺旋中心轴垂碱基平面与螺旋中心轴垂直。螺旋表面有两条螺旋直。螺旋表面有两条螺旋形的凹槽形的凹槽大沟和小沟。大沟和小沟。(3) 两链间的碱基以氢键互相配对。A与T配有两个氢键，G与C配有三个氢键。DNA

14、分子所含嘌呤碱基的总数等于嘧啶碱基的总数(即A+G=T+C)碱基当量定律。(4)维持双螺旋稳定的因素：横向为氢键，纵向为碱基间的堆积力。 DNADNA碱基组成的碱基组成的ChargaffChargaff规则规则 （1 1腺嘌呤和胸腺嘧啶的摩尔数相等，腺嘌呤和胸腺嘧啶的摩尔数相等，即即A AT T （2 2鸟嘌呤和胞嘧啶的摩尔数也相等，鸟嘌呤和胞嘧啶的摩尔数也相等，即即G GC C （3 3含氨基的碱基含氨基的碱基( (腺嘌呤和胞嘧啶腺嘌呤和胞嘧啶) )总总数等于含酮基的碱基数等于含酮基的碱基( (鸟嘌呤和胸腺嘧啶鸟嘌呤和胸腺嘧啶) )总数，即总数，即A+C=G+TA+C=G+T （4 4嘌呤的

15、总数等于嘧啶的总数，即嘌呤的总数等于嘧啶的总数，即A+G=C+TA+G=C+T所有所有DNADNA中碱基组成必定是中碱基组成必定是A=TA=T，G=CG=C这一规律这一规律暗示暗示A A与与T, GT, G与与C C相互配对的可能性，为相互配对的可能性，为WatsonWatson和和CrickCrick提出提出DNADNA双螺旋结构提供了重要根据。双螺旋结构提供了重要根据。DNA双螺旋结构的多样性双螺旋结构的多样性Z型型DNAB型型DNAA型型DNADNADNA的三级结构的三级结构 DNADNA的三级结构是指双螺旋的三级结构是指双螺旋DNADNA的扭曲的扭曲或再螺旋。或再螺旋。生生 物物 化化

16、 学学BiochemistryBiochemistry第四周第四周 第二讲第二讲2019.10.92019.10.9 RNARNA核糖核酸）核糖核酸） 主要分布在细胞质中，与蛋白质合成密切相关主要分布在细胞质中，与蛋白质合成密切相关 Ribosomal RNAs (rRNARibosomal RNAs (rRNA，核糖体，核糖体RNA)RNA)占占80%80%以上：与蛋以上：与蛋白质构成核糖体，是合成蛋白质的场所白质构成核糖体，是合成蛋白质的场所 Messenger RNAs (mRNAMessenger RNAs (mRNA，信使，信使RNA) RNA) 占占5%5%：合成蛋白质：合成蛋白质

17、的模板的模板 Transfer RNAs (tRNA Transfer RNAs (tRNA ，转运，转运RNA)RNA)占占15%15%：在蛋白质合：在蛋白质合成中运输氨基酸成中运输氨基酸三、三、RNARNA的结构的结构RNARNA分子的基本结构是一条线性的多核苷酸链，由四分子的基本结构是一条线性的多核苷酸链，由四种核糖核苷酸以种核糖核苷酸以3 3，5 5- -磷酸二酯键连接而成。磷酸二酯键连接而成。（一）、信使（一）、信使RNARNA的结构与功能的结构与功能2、其结构模式为、其结构模式为 5-帽子帽子-5非编码区非编码区-编码区编码区-3非编码区非编码区- 3多多聚聚A1、真核、真核mRN

18、A链翻译产生一条多肽链。链翻译产生一条多肽链。5-帽子结构帽子结构(1) 大多数真核大多数真核mRNA的的5末端均在转录后加上一个末端均在转录后加上一个7-甲基鸟甲基鸟苷，经焦磷酸与苷，经焦磷酸与mRNA的的5-末端核苷酸相连，形成末端核苷酸相连，形成5，5-磷酸酯键。同时第一个核苷酸的磷酸酯键。同时第一个核苷酸的C2可能也是甲基化，可能也是甲基化，形成帽子结构甲基鸟苷三磷酸）：形成帽子结构甲基鸟苷三磷酸）：m7GpppN-。ONNNNNH2OOCH3OHHHCH2HOPO-OOHNNNOH2NNOOHHHHCH2HOHO POO-CH3PO-O5235* mRNA结构特点结构特点(2) 大多

19、数真核大多数真核mRNA的的3末端有一个多聚腺苷酸末端有一个多聚腺苷酸 (polyA)构造，称为多聚构造，称为多聚A尾。尾。多聚腺苷酸多聚多聚腺苷酸多聚A)的尾的作用可能是延长的尾的作用可能是延长mRNA的寿的寿命，从而可以增加蛋白质合成的数量。命，从而可以增加蛋白质合成的数量。此外，还可能有助于此外，还可能有助于mRNA穿过核膜，进入细胞质执行穿过核膜，进入细胞质执行其模板功能其模板功能.mRNA核内向胞质的转位核内向胞质的转位mRNA的稳定性维系的稳定性维系翻译起始的调控翻译起始的调控 帽子结构和多聚帽子结构和多聚A尾的功能尾的功能mRNA的功能：作为蛋白质合成的模板。的功能：作为蛋白质合

20、成的模板。* * tRNA tRNA的一级结构特点的一级结构特点 含稀有碱基较多含稀有碱基较多 3 3末端为末端为 CCA-OH CCA-OH 5 5末端大多数为末端大多数为G G 由由70-9070-90个核苷酸组成个核苷酸组成( (二）、转运二）、转运RNARNA的结构与功能的结构与功能 稀有碱基稀有碱基 HNNHOOR51HNNNNHNCH2CH2NOO7ORIRDHUNNNNOHRmGH2NCH3* tRNA的二级结构的二级结构三叶草形三叶草形氨基酸臂氨基酸臂额外环额外环* tRNA的三级结构的三级结构 倒倒L形形* tRNA的功能的功能活化、搬运氨基酸到核糖活化、搬运氨基酸到核糖体，

21、参与蛋白质的翻译。体，参与蛋白质的翻译。* rRNA的结构的结构（三）、核糖体（三）、核糖体RNARNA的结构与功能的结构与功能* rRNA的功能参与组成核糖体，作为蛋白质生物合成的场所。核糖体的组成核糖体的组成原核生物原核生物真核生物真核生物小亚基小亚基30S30S40S40SrRNArRNA16S16S18S18S蛋白质蛋白质2121种种3333种种大亚基大亚基50S50S60S60SrRNArRNA23S23S5S5S28S28S5.8S5.8S5S5S蛋白质蛋白质3333种种4949种种核糖体核糖体70S70S80S80S第四节第四节 核酸及核苷酸的性质核酸及核苷酸的性质一、一般理化性

22、质一、一般理化性质 核酸为多元酸，具有较强的酸性；核酸为多元酸，具有较强的酸性；DNA是线性高分子，粘度极大是线性高分子，粘度极大均为极性化合物，难溶于有机溶剂。均为极性化合物，难溶于有机溶剂。嘌呤碱和嘧啶碱均含有共轭双键，因此，核苷、核苷酸、嘌呤碱和嘧啶碱均含有共轭双键，因此，核苷、核苷酸、DNADNA和和RNARNA在在240240290nm290nm范围内均有紫外吸收。范围内均有紫外吸收。最大吸收峰在最大吸收峰在260nm260nm左右。左右。二、紫外吸收性质二、紫外吸收性质 核酸的紫外吸收性质可以用于鉴定核酸的紫外吸收性质可以用于鉴定DNADNA和和RNARNA的纯度，的纯度，常用常用

23、A260/A280A260/A280比值来判断。比值来判断。纯纯DNA A260/A280=1.8DNA A260/A280=1.8纯纯RNAA260/A280=2.0RNAA260/A280=2.0若样品的蛋白质含量增加，若样品的蛋白质含量增加，A260/A280A260/A280比值怎样变化？比值怎样变化？增色效应增色效应(hyperchromic effect)(hyperchromic effect)当核酸变性或当核酸变性或降解时，其紫外吸收显著增强，这就是核酸的降解时，其紫外吸收显著增强，这就是核酸的增色效应。增色效应。减色效应减色效应(hypochromic effect)(hyp

24、ochromic effect)当变性的核酸当变性的核酸在一定条件下恢复其原有的性质时，其紫外吸在一定条件下恢复其原有的性质时，其紫外吸收的强度又可恢复到原有的水平，这种现象称收的强度又可恢复到原有的水平，这种现象称为减色效应。为减色效应。三、核酸和核苷酸的两性解离三、核酸和核苷酸的两性解离 在核酸和核苷酸分子在核酸和核苷酸分子中，既含有可以给出中，既含有可以给出H+H+的磷酸基团，又含的磷酸基团，又含有可以得到有可以得到H+H+的碱性的碱性基团基团( (碱基上的碱基上的-N=-N=，如嘌呤的如嘌呤的N1N1和和N7N7，胞，胞嘧啶的嘧啶的N3)N3)，所以核酸，所以核酸和核苷酸是两性化合和核

25、苷酸是两性化合物，有等电点。物，有等电点。NNNNNH2OHOHHHHHOP-OO-O5 脱氧腺苷一磷酸脱氧腺苷一磷酸四、核酸的变性、复性和分子杂交四、核酸的变性、复性和分子杂交1 1、变性、变性(1) (1) 概念概念核酸变性是指核酸分子中双螺旋区域核酸变性是指核酸分子中双螺旋区域的碱基对之间的氢键受某些理化因素的碱基对之间的氢键受某些理化因素的作用而破坏，变成单链的过程。的作用而破坏，变成单链的过程。核酸变性不涉及共价键的断裂，所以变性后核酸变性不涉及共价键的断裂，所以变性后相对分子量不变，但其理化性质和生物功能相对分子量不变，但其理化性质和生物功能都会发生变化，最重要的表现为都会发生变化

26、，最重要的表现为溶液粘度降低溶液粘度降低沉降速率增加沉降速率增加紫外吸收显著增强紫外吸收显著增强DNADNA可增加可增加20-25%20-25% RNA RNA可增加可增加10%10%左右。左右。生物功能丧失或减弱。生物功能丧失或减弱。DNADNA变性的本变性的本质：双链间质：双链间氢键的断裂氢键的断裂(2) (2) 引起核酸变性的因素引起核酸变性的因素高温高温极端极端pH (pH10pH (pH10或或pH4)pH4)变性剂变性剂( (如如尿素等尿素等) )(3) DNA(3) DNA的变性温度的变性温度(Tm):(Tm):DNADNA的变性不是随温度升高而逐步发生的，的变性不是随温度升高而

27、逐步发生的，而是当温度达到某一数值时，在很窄的温度而是当温度达到某一数值时，在很窄的温度范围内，变性突然发生并迅速完成，就象晶范围内，变性突然发生并迅速完成，就象晶体物质达到熔点时突然融化一样，这一温度体物质达到熔点时突然融化一样，这一温度就称为就称为DNADNA的变性温度，也称为的变性温度，也称为DNADNA的熔点，的熔点，用用TmTm来表示。来表示。实际上，实际上，TmTm是增色效应达到最大值的是增色效应达到最大值的50%50%时的温度。时的温度。也就是说，也就是说，DNADNA溶液的温度达到溶液的温度达到TmTm时，将有时，将有50%50%的的DNADNA双链处于解链状态。双链处于解链状

28、态。DNADNA的的TmTm一般为一般为82829595。TmTm随随DNADNA分子中分子中G-CG-C碱基对含量的增加而升高。它碱基对含量的增加而升高。它也与溶液的离子强度有关，一般情况下，离子强也与溶液的离子强度有关，一般情况下，离子强度低，度低，TmTm值小。值小。2 2、DNADNA的复性的复性变性的变性的DNADNA在适当条件下，两条彼此在适当条件下，两条彼此分开的互补单链又可以恢复碱基配对，分开的互补单链又可以恢复碱基配对，重新成为双螺旋，这个过程称为重新成为双螺旋，这个过程称为DNADNA的的复性复性DNA renaturationDNA renaturation）。）。复性后

29、的复性后的DNADNA的某些理化性质和生物的某些理化性质和生物活性也可以得到部分或全部恢复。如活性也可以得到部分或全部恢复。如减色效应。减色效应。退火退火annealingannealing）: : 即即DNADNA由单链复性变成双链结构的由单链复性变成双链结构的过程。来源相同的过程。来源相同的DNADNA单链经退火后完单链经退火后完全恢复双链结构，不同源全恢复双链结构，不同源DNADNA之间、之间、DNADNA和和RNARNA之间退火后形成杂交分子。之间退火后形成杂交分子。 一定条件下，去除变性因素后，核酸恢复二级结构一定条件下，去除变性因素后，核酸恢复二级结构及生物活性的现象及生物活性的现

30、象退火退火annealingannealing）(1) (1) 降温速度。若热变性的降温速度。若热变性的DNADNA从高温从高温(Tm)(Tm)迅速迅速冷却至低温冷却至低温(4(4以下以下) )，则不能复性，此过程，则不能复性，此过程称为淬火。称为淬火。(2) DNA(2) DNA溶液的浓度越大，互补溶液的浓度越大，互补DNADNA链片段碰撞机链片段碰撞机会越多容易发生复性。会越多容易发生复性。(3) DNA(3) DNA片段越大，片段越大，DNADNA内部的顺序越复杂，扩散内部的顺序越复杂，扩散速度也越慢，互补链的相遇机会也越小，复性速度也越慢，互补链的相遇机会也越小，复性也越难。也越难。与复性有关的因素与复性有关的因素 3 3、分子杂交、分子杂交Hy