第3章核酸化学.pptx

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1、1 1.核酸的种类、分布与功能2 2.核酸的化学组成3 3.核酸的分子结构4 4.核酸的理化性质5 5.核蛋白与病毒提要提要第1页/共87页 核酸：核酸：当时是指从细胞核中分离出来的酸性物质。当时是指从细胞核中分离出来的酸性物质。二、核酸按其所含戊糖种类不同而分为两大类：二、核酸按其所含戊糖种类不同而分为两大类：二、核酸按其所含戊糖种类不同而分为两大类：二、核酸按其所含戊糖种类不同而分为两大类：1.1.核糖核酸（核糖核酸（RNARNA）2.2.脱氧核糖核酸（脱氧核糖核酸（DNADNA）第一节 核酸的种类、分布与功能一、什么是核酸？一、什么是核酸？第2页/共87页核糖核酸（RNA）：按功能不同分

2、为三大类tRNA转运RNA（15%）rRNA核糖体RNA（80%）mRNA信使RNA（5%）小分子细胞核RNA（snRNA）染色质RNA（chRNA）三、核酸的分布三、核酸的分布原核细胞内DNA集中在核质区RNA分散在细胞质中真核细胞内DNA95%细胞核中5%线粒体及叶绿体中RNA75%细胞质中15%线粒体及叶绿体中10%细胞核中第3页/共87页四、核酸的功能四、核酸的功能（一）DNA是主要的遗传物质是遗传信息的载体(1).间接的证据包括：.DNA分布在染色体内，是染色体的主要成分，而染色体是直接与遗传有关的；.细胞核内DNA含量十分稳定，而且与染色体数目的多少有平行关系，体细胞(则双倍体)D

3、NA含量为生殖细胞(单倍体)DNA含量的两倍；.DNA在代谢上较稳定，不受营养条件，年龄等因素影响；.可作用于DNA的一些物理和化学因素，如紫外线、X射线等都可以引起遗传特性的改变。(2).直接的证据：1944年艾弗里（Avery）等人进行了肺炎双球菌的转化实验。从光滑型肺炎球菌(有荚膜，菌落光滑)分别提取DNA、蛋白质及多糖物质，并分别与粗糙型肺炎球菌(无荚膜，菌落粗糙)一起培养，发现只有DNA能使一部分粗糙型细菌转变成为光滑型，且还可以继续繁殖。而且转化率与DNA的纯度有关，DNA越纯，转化率越高。从而首次证明遗传物质是DNA而不是蛋白质。第4页/共87页（二）RNA的生物学功能tRNA

4、起携带和转移活化氨基酸的作用rRNA 与各种蛋白质结合构成核糖体，它 是合成蛋白质的细胞器。mRNA 是蛋白质合成的模板。1.指导蛋白质的生物合成DNA转录形成3类主要的RNA2.遗传物质 在病毒中RNA也是遗传物质3.具有生物催化剂功能（核酶）第5页/共87页第二节 核酸的化学组成一、核酸的元素组成 基本元素：基本元素：CHONP核酸的元素组成有两个特点：核酸的元素组成有两个特点：1.一般不含一般不含S2.P含量较多，并且恒定（含量较多，并且恒定（9%-10%）。）。因此，实验室中用因此，实验室中用定磷法定磷法进行核酸的定量进行核酸的定量分析。（分析。（DNA9.9%、RNA9.5%）第6页

5、/共87页核酸核苷酸磷酸核苷戊糖碱基水解二 核酸的分子组成第7页/共87页核核 酸酸代表代表戊糖戊糖戊糖戊糖，对，对DNA而言为而言为脱氧核糖脱氧核糖脱氧核糖脱氧核糖，对，对RNA而言为而言为核糖核糖核糖核糖；代表代表碱基碱基碱基碱基 代表代表磷酸基磷酸基磷酸基磷酸基核苷酸核苷酸核苷酸核苷酸第8页/共87页一、戊糖核糖(in RNA)2脱氧核糖(in DNA)第9页/共87页A9NNNN12346587腺嘌呤 鸟嘌呤（1）嘌呤 G二.碱基第10页/共87页嘧啶H3CN3N24561C TU尿嘧啶胞嘧啶胸腺嘧啶(2)嘧啶第11页/共87页RNARNADNADNA尿嘧啶尿嘧啶 U U胸腺嘧啶胸腺嘧

6、啶 T T胞嘧啶胞嘧啶 C C鸟嘌呤鸟嘌呤 GG腺嘌呤腺嘌呤 A A第12页/共87页稀有碱基稀有碱基嘌呤次黄嘌呤、1-1-甲基次黄嘌呤、N N2 2、N N2 2-二甲基鸟嘌呤。嘧啶5-5-甲基胞嘧啶、5-5-羟甲基胞嘧啶、二氢尿嘧啶、4-4-巯尿嘧啶都是基本碱基的化学修饰型。第13页/共87页鸟嘌呤鸟嘌呤次黄嘌呤次黄嘌呤1-甲基次黄嘌呤甲基次黄嘌呤第14页/共87页 胞嘧啶（C）CH35-甲基胞嘧啶第15页/共87页三.磷酸 核酸是含磷的生物大分子。任何核酸中都含有磷酸，所以核酸呈酸性。核酸中的磷酸参与形成3，5-磷酸二酯键，使核苷酸连接成多核苷酸链。第16页/共87页NONO尿苷11OH

7、OCH2HHHHOHOH23451脱氧腺苷9NNNNNH2OHHOHOCH2HHHH2345四.核苷戊糖与嘧啶或嘌呤碱以C-NC-N糖苷键连接而形成的糖苷就称为核苷，通常是戊糖的C1与嘧啶碱的N1或嘌呤碱的N9相连接。第17页/共87页 在核酸内，碱基与戊糖形成核苷，核苷再与磷酸形成核苷酸，许多核苷酸通过3，5-磷酸二酯键连接成多核苷酸链 核苷酸都是核酸的基本结构单位，它们都是5-核苷酸。（一）核酸内的核苷酸DNA主要由dAMP、dGMP、dCMP、dTMP四种 脱氧核糖核苷酸组成RNA主要由AMP、GMP、CMP、UMP四种核糖核 苷酸组成五.核苷酸第18页/共87页核苷酸磷酸碱基戊糖第19

8、页/共87页OOHOHOHHOCH2HH2 2OOHH2 2OO碱基碱基磷酸磷酸戊糖戊糖糖苷键糖苷键酯键酯键第20页/共87页1122334455酯键（对DNA为H）碱基连接（糖苷键）第21页/共87页八种核苷酸如下表所示八种核苷酸如下表所示 M-M-M-M-一一(D-D-D-D-二、二、T T T T三）三）；P-P-P-P-磷酸磷酸RNARNA的名称为某（一、二、三）苷酸，DNADNA在某（一、二、三）前加脱氧两字。如AMPAMP称腺苷一磷酸(或腺苷酸）dAMPdAMP称为脱氧腺苷一磷酸（脱氧腺苷酸）。稀有核苷酸与上类似；第22页/共87页（二）（脱氧）核苷二磷酸、（脱氧）核苷三磷酸、双脱

9、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的序列测定中使用第23页/共87页ATP(ATP(腺嘌呤核糖核苷三磷酸腺嘌呤核糖核苷三磷酸)ADPATPAMP第24页/共87页（三）环化核苷酸cAMP、cGMP：被称为第二信使，有放大激素的作用。它们在代谢调节中起重要作用。第25页/共87页（四）核苷酸的生物学作用（1）参与DNA、RNA的合成、蛋白质的合成、糖与磷脂的合成。（2）在能量转化中起重要作用，ATP是生物体内能量的通用货币。（3）是构成多种辅酶的成分：NAD、NADP、FAD、FMN和CoA。（4）参与细胞中的代谢与调节（cAMP、cGMP）。第26页/共

10、87页第三节：核酸的分子结构一、DNA的分子结构（一）DNA的一级结构1.定义：DNA的一级结构是由数量极其庞大的四种脱氧核糖核酸（dAMP、dGMP、dCMP、dTMP）按一定顺序，通过3,5磷酸二酯键连成的直线形或环形分子。2.DNA的书写顺序是53。3.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列总数为4n。第27页/共87页33，55-磷酸二酯键磷酸二酯键12第28页/共87页4、DNA一级结构的表示方法结构式/线条式/字母式（1）结构式（碱基用单字母表示）第29页/共87页戊糖3-OH3-OH5-5-磷酸磷酸PA A核苷酸核苷酸53首端末端PPPPPPAG

11、CTGCAGCTGC OH OH（2）线条式（碱基用单字母表示 磷酸基团用P表示）第30页/共87页（3）字母式（单字母ATGC在式中表示脱氧核苷，省略d）第31页/共87页二、二、DNADNA的二级结构的二级结构（双螺旋）（双螺旋）1.1.定义：定义：DNA的二级结构指DNA的双螺旋结构。第32页/共87页第33页/共87页2 2、DNADNA的碱基组成特点的碱基组成特点的碱基组成特点的碱基组成特点ChargaffChargaff定律定律定律定律w（1）所有DNA中腺嘌呤与胸腺嘧啶的摩尔含量相等，（即A=T）;鸟嘌呤与胞嘌呤的摩尔含量相等，（即G=C）。碱基当量定律：嘌呤碱总量=嘧啶碱总量。

12、（即A+G=T+C）w（2）不同生物DNA的碱基组成有很大差异，可用不对称比率：A+T/G+C表示。亲缘相近的生物，其DNA的碱基组成相近，即不对称比率相近。w（3）同一种生物所有体细胞DNA的碱基组成相同，可作为该物种的特征。第34页/共87页（1）DNA是一反向平行的互补双链结构。在双链结构中糖-磷酸骨架居外侧，而碱基位于内侧，两条链之间的碱基以氢键相结合。碱基互补配对，A=T,GC,一条链的走向为53，另一条为35。3、双螺旋结构模型要点第35页/共87页腺嘌呤胸腺嘧啶鸟嘌呤胞嘧啶其他组合易相互排斥其他组合易相互排斥例如例如 G:TG:T因此，因此，DNADNA的双股系藉的双股系藉著著

13、A:TA:T 和和 GG:C C的配对关系的配对关系互互 相结合相结合。第36页/共87页A-T配对G-C配对第37页/共87页（2）DNA双螺旋为右手螺旋。螺旋直径为2nm，螺旋每旋转一周为10对碱基，螺距为3.4nm，每个碱基平面之间的距离为0.34nm,并形成大沟和小沟。2.0nm小沟大沟第38页/共87页计算机模拟DNA双螺旋结构（蓝色）大沟中结合着肽（红色）双螺旋中的大沟对于DNA和蛋白质结合时的相互识别很重要，在沟内可以辨认碱基的顺序。第39页/共87页4.4.双螺旋结构的稳定因素双螺旋结构的稳定因素DNADNA双螺旋在生理状态下十分稳定，结构不发生变化。稳定稳定DNADNA双螺旋

14、结构的主要作用力双螺旋结构的主要作用力1 1、碱基堆积力碱基堆积力（主要因素）（主要因素）（主要因素）（主要因素）是双螺旋中垂直方向的作用力是双螺旋中垂直方向的作用力 2 2、氢键氢键 为双螺旋中水平方向的作用力为双螺旋中水平方向的作用力3、离子键 磷酸基团上的负电荷与介质中的阳离子磷酸基团上的负电荷与介质中的阳离子或阳离子化合物之间所形成的盐键或阳离子化合物之间所形成的盐键 。第40页/共87页5 5、DNADNA双螺旋的类型双螺旋的类型(1)B-DNA(1)B-DNA螺旋：DNADNA在92%92%相对湿度的钠盐中的构型。标准的右手双螺旋，细胞正常状态下DNADNA存在的构型。(2)A-D

15、NA(2)A-DNA螺旋：DNADNA在75%75%相对湿度的钠盐中的构型。(3)Z-DNA(3)Z-DNA螺旋：左手的DNADNA螺旋，这种螺旋可能在基因表达的调控中起作用。(4)(4)H-DNAH-DNA螺旋：三螺旋结构，又称三链DNA(tsDNA)DNA(tsDNA)第41页/共87页 B-DNA&Z-DNA第42页/共87页三、三、三、三、DNADNA的三级结构的三级结构的三级结构的三级结构定义：是指双螺旋进一步扭曲形成的更高层次的空间结构，也就是比双螺旋更为复杂的构象。线状DNA形成的纽结、超螺旋和多重螺旋环状DNA形成的结、超螺旋和连环类型DNA的三级结构主要是指双螺旋进一步扭曲形

16、成的超螺旋。超螺旋即DNA双螺旋的螺旋。第43页/共87页1.1.真核细胞染色体的真核细胞染色体的DNADNA念珠状（线形）念珠状（线形）三级结构三级结构第44页/共87页第45页/共87页超螺旋超螺旋第46页/共87页2.2.原核生物以及真核生物细胞器环状原核生物以及真核生物细胞器环状DNADNA的超螺旋三级结构的超螺旋三级结构 细菌等原核生物质粒质粒质粒质粒染色染色染色染色体体体体第47页/共87页松弛环形正超螺旋解链环形第48页/共87页松弛环形负超螺旋第49页/共87页固定固定负超螺旋负超螺旋（右手拓扑结构）（右手拓扑结构）自然界通常为负超螺旋。环状DNADNA右旋右旋右旋右旋第50页

17、/共87页 RNA的一级结构是由数量极其庞大的四种核糖核酸（AMP、GMP、CMP、UMP）按一定顺序，通过3,5磷酸二酯键连成的线形分子，其表示方法与DNA相同。RNA的二级结构是短的，不完全螺旋的多核苷酸链。（天然RNA并不像DNA一样都是双螺旋结构，而是单链线形分子。只有局部区域为双螺旋结构。双螺旋区约占RNA分子的50%）RNA的三级结构是在茎环结构基础上进一步扭曲折叠而成的复杂结构。四、四、RNA的结构的结构第51页/共87页 这种由单链自身折叠形成的结构称为茎环结构。茎环结构是各种RNA的共同的二级结构特征。第52页/共87页（一）tRNA的结构1.tRNA的一级结构 1.由749

18、3个（多为76个）核苷酸组成单链，沉降系数为4S；(沉降系数又称为沉降常数，指离心力场中沉降分子下沉的速度，1S=1x10-13秒，S常用来表示核酸分子，蛋白质分子和糖体等的大小）2.具有不变的（恒定的）核苷酸:U8、G18、G19 3.含较多的修饰核苷酸（稀有碱基）；4.5端多为PG ；3端多为CCAOH（用来接受活化的氨基酸，又称为接受末端）2.tRNA的二级结构三叶草结构 具有四臂四环 3端为CCAOH 序列 ，5端为PG 3.tRNA的三级结构倒L形结构第53页/共87页tRNAtRNA的三叶草型二级结构124叶子叶子叶子叶子反密码子环反密码子反密码子载运氨基酸载运氨基酸载运氨基酸载运

19、氨基酸臂臂稀有碱基稀有碱基RNA中的碱基配对原则 A-U A-U G-CG-C3额外环二氢尿嘧啶环次黄嘌呤不同的tRNA具有不同的额外环，所以额外环是tRNA分类的重要指标假尿嘧啶核苷胸腺嘧啶核糖核苷环第54页/共87页tRNA的“倒L”型三级结构第55页/共87页第56页/共87页第57页/共87页（二）mRNA的结构信使RNA（messenger RNA，mRNA）不均一核RNA（heterogeneou nuclear RNA，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。mRNA的功能：是把核内DNA的碱基顺序按照碱基互补的原则，抄录并转送至

20、胞质，指导蛋白质的合成。第58页/共87页mRNA的成熟过程第59页/共87页m mRNARNA一级结构的特点z真核生物成熟mRNA的结构特点及与原核生物的区别：1、5端帽子结构（cap sequence):m7G5ppp5Nm-5-末端的G的N7被甲基化。鸟嘌呤核苷酸焦磷酸与相邻的一个核苷酸相连，形成5,5-磷酸二酯键。帽子结构能促进核蛋白体与mRNA的结合加速翻译起始速度，同时可以增强mRNA的稳定性。原核生物无此结构第60页/共87页mRNA的帽子结构第61页/共87页2、3末端多聚A的尾巴。极大多数真核细胞mRNA在3-末端有一段长约20200个多聚腺苷酸的polyA。polyA是在转

21、录后经polyA聚合酶的作用而添加上去的。原核生物无些结构polyA的功能：1、与mRNA从细胞核转移到细胞质有关；2、与mRNA的半寿期有关，新合成的mRNA，polyA链较长，而衰老的mRNA，polyA链缩短。第62页/共87页3、真核生物mRNA是单顺反子的，而原核生物的mRNA是多顺反子的。顺反子：是由顺反试验所规定的遗传单位相当于一个基因，含有决定一种蛋白质氨基酸序列的全部核苷酸序列。多顺反子：是指携带一种以上蛋白质合成信息的mRNA也就是说：原核生物mRNA可编码几条不同的多肽链。单顺反子：只编码一条多肽链。第63页/共87页（三）rRNA的结构 核糖体RNA（ribosomal

22、 RNA，rRNA），是细胞内含量最多的RNA，约占RNA总量的80%以上。rRNA与核蛋白体蛋白共同构成核糖体（ribosome）原核生物 70S真核生物 80S第64页/共87页 rRNA的分子结构基本上都是由部分双螺旋与部分突环相间排列而成。16S rRNA二级结构第65页/共87页大肠杆菌5SrRNA的结构第66页/共87页（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，均微溶于水，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。第四节 核酸的理化性质第67页/共87页

23、（二）核酸的紫外吸收性质 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），但核酸复性后，光吸收值又回复到原有水平（减色效应）。第68页/共87页核酸的紫外吸收峰天然DNA变性DNA纯DNA为1.8纯RNA为2.0所以用这一方法可以检测样品是否是纯品OD260OD280第69页/共87页（三）核酸的变性、复性和分子杂交一、核酸的变性1 1、核酸（、核酸（DNADNA）变性的概念：）变性的概念：高温、酸、碱以及某些变性剂（如尿素）能破坏核酸中的氢键，使

24、之断裂，核酸中的双螺旋区变成单链，并不涉及共价键的断裂，这一过程称为核酸的变性。监测指标为A260的变化。常用的变性方法为加热。第70页/共87页第71页/共87页第72页/共87页第73页/共87页第74页/共87页2 2、变性因素、变性因素热力强碱强酸有机溶剂变性剂射线机械力第75页/共87页3.3.变性变性DNADNA的性质的性质 变性能导致变性能导致DNA DNA 的一些的一些理化性质及生物学性质理化性质及生物学性质发生改变发生改变溶液粘度降低溶液旋光性发生改变增色效应或高色效应第76页/共87页3.变性温度 通常把通常把DNADNA的双螺旋结构失去一半时的温度称为的双螺旋结构失去一半

25、时的温度称为DNADNA的的熔点或熔解温度熔点或熔解温度(melting temperature,Tm)(melting temperature,Tm)。用用TmTm表示。表示。DNADNA的的TmTm值一般在值一般在70708585度之间。度之间。以加热为变性条件，使以加热为变性条件，使 DNA DNA 分子双链解开分子双链解开50%50%所需温度所需温度 第77页/共87页爆发式爆发式：热变性是在变性温度范围内突发的跃变过程，很像结晶达到：热变性是在变性温度范围内突发的跃变过程，很像结晶达到熔点时的熔化现象，故名熔解温度熔点时的熔化现象，故名熔解温度狭窄性狭窄性：变性温度范围很小：变性温度

26、范围很小变性温度的特点第78页/共87页某些某些DNADNA的的Tm值值第79页/共87页DNA的Tm值大小与下列因素有关：（）DNA的均一性 均一性愈高的样品，熔解过程愈是发生在一个很小的温度范围内。（）GC之含量 GC含量越高，Tm值越高，成正比关系，这是GC对比A-T对更为稳定的缘故。所以测定Tm值可推算出GC对的含量。其经验公式为：GC（）（Tm69.3）2.44第80页/共87页（）介质中的离子强度 一般说来，在离子强度较低的介质中，DNA的熔解温度较低，熔解温度的范围也较窄。而在较高的离子强度的介质中，情况则相反。所以DNA制品应保存在较高浓度的缓冲液中或溶液中，故常在1 molL

27、的NaCl中保存。RNA分子中有局部的双螺旋区，所以RNA也可发生变性，但Tm值较低，变性曲线也不那么陡。第81页/共87页1、DNA复性的概念 变性DNA在适当条件下，又可使两条彼此分开的链重新缔合成为双螺旋结构，这一过程称为复性。热变性DNA经缓慢冷却后即可复性，也称为退火 DNA复性速度受温度的影响。复性时温度缓慢下降才可使其重新配对复性。如加热后将其迅速冷却至4 以下，则不可能发生复性。比Tm低25为DNA复性的最佳条件。二、核酸的复性第82页/共87页第83页/共87页第84页/共87页第85页/共87页三、分子杂交 定义：在退火条件下，不同来源的DNA互补区形成氢键，或DNA单链和RNA链的互补区形成DNA-RNA杂合双链的过程。第86页/共87页感谢您的观看！第87页/共87页