生物化学第一章核酸的结构与功能.ppt

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1、第第一一章章核核酸酸的的结结构构与与功功能能第一节第一节 核酸是遗传物质的载体核酸是遗传物质的载体第二节第二节 核酸的基本化学组成核酸的基本化学组成第三节第三节 DNA DNA的结构的结构第四节第四节 RNA RNA的结构与功能的结构与功能第五节第五节 核酸的性质核酸的性质l核核酸酸是是一一类类重重要要的的生生物物大大分分子子，担担负负着着生命信息的储存与传递。生命信息的储存与传递。l核核酸酸是是现现代代生生物物化化学学、分分子子生生物物学学的的重重要要研研究究领领域域，是是基基因因工工程程操操作作的的核核心心分分子。子。核酸概述核酸概述第一节第一节 核酸是遗传物质的载体核酸是遗传物质的载体一

2、、核酸的研究发现史一、核酸的研究发现史l18681868年，年，F.MiescherF.Miescher从细胞核中分离得从细胞核中分离得到一种酸性物质，即现在被称为核酸的到一种酸性物质，即现在被称为核酸的物质。物质。1944年，Avery的转换转化实验orand可分离可分离l19521952年，年，Hexshey Hexshey、Chase TChase T2 2噬菌噬菌体（捣碎器实验）体（捣碎器实验）l19531953年，年，WatsonWatson、Crick DNACrick DNA双螺双螺旋模型旋模型l核酶（核酶（RibozymeRibozyme）98 98核中（染色体中）核中（染色体

3、中）真核真核 线粒体（线粒体（mDNAmDNA）核外核外 叶绿体（叶绿体（ctDNActDNA）DNA DNA 拟核或类核拟核或类核 原核原核 核外：质粒（核外：质粒（plasmidplasmid）病毒：病毒：DNADNA病毒病毒二、二、核酸的种类和分布核酸的种类和分布 核酸分为两大类：核酸分为两大类：脱氧核糖核酸脱氧核糖核酸 Deoxyribonucleic Acid Deoxyribonucleic Acid（DNADNA）核糖核酸核糖核酸 Ribonucleic Acid Ribonucleic Acid（RNARNA）RNARNA主要存在于细胞质中主要存在于细胞质中 l tRNAl r

4、RNAl mRNAl 其它其它l RNA病毒：病毒：SARS三、分子生物学的中心法则第二节第二节 核酸的基本化学组成核酸的基本化学组成核酸核酸核苷酸核苷酸核苷核苷磷酸磷酸碱基碱基戊糖戊糖元素组成：元素组成：C H O N P C H O N P 核酸完全水解产生嘌呤和嘧啶等碱性物质、戊糖（核糖或脱氧核糖）和磷酸的混合物。每个核苷分子含一分子碱基和一分子戊糖，一分子核苷酸部分水解后除产生核苷外，还有一分子磷酸。核酸的各种水解产物可用层析或电泳等方法分离鉴定。组成核酸的戊糖有两种。组成核酸的戊糖有两种。DNA所含的糖为所含的糖为 -D-2-脱氧核糖；脱氧核糖；RNA所含的糖则为所含的糖则为-D-核

5、糖。核糖。一、戊糖一、戊糖RiboseRiboseDeoxyriboseDeoxyribose二、碱基二、碱基1.嘌呤（嘌呤（Purine）1 12 23 34 45 56 69 97 78 8l腺嘌呤腺嘌呤AdenineA Al鸟嘌呤鸟嘌呤guanineGG2.嘧啶（嘧啶（Pyrimidine）1 12 23 34 45 56 6尿嘧啶尿嘧啶uracilU胞嘧啶胞嘧啶cytosineC胸腺嘧啶胸腺嘧啶thymineT 核酸中也存在一些不常见的稀有碱基。稀有碱核酸中也存在一些不常见的稀有碱基。稀有碱基的种类很多，大部分是上述碱基的甲基化产物。基的种类很多，大部分是上述碱基的甲基化产物。三、核苷

6、（三、核苷（nucleoside）核苷核苷 戊糖戊糖+碱基碱基 糖与碱基之间的糖与碱基之间的C-NC-N键，称为键，称为C-NC-N糖苷键糖苷键1122334455(OH)1122334455(OH)假尿苷（假尿苷（假尿苷（假尿苷（）次黄苷（肌苷）次黄苷（肌苷）I黄嘌呤核苷黄嘌呤核苷 X二氢尿嘧啶核苷二氢尿嘧啶核苷 DHU2-O-甲基腺苷甲基腺苷Am 取代核苷的表示方式5-甲基鸟苷 m5G5 5OHAdenosine Guanosine Cytidine Uridine四、核苷酸（四、核苷酸（nucleotide）核苷酸核苷酸 核苷核苷+磷酸磷酸 戊糖戊糖+碱基碱基+磷酸磷酸HHHHHHH H

7、 H五、核苷酸衍生物五、核苷酸衍生物l1.1.继续磷酸化继续磷酸化AMPADPATP2.2.环化磷酸化环化磷酸化l cAMPl cGMP3.3.肌苷酸及鸟苷酸肌苷酸及鸟苷酸(强力味精强力味精)4.4.辅酶辅酶 NADNAD(辅酶辅酶I I，烟酰胺腺嘌呤二核苷酸，烟酰胺腺嘌呤二核苷酸)、NADPNADP (辅辅酶酶II，烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸，烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸)、FMNFMN（黄素单核（黄素单核苷酸）、苷酸）、FADFAD（黄素腺嘌呤二核苷酸）、（黄素腺嘌呤二核苷酸）、CoASHCoASH（辅酶（辅酶A A）IMP GMP六、多聚核苷酸（核酸）六、多聚核苷酸（核酸）l多聚核苷酸是通过一

8、个核苷酸的多聚核苷酸是通过一个核苷酸的C C3 3-OH-OH 与另一分子核苷与另一分子核苷酸的酸的5-5-磷酸基形成磷酸基形成3,5-3,5-磷酸二酯键相连而成的链磷酸二酯键相连而成的链状聚合物。状聚合物。5533l5-5-磷酸端（常用磷酸端（常用5-P5-P表示）；表示）；3-3-羟基端（常用羟基端（常用3-OH3-OH表表示）示）l多聚核苷酸链具有方向性，当表示一个多聚核苷酸链时，必须多聚核苷酸链具有方向性，当表示一个多聚核苷酸链时，必须注明它的方向是注明它的方向是5353或是或是3535。多聚核苷酸的表示方式多聚核苷酸的表示方式DNA RNA5PdAPdCPdGPdTOH 3 5PAP

9、CPGPUOH 或5ACGTGCGT 3 5ACGUAUGU 3 ACGTGCGT ACGUAUGUT53OH U53OH OH OH OH OH 第三节第三节 DNA DNA的结构的结构一、一、一、一、DNADNA的的一级结构一级结构l l脱氧核糖核酸的排列顺序脱氧核糖核酸的排列顺序脱氧核糖核酸的排列顺序脱氧核糖核酸的排列顺序可以用碱基排列顺序表示可以用碱基排列顺序表示可以用碱基排列顺序表示可以用碱基排列顺序表示l l连接键：连接键：连接键：连接键：3333，5-5-5-5-磷酸二酯键磷酸二酯键磷酸二酯键磷酸二酯键磷酸与戊糖顺序相连形成主链骨架磷酸与戊糖顺序相连形成主链骨架磷酸与戊糖顺序相连

10、形成主链骨架磷酸与戊糖顺序相连形成主链骨架碱基形成侧链碱基形成侧链碱基形成侧链碱基形成侧链l l多核苷酸链均有多核苷酸链均有多核苷酸链均有多核苷酸链均有5-5-5-5-末端和末端和末端和末端和3-3-3-3-末端末端末端末端 DNA DNA的碱基顺序本身就是遗传信息存储的分子形式。的碱基顺序本身就是遗传信息存储的分子形式。生物界物种的多样性即寓于生物界物种的多样性即寓于DNADNA分子中四种核苷酸千变万分子中四种核苷酸千变万化的不同排列组合之中。化的不同排列组合之中。2.基因与基因组基因与基因组基因（基因（genegene）：一段有功能的：一段有功能的DNADNA片段，生物细胞中片段，生物细胞

11、中DNADNA分子的最小功能单位（交换单位）。分子的最小功能单位（交换单位）。蛋白质（蛋白质（mRNA mRNA 蛋白质）蛋白质）产物产物 tRNA tRNA RNA RNA rRNA rRNA 调节功能：调节基因调节功能：调节基因无产物无产物 作用未知作用未知结构基因结构基因基因组（基因组（genomegenome）：某生物体（完整单倍体）所含全部遗：某生物体（完整单倍体）所含全部遗传物质的总和。传物质的总和。包括：核基因组（拟核包括：核基因组（拟核/核核DNADNA）及核外（质粒）及核外（质粒/质体质体DNADNA）bp bp（碱基对（碱基对）103 104 105 106 107 108

12、 109 1010 1011 1012人人两栖类两栖类鱼类鱼类藻类藻类酵母酵母细菌细菌E.ColiE.Coli病毒病毒质粒质粒各种细胞、病毒和细菌质粒中基因组的大小各种细胞、病毒和细菌质粒中基因组的大小3.原核生物基因组特点原核生物基因组特点l 重复序列少，多位编码区重复序列少，多位编码区l 多为操纵子形式组织多为操纵子形式组织l 有重叠基因存在有重叠基因存在4.真核生物基因组特点真核生物基因组特点l 以染色体存在以染色体存在l 重复序列多重复序列多 基因组计划基因组计划人类基因组计划（人类基因组计划（Human Genome Project，HGP）酵母基因组计划酵母基因组计划 （YGP）大

13、肠杆菌（）大肠杆菌（）二、二、DNA的二级结构的二级结构 DNA的双螺旋模型的双螺旋模型l19531953年年，J.J.WatsonWatson和和F.F.Crick Crick 在在前前人人研研究究工工作作的的基基础础上上，根根据据DNADNA结结晶晶的的X-X-衍衍射射图图谱谱和和分分子子模模型型，提提出出了了著著名名的的DNADNA双双螺螺旋旋结结构构模模型型，并并对对模模型型的的生生物物学学意意义义作作出出了了科学的解释和预测。科学的解释和预测。l在在DNADNA分分子子中中，嘌嘌呤呤碱碱基基的的总总数数与与嘧嘧啶啶碱碱基基的的总总数相等。数相等。DNA双螺旋模型要点双螺旋模型要点B型

14、结构型结构 两条链反向平行，右手螺旋两条链反向平行，右手螺旋 碱基在内（碱基在内（AT，GC）碱）碱基平面垂直于螺旋轴基平面垂直于螺旋轴 戊糖在外，双螺旋每转一周戊糖在外，双螺旋每转一周 为为10碱基对（碱基对（bp）A型结构型结构 碱基平面倾斜碱基平面倾斜20，螺旋变粗，螺旋变粗变短，螺距变短，螺距23nm。Z型结构型结构 左手螺旋，只有小沟左手螺旋，只有小沟2.0 nm小小沟沟大大沟沟双螺旋双螺旋DNADNA的结构参数的结构参数类型旋转方向螺旋直径（nm）螺距（nm）每转碱基对数目碱基对间垂直距离（nm）碱基对与水平面倾角ADNABDNAZDNA右右左2.32.01.82.83.44.51

15、110120.2550.340.272007双螺旋稳定的力双螺旋稳定的力 氢键氢键 碱基堆积力（疏水相互作用及范德华力）碱基堆积力（疏水相互作用及范德华力）离子键等离子键等 则则:DNA变性剂（热、变性剂（热、pH、脲、脲/酰胺、有机溶剂）酰胺、有机溶剂）三链DNA：Hoogsten方式配对DNA的三链结构可能与基因表达调控有关。第三股链的存在可能阻碍了一些调控蛋白或RNA聚合酶与DNA的结合。二、二、DNADNA的三级结构的三级结构lDNA双螺旋的进一步扭曲构成三级结构，负超螺旋 原核 双链环状DNA（dcDNA）病毒 单链环状DNA（scDNA）单链线性DNA（ssDNA）DNADNA的存

16、在形式的存在形式真核真核 双链线性双链线性DNA（dsDNA）第四节第四节 RNA RNA的结构与功能的结构与功能一、结构特点一、结构特点1.碱基组成碱基组成 A、G、C、U（AU/GC）稀有碱基稀有碱基较多，稳定性较差，易水解较多，稳定性较差，易水解2.多为单链结构，少数局部形成螺旋多为单链结构，少数局部形成螺旋3.分子较小分子较小4.分类分类lmRNA（hnRNA 核不均一核不均一RNA）ltRNA lrRNA（snRNA/asRNA）l少数少数RNA病毒病毒二、二、tRNA占占RNA总量的总量的15一种氨基酸对应最少一种一种氨基酸对应最少一种RNAl分子量分子量25000左右，大约由左右

17、，大约由7090个核苷酸组成，沉降系数个核苷酸组成，沉降系数为为4S左右。左右。l分子中含有较多的修饰成分。分子中含有较多的修饰成分。l3-末端都具有末端都具有CpCpAOH的结的结构。构。tRNA的三级结构的三级结构三、三、rRNArRNA占占RNARNA总量的总量的8080原核生物真核生物核糖体rRNA核糖体rRNA 30s70s 50s16s5s、23s 40s80s 50s 18s5s、5.8s、28s四、四、mRNA和和hnRNA占细胞总占细胞总RNA的的35l真核细胞真核细胞mRNAmRNA的的3-3-末端有一段长达末端有一段长达200200个核苷酸左右个核苷酸左右的聚腺苷酸的聚腺

18、苷酸(polyA)(polyA)，称为，称为“尾结构尾结构”，5-5-末端有末端有一个甲基化的鸟苷酸，称为一个甲基化的鸟苷酸，称为”帽结构帽结构“。五、五、snRNA （small nucleic RNA 小核小核RNA）scRNA （small cytoplasmic RNA）asRNA （antisense RNA）帽子结构和3PolyA都有抗核酸外切酶降解的作用。另外5帽子结构可能与蛋白质合成的正确起始作用及协助核糖体与mRNA相结合有关。第五节第五节 核酸的性质核酸的性质一、一般的理化性质一、一般的理化性质l 两性解离两性解离/一般呈酸性（在中性溶液中带负电荷），微一般呈酸性（在中性溶

19、液中带负电荷），微 溶于水，不溶于有机溶剂溶于水，不溶于有机溶剂l线性大分子（粘度高。抗剪切力差）线性大分子（粘度高。抗剪切力差）l可用电泳或离子交换（色谱）进行分离可用电泳或离子交换（色谱）进行分离l室温条件下，室温条件下，DNA在碱中变性，但不水解，在碱中变性，但不水解，RNA水解水解l加热条件下，加热条件下，D核糖浓盐酸苔黑酚核糖浓盐酸苔黑酚 绿色绿色 D2脱氧核糖酸二苯胺脱氧核糖酸二苯胺 蓝紫色蓝紫色二、核酸的紫外吸收特性二、核酸的紫外吸收特性l在核酸分子中，由于嘌呤碱在核酸分子中，由于嘌呤碱和嘧啶碱具有共轭双键体系，和嘧啶碱具有共轭双键体系，因而具有独特的紫外线吸收因而具有独特的紫外

20、线吸收光谱，一般在光谱，一般在260nm260nm左右有最左右有最大吸收峰，可以作为核酸及大吸收峰，可以作为核酸及其组份定性和定量测定的依其组份定性和定量测定的依据。据。l以以A A260260/A/A280280进行定性、定量进行定性、定量lDNADNA和和RNARNA溶液中加入溴化乙溶液中加入溴化乙锭（锭（EBEB），在紫外下发出荧），在紫外下发出荧光光l核酸的光吸收值常比其各核苷酸成核酸的光吸收值常比其各核苷酸成分的光吸收值之和少分的光吸收值之和少3030一一4040。这是在有规律的双螺旋结构中碱基这是在有规律的双螺旋结构中碱基紧密地堆积在一起造成的。这种现紧密地堆积在一起造成的。这种现

21、象叫做象叫做DNADNA的减色效应。的减色效应。三、核酸的变性、复性与分子杂交三、核酸的变性、复性与分子杂交1.1.变性变性l稳定核酸双螺旋次级键断裂，空间结构破坏，变成单链稳定核酸双螺旋次级键断裂，空间结构破坏，变成单链结构的过程。核酸的一级结构结构的过程。核酸的一级结构(碱基顺序碱基顺序)保持不变。保持不变。l变性表征变性表征 生物活性部分丧失、粘度下降、浮力密度升高、紫外吸生物活性部分丧失、粘度下降、浮力密度升高、紫外吸收增加（收增加（增色效应：增色效应：260nm260nm紫紫 外吸收值升高）外吸收值升高）l变性因素变性因素 pHpH（或）（或）变性剂（脲、甲酰胺、甲醛）变性剂（脲、甲

22、酰胺、甲醛）低离子强度低离子强度 加热加热lDNADNA的变性过程的变性过程是突变性的，它在很窄的温度区间内完成。因是突变性的，它在很窄的温度区间内完成。因此，通常将紫外吸收的量达最大量一半时的温度称熔解温度，此，通常将紫外吸收的量达最大量一半时的温度称熔解温度，用用T Tm m表示。表示。l一般一般DNADNA的的T Tm m值在值在70-8570-85 C C之间。之间。DNADNA的的T Tm m值与分子中的值与分子中的G G和和C C的的含量有关。含量有关。lG G和和C C的含量高，的含量高，T Tm m值高。因而测定值高。因而测定TmTm值，可反映值，可反映DNADNA分子中分子中

23、G,G,C C含量，可通过经验公式计算：（含量，可通过经验公式计算：（G+C)%=(Tm-69.3)G+C)%=(Tm-69.3)2.热变性和热变性和Tm3.核酸的复性核酸的复性l变性核酸的互补链在适当的条件下，重新缔合成为双变性核酸的互补链在适当的条件下，重新缔合成为双螺旋结构的过程称为螺旋结构的过程称为复性复性。lDNADNA复性后，一系列性质将得到恢复，但是生物活性一复性后，一系列性质将得到恢复，但是生物活性一般只能得到部分的恢复，具有般只能得到部分的恢复，具有减色效应减色效应。l将热变性的将热变性的DNADNA骤然冷却至低温时，骤然冷却至低温时，DNADNA不可能复性。不可能复性。变性

24、的变性的DNADNA缓慢冷却时可复性，因此又称为缓慢冷却时可复性，因此又称为“退火退火”。退火温度退火温度T Tm m2525l复性影响因素复性影响因素 片段浓度片段浓度/片段大小片段大小/片段复杂性（重复序列数目）片段复杂性（重复序列数目）/溶液离子强度溶液离子强度 4.4.分子杂交分子杂交lDNADNA单链与在某些区域有互补序列的异源单链与在某些区域有互补序列的异源DNADNA单链单链或或RNARNA链形成双螺旋结构的过程。这样形成的新链形成双螺旋结构的过程。这样形成的新分子称为分子称为杂交杂交DNADNA分子分子。l核酸的杂交在分子生物学和遗传学的研究中具有核酸的杂交在分子生物学和遗传学

25、的研究中具有重要意义。重要意义。lSouthern Southern 杂交（杂交（Southern boltingSouthern bolting）lNorthern Northern 杂交（杂交（Northern boltingNorthern bolting）lWestern Western 杂交杂交 （Western boltingWestern bolting）本本 章章 小小 结结l核酸是遗传物质载体的证明和研究历史核酸是遗传物质载体的证明和研究历史l核酸的化学结构：戊糖、碱基（核酸的化学结构：戊糖、碱基（A A、T T、G G、C C、U U），），核苷、核苷酸及其衍生物的结构特点

26、（原子编号）核苷、核苷酸及其衍生物的结构特点（原子编号）lDNADNA的结构：一级结构（核酸序列及其表示、基因的结构：一级结构（核酸序列及其表示、基因及基因组、序列测定）、二级结构（及基因组、序列测定）、二级结构（WatsonWatson CrickCrick双螺旋模型、双螺旋模型、Z ZDNADNA）、结构维持的化学键）、结构维持的化学键lRNARNA结构与功能：碱基组成特点、结构与功能：碱基组成特点、RNARNA的种类结构及的种类结构及功能功能l核酸的性质：酸碱性、变性与复性、分子杂交核酸的性质：酸碱性、变性与复性、分子杂交习 题1、比较DNA、RNA在化学组成上、分子结构上、生物学功能上的特点。2、DNA双螺旋结构模型的要点有哪些？此模型如何能恰当地解释DNA的生物学功能？3、RNA有哪些主要类型？比较其结构与功能。4、从两种不同细菌提取得DNA样品，其腺嘌呤核苷酸分别占其碱基总数的32%和17%，计算这两种不同来源DNA四种核苷酸的相对百分组成。两种细菌中有一种是从温泉（64）中分离出来的，该细菌DNA具有何碱基组成？为什么？5、解释下列名词：增色效应与减色效应 DNA的变性与复性 Tm