生物化学-核酸

生物化学——核酸第1页/共76页概述一、核酸

1869年，瑞士的一位年青科学家F.Miescher（1844-1895）从外科绷带上脓细胞的细胞核中分离出一种有机物，称为核素，由于它有很强的酸性，就改称为核酸。第2页/共76页1889年，Altmann从酵母和动物组织中提取出不含蛋白质的核酸；1902年，E.Fischer因研究糖和嘌呤获诺贝尔化学奖；其中的嘌呤和嘧啶主要由Kossel等人鉴定；1909年，Levene和Jacobes鉴定D-核糖；1910年，Kossel因核酸化学的成就而获诺贝尔生理学奖；1912年，Levene提出“四核苷酸假说”；1944年，Avery的肺炎双球菌转化试验；1952年，Chargaff定则的提出；1953年，Watson和Crick提出DNA双螺旋结构；1958年，Crick提出“中心法则”；1970年，Smith和Wilcox发现限制性内切酶；1973年，Cohen获得第一个DNA体外重组体；1975年，Sanger发明酶法DNA快速测序；1985年，Mullis发明PCR技术；第3页/共76页1928年，英国GriffithS型肺炎球菌：有荚膜，菌落表面光滑R型肺炎球菌：没有荚膜，菌落表面粗糙

著名的肺炎球菌实验

第4页/共76页第5页/共76页结果说明：加热杀死的S型肺炎球菌中一定有某种特殊的生物分子或遗传物质，可以使无害的R型肺炎球菌转化为有害的S型肺炎球菌。这种生物分子或遗传物质是什么呢？

著名的肺炎球菌实验

纽约洛克非勒研究所Avery

从加热杀死的S型肺炎球菌将蛋白质、核酸、多糖、脂类分离出来，分别加入到无害的R型肺炎球菌中，结果发现，惟独只有核酸可以使无害的R型肺炎球菌转化为有害的S型肺炎球菌。1944年结论：DNA是生命的遗传物质第6页/共76页第一节核酸的概念与组成成分核酸分为两大类脱氧核糖核酸（DNA）DeoxyribonucleicAcid核糖核酸（RNA）RibonucleicAcid第7页/共76页1、脱氧核糖核酸（DNA）DeoxyribonucleicAcid遗传信息的载体第8页/共76页98％核中（染色体中）真核线粒体（mDNA）

核外叶绿体（ctDNA）DNA拟核原核核外：质粒（plasmid）

病毒：DNA病毒第9页/共76页2、核糖核酸（RNA）

RibonucleicAcid

RNA主要是负责DNA遗传信息的翻译和表达，分子量要比DNA小得多。RNA为单链分子。

根据RNA的功能，可以分为mRNA、tRNA和rRNA三种。第10页/共76页rRNA（ribosomalRNA)

核糖体RNA

RNA总量的80%是核糖体的骨架，蛋白质的合成场所。

第11页/共76页tRNA：（transferRNA)转移、转运、受体RNA

RNA总量的15%氨基酸的受体（识别）

携带活化的氨基酸（转运）

种类很多,转移丙氨酸的tRNA叫做丙氨酸tRNA（或tRNAAla）

第12页/共76页mRNA：(messengerRNA)

信使RNA

转录DNA上的遗传信息并指导蛋白质的生物合成,是蛋白质的模板。mRNA种类很多，而且大小不一。第13页/共76页已经发现的RNA种类名称缩写功能核蛋白体RNArRNA核蛋白体组成成分信使RNAmRNA蛋白质合成模板转运RNAtRNA转运氨基酸不均一核RNAhnRNA成熟mRNA的前体核内小RNAsnRNA参与hnRNA的剪接转运核仁小RNAsnoRNArRNA的加工和修饰胞质小RNAscRNA蛋白质内质网定位合成信号识别的组成成分第14页/共76页RNA在蛋白质合成中的作用第15页/共76页3.mRNA信使RNA1.rRNA核糖体RNA2.tRNA转运RNA

第16页/共76页

核酸的化学组成核酸（DNA和RNA）是一种线性多聚核苷酸，它的基本结构单元是核苷酸。核苷酸本身由核苷和磷酸组成,而核苷则由戊糖和碱基形成DNA与RNA结构相似，但在组成成份上略有不同。第17页/共76页核酸核苷酸磷酸核苷戊糖碱基水解第18页/共76页核酸代表戊糖，对DNA而言为脱氧核糖，对RNA而言为核糖；

代表碱基

代表磷酸基核苷酸第19页/共76页1、戊糖β－D－核糖(inRNA)β-D-2′-脱氧核糖(inDNA)第20页/共76页2、碱基RNADNA

嘧啶环

嘌呤环尿嘧啶U胸腺嘧啶T胞嘧啶C鸟嘌呤G腺嘌呤A第21页/共76页稀有碱基（微量碱基、修饰碱基）嘌呤——次黄嘌呤、1-甲基次黄嘌呤、N2、N2-二甲基鸟嘌呤。嘧啶——5-甲基胞嘧啶、5-羟甲基胞嘧啶、二氢尿嘧啶、4-硫尿嘧啶都是基本碱基的化学修饰型。tRNA中含有较多的稀有碱基

第22页/共76页3、核苷与核苷酸戊糖第23页/共76页H2OH2O碱基磷酸戊糖糖苷键（N—C）脂键核苷核苷酸第24页/共76页核苷酸碱基连接（糖苷键）脂键（对DNA为H）1′

2′

3′

4′

5′

第25页/共76页八种核苷酸如下表所示

M—单(D—二、T—三）；P—磷酸RNA的名称为某（二、三）苷酸，DNA在某（二、三）前加脱氧两字。如AMP称腺苷—磷酸(或腺苷酸），dAMP称为脱氧腺苷—磷酸（脱氧腺苷酸）。稀有核苷酸与上类似第26页/共76页4、生物体内某些重要的核苷酸衍生物(1)核苷多磷酸化合物：NDP、NTPdNDP、dNTPAMPADPATP第27页/共76页(2)环核苷酸：cAMP、cGMP第二信使

cAMP

cGMP第28页/共76页(3)肌苷酸及鸟苷酸(强力味精)(4)辅酶：NAD、NADP、FMNIMPGMP第29页/共76页5、核苷酸的生物学作用参与核酸、蛋白质、糖与磷脂的合成；在能量转化中起重要作用；是构成多种辅酶的成分；参与细胞中的代谢与调节第30页/共76页第二节DNA的结构一、核酸的一级结构定义：指核酸上的核苷酸排列顺序。(核苷酸相当于氨基酸、单糖的角色）连接键：3’，5’-磷酸二酯键骨架：多核苷酸的主链是戊糖和磷酸构成的走向：5’3’第31页/共76页脱H2O脂键相连3`，5`-磷酸二酯键首尾3`5`第32页/共76页TTT核苷酸的一级结构第33页/共76页核酸一级结构的简写形式线条式缩写戊糖3`-OH5`-磷酸PA核苷酸5`3`首端末端PPPPPP

TCTAGC

OH

pApCpGpTpAOHpA-C-G-T-AOHpA·C·G·T·AOHpACGTAOH第34页/共76页二、DNA分子的结构1、DNA的碱基组成

Chargaff定则：A=T，G≡C，即A+G=T+C碱基组成有种的特异性

不具有组织特异性。

第35页/共76页2、DNA的二级结构——Watson和Crick的双螺旋结构模型

实验依据：

电位滴定行为

碱基组成规律χ-光衍射数据第36页/共76页第37页/共76页双螺旋模型特征结构大部分DNA所具有的双螺旋结构，亦称为B型小沟大沟1.反向、平行、右手螺旋5`3`5`3`2.链间碱基配对相连3.每10个碱基对螺旋上升一周4.螺距为3.4nm,相邻碱基对平面距离0.34nm5.一条链为主动链，另一条为被动链；第38页/共76页碱基间的氢键第39页/共76页碱基成对规律→当一条链的碱基顺序确定，则另一条必有相对应的碱基顺序，但两条链的碱基组成和排列顺序并不相同。5，—ATTGCTA—3，3，—TAACGAT—5，第40页/共76页双螺旋结构的稳定因素：问题：起稳定作用的有哪些力呢？

疏水作用力（主要）

（碱基堆积力）氢键离子键第41页/共76页

在真核及原核细胞皆有证据显示短的Z型DNA在。其他类型的DNA双螺旋Z型DNA左旋、细长

第42页/共76页问题：DNA双螺旋模型的提出有什么意义？（1）第一次阐述了遗传信息的储存方式及DNA复制的机理，以准确的语言回答了DNA是如何成为遗传物质的。大大推动了分子生物学和分子遗传学的发展，被誉为20世纪最伟大的发现之一。

（2）最主要的成就是碱基互补（配对）。根据碱基互补，Watson和Crick提出DNA的半保留复制机制。半保留复制保证了亲代与子代性状的相似性，解释了遗传性状的稳定性。第43页/共76页DNA双螺旋分子通过扭曲和折叠所形成的特定构象。原核生物DNA、真核生物细胞器DNA的三级结构是超螺旋真核生物染色体DNA的三级结构是核小体。3、DNA的三级结构第44页/共76页真核细胞染色体的DNA念珠状三级结构

染色体的基本单位是核小体；核小体由DNA和组蛋白构成。组蛋白H2A，H2B，H3和H4各两分子构成组蛋白八聚体，DNA双螺旋分子缠绕其上1.75圈（146bp）----核小体的核心颗粒。核小体的核心颗粒之间由DNA和组蛋白H1连接第45页/共76页第46页/共76页第47页/共76页第48页/共76页第三节RNA分子的结构

一级结构中的戊糖是核糖，碱基中有尿嘧啶，而没有胸腺嘧啶。大多数RNA分子是一条单链。局部的碱基互补配对（A-U、C-G），构成双螺旋双螺旋部分稳定因素：碱基堆积力

第49页/共76页Bulge-凸起；hairpin-发夹第50页/共76页1、tRNA的结构

tRNA的二级结构——三叶草型（四臂四环）

四环：二氢尿嘧啶环（D环）、反密码环、ΤψC环、可变环

四臂：二氢尿嘧啶臂（D臂）、反密码臂、

ΤψC臂、氨基酸臂

第51页/共76页tRNA的三叶草型二级结构123叶子反密码子环

反密码子载运氨基酸臂4第52页/共76页包含有3’-末端和5’-末端3’-末端是CCA携带氨基酸

与氨基酸接受区相对

环：7个核苷酸残基

臂：5bp

环正中的3个核苷酸残基

称为反密码子。氨基酸接受区：

反密码区：第53页/共76页环：8-12个核苷酸臂：3-4bp二氢尿嘧啶区TC区可变区tRNA在此环中含有TC环：7个核苷酸臂：5bp变化较大，3-18个核苷酸第54页/共76页tRNA的三级结构——倒L型

在二级结构的基础上，突环上未配对的碱基由于整个分子的扭曲而配成对目前已知的tRNA的三级结构均为倒L形。第55页/共76页2、mRNA的结构

不均一核RNA（heterogeneounuclearRNA，hnRNA）在细胞核内合成的mRNA的初级产物，经过剪接成为成熟的mRNA并移到细胞质。第56页/共76页3、rRNA的结构占RNA总量的80％原核生物真核生物核糖体rRNA核糖体rRNA30S70s50S16S5S、23S40S80S60S18S5S、5.8S、28S第57页/共76页

动物细胞核糖体rRNA有四类：5SrRNA,5.8SrRNA，18SrRNA，28SRNA

许多rRNA形成发夹形结构第58页/共76页第四节核酸的性质

一、一般性质：1、两性电解质：通常偏酸2、性状：DNA白色纤维状固体，RNA为白色粉末。3、溶解度：微溶于水，不溶于一般的有机溶剂。4、分子性状：DNA大多为线性分子，不对称。5、粘度：DNA溶液粘度极大，RNA溶液粘度要小的得多。6、含磷量——恒定：RNA为9.4%、DNA为9.9%第59页/共76页7、颜色反应1)D核糖+浓HCl+苔黑酚（甲基间苯二酚）共热产生绿色，测定RNA。2)D-2-脱氧核糖+酸+二苯胺共热产生蓝紫色，测定DNA。第60页/共76页二、核酸的紫外吸收

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。第61页/共76页天然核酸紫外吸收值小于各成分核苷酸光吸收之和（为什么？）是有规律的双螺旋结构中碱基紧密地堆积在一起造成的。第62页/共76页三、核酸的水解1、酸碱水解酸解：嘌呤糖苷键>嘧啶糖苷键>磷酸酯键；

（从易难）碱解：RNA稀碱条件下降解，而DNA则不被降解；DNA比RNA耐碱。2、核酸的酶解

核酸水解酶：催化水解多聚核苷酸链中的磷酸二酯键。第63页/共76页根据底物分：DNase和RNase根据作用方式分：核酸外切酶和核酸内切酶。核酸外切酶：从多聚核苷酸链的3’-端或5’-端开始，逐个水解切除核苷酸；核酸内切酶：从多聚核苷酸链中间某个位点开始切断磷酸二酯键。其中限制性核酸内切酶特异性地水解核酸中某些特定碱基顺序部位。第64页/共76页四、核酸的变性、复性及杂交

1、变性（denaturation）：高温、酸、碱及某些变性剂（如尿素）能破坏核酸中的氢键，使有规律的螺旋型结构变成单链的、无规律的“线团”，此作用称为核酸的变性。

蛋白质：高级结构松散肽链变性（变性不涉及肽键）核酸：螺旋结构无规则线团变性（变性不涉及磷酸二脂键的断裂）第65页/共76页第66页/共76页DNA的变性过程加热部分双螺旋解开无规则线团链内碱基配对第67页/共76页2、变性重要特征——判断变性的标志

紫外吸收值急剧增加——增色效应

粘度下降，比旋下降生物活性丧失结构松散，容易被酶解核酸变性的因素:温度升高、酸碱度改变、甲醛和尿素等的存在均可引起核酸的变性。第68页/共76页3、DNA的热变性

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，通常将引起DNA变性的温度称为“熔点”或“解链温度”，用Tm表示，在此温度可得到紫外吸收最大变化值的一半。（双螺旋结构失去一半时）。Tm值是DNA的一个特征常数第69页/共76页Polyd(A-T)DNAPolyd(G-C)某些DNA的Tm值60801001.01.41.2100%A260t\0CTmTmTm123132第70页/共7