（中职）生物化学基础第二章教学课件高教版

生物化学基础第二章第二章

核酸1868年，瑞士化学家米歇尔从脓细胞中首先分离得到一种含氮和磷特别丰富的沉淀物质，随后人们多次发现了这类物质的存在。由于这类物质是从细胞核中提取出来的，而且都具有酸性，因此被称为核酸。现代医学的发展离不开对核酸的研究和利用，核酸疫苗应用于病毒、细菌和寄生虫等感染性疾病的防治研究已广泛展开。因此，核酸的研究对医学的发展具有重大意义。知识小课堂1.掌握核酸的基本组成成分、基本结构单位及核苷酸的连接方式，DNA和RNA的一级、二级结构。2.熟悉核酸的功能、元素组成特点；DNA的变性、复性及核酸的分子杂交。3.了解核酸的一般理化性质。学习目标2.1核酸的化学组成2.1.1核酸的基本组成单位——核苷酸核酸水解可得到核苷酸，彻底水解后所得产物为磷酸、戊糖和碱基，如图2-1所示。RNA为单链结构，平均长度为2000个核苷酸；而DNA为双链结构，人类单倍基因组序列由3.2×109个碱基对组成，即同等数量的核苷酸。图2-1核酸的水解产物1.戊糖核糖中的戊糖有两种，均为β-D-型。组成DNA分子的戊糖是β-D-2-脱氧核糖，组成RNA分子的戊糖是β-D-核糖，其化学结构如图2-2所示。图2-2两种戊糖的化学结构2.碱基核糖中的碱基分为嘌呤碱和嘧啶碱，均为含氮杂环化合物。嘌呤碱主要包括腺嘌呤（A）和鸟嘌呤（G）；嘧啶碱主要包括胞嘧啶（C）、尿嘧啶（U）和胸腺嘧啶（T）。DNA和RNA各含有4种碱基，包括2种嘌呤碱基和2种嘧啶碱基，其中A、G、C为DNA和RNA共享，而U只存在于RNA中，T只存在于DNA中。DNA和RNA基本组成成分的比较如表2-1所示。除了上述5种基本的碱基外，核酸分子中还含有几十种经过甲基化、羟甲基化等修饰的碱基，因其在核酸分子中的出现频率低、含量少，故称为稀有碱基。3.核苷与核苷酸核苷是由碱基和戊糖通过糖苷键（N-C）形成的化合物。生物体内的游离核苷酸多是5′-核苷酸，带有1个磷酸基的核苷酸（或脱氧核苷酸）称为核苷（或脱氧核苷）一磷酸（NMP）或简称核苷酸（或脱氧核苷酸），如图2-3所示。每条核苷酸链有5′和3′两个末端。图2-3腺苷、脱氧腺苷及腺苷酸、脱氧腺苷酸的化学结构核苷酸包括核糖核苷酸和脱氧核苷酸，分别是RNA和DNA的基本组成单位，如表2-2所示。表2-2RNA和DNA的基本组成单位2.1.2体内某些重要的核苷酸1.多磷酸核苷酸在核苷一磷酸的基础上，磷酸基还能与磷酸结合生成核苷二磷酸（NDP）和核苷三磷酸（NTP）。例如，1分子5′-腺苷酸（AMP）结合1分子磷酸生成腺苷二磷酸（ADP），后者再结合1分子磷酸生成腺苷三磷酸（ATP），如图2-4所示。图2-4NMP、NDP和NTP的结构2.环化核苷酸人体内存在环化核苷酸（见图2-5），重要的环化核苷酸有3′，5′-环腺苷酸（cAMP）和3′，5′-环鸟苷酸（cGMP），是细胞内重要的信息分子，在激素发挥生理作用的过程中起第二信使的作用。图2-5ATP和cAMP的化学结构3.辅酶类核苷酸一些核苷酸及其衍生物还是多种重要辅酶或辅基的组成成分，参与生物氧化和物质代谢的调节，如烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（NAD+）、烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸（NADP+）、黄素单核苷酸（FMN）等。2.2DNA的结构和功能2.2.1DNA的一级结构DNA的一级结构是指DNA分子中脱氧核苷酸从5′-末端到3′-末端的排列顺序。由于脱氧核苷酸之间的差别仅在于碱基，所以DNA的一级结构就是它的碱基排列序列。DNA的一级结构的表示方式从繁到简如图2-6所示。图2-6DNA中核苷酸的连接方式与DNA一级结构的表示方法（3）同一个体的不同器官、不同组织的DNA具有相同的碱基组成。（2）不同生物种属的DNA碱基组成不同。（1）腺嘌呤与胸腺嘧啶的摩尔数相等，而鸟嘌呤与胞嘧啶的摩尔数相等。2.2.2DNA的二级结构1.DNA双螺旋结构的研究背景20世纪中期，美国生物化学家查伽夫（E.Chargaff）利用层析和紫外吸收光谱等技术研究了DNA的化学组成，并提出了以下关于DNA中4种碱基组成的Chargaff规则：这一规则暗示了DNA的碱基A与T、G与C是以某种相互配对的方式存在的。1951年，威尔金斯和富兰克林获得了高质量的DNA分子X线衍射图像。1953年，沃森和克里克综合了前人的研究成果，提出了DNA分子双螺旋结构的模型。2.DNA双螺旋结构模型的要点（1）DNA分子是由两条平行但走向相反［一条链为5′→3′（正方向），另一条链为3′→5′］的多聚脱氧核苷酸链围绕同一中心轴，以右手螺旋方式形成的双螺旋结构，其表面有一条大沟与一条小沟，如图2-7所示。这些沟状结构与蛋白质、DNA之间的相互识别有关。图2-7DNA双螺旋结构示意（4）DNA双螺旋结构的横向稳定性靠两条链间的氢键维系，纵向稳定性则靠碱基平面间的疏水性碱基堆积力维系。（3）双螺旋结构的直径为2.4nm，螺距为3.54nm，每一个螺旋有10.5个碱基对，每两个相邻的碱基对平面之间的垂直距离为0.34nm。（2）双螺旋结构的外侧是由磷酸与脱氧核糖组成的亲水性骨架，内侧是疏水的碱基，碱基平面与中心轴垂直。两条链同一平面上的碱基形成氢键，使两条链连接在一起。A与T之间形成两个氢键，G与C之间形成三个氢键。2.DNA双螺旋结构模型的要点“种瓜得瓜，种豆得豆”。遗传物质的基本特征之一是能够精确地自我复制，这是保证遗传信息准确地传递给下一代的前提。DNA双螺旋结构模型理论的核心是碱基配对，这种配对规则为解释DNA复制机制提供了理论基础，也是理解生物遗传机制的关键。DNA双螺旋结构模型的提出标志着分子生物学这门学科的诞生。2.2.3DNA的高级结构生物界的DNA是长度十分可观的大分子，因此，DNA在形成双螺旋结构的基础上，还要进一步盘绕和压缩，形成致密的超级结构。原核生物、线粒体、叶绿体中的DNA呈共价封闭的双螺旋环状结构，这种环状结构还需再螺旋化形成超螺旋，如图2-8所示。当螺旋方向与DNA双螺旋方向相同时，形成正超螺旋；反之，则形成负超螺旋。自然界中DNA环状结构以负超螺旋为主。图2-8DNA环状结构与超螺旋结构真核生物的DNA以高度有序的形式存在于细胞核内，在细胞周期的大部分时间里以松散的染色质形式出现，在细胞分裂期形成高度致密的染色体（见图2-9）。核小体是染色质的基本组成单位，由DNA和5种组蛋白共同构成：各两个分子的组蛋白H2A、H2B、H3和H4形成八聚体的核心组蛋白。图2-9DNA折叠、盘绕形成高度有序和致密的染色体2.2.4DNA的功能DNA的基本功能是作为生物遗传信息的携带者，是基因复制和转录的模板，并通过DNA的碱基序列决定蛋白质的氨基酸顺序。DNA是生命遗传的物质基础，也是个体生命活动的信息基础。遗传信息以基因的形式存在，基因（gene）是DNA分子中的特定区段。一个生物体的全部DNA序列称为基因组，有些病毒的基因组是RNA序列。2.3RNA的结构与功能RNA的一级结构是指RNA分子中核苷酸从5′-末端到3′-末端的排列顺序。RNA通常以一条核苷酸链的形式存在，但可以通过链内的碱基配对形成局部双螺旋，从而形成茎环状的二级结构和特定的三级结构。对细胞中全部RNA分子的结构与功能进行系统的研究，从整体水平阐明RNA的生物学意义即RNA组学。2.3.1mRNA的结构与功能1960年，法国科学家雅各布（F.Jacob）和莫诺德（J.Monod）等人用放射性核素示踪实验证实，一类大小不一的RNA才是蛋白质在细胞内合成的模板，后来这类RNA又被确认是在核内以DNA为模板合成的，然后转移至细胞质内。这类RNA被命名为信使RNA（mRNA）。mRNA占细胞总RNA的2%～5%，代谢非常活跃，真核生物mRNA的半寿期很短，从几分钟到数小时不等。在细胞核内初合成的RNA分子比成熟的mRNA大得多，分子大小不一，故被称为不均一核RNA。hnRNA是mRNA的前体，在细胞核内存在的时间极短，经剪接、加工转变为成熟的mRNA。mRNA的结构特点如下：1.帽子结构真核生物mRNA的5′-末端有特殊的帽子结构，大部分真核细胞mRNA的5′-末端都以7-甲基鸟苷三磷酸（m7Gppp）为起始结构，这种结构称为帽子结构，如图2-10所示。mRNA的帽子结构对mRNA从细胞核向细胞质转运、与核糖体结合、与翻译起始因子结合及mRNA稳定性的保持等均起重要作用。图2-10真核生物mRNA5′-末端帽子结构2.多聚腺苷酸尾真核生物mRNA的3′-末端有数十至数百个由腺苷酸连接而成的多聚腺苷酸结构，称为多聚腺苷酸尾或多聚A尾目前认为，3′多聚A尾结构和5′帽子结构共同负责mRNA从核内向细胞质转移、维系mRNA的稳定性及翻译起始的调控。3.遗传密码子mRNA的功能是把核内DNA的碱基顺序按照碱基互补原则抄录并转移到细胞质中，再依照自身的碱基顺序指导蛋白质合成过程中的氨基酸顺序，也就是为蛋白质的生物合成提供直接模板，即每3个相邻的核苷酸组成碱基三联体，代表一种氨基酸，这种碱基三联体称为遗传密码子。2.3.2tRNA的结构与功能已完成一级结构测定的100多种转运RNA（tRNA）都是由74～95个核苷酸组成的，约占细胞总RNA的15%。tRNA具有较好的稳定性，所有tRNA具有以下结构特点：1.稀有碱基tRNA含有多种稀有碱基，占所有碱基的10%～20%，包括二氢尿嘧啶（DHU）、假尿嘧啶（）、次黄嘌呤（I）和甲基化的嘌呤（如mG，mA）等，它们均是转录后修饰而成的，如图2-11所示。图2-11tRNA分子中的稀有碱基2.环状结构tRNA的核苷酸中存在一些能形成互补配对的区域，可以形成局部双螺旋，呈茎状。中间不能配对的部分则膨出形成环状结构。这些茎环结构又称发夹结构。发夹结构的存在使得tRNA的二级结构形似三叶草，如图2-12所示。图2-12tRNA的二级结构3.“L”形结构tRNA具有共同的倒“L”形三级结构，一端为氨基酸臂，另一端为反密码环。L形的拐角处是DHU环和TC环，如图2-13所示。图2-13tRNA的三级结构4.作为各种氨基酸的载体所有tRNA的3′-末端都是以CCA结束的，氨基酸可以通过酯键连接在最后一个核苷酸的核糖的2′-OH或3′-OH上。不同的tRNA可以结合不同的氨基酸，有的氨基酸只有一种tRNA作为载体，有的则有数种tRNA作为载体，这是由密码子的简并性决定的。010201012.3.3rRNA的结构与功能核糖体RNA（rRNA）是细胞内含量最多的RNA，占细胞总RNA的80%以上。01（2）核糖体是蛋白质合成的场所，起装配机的作用。在装配过程中，无论是何种mRNA或tRNA，都必须与核糖体进行结合，这样氨基酸才能有序地鱼贯而入，肽链合成才能启动和延伸。（1）原核生物含有3种rRNA，它们分别与不同的核糖体蛋白结合形成核糖体的大亚基和小亚基，其中23S与5SrRNA存在于大亚基，16SrRNA存在于小亚基。（3）不同来源的rRNA的碱基组成差别很大，但各种rRNA的核苷酸序列已经测定完成，科学家据此推测出了它们的二级结构和空间结构。例如，真核生物18SrRNA的二级结构呈花状（见图2-14），众多的茎环结构为核糖体蛋白的结合和组装提供了结构基础。原核生物16SrRNA的二级结构与真核生物18SrRNA的二级结构极为相似。图2-14真核生物的18SrRNA的二级结构010203043.酸碱性质核酸是两性电解质，含有酸性的磷酸基和碱性的碱基。因磷酸基的酸性较强，核酸分子通常表现为较强的酸性。2.4核酸的理化性质与应用2.4.1核酸的一般性质2.溶解性DNA和RNA均属于极性化合物，微溶于水，不溶于乙醇、乙醚、氯仿等有机溶剂。4.紫外吸收嘌呤和嘧啶都含有共轭双键，因此，核苷、核苷酸、核酸都具有紫外吸收的特征。在中性条件下，其最大吸收峰在260nm附近。1.分子大小、黏度核酸是生物大分子，其大小常用碱基数b（单链）、碱基对数bp（双链）表示。核酸为线性大分子，有非常高的黏度。2.4.2DNA的变性与复性1.变性DNA变性是指在某些理化因素的作用下，DNA双链互补碱基对之间的氢键发生断裂，使双链DNA解链为单链的过程。引起DNA变性的因素有加热、有机溶剂、酸、碱、尿素和酰胺等。在实验室内最常用的使DNA变性的方法是加热。加热使DNA解链过程中，更多的共轭双键得以暴露，DNA在260nm处的吸光度增高，称为增色效应。如果在连续加热的过程中以温度相对于A260作图，所得的曲线称为解链曲线（见图2-15）。从曲线中可以看出，DNA变性从开始解链到完全解链是在一个相当窄的温度范围内完成的。在DNA解链过程中，A260的值达到最大变化值的