生物化学简明教程.ppt

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1、第二章第二章 核酸的化学核酸的化学核酸的概念和重要性核酸的概念和重要性核酸的组成成分核酸的组成成分DNA的结构的结构DNA和基因组和基因组RNA的结构和功能的结构和功能核酸的性质核酸的性质核酸的序列测定核酸的序列测定核酸的生物学功能和实践意义核酸的生物学功能和实践意义思考题思考题一、核酸的概念和重要性一、核酸的概念和重要性1869年Miescher从细胞核中分离出核素（nuclein）。1889年Altman制备了核酸（nucleic acid）。193040年，Kossel & Levene等确定核酸的的组分：核酸脱氧核糖核酸（deoxyribonucleic acid，DNA）核糖核酸（r

2、ibonucleic acid，RNA）“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。20世纪40年代末，Avery 的“肺炎双球菌转化”实验，噬菌体侵染细菌的实验噬菌体侵染细菌的实验证明DNA是有机体的遗传物质：DNA无荚膜，不致病温育有荚膜，致病传代传代有荚膜，致病有荚膜，致病有荚膜，致病除少数病毒（RNA病毒）以RNA作为遗传物质外，多数有机体的遗传物质是DNA。不同有机体遗传物质（信息分子信息分子）的结构差别，使得其所含蛋白质（表现分子表现分子）的种类和数量有所差别，有机体表现出不同的形态结构和代谢类型。RNA的主要作用是从DNA转录遗传信息，并指导蛋白质的

3、合成。二、核酸的组成成分二、核酸的组成成分核酸 nucleic acid核苷酸 nucleotide核苷 nucleoside磷酸 phosphate嘌呤碱 purine base 或 嘧啶碱 pyrimidine base（碱基 base）核糖 ribose 或 脱氧核糖脱氧核糖 deoxyribose （戊糖 amyl sugar）磷酸二酯键（一）核糖和脱氧核糖（一）核糖和脱氧核糖OHOH2COHOHOH12OHOH2COHOH12-D-2-核糖-D-2-脱氧核糖O核糖 + H +糠醛甲基间苯二酚FeCl3绿色产物绿色产物脱氧核糖 + H+ -羟基-酮戊醛二苯胺蓝色产物蓝色产物RNA和和D

4、NA定性、定量测定定性、定量测定（二）嘌呤碱和嘧啶碱（二）嘌呤碱和嘧啶碱NNNNHHHHNNNNHHHH123 456789嘌呤NH2腺嘌呤 adenine（A）NNNNHHHHOH2N鸟嘌呤 guanine（G）NNHHHH嘧啶123456NNHHHHNH2OH胞嘧啶 Cytosine（C）NNHHHHOOHH尿嘧啶 uracil（U）NNHHHHOOHHCH3胸腺嘧啶 thymine（T）NNOOHHH酮式HNNOOHHH酮式HHH烯醇式稀有碱基; 修饰碱基DNA,RNA的碱基不同稀有碱基含量最多的核酸是tRNA（三）核苷（三）核苷OHOH2COHOHOH12345核 糖NNNNHHH9腺

5、嘌呤腺 苷NH2OHOH2COHOHOH12345核 糖OHOH2COHOH12345核 糖NNOOHHH尿嘧啶H1尿苷NCOONHHH51OH假尿苷（）表示方法表示方法?（四）核苷酸（四）核苷酸OHOH2COHOHOH12345核 糖NNNNHHHH9腺嘌呤胸 苷PO-OO胸苷-5-磷酸AMPOP O-OOADPATPP O-OO核苷:可以形成2,35,但体内多为5脱氧核苷: 可以形成35,但体内多为5表示方法?Ap或pA?各种核苷三磷酸和脱氧核苷三磷酸是体内合成RNA和DNA合成的直接原料。在体内能量代谢中的作用在体内能量代谢中的作用：ATP能量“货币”UTP参加糖的互相转化与合成CTP参

6、加磷脂的合成GTP参加蛋白质和嘌呤的合成第二信使第二信使cAMPOHO-O OCH2 TO=PO-35OHOHO-O OCH2 GO=PO-35OHO OCH2OHOH AO=POO-35351PPPOHATGpGpTpAOHpG-T-ApGTA核核酸酸的的一一级级结结构构磷酸二酯键5端端?3端端?三、三、DNA的结构的结构（一）（一）DNA的一级结构的一级结构因为DNA的脱氧核苷酸只在它们所携带的碱基上有区别，所以脱氧核苷酸的序列常被认为是碱基序列碱基序列（base sequence)。通常碱基序列由DNA链的53方向写。DNA中有4种类型的核苷酸，有n个核苷酸组成的DNA链中可能有的不同序

7、列总数为4n。（二）（二）DNA的双螺旋结构的双螺旋结构1953年，Watson 和Crick 提出。1. 双螺旋结构的主要依据双螺旋结构的主要依据（1）Wilkins和Franklin发现不同来源的DNA纤维具有相似的X射线衍射图谱。（2）Chargaff发现DNA中A与T、C与G的数目相等。后Pauling 和Corey发现A与T生成2个氢键、C与G生成3个氢键。（3）电位滴定证明，嘌呤与嘧啶的可解离基团由氢键连接。2. 双螺旋结构模型要点双螺旋结构模型要点（1）双螺旋主链：两条多核苷酸链反向平行，主链右手螺旋，有一共同轴，表面有一大沟一小沟。（2）碱基互补配对：碱基内侧，A与T、G与C配

8、对，分别形成2和3个氢键。是半保留复制理论的基础。（3）双螺旋每转一周有10个bp，螺距3.4nm，直径2nm。n DNA分子量用碱基对或碱基数表示(bp,b?)3. 双螺旋结构的稳定因素双螺旋结构的稳定因素（1）氢键氢键（太弱）；（2）碱基堆积力碱基堆积力（base stacking force，由芳香族碱基电子间的相互作用引起的，能形成疏水核心，是稳定DNA最重要的因素；（3）离子键离子键（减少双链间的静电斥力）。4. DNA双螺旋的构象类型双螺旋的构象类型B-DNA：92%相对湿度，接近细胞内的DNA构象，与Watson 和Crick提出的模型相似。A-DNA：75%相对湿度，与溶液中D

9、NA-RNA杂交分子的构象相似，推测转录时发生BA。其碱基平面倾斜20，螺距与每一转碱基对数目都有变化。Z-DNA：主链呈锯齿型左向盘绕，直径约1.8nm，螺距4.5nm，每一转含12个bp，只有小沟。B-DNA与Z-DNA的相互转换可能和基因的调控有关。C-DNA：4446%相对湿度，螺距3.09nm，每转螺旋9.33个碱基对，碱基对倾斜6。可能是特定条件下B-DNA和A-DNA的转化中间物。D-DNA：60%相对湿度，DNA中A、T序列交替的区域。每个螺旋含8个bp，螺距2.43nm，碱基平面倾斜16。（三）（三）DNA的三级结构的三级结构线形分子、双链环状(dcDNA)超螺旋、染色体包装

10、染色体包装NEXT右手超螺旋左手超螺旋染色体包装的结构模型多级螺旋模型多级螺旋模型压缩倍数 7 6 40 5 （8400） DNA 核小体 螺线管 超螺线管 染色单体 2nm 10nm 30(10)nm 400nm 210m 一级包装 二级包装 三级包装 四级包装 四、四、DNA与基因组织与基因组织DNATranscription RNA（mRNA、tRNA、rRNA）TranslationProtein基因基因基因基因是DNA片段的核苷酸序列，DNA分子中最小的功能单位。结构基因调节基因基因组基因组（一）（一）DNA与基因与基因基因是编码蛋白质的序列?（二）原核生物基因组的特点（二）原核生物

11、基因组的特点1. DNA大部分为结构基因，每个基因出现频率低。2. 功能相关基因串联在一起，并转录在同一mRNA中（多顺反子）。3.有基因重叠现象。ABCDEFG（三）真核生物基因组的特点（三）真核生物基因组的特点1. 重复序列单拷贝序列：在整个DNA中只出现一次或少数几次，主要为编码蛋白质的结构基因。中度重复序列 ：在DNA中可重复几十次到几千次。高度重复序列 ：可重复几百万次高度重复序列一般富含A-T或G-C，富含A-T的在密度梯度离心时在离心管中形成的区带比主体DNA更靠近管口；富含G-C的更靠近管底，称为卫星卫星DNA（satellite DNA）富含A-T富含G-C主体DNA2. 有

12、断裂基因mRNA1 872bp内含子（内含子（intron)：基因中不为多肽编码，不在：基因中不为多肽编码，不在mRNA中出现。中出现。ABCDEG7 700bpF外显子（外显子（exons）：为多肽编码的基因片段。）：为多肽编码的基因片段。：由于基因中内含子的存在。例外例外：组蛋白基因(histongene)和干扰素基因(interferon gene)没有内含子。transcription真核基因全是断裂基因?五、五、RNA的结构与功能的结构与功能RNA分子是含短的不完全的螺旋区的多核苷酸链。（一）（一）tRNAtRNA约占RNA总量的15%，主要作用是转运氨基酸用于合成蛋白质。tRNA分

13、子量为4S，1965年Holley 测定AlatRNA一级结构，提出三叶草二级结构模型。主要特征主要特征：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。（二）（二）rRNA占细胞RNA总量的80%，与蛋白质（占40%,rRNA占60%)）共同组成核糖体。原原 核核 生生 物物 真真 核核 生生 物物核糖体rRNA核糖体rRNA70S（30S、50S）16S、5S、23S80S（40S、60S）18S、5S、5.8S、28S （三）

14、（三）mRNA与与hnRNAmRNA约占细胞RNA总量的35%，是蛋白质合成的模板。真核生物mRNA的前体在核内合成，包括整个基因的内含子和外显子的转录产物，形成分子大小极不均匀的hnRNA。（四）（四）snRNA和和asRNA(small nucleic RNA, antonym sequence RNA)snRNA主要存于细胞核中，占细胞RNA总量的0.11%，与蛋白质以RNP（核糖核酸蛋白）的形式存在，在hnRNA和rRNA的加工、细胞分裂和分化、协助细胞内物质运输、构成染色质等方面有重要作用。asRNA可通过互补序列与特定的mRNA结合，抑制mRNA的翻译，还可抑制DNA的复制和转录。

15、（五）（五）RNA的其它功能的其它功能1981年，Cech发现RNA的催化活性，提出核酶核酶（ribozyme）。大部分核酶参加RNA的加工和成熟，也有催化C-N键的合成。23SrRNA具肽酰转移酶活性。RNA在DNA复制、转录、翻译中均有一定的调控作用，与某些物质的运输与定位有关。六、核酸的性质六、核酸的性质（一）一般理化性质（一）一般理化性质1.为两性电解质，通常表现为酸性。2.DNA为白色纤维状固体，RNA为白色粉末，不溶于有机溶剂。3.DNA溶液的粘度极高，而RNA溶液要小得多。4.RNA能在室温条件下被稀碱水解而DNA对碱稳定。5.利用核糖和脱氧核糖不同的显色反应鉴定DNA与RNA。

16、（二）核酸的紫外吸收性质（二）核酸的紫外吸收性质核酸核酸的碱基具有共扼双键，因而有紫外吸收性质，吸收峰在260nm（蛋白质蛋白质的紫外吸收峰在280nm）。核酸的光吸收值比各核苷酸光吸收值的和少3040%，当核酸变性或降解时光吸收值显著增加（增色效应增色效应），但核酸复性后，光吸收值又回复到原有水平（减色效应减色效应）。00.10.20.30.4220240260280300波长 / nm光吸收（三）核酸结构的稳定性（三）核酸结构的稳定性1.碱基对间的氢键；2.碱基堆积力；3.环境中的正离子。（四）核酸的的变性（四）核酸的的变性 ：双螺旋区氢键断裂，空间结构破坏，形成单链无规线团状，只涉及次级键的破坏。(与降解比较)(变性DNA特征)DNA变性是个突变过程，类似结晶的熔解。将紫外吸收的增加量达到最大增量一半时的温度称熔解温度熔解温度(melting temperature, Tm)。7075808590T /A /260nmTmTm影响Tm的因素：（1）G-C的相对含量 （G+C）% =（Tm 69.3） 2.44（2）介质离子强度低，Tm低。（3）高pH下碱基广泛去质子而丧失形成氢键