生物化学核酸生物化学.ppt
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1、第二章,核酸的化学,本章主要内容核苷酸DNARNA核酸的性质,认识核酸在生命科学上的重要性弄清碱基、核苷、核苷酸和核酸分子结构上的关系掌握核酸的化学本质及DNA和RNA在组分、结构和功能上的差异认识核酸的结构与其性质与功能之间的关系。,学习要求,1869年 F.Miescher首先从伤员绷带的脓细胞中分离得到称为“核素”的核酸1944年 通过转化实验证实DNA是主要的遗传物质1953年 J.D.Watson和提出DNA双螺旋结构模型 1958年 Crick提出遗传信息传递的中心法则1970年,建立DNA重组技术1980年后,分子生物学、分子遗传学等学科突飞猛进发展,提出并完成HGP.,核酸化学
2、的发展过程,一、概述概念,核酸(nucleic acid)是由碱基(嘌呤和嘧啶)、戊糖和磷酸组成的高分子物质,是生物体的基本组成。种类:DNA(脱氧核糖核酸)RNA(核糖核酸),“四核苷酸假说”:核酸由四种核苷酸组成的单体构成的,缺乏结构方面的多样性,不大可能有重要的生理功能。1944年,Avery等人的肺炎双球菌转化实验证实核酸是生命遗传的基础物质。1952年,Hershey和Chase的T2噬菌体侵染实验彻底证明遗传物质是核酸,而不是蛋白质。,1928年,英国 S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,结果说明?,结果说明:加热杀死的S型肺
3、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,噬菌体侵染实验,分布:,DNA:主要在细胞核中,是染色体的主 要成分。此外在线粒体、叶绿体.RNA:主要在细胞质中,此外在线粒体、细胞核核仁;,二、核酸的组成成分,核酸是一种线形多聚核苷酸(polynucleotid
4、e),其基本结构单位是核苷酸(nucleotide)。,核苷酸的基本结构,(一)核酸中的戊糖,D-核糖(D-ribose)D-脱氧核糖(D-deoxyribose)核酸据此分类:脱氧核糖DNA;核糖RNA;核酸中的戊糖均为-D-型,核苷酸,从两类核酸的水解产物可看到它们组成的差别?,(二)碱基,核酸中的碱基分两类:1、嘧啶碱(pyrimidine):是嘧啶的衍生物。,嘧啶,1,2,3,4,5,6,H,胞嘧啶 Cytosine,(C),尿嘧啶 uracil,(U),H,H,胸腺嘧啶 thymine,(T),2、嘌呤碱(purine):由嘌呤衍生而来。,1,2,3,4,5,6,7,8,9,嘌呤,腺
5、嘌呤 adenine,(A),鸟嘌呤 guanine,(G),3、稀有碱基:,一些修饰碱基,因含量甚少而称之。大多为甲基化碱基,多在tRNA中。,(三)核苷:(nucleoside),核苷:戊糖与碱基缩合而成,并以糖苷键相连接。糖苷键:二者的连接是C-N键,称N-糖苷键。,腺 苷,尿苷,OH,假尿苷(),核苷的表示:,核苷:A、G、C、U脱氧核苷:dA,dG,dC,dT修饰核苷:如5-甲基脱氧胞嘧啶:m5dC。,脱氧核糖核酸和核糖核酸异同的对比,(四)核苷酸(nucleotide,nt),1、种类:1)按酯化位点:可在核糖的2-,3-,5-;2)按核糖类型:核苷酸、脱氧核苷酸,核苷中戊糖的羟基
6、被磷酸酯化,即为核苷酸。,2、结构:,3、表示:,与一个磷酸结合MP:(d)AMP、(d)GMP、(d)CMP、(d)TMP、UMP与二个磷酸结合DP:如:ADP与三个磷酸结合TP:如:ATP,核苷酸,4、特殊核苷酸:,环核苷酸:核糖3-,5-成环。cAMP、cGMP功能:第二信使,激素、一些药物、神经递质通过其发挥生理作用。,核苷酸,核苷酸衍生物,环化磷酸化,cAMP,cGMP,核苷酸衍生物,5-IMP 5-肌苷酸(5-次黄嘌呤核苷酸)5-GMP,(五)核苷酸的连接方式,1、3-,5磷酸二酯键将核苷酸连接成核酸大分子。,一、核苷酸,2、核酸的一级结构:,多核苷酸链中各核苷酸残基的排列顺序。,
7、3,5,1,P,P,P,OH,A,T,G,pGpTpAOH,pG-T-A,pGTA,1)一级结构表示方法如上:,2)读向:,碱基序列从左到右表示5 3,由3-,5磷酸二酯键连接。若两链反向平行,则需注明每条链的走向。如:5A-T-G-C-C-T-G-A 3 3 T-A-C-G-G-A-C-T 5,核苷酸,三、DNA,(一)DNA 的一级结构:由数量庞大的4种脱氧核苷酸通过3-,5磷酸二酯键连接成的直线形或环形多聚体。,(二)DNA的双螺旋二级结构,1、双螺旋结构模型建立的依据:1)chargaff对DNA碱基组成的定量分析,提出碱基配对原则:A=T,GC2)根据对DNA纤维和晶体的x-衍射分析
8、。3)电位滴定证明。A=T,GC,DNA,双螺旋中的碱基对(base pair,bp),2.双螺旋结构的特点:(Watson-Crick模型),1)形成:两条链反向平行;DNA一条链为另一条链互补链 右手螺旋。,DNA,2)结构:,A、核糖-磷酸以3-,5磷酸二酯键连接成骨架;碱基在内;A=T,GC B、大沟、小沟。,DNA,3)尺寸:,DNA,A、直径:2nm;B、碱基距离:0.34nm;C、一周10个核苷酸;D、螺距:3.4nm。,4)双螺旋的稳定性:,A、依靠碱基堆积力B、氢键C、离子键,3、二级结构的构象类型:,DNA,B-DNA,A-DNA,Z-DNA,B-DNA与A-DNA,几种D
9、NA钠盐的特点:,B-DNA:生理状态下多为此种;92%相对湿度A-DNA:右手螺旋;75%相对湿度;生理状态 下多见dsRNA、DNA-RNAZ-DNA:人工合成、左手螺旋;嘧啶、嘌呤交 替;有m5dC;与基因表达调控有关;此外,还发现有C、D、E等型。,(三)DNA的三级结构,DNA双螺旋进一步扭曲即成三级结构。天然DNA有双链DNA(dsDNA),有的病毒为单链DNA(ssDNA)在dsDNA中:线形分子(大多数)环状分子(dcDNA):质粒、,DNA,1、超螺旋结构,特点:可将长链压缩在一较小体内;密度大;凝胶电泳中移动速度快。,DNA,回文结构中的单链可形成发夹结构,特殊DNA的结构
10、,上页 下页 章首 节首,双链回文结构可形成十字架结构,特殊DNA的结构,上页 下页 章首 节首,DNA的其他结构,DNA三股螺旋概念是在1957年提出来的,当时有人发现,人工合成的一条右手螺旋多聚物(A)n与另两条右手螺旋多聚物(T)n形成三股螺旋结构,这是分子间的三股螺旋。此后有人研究证明,聚dA链首先与一条聚dT链互补形成双螺旋,然后,在高盐条件下,另一条dT链再同双螺旋形成三股螺旋结构。双螺旋结构通过Watson-Crick氢键稳定而三股螺旋是通过 Hoogsteen氢键稳定。,DNA的三股螺旋结构,2、核小体中的 扭曲方式,在真核细胞染色质中,DNA双螺旋分子盘绕在组蛋白上形成核小体
11、。许多核小体由DNA连成念珠状结构,再盘绕压缩成高层次的结构 染色体。,DNA,真核生物:DNA和蛋白质组装成染色体,染色体的基本单位是核小体。,核小体进一步旋转折叠形成棒状染色体,将近1 m长的DNA分子容纳于直径只有数微米的细胞核中。,1、DNA是遗传信息的载体,半保留复制保证了亲代性状传到子代,保证了亲代与子代的相似性。,DNA,(四)DNA的功能,2、DNA是变异的物质基础,变异是生物进化的基础。变异的发生:1)DNA复制时出错;2)理化因素等引起碱基变化或缺失,使DNA碱基序列改变,从而发生性状变异。,DNA,四、RNA,(一)RNA的结构组成:4种核苷酸,有稀有碱基;连接:同DNA
12、形成:一般以DNA为模板合成,有例外。结构:单链线形分子,局部区域有双螺旋。,(二)RNA的类型,三种:信使RNA(messenger RNA,mRNA)核糖体RNA(ribosomel RNA,rRNA)转运RNA(transfer RNA,tRNA),RNA,三种RNA的功能,mRNA是遗传信息的携带者。在细胞核中转录DNA上的遗传信息,再进入细胞质,蛋白质合成的模板。tRNA起识别密码子和携带相应氨基酸的作用。rRNA和蛋白质共同组成的复合体就是核糖体,核糖体是蛋白质合成的场所。,1、tRNA,约占全部RNA的15%;由70-90个核苷酸组成许多种类;沉降系数4S。,RNA,1)tRNA
13、结构:,一级结构多已清楚,含较多稀有碱基;二级结构为三叶草 有:aa臂、二氢嘧啶环、反密码环、可变环、T 环,RNA,主要特征:1.四臂四环;2.氨基酸臂3端有CCAOH的共有结构;3.D环上有二氢尿嘧啶(D);4.反密码环上的反密码子与mRNA相互作用;5.可变环上的核苷酸数目可以变动;6.TC环含有T和;7.含有修饰碱基和不变核苷酸。,tRNA三级结构为倒L型,A、在pr合成中转运aa;B、在pr合成的起始、DNA反转录合成及其它代谢调节中起作用。,2)tRNA功能:,2、mRNA和hnRNA,1)合成:以DNA为模板(核内)合成 hnRNA(含内含子和外显子)加工 成熟的mRNA 入细胞
14、质 蛋白质合成,RNA,合成mRNA,切除内含子,2)mRNA结构特点:,3末端有polyA结构:与mRNA从核入质有关。5末端有帽子结构:G被甲基化,此可能与pro合成的起始有关。,3)功能:是蛋白质合成的模板,3、rRNA,1)占RNA总量的80%,是构成核糖体的骨架。2)核糖体功能:pr合成的部位.3)结构:分大、小亚基 一、二级结构多已确定,但功能不清。,RNA,原核细胞:70S核糖体;真核细胞:80S核糖体;,核糖体RNA自我剪切,1983年在四膜虫中发现RNA有催化功能,4、RNA的功能,1)在DNA复制、转录、翻译中起重要调控 作用;2)有催化作用;3)可作为遗传物质(如逆转录病
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