核酸的化学学习.pptx

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1、 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（nucleicacid）。193040年，Kossel&Levene等确定核酸的组分：核酸脱氧核糖核酸（deoxyribonucleicacid，DNA）核糖核酸（ribonucleicacid，RNA）“四种核苷酸假说”：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。第1页/共82页20世纪40年代末，Avery 的“肺炎双球菌转化”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，致病有荚膜，不致病

2、第2页/共82页1869年年 Fridrich Miescher从脓细胞中提取从脓细胞中提取“核素核素”1944年年 Avery等人等人证实证实DNA是遗传物质是遗传物质1953年年 Watson和和Crick发现发现DNA的双螺旋结构的双螺旋结构1968年年 Nirenberg发现发现遗传密码遗传密码1975年年 Temin和和Baltimore发发现现逆转录酶逆转录酶1981年年 Gilbert和和Sanger建建立立DNA 测序方法测序方法1985年年 Mullis发明发明PCR 技术技术1990年年 美国启动美国启动人类基因组计划人类基因组计划(HGP)1994年年 中国人类基因组计划

3、启动中国人类基因组计划启动2001年年 美、英等国美、英等国完成人类基因组计划基本框架完成人类基因组计划基本框架 核酸的发现和研究工作进展 第3页/共82页除少数病毒（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）的结构差别，使得其所含蛋白质（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，并指导蛋白质的合成。中心法则:DNA RNA Protein(生物功能)翻译转录反转录第4页/共82页核酸的分类及分布、功能 脱氧核糖核酸 90%以上分布于细胞核，其余分 (d deoxyribo

4、eoxyribon nucleic ucleic 布于核外如线粒体，叶绿体，质 a acid,DNA)cid,DNA)粒,基粒(5%)(5%)等。携带遗传信息,决定细胞和 个体的基因型(genotype)。核糖核酸 分布于胞核(10%)(10%)、胞液(90%),(90%),(r riboibon nucleic ucleic 参与细胞内DNA遗传信息的表达,a acid,RNA)cid,RNA)某些病毒RNA也可作为遗传信息 的载体。核酸第5页/共82页二、核酸的组成成分及连接方式(一一)、元素组成元素组成主要元素组成：C、H、O、N、P(911%)与蛋白质比较，核酸一般不含S，而P的含量较

5、为稳定，占9-11%。(二)、基本构成单位：核苷酸(nucleotide)核苷酸由戊糖、磷酸和含氮碱三部分构成第6页/共82页 核酸 nucleic acid(多核苷酸)核苷酸 nucleotide(单核苷酸)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 deoxyribose（戊糖 amyl sugar）核酸连续水解的降解产物第7页/共82页（三）戊 糖(核糖和脱氧核糖)第8页/共82页OHOH2COHOHOH12OHOH2COHHOH12-D-2-核糖-D-2-脱

6、氧核糖O核糖+H+糠醛甲基间苯二酚FeCl3绿色产物脱氧核糖+H+-羟基-酮戊醛二苯胺蓝色产物RNA和DNA定性、定量测定第9页/共82页（三）嘌呤碱和嘧啶碱NNNNHHHHNNNNHHHH123 456789嘌呤NH2腺嘌呤adenine（A）NNNNHHHHOH2N鸟嘌呤guanine（G）第10页/共82页NNHHHH嘧啶123456NNHHHHNH2OH胞嘧啶Cytosine（C）NNHHHHOOHH尿嘧啶uracil（U）NNHHHHOOHHCH3胸腺嘧啶thymine（T）第11页/共82页 胺式亚胺式互变异构第12页/共82页 酮式烯醇式互变异构第13页/共82页NNOOHHH酮

7、式HNNOOHHH酮式HHH烯醇式第14页/共82页第15页/共82页碱基的结构特征碱基的结构特征嘌呤碱和嘧啶碱分子中都含有共轭双键体系，在紫外区有吸收（260 nm左右）。第16页/共82页（四）核苷OHOH2COHOHOH12345核糖NNNNHHHH9腺嘌呤腺苷（A）糖与碱基之间的C-N键，称为C-N糖苷键第17页/共82页 糖与碱基之间的C-N键，称为C-N糖苷键第18页/共82页OHOH2COHOHOH12345核糖OHOH2COHOH12345核糖NNOOHHH尿嘧啶H1尿苷NCOONHHH51OH假尿苷（）第19页/共82页核苷酸(ribonucleotide)的结构与命名核苷和

8、磷酸以磷酸酯键连接第20页/共82页第21页/共82页（五）核苷酸OHOH2COHOHOH12345核糖NNNNHHHH9腺嘌呤胸苷PO-O胸苷-5-磷酸AMPOPO-OADPATPPO-oO O第22页/共82页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：ATP能量“货币”UTP参加糖的互相转化与合成CTP参加磷脂的合成GTP参加蛋白质和嘌呤的合成第二信使cAMP第23页/共82页cAMP(3,5-环化腺苷酸)和cGMP(3,5-环化鸟苷酸)的主要功能是作为细胞的第二信使。cAMP和cGMP的环状磷酯键是一个高能键。在pH7.4,cAMP和c

9、GMP的水解能约为43.9 KJ/mol，比ATP水解能高得多。cAMP和cGMP第24页/共82页OHO-OOCH2TO=PO-35OHOHO-OOCH2GO=PO-35OHOOCH2OHOHAO=POO-35351PPPOHATGpGpTpAOHpG-T-ApGTA(六)核酸的连接方式第25页/共82页第26页/共82页三、DNA核酸的结构第27页/共82页（一）DNA的一级结构（primary structure）DNA的一级结构:一级结构是指核酸分子中核苷酸的排列顺序及连接方式。核苷酸的排列顺序代表了遗传信息。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

10、认为是碱基序列（basesequence)。1 1、核苷酸的连接方式：3 3,5,5 磷酸二酯键2 2、核酸的基本结构形式：多核苷酸链 (1)(1)信息量：4n4n (2)(2)末端：5 5 端、3 3 端 (3)(3)多核苷酸链的方向：55端3 3 端(由左至右)3 3、表示方法：结构式、线条式、文字缩写第28页/共82页第29页/共82页（二）DNA的空间结构 DNA的二级结构（secondary structure）碱基组成规则(Chargaff(Chargaff规则)A=T，G=C；A+G=T+C(嘌呤与嘧啶的总数相等)有种属特异性 无组织、器官特异性 不受年龄、营养、性别及其他环境等

11、影响第30页/共82页DNADNA分子由两条DNADNA单 链组成。DNADNA的双螺旋结构是 分子中两条DNADNA单链 之间基团相互识别和 作用的结果。双螺旋结构是DNADNA二 级结构的最基本形式。DNADNA双螺旋结构的特点双螺旋结构的特点double helix model 第31页/共82页 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。

12、第32页/共82页DNADNA双螺旋结构的要点双螺旋结构的要点（1 1）DNADNA分分子子由由两两条条多多聚聚脱脱氧氧核核糖糖核核苷苷酸酸链链(简简称称DNADNA单单链链)组组成成。两两条条链链沿沿着着同同一一根根轴轴平平行行盘盘绕绕，形形成成右右手手双双螺螺旋旋结结构构。螺螺旋旋中中的的两两条条链链方方向向相相反反，即即其其中中一一条条链链的的方方向向为为5 5 端端3 3 端端，而而另另一一条条链链的的方方向向为为3 3 端端5 5 端。端。第33页/共82页（2 2）嘌呤和嘧啶）嘌呤和嘧啶 碱基位于螺旋的碱基位于螺旋的 内侧，磷酸和脱内侧，磷酸和脱 氧核糖基位于螺氧核糖基位于螺 旋外

13、侧。碱基环旋外侧。碱基环 平面与螺旋轴垂平面与螺旋轴垂 直，糖基环平面直，糖基环平面 与碱基环平面成与碱基环平面成 9090角。角。第34页/共82页第35页/共82页第36页/共82页（3）螺旋横截面 的直径约为2nm，每条链相邻两个 碱基平面之间的 距离为0.34 nm，每10个核苷酸形 成一个螺旋，其 螺矩（即螺旋旋 转一圈的高度）为3.4 nm。第37页/共82页（4）维持两条DNA链相互结合的力是链间碱基对形成的氢键。碱基结合具有严格的配对规律:A与T结合，G与C结合，这种配对关系，称为碱基互补。A和T之间形成两个氢键，G与C之间形成三个氢键。在DNA分子中，嘌呤碱基的总数与嘧啶碱基

14、的总数相等。第38页/共82页第39页/共82页（5）螺旋表面形成大沟(major groove)及小沟(minor groove)，彼此相间排列。小沟较浅；大沟较深，是蛋白质识别DNA碱基序列的基础。（6）氢键维持双链横向稳定性，碱基堆积力维持双链纵向稳定性。第40页/共82页DNA双螺旋结构的稳定性1.DNA1.DNA双螺旋结构在生理条件下很稳定。2.2.维持这种稳定性的因素包括：两条DNADNA链之间形成的（1 1）氢键（较弱）；（2 2）碱基堆积力(base stacking forcebase 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

15、DNADNA最重要的因素；（3 3）离子键（减少双链间的静电斥力）。3.双螺旋结构内部形成的疏水区，消除了介质中水分子对碱基之间氢键的影响；4.介质中的阳离子（如Na+、K+和Mg2+）中和了磷酸基团的负电荷，降低了DNA链之间的排斥力等。5.5.改变介质条件和环境温度，将影响双螺旋的稳定性。第41页/共82页DNA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DNA-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

16、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。第42页/共82页 DNA double helix类型helix type bp/turn rotation/bp vertical rise/bp helical d A 11 +34.7 2.56A 23A B 10 +34.0 3.38A 19A C 9.33 +38.6 3.32A 19A Z 12 -30.0 5.71A 18A D 2.43A 16AC-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-

17、DNA和A-DNA的转化中间物。D-DNA：60%相对湿度，DNA中A、T序列交替的域。每个螺旋含8个bp，螺距2.43nm，碱基平面倾斜16。第43页/共82页第44页/共82页第45页/共82页第46页/共82页第47页/共82页第48页/共82页（三）DNA的三级结构线形分子、双链环状(dcDNA)超螺旋、染色体包装第49页/共82页染色体包装的结构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 第50页/共82页环状DNA的不同构象第51

18、页/共82页核小体结构（示意图）第52页/共82页染色体包装结构模型第53页/共82页第54页/共82页四、DNA与基因组织DNATranscriptionRNA（mRNA、tRNA、rRNA）TranslationProtein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（一）DNA与基因第55页/共82页（二）原核生物基因组的特点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第56页/共82页（三）真核生物基因组的特点1.重复序列单拷贝序列:在整个D

19、NA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DNA（satelliteDNA）富含A-T富含G-C主体DNA第57页/共82页2.有断裂基因mRNA1872bp内含子（intron)：基因中不为多肽编码，不在mRNA中出现。ABCDEG7700bpF外显子（exons）：为多肽编码的基因片段。：由于基因中内含子的存在。例外：组蛋白基因(histongene)和干扰素基因(

20、interferongene)没有内含子。transcription第58页/共82页五、RNA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）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：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。第59页/共82页第60页/共82页主要特征：

21、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。第61页/共82页第62页/共82页第63页/共82页（二）rRNA占细胞RNA总量的80%，与蛋白质（40%）共同组成核糖体。原 核 生 物真 核 生 物核糖体rRNA核糖体rRNA70S（30S、50S）16S、5S、23S80S（40S、60S）18S、5S、5.8S、28S第64页/共82页（三）mRNA与hnRNAmRNA约占细胞RNA总量的35%，是蛋白质合成的模板。真核生

22、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）snRNA和asRNAsnRNA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。第65页/共82页（五）RNA的其它功能1981年，Cech发现RNA的催化活性，提出核酶（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。23SrR

23、NA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，与某写物质的运输与定位有关。第66页/共82页六、核酸的性质（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。（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）。第67页/共82页核酸的光吸收值比各核苷酸光吸收值的和少3040%，当核酸

24、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82页（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：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。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(meltingtemperature,Tm)。TmTm第69页/共82页影响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的

25、能力。（4）变性剂如甲酰胺、尿素、甲醛等破坏氢键，妨碍碱基堆积，使Tm下降。第70页/共82页（五）核酸的复性（退火）：变性核酸的互补链在适当条件下重新缔合成双螺旋的过程。影响复性速度的因素：（1）单链片段浓度（2）单链片段的大小（3）片段内重复序列的多少（4）溶液离子强度的大小（5）溶液温度的高低（T25）第71页/共82页（六）分子杂交：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。探针：用放射性同位素或荧光标记的DNA或RNA片段。原位杂交技术：直接用探针与菌落或组织细胞中的核酸杂交，未改变核酸所在的位置。点杂交：将核酸直接

26、点在膜上，再与核酸杂交。Southern印迹法：将电泳分离后的DNA片段从凝胶转移到硝酸纤维素膜上，再进行杂交。Northern印迹法：将电泳分离后的RNA吸印到纤维素膜上再进行分子杂交。第72页/共82页七、核酸的序列测定目前多采用Sanger的酶法和Gilbert的化学法OHOH2CHHOH12345核糖NNNNHHHH9腺嘌呤ddATPPP P第73页/共82页CCGGTAGCAATT35模板引物GG53GGCGGCCGGCCATCCddCTPGGCCAGGCCATCGTTGAddATPAGGCCATCGGGCCATCGTTGGddGTPGGCCATGGCCATCGTGGCCATCGTT

27、TddTTPCCATCGTTGA53第74页/共82页八、核酸的生物学功能和实践意义核酸是基本遗传物质，在蛋白质的生物合成上又占有重要位置，因而在个体的生长、生殖、遗传、变异和转化等一系列生命现象中起决定性作用。（一）核酸与遗传信息的传递1.DNA是基本遗传物质有了一定结构的DNA，才能产生一定结构的蛋白质，由一定结构的蛋白质才有一定形态和生理特征，所以根据DNA的特定遗传密码产生的蛋白质就代表特定生物的遗传性。在遗传过程中DNA的具体作用的具体作用：（1）在细胞分裂时按照自己的结构精确复制传给后代；（2）作为模板将所贮遗传信息传给mRNA。第75页/共82页2.RNA在传递遗传信息上的作用m

28、RNA是蛋白质合成的模板；tRNA识别mRNA上的遗传密码，转运特定氨基酸到核糖体上合成肽链；rRNA是核糖体的主要成分，是翻译工作的场所。（二）核酸与蛋白质的生物合成DNA转录为mRNA是有选择的，tRNA和rRNA也是DNA的转录产物。（三）核酸结构改变与生物变异一切生物的变异和进化都可以说是由于DNA的结构改变而引起蛋白质改变的结果。第76页/共82页生物遗传的变异起源于DNA碱基配对的改变，有的由于DNA碱基的颠倒（如TA被颠倒为AT）或被调换（如GC被换为TA）；有的由于在DNA复制过程中被遗漏了一对或多了一对核苷酸，或者在转译时发生了差误，如氨酰tRNA合成酶错将一个结构与正常氨基

29、酸十分相似的物质交给tRNA。还有一些生物的遗传性状发生了突变。（四）DNA与细菌转化一种细菌的遗传性状因吸收了另一种细菌的DNA而发生改变的现象，称为细菌的转化。（五）核酸与病变遗传性疾病是由于遗传缺陷而产生的，也就是DNA结构改变的结果。镰刀型红细胞贫血和白化病(albinism)。第77页/共82页病毒对活细胞的侵染是寄主发生疾病，主要是由于核酸的的作用。流感、肝炎、带状疱疹、脊髓灰质炎、白血病、烟草斑纹病。（六）遗传工程遗传工程是用人工方法改组DNA，从而培育新型生物品种的技术。实验室中将细菌作材料研究遗传工程过程可分为：（1）重组DNA分子（基因重组）；（2）将重组DNA引入受体细胞

30、（转化或转导）。有利：（1）有可能培育出高产抗病、耐旱、耐寒、耐盐碱的优良性能的动植物新品种；（2）改良微生物品种使产生人工难以制得的生物活性物质如胰岛素、干扰素等；（3）解决某些疾病病因和控制这些疾病。第78页/共82页不利：引起某些疾病的广泛流行和使某些细菌失去对抗菌素的敏感性，或者使某些酶或激素失去应有的生物活性等。（七）克隆与克隆化由单一亲代细胞用无性繁殖产生的子代细胞称克隆，形成克隆的过程称克隆化。第79页/共82页提要本章主要介绍核酸的化学本质、结构和功能。总的要求是：1.了解核酸的化学本质及DNA和RNA在组分、结构和功能上的差异。2.弄清嘌呤、嘧啶、核苷、核苷酸和核酸在分子结构上的关系。3.了解核酸的结构和它们的性质、功能的相互关系。认识核酸在生物科学上的重要性及其实践意义。第80页/共82页注意：（1）核苷酸是核酸的基本组成单位，应以腺苷酸和胞苷酸为代表，彻底弄清核苷酸的化学结构和化学性质。结合有机化学把嘌呤和嘧啶的基本结构搞清楚，同时把核酸中存在的A、T、U、C、G的结构记熟。（2）注意嘌呤、嘧啶同核糖在哪个部位连接成核苷，核苷如何同磷酸连接成核苷酸，核苷酸又如何连接成一级结构的核苷酸链。要特别注意核酸的二、三级结构中碱基的配对规律。（3）从分析比较核酸分子的组成和结构上的特点，进而联系它们的性质和生物功能。第81页/共82页感谢您的观看。第82页/共82页