动物生化第八章,核酸的化学结构.ppt
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1、第八章 核酸的化学结构讲授内容第一节 核酸的化学组成与结构第二节 RNA分子的结构教学目标v v了解主要的嘌呤、嘧啶、核苷、核苷了解主要的嘌呤、嘧啶、核苷、核苷酸的结构。酸的结构。v v掌握掌握DNADNA和和RNARNA在组成、结构和功能在组成、结构和功能上的差异。上的差异。v v掌握掌握DNADNA双螺旋模型的要点,以及模双螺旋模型的要点,以及模型在生物学上的意义。型在生物学上的意义。核酸的概述 核酸是生物体的基本组成物质,是重要的生物核酸是生物体的基本组成物质,是重要的生物大分子,从高等的动、植物到简单的病毒都含有核大分子,从高等的动、植物到简单的病毒都含有核酸。酸。核酸的发现v v18
2、681868年,瑞士的内科医生年,瑞士的内科医生F.MiescherF.Miescher从脓细胞核中从脓细胞核中提取到一种富含磷元素的酸性化合物,将其称为提取到一种富含磷元素的酸性化合物,将其称为“核素核素”(nucleinnuclein,脱氧核糖核蛋白,脱氧核糖核蛋白)v v18891889年,年,AltamannAltamann将其纯化,把其中不含蛋白的将其纯化,把其中不含蛋白的酸性物质成分称为酸性物质成分称为“核酸核酸”(nucleic acid)(nucleic acid)核酸的种类、分布v v 脱氧核糖核酸 脱氧核糖核酸(d deoxyribo eoxyribon nucleic u
3、cleic a acid,cid,DNA DNA)在 在真 真核 核细 细胞 胞中 中DNA DNA主 主要 要存 存在 在于 于细 细胞 胞核 核内 内,DNA DNA与 与组 组蛋白结合形成染色体 蛋白结合形成染色体 少量的 少量的DNA DNA存在于核外的线粒体、叶绿体中 存在于核外的线粒体、叶绿体中v v 核糖核酸 核糖核酸(r ribo ibon nucleic ucleic a acid,RNA)cid,RNA)RNA RNA主 主要 要存 存在 在于 于细 细胞 胞质 质中 中,微 微粒 粒体 体含 含量 量最 最多 多,线 线粒 粒体含少量 体含少量 在细胞核中也含有少量的 在
4、细胞核中也含有少量的RNA RNA,集中于核仁,集中于核仁 病 病毒 毒只 只含 含DNA DNA或 或RNA RNA,不 不可 可能 能即 即含 含DNA DNA又 又含 含RNA RNA,所以有的是,所以有的是DNA DNA病毒,有的是 病毒,有的是RNA RNA病毒。病毒。核酸的生物学功能 核酸最为重要的作用是遗传的作用 在二十世纪的上半叶,人们建立了基因遗传的染色体理论,认为基因存在于染色体上。但没有对基因的化学本质作出回答。细菌的转化试验v v19281928年英国年英国Frederick GriffithFrederick Griffith的肺炎双球菌转化试的肺炎双球菌转化试验验
5、v vGriffithGriffith认为认为“死细菌可能提供了死细菌可能提供了某些特异性的蛋白某些特异性的蛋白质质原料,使原料,使RR型细菌能够制造夹膜型细菌能够制造夹膜”。v v 1944 1944年 年,Avery Avery等用生物化学方法证明这 等用生物化学方法证明这种 种引起转化的物质是 引起转化的物质是DNA DNAv v 他们将 他们将S S 型细菌的 型细菌的DNA DNA提取物与 提取物与R R 型 型细菌混合在一起,在离体培养条件下,成 细菌混合在一起,在离体培养条件下,成功的使少数 功的使少数R R 型细菌定向转化为 型细菌定向转化为S S 型细 型细菌 菌v v 19
6、57 1957年,年,Heinaz Heinaz Fraenki-Conrat Fraenki-Conrat和 和B.Singre B.Singre烟草花叶病毒 烟草花叶病毒试验 试验基因基因必须表现三种基本的功能必须表现三种基本的功能:遗传功能即基因的复制表型功能即基因的表达进化功能即基因的变异v v核酸核酸的功能与上述要求相对应的功能与上述要求相对应自我复制转录、翻译突变第一节 核酸的化学组成与结构 脱氧核糖核酸 脱氧核糖核酸(DNA)(DNA)核酸 核酸 核糖核酸 核糖核酸(RNA)(RNA)组蛋白 组蛋白染色体 染色体 蛋白质 蛋白质 非组蛋白 非组蛋白 少量的类脂与无机物质 少量的类
7、脂与无机物质27%6%66%一、核酸的化学组成 若将核酸(DNA或RNA)逐步水解,则可生成多种中间产物。1、碱基嘧啶碱 嘌呤碱2、戊糖3、核 苷v v 由一个戊糖和一个碱基缩合成 由一个戊糖和一个碱基缩合成 戊 戊糖 糖的 的第 第1 1位 位碳 碳原 原子 子与 与嘧 嘧啶 啶碱 碱的 的第 第1 1位 位氮 氮原 原子 子相连接 相连接 或嘌呤碱第 或嘌呤碱第9 9位氮原子相连接 位氮原子相连接v v RNA RNA中 中的 的核 核苷 苷称 称核 核糖 糖核 核苷 苷(或 或称 称核 核苷 苷),包括 包括 腺苷、鸟苷、胞苷和尿苷 腺苷、鸟苷、胞苷和尿苷 分别以 分别以A A、G G、
8、C C、U U表示 表示v v DNA DNA中的核苷称脱氧核糖核苷,包括 中的核苷称脱氧核糖核苷,包括 脱氧腺苷、脱氧鸟苷、脱氧胞苷和脱氧胸苷 脱氧腺苷、脱氧鸟苷、脱氧胞苷和脱氧胸苷 分 分别 别以 以dA dA、dG dG、dC dC、dT dT表 表示 示,“d”d”表 表示 示脱氧 脱氧核苷结构5、核苷酸5-腺苷酸(-AMP)两种核酸核苷酸的主要区别RNA DNA酸 酸 磷 磷 酸 酸 磷 磷 酸 酸糖 糖 D-D-核酸 核酸 D-2-D-2-脱氧核酸 脱氧核酸含 含氮 氮 碱 碱 嘌 嘌 呤 呤腺嘌呤 腺嘌呤 A A鸟嘌呤 鸟嘌呤 G G腺嘌呤 腺嘌呤 A A鸟嘌呤 鸟嘌呤 G G嘧
9、 嘧 啶 啶胞嘧啶 胞嘧啶 C C尿嘧啶 尿嘧啶 U U胞嘧啶 胞嘧啶 C C胸腺嘧啶 胸腺嘧啶T T糖环上连接磷酸的位置v v 天然核酸中只发现 天然核酸中只发现5 5连接磷酸的核苷酸 连接磷酸的核苷酸核苷酸的磷酸化v v 核苷酸分子都只含有一个磷酸基,故统称为核苷一磷酸 核苷酸分子都只含有一个磷酸基,故统称为核苷一磷酸(NMP)(NMP)v v 但 但5 5核苷酸的磷酸基都可进一步磷酸化形成相应的核苷二磷 核苷酸的磷酸基都可进一步磷酸化形成相应的核苷二磷酸 酸(NDP)(NDP)和核苷三磷酸 和核苷三磷酸(NTP)(NTP)二、DNA的分子结构1、DNA分子的大小、形状v v 天然存在的天
10、然存在的DNADNA分子最显著的特点是很长,分子分子最显著的特点是很长,分子质量很大,一般在质量很大,一般在101066-10-101010DD。大肠杆菌 大肠杆菌v v染色体由 染色体由400 400万碱基对 万碱基对(base pair(base pair,bp bp)组成的双螺旋 组成的双螺旋DNA DNA单分 单分子 子v v分子质量为 分子质量为2.610 2.6106 6v vDNADNA分子的形状分子的形状 DNA DNA有的呈双股 有的呈双股(double strand DNA(double strand DNA,dsDNA dsDNA)线型分 线型分子,有些为环状,也有少数呈
11、单股 子,有些为环状,也有少数呈单股(single strand(single strand,ssDNA ssDNA)环状 环状2、DNA的碱基组成v v DNA DNA分子中的碱基 分子中的碱基 主要是由腺嘌呤(主要是由腺嘌呤(A A)、鸟嘌呤()、鸟嘌呤(G G)、胞嘧啶()、胞嘧啶(C C)和胸腺嘧啶)和胸腺嘧啶(T T)四种碱基组成)四种碱基组成 少量的稀有碱基,如 少量的稀有碱基,如5 5甲基胞嘧啶(甲基胞嘧啶(m5C m5C)等)等v v DNA DNA的碱基组成符合 的碱基组成符合碱基摩尔比例规律(碱基摩尔比例规律(碱基当量定律 碱基当量定律)腺嘌呤与胸腺嘧啶的摩尔数相等,即 腺
12、嘌呤与胸腺嘧啶的摩尔数相等,即A A T T 鸟 鸟嘌 嘌呤 呤与 与胞 胞嘧 嘧啶 啶(包 包括 括5 5甲 甲基 基胞 胞嘧 嘧啶 啶)的 的摩 摩尔 尔数 数相 相等 等,即 即G G C C+m5C m5C 因 因此 此嘌 嘌呤 呤碱 碱基 基的 的总 总摩 摩尔 尔数 数等 等于 于嘧 嘧啶 啶碱 碱基 基的 的总 总数 数,即 即A A+G G T T+C C+m5C m5CDNA的碱基组成的特点v v 具有种的特异性 具有种的特异性 v v 没有器官和组织的特异性 没有器官和组织的特异性v v DNA DNA的碱基组成符合碱基摩尔比例规律 的碱基组成符合碱基摩尔比例规律v v 年
13、龄、营养状况、环境的改变不影响 年龄、营养状况、环境的改变不影响DNA DNA的碱基组成 的碱基组成3、DNA的一级结构v v概念概念 核酸的一级结构是指在其多核苷酸链中各个核苷酸之间的 核酸的一级结构是指在其多核苷酸链中各个核苷酸之间的连接方式、核苷酸的种类数量以及 连接方式、核苷酸的种类数量以及核苷酸的排列顺序 核苷酸的排列顺序v v意义意义 DNA DNA的遗传信息是由碱基的精确排列顺序决定的,生物的 的遗传信息是由碱基的精确排列顺序决定的,生物的遗传信息就储存于 遗传信息就储存于DNA DNA的核苷酸序列中 的核苷酸序列中v v7070年代后期,年代后期,SangerSanger和和G
14、ilbertGilbert等分别建立了等分别建立了DNADNA中中核苷酸顺序快速测定法,推动了核酸研究的进展核苷酸顺序快速测定法,推动了核酸研究的进展DNA分子的连接方式v v DNA DNA分子是由几千 分子是由几千到几干万个脱氧核 到几干万个脱氧核糖核苷酸线型联贯 糖核苷酸线型联贯而成的,没有分枝 而成的,没有分枝v v 联接的方式是在核 联接的方式是在核苷酸之间形成 苷酸之间形成3 3,5 5 磷酸二酯键 磷酸二酯键v v 形成的核苷酸链都 形成的核苷酸链都具一个 具一个5 5 端和一个 端和一个3 3 端 端4、DNA的二级结构v v 1953 1953年,瓦特森 年,瓦特森(Wats
15、on,J.D.)(Watson,J.D.)和克里 和克里克 克(Crick,F.)(Crick,F.)根据碱 根据碱基互补配对的规律以及 基互补配对的规律以及对 对DNA DNA分子的 分子的X X射线衍 射线衍射研究的成果,提出了 射研究的成果,提出了著名的 著名的DNA DNA双螺旋结 双螺旋结构模型 构模型v v 它是上世纪最重大的自 它是上世纪最重大的自然科学成果之一 然科学成果之一DNA分子特征v v 由两条 由两条平行 平行的多核苷酸链,以 的多核苷酸链,以相反的方向 相反的方向,围绕着同一个中心轴,以 围绕着同一个中心轴,以右手旋转 右手旋转方式构 方式构成一个双螺旋形状 成一个
16、双螺旋形状v v 疏水 疏水的嘌呤和嘧啶碱基平面层迭于螺旋的 的嘌呤和嘧啶碱基平面层迭于螺旋的内侧,内侧,亲水 亲水的磷酸基和脱氧核糖以磷酸二 的磷酸基和脱氧核糖以磷酸二酯键相连形成的骨架位于外侧 酯键相连形成的骨架位于外侧v v 内侧 内侧碱基 碱基呈平面状,碱基平面与中心轴相 呈平面状,碱基平面与中心轴相垂直。每个平面上有两个碱基 垂直。每个平面上有两个碱基(每条各一个 每条各一个)形成碱基对。相邻碱基平面在螺旋轴之间 形成碱基对。相邻碱基平面在螺旋轴之间的距离为 的距离为3.4nm 3.4nm。旋转夹角为。旋转夹角为36 36。因此每。因此每10 10对核苷酸绕中心轴旋转一圈,故螺旋的
17、对核苷酸绕中心轴旋转一圈,故螺旋的螺距为 螺距为34nm 34nmDNA分子特征v v 双螺旋的直径为 双螺旋的直径为2nm 2nm,沿螺,沿螺旋的中心轴形成 旋的中心轴形成大沟 大沟和 和小沟 小沟交替出现 交替出现v v 两条链被 两条链被碱基对 碱基对之间形成的 之间形成的氢键 氢键而稳定的维系在一起。而稳定的维系在一起。在 在DNA DNA中碱基总是由腺嘌呤 中碱基总是由腺嘌呤与胸腺嘧啶配对 与胸腺嘧啶配对(用 用AT AT表 表示 示),由鸟嘌呤与胞嘧啶配对,由鸟嘌呤与胞嘧啶配对(用 用GC)GC)表示 表示 特森和克里克提出的双螺旋构型称为 特森和克里克提出的双螺旋构型称为B B
18、DNA DNA B B DNA DNA是 是DNA DNA在生理状态下的构型 在生理状态下的构型 当 当DNA DNA在高盐浓度下时,则以 在高盐浓度下时,则以A A DNA DNA形式存在 形式存在 A A DNA DNA是 是DNA DNA的脱水构型,它也是右手螺旋,但每螺圈含 的脱水构型,它也是右手螺旋,但每螺圈含有 有11 11个核苷酸对。个核苷酸对。A A DNA DNA比较短和密。比较短和密。现在还发现,某些 现在还发现,某些DNA DNA序列可以左手螺旋的形式存在,序列可以左手螺旋的形式存在,称为 称为Z Z DNA DNA。DNA构型之变异5、DNA的三级结构DNA的三级结构指
19、双螺旋进一步扭曲真核生物的染色质 真核生物的染色质DNA DNA,以染色质形式存在于细胞核中,以染色质形式存在于细胞核中三、DNA的一些性质1.1.DNA DNA微溶于水,呈酸性,加碱促进溶解,但不溶于有机溶 微溶于水,呈酸性,加碱促进溶解,但不溶于有机溶剂。剂。2.2.由于 由于DNA DNA分子很长,形成溶液后呈现粘稠状,分子很长,形成溶液后呈现粘稠状,DNA DNA愈长粘 愈长粘稠度愈大。在加入乙醇后可用玻璃棒将粘稠的 稠度愈大。在加入乙醇后可用玻璃棒将粘稠的DNA DNA搅缠起 搅缠起来。来。3.3.DNA DNA的溶液是呈粘稠状,但 的溶液是呈粘稠状,但DNA DNA的双螺旋结构实际
20、上显得 的双螺旋结构实际上显得僵直具有刚性,经不起剪切力的作用,易断裂成碎片。这 僵直具有刚性,经不起剪切力的作用,易断裂成碎片。这也是目前难以获得完整大分子 也是目前难以获得完整大分子DNA DNA的原因。的原因。4.4.溶液状态的 溶液状态的DNA DNA易受 易受DNA DNA酶作用而降解。抽干水分的 酶作用而降解。抽干水分的DNA DNA性质却十分稳定。性质却十分稳定。v v核酸的变性 核酸的变性是指氢键的断裂,是指氢键的断裂,DNA DNA的双螺旋结构分开,成为 的双螺旋结构分开,成为两条单链的 两条单链的DNA DNA分子,即改变了 分子,即改变了DNA DNA的二级结构,但并不破
21、 的二级结构,但并不破坏一级结构。坏一级结构。v v 如加热、加酸、加碱、改变溶液的 如加热、加酸、加碱、改变溶液的pH pH,加乙醇、丙酮或尿,加乙醇、丙酮或尿素等有机溶剂或试剂,都可引起变性。素等有机溶剂或试剂,都可引起变性。v v变性后的 变性后的DNA DNA,其生物活性丧失,其生物活性丧失(如细菌 如细菌DNA DNA的转化活性明 的转化活性明显下降 显下降),同时发生一系列理化性质的改变。,同时发生一系列理化性质的改变。粘度下降;粘度下降;沉降系数增加;沉降系数增加;比旋下降;比旋下降;紫外光吸收值升高(紫外光吸收值升高(增色效应 增色效应)。)。5、变性解链温度Tm 通常将 通常
22、将50 50的 的DNA DNA分子发生变性时的温度称为解链温度,一般用 分子发生变性时的温度称为解链温度,一般用“Tm Tm”符号表示。符号表示。DNA DNA的 的Tm Tm值一般在 值一般在70 70一 一85 85 之间 之间。6、光吸收v v 核酸中的嘌呤、嘧啶都具有共轭的双键,在 核酸中的嘌呤、嘧啶都具有共轭的双键,在260nm 260nm处对紫外光 处对紫外光有一个最大吸收峰 有一个最大吸收峰v v DNA DNA变性后,在 变性后,在260nm 260nm处的紫外光吸收值升高,称为 处的紫外光吸收值升高,称为增色效 增色效应 应 由于双螺旋分子碱基相互堆积,加以氢键的吸引而处于
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- 动物 生化 第八 核酸 化学 结构
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