生物化学第二章核酸化学1-结构.ppt
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1、主讲教师:季祥邮箱:,第二章 核酸化学,核 酸,【目的与要求】,2.1 核酸概述,2.2 核酸的化学组成,2.3 核酸的分子结构,核 酸,【目的与要求】,1、了解核酸的发展简史及核酸对生物体的重要意义。2、了解核酸的分类,掌握两类核酸的化学组成特点及核苷酸的结构。3、掌握DNA的一级结构及一级结构的意义;DNA双螺旋结构模型要点;DNA双螺旋结构模型提出对生命科学的重要意义。了解DNA双螺旋的一些特殊的构型、与碱基组成有关的特殊结构及意义。4、了解RNA的种类,重点掌握与蛋白质合成有关的三种RNA的功能;掌握tRNA的结构以及与该结构有关的生物学功能。,核 酸,5、掌握核酸紫外吸收的特性及热变
2、性的性质,从核酸热变性的基础上理解DNA的复性与分子杂交,掌握DNA的熔解温度、增色效应的概念。6、了解核酸的化学反应;各种核酸酶对核酸的水解作用;限制性内切酶的作用特点及该酶的应用。7、了解DNA一级结构的测定原理。8、了解DNA在生物体内的存在方式及由DNA构成的染色体的结构。,2.1 核酸概述,一、核酸的发现与早期研究,1868年,瑞士的内科医生Friedrich Miescher从外科医院包扎伤口的绷带上的脓细胞核中提取到一种富含磷元素的酸性化合物,将其称为核素(nuclein);后来他又从鲑鱼精子中分离出类似的物质,并指出它是由一种碱性蛋白质与一种酸性物质组成的,此酸性物质即是现在所
3、知的核酸(nucleic acid)。,2.1 核酸概述,2.1 核酸概述,1944年,Oswald Avery,Colin Macleod和Maclyn McCarty发现,一种有夹膜、表面光滑、具致病性的肺炎球菌中提取的核酸DNA(deoxyribonucleic acid,脱氧核糖核酸),可使另一种无夹膜,表面粗糙、不具致病性的肺炎球菌的遗传性状发生改变,转变为有夹膜,具有致病性的肺炎球菌,且转化率与DNA纯度呈正相关,若将DNA预先用DNA酶降解,转化就不发生。该项实验彻底纠正了蛋白质携带遗传信息这一错误认识,确立了核酸是遗传物质的重要地位;,2.1 核酸概述,2.1 核酸概述,DNA
4、遗传作用的进一步肯定来自Alfred Hershey和Martha Chase对一个感染大肠杆菌的病毒的研究。即用放谢性同位素32P标记噬菌体DNA,35S标记其蛋白质外壳,再用标记的噬菌体去感染培养的大肠杆菌,结果发现进入细菌体内,使细菌生长、繁殖发生变化的是32P标记的DNA,而不是35S标记的蛋白质,并且新繁殖生成的噬菌体不含35S,只含32P。,2.1 核酸概述,2.1 核酸概述,1953年,Watson和Crick创立的DNA双螺旋结构模型,不仅阐明了DNA分子的结构特征,而且提出了DNA作为执行生物遗传功能的分子,从亲代到子代的DNA复制(replication)过程中,遗传信息的
5、传递方式及高度保真性,为遗传学进入分子水平奠定了基础,成为现代分子生物学发展史上最为辉煌的里程碑。,2.1 核酸概述,2.1 核酸概述,后来的研究又发现了另一类核酸:核糖核酸RNA(ribonucleic acid),RNA在遗传信息的传递中起着重要的作用。从此,核酸研究的进展日新月异,如今,由核酸研究而产生的分子生物学及其基因工程技术已渗透到医药学、农业、化工等领域的各个学科,人类对生命本质的认识进入了一个崭新的天地。,2.1 核酸概述,二、核酸的种类、分布和含量,(一)种类,DNA(Deoxyribonucleic acid DNA),脱氧核糖核酸,RNA(Ribonucleic acid
6、 RNA):核糖核酸,RNA主要有下几种:,1、rRNA(ribosome RNA),核糖体RNA,细胞中最主要的RNA,占细胞中总RNA80%左右。大肠杆菌rRNA中有三种,分别是:16SrRNA、23SrRNA、5SrRNA;真核细胞rRNA中有四种,分别是:28SrRNA、18SrRNA、5.8SrRNA、5SrRNA。核糖体是蛋白质合成的场所。,2.1 核酸概述,2.1 核酸概述,(二)分布,(三)含量,DNA含量恒定,RNA含量与细胞生长状态有关。,2.1 核酸概述,2、tRNA(transfer RNA),转移RNA,是细胞中最小的一种RNA分子,占细胞总RNA的15%左右。是结构
7、研究最清楚的一类RNA。在蛋白质的生物合成中,tRNA起携带氨基酸的作用。,3、mRNA(messenger RNA),信使RNA,占细胞总RNA的5%左右,含量最少,代谢活跃。mRNA在蛋白质的生物合成中起模板作用。它将DNA的遗传信息传递给蛋白质。,另外,在细胞质里还存在胞质小RNA(sc RNA).,上述RNA存在于细胞质,另外在细胞核里面还存在一些RNA,如核不均一RNA(hnRNA)、核内小RNA(snRNA)、核仁小RNA、反义RNA(asRNA)等。,2.1 核酸概述,三、核酸的功能,1、核酸是生物体遗传变异的物质基础,DNA是大多数生物体的遗传物质。2、RNA主要参与蛋白质的生
8、物合成。3、RNA的功能多样性。主要有:参与基因表达的调控、催化作用、遗传信息的加工、病毒RNA是遗传信息的载体。4、核酸与分子病,2.1 核酸概述,2.1 核酸概述,2.2 核酸的分子组成,一、元素组成,组成核酸的元素有C、H、O、N、P等,与蛋白质比较,其组成上有两个特点:一是核酸一般不含元素S,二是核酸中P元素的含量较多并且恒定,约占911%。因此,核酸定量测定的经典方法,是以测定P含量来代表核酸量。,2.2 核酸的分子组成,2.2 核酸的分子组成,二、基本结构单位核苷酸,(一)核酸的水解,核酸经水解可得到很多核苷酸,因此核苷酸是核酸的基本单位。核酸就是由很多单核苷酸聚合形成的多聚核苷酸
9、。核苷酸可被水解产生核苷和磷酸,核苷还可再进一步水解,产生戊糖和含氮碱基。如下图所示:,2.2 核酸的分子组成,(二)核酸水解产物的结构,1、碱基:,核苷酸中的碱基均为含氮杂环化合物,它们分别属于嘌呤衍生物和嘧啶衍生物。核苷酸中的嘌呤碱(purine)主要是鸟嘌呤(guanine,G)和腺嘌呤(adenine,A),嘧啶碱(pyrimidine)主要是胞嘧啶(cytosine,C)、尿嘧啶(uracil,U)和胸腺嘧啶(thymine,T)。,2.2 核酸的分子组成,碱基的结构式如下图所示:,2.2 核酸的分子组成,2.2 核酸的分子组成,核酸中五种碱基中的酮基和氨基,均位于碱基环中氮原子的邻
10、位,可以发生酮式-烯醇式或氨基-亚氨基之间的结构互变。这种互变异构在基因的突变和生物的进化中具有重要作用。,2.2 核酸的分子组成,有些核酸中还含有修饰碱基(modified component)或稀有碱基(unusual component),这些碱基大多是在上述嘌呤或嘧啶碱的不同部位被甲基化(methylation)或进行其它的化学修饰而形成的衍生物。一般这些碱基在核酸中的含量稀少,在各种类型核酸中的分布也不均一。DNA中的修饰碱基主要见于噬菌体DNA,如5-甲基胞嘧啶(m5C),5-羟甲基胞嘧啶hm5C;RNA中以tRNA含修饰碱基最多,如1-甲基腺嘌呤(m1A),2,2-二甲基鸟嘌呤(
11、m22G)和5,6-二氢尿嘧啶(DHU)等。,2.2 核酸的分子组成,2.2 核酸的分子组成,嘌呤和嘧啶环中含有共轭双键,对260nm左右波长的紫外光有较强的吸收。碱基的这一特性常被用来对碱基、核苷、核苷酸和核酸进行定性和定量分析.,2.2 核酸的分子组成,2、戊糖,核酸中的戊糖有核糖(ribose)和脱氧核糖(deoxyribose)两种,分别存在于核糖核苷酸和脱氧核糖核苷酸中。为了与碱基标号相区别,通常将戊糖的C原子编号都加上“”,如C1表示糖的第一位碳原子。核糖的结构如下:,2.2 核酸的分子组成,3、核苷,戊糖与嘧啶或嘌呤碱以糖苷键连接就称为核苷,通常是戊糖的C1与嘧啶碱的N1或嘌呤碱
12、的N9相连接。,2.2 核酸的分子组成,4、核苷酸及其衍生物的结构,(1)核苷酸的结构式如下图,2.2 核酸的分子组成,(2)脱氧核苷酸的结构如下图所示:,2.2 核酸的分子组成,(3)(脱氧)核苷二磷酸、(脱氧)核苷三磷酸、双脱氧核 苷酸的结构,ADP、ATP是生物体中重要的能量转换体。ddNTP在DNA的序列测定中使用。,2.2 核酸的分子组成,(4)环化核苷酸cAMP、cGMP:被称为第二信使,有放大激素的作用。,(5)、辅酶:NAD+、NADP+、FAD、FMN、HSC0A是核酸的衍生物,在物质代谢和能量代谢中起重要作用。,2.3 核酸的分子结构,一、DNA一级结构,核酸分子中核苷酸的
13、连接方式:3,5-磷酸二酯键,2.3 核酸的分子结构,2.3 核酸的分子结构,(一)DNA一级结构的概念,概念:构成DNA的脱氧核苷酸按照一定的排列顺序,通过3,5-磷酸二酯键相连形成的线形结构。,2.3 核酸的分子结构,(二)真核生物基因组结构特点,1.真核生物基因组DNA与蛋白质结合形成染色体,储存于细胞核内,除配子细胞外,体细胞内的基因组是双份的(即双倍体,diploid),即有两份同源的基因组。,2.真核细胞基因转录产物为单顺反子(monocistron),即一个结构基因转录、翻译成一个mRNA分子,一条多肽链。,2.3 核酸的分子结构,3.存在大量重复序列,即在整个DNA中有许多重复
14、出现的核苷酸顺序,重复序列长度可长可短,短的仅含两个核苷酸,长的多达数百、乃至上千。重复频率也不尽相同:,(1)高度重复序列:重复频率可达106次,约5100bp,这种序列G-C含量高于DNA的其它结构,因此在氯化铯密度梯度离心时,常在DNA的主峰旁显示一个小峰,此小峰称为卫星峰,故将这部分DNA称为卫星DNA。(2)中度重复序列:重复频率可达103104次,长度约100300bp,rRNA基因、tRNA基因、组蛋白基因等,大多为中度重复序列。此外在这类重复序列中,还有一类可移动的片段,称为逆转座子(retroposon),它们可能在进化过程中发挥重要作用。,2.3 核酸的分子结构,(3)单拷
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- 生物化学 第二 核酸 化学 结构
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