生物化学 第二章 核酸化学.ppt
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1、第二章 核酸化学,Nucleic Acids,第二章 核酸的化学,核酸的概念和重要性,核酸的组成成分,DNA的结构,DNA和基因组,RNA的结构和功能,核酸的性质,核酸的序列测定,第一节 概 述,核酸(nucleic acid) 以核苷酸为基本组成单位的生物大分子,携带和传递遗传信息。 DNA(Deoxyribonucleic acid)脱氧核糖核酸 RNA(Ribonucleic acid) 核糖核酸,1868年 Fridrich Miescher从脓细胞中提取“核素” 1944年 Avery等人证实DNA是遗传物质 1953年 Watson和Crick发现DNA的双螺旋结构 1968年 N
2、irenberg发现遗传密码 1975年 Temin和Baltimore发现逆转录酶 1981年 Gilbert和Sanger建立DNA 测序方法 1985年 Mullis发明PCR 技术 1990年 美国启动人类基因组计划(HGP) 1994年 中国人类基因组计划启动 2001年 美、英等国完成人类基因组计划基本框架,一、核酸的发现和研究工作进展,1868年的某天瑞士的生物化学家米歇尔(Miescher)研究一个病人的绷带,小心地将绷带上粘着的病人伤口处的物质洗下来。洗脱物中含有许多脓细胞。他向其中加入酒精,将细胞中的脂肪类物质除去,之后又加入含有胃蛋白酶的提取液清除各种杂蛋白,这样,他就可
3、以拿到纯的浓细胞的细胞核了。于是米歇尔开始研究这些核。结果他意外地发现核中有一种从未认识到的新物质,并起名为“核素”。这就是现在我们知道的DNA。 经过后人的研究,核素为酸性物质,含有三种成分:糖、磷酸、有机碱。又发现糖少了一个氧。称之为脱氧核糖。,米歇尔的发现,哪些人用什么方法最终证明了 遗传的物质基础是DNA呢?,1.格里菲斯经典转化实验(1928)及埃弗里、麦克劳德、麦卡蒂等人的转化补充实验(1941)。 2.赫西和蔡斯大肠杆菌T2噬菌体感染大肠杆菌实验。,格里菲斯肺炎双球菌转化实验,将R型活菌注入小鼠体内,一段时间后,将S型活菌注入小鼠体内,一段时间后,将杀死的S型菌注入小鼠体内,一段
4、时间后,将R型活菌与杀死的S型菌注入小鼠体内,一段时间后,细菌发生转化,性状的转化可以遗传。,埃弗里、麦克劳德、麦卡蒂转化补充实验,从S型肺炎球菌活体上取得蛋白质、荚膜、DNA、RNA,分别与R型肺炎球菌混合后注入到小白鼠体内,结果被注入DNA的小白鼠死亡,其它小白鼠存活。,DNA 是 遗 传 物 质,只 有DNA引 起 R 型 肺 炎 球 菌 转 化,赫西和蔡斯实验噬菌体侵染细菌的实验,用放射性同位素35S标记外壳蛋白质,细菌内无放射性,用放射性同位素32P标记内部DNA,细菌内有放射性,DNA是真正的遗传物质,DNA主要的遗传物质,注:DNA不是唯一的遗传物质,较少的微生物也靠RNA进行遗
5、传。,二、核酸的分类及分布、功能,(deoxyribonucleic acid, DNA),(ribonucleic acid, RNA),脱氧核糖核酸,核糖核酸,90%以上分布于细胞核,其余分布于核外如线粒体,叶绿体,质粒等。,主要存在于细胞质中,携带遗传信息,决定细胞和个体的基因型(genotype)。,从DNA转录遗传信息,并指导蛋白质的合成。某些病毒RNA也可作为遗传信息的载体。,第二节 核酸的组成,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的含量较为稳定,占9-11%。,基本构成单位:核苷酸(nucleotide),核苷酸由戊糖、磷酸
6、和含氮碱基三部分构成,5-磷酸核苷酸的基本结构,(N = A、G、C、U、T),H,H,(O)H,1,2,N,OH,CH2,H,H,5,4,3,P,O-,O,O,O-,核糖,磷酸,碱基,组成核酸的戊糖有两种。DNA所含的糖为 -D-2-脱氧核糖;RNA所含的糖则为-D-核糖。,(一)、戊糖,(二)组成核酸的碱基,腺嘌呤Adenine,组成核酸的碱基,鸟嘌呤guanine,组成核酸的碱基,尿嘧啶uracil,组成核酸的碱基,胞嘧啶cytosine,组成核酸的碱基,胸腺嘧啶thymine,碱 基,碱基的结构特征,碱基都具有芳香环的结构特征。嘌呤环和嘧啶环均呈平面或接近于平面的结构。 碱基的芳香环与
7、环外基团可以发生酮式烯醇式或胺式亚胺式互变异构。,酮式烯醇式互变异构,胺式 亚胺式互变异构,(三)、核苷(nucleoside),核苷 戊糖+碱基 糖与碱基之间的C-N键,称为C-N糖苷键,腺 苷,尿苷,OH,假尿苷(),假尿苷() 次黄苷(肌苷)I 黄嘌呤核苷 X 二氢尿嘧啶核苷 D 取代核苷的表示方式 7-甲基鸟苷 m7G,Adenosine Guanosine Cytidine Uridine,2、稀有核苷酸:稀有碱基/核苷/核苷酸,3、核苷酸的其他形式,多磷酸核苷(NDP、NTP),环化核苷酸(cAMP、cGMP等),辅酶或辅基(NAD、NADP、FAD、CoA等,均含有AMP),,活
8、性代谢物(UDPG、CDP-胆碱,等),1、核苷酸的组成:含氮碱基、戊糖和磷酸。,(四)核苷酸nucleotide,核苷酸是核苷的磷酸酯。作为DNA或RNA结构单元的核苷酸分别是5-磷酸-脱氧核糖核苷酸和5-磷酸-核糖核苷酸。核苷酸 核苷+磷酸 戊糖+碱基+磷酸,1 核苷酸的组成,常见(脱氧)核苷酸的结构和命名,鸟嘌呤核苷酸(GMP),尿嘧啶核苷酸(UMP),胞嘧啶核苷酸(CMP),腺嘌呤核苷酸(AMP),脱氧腺嘌呤核苷酸(dAMP),脱氧鸟嘌呤核苷酸(dGMP),脱氧胞嘧啶核苷酸(dCMP),脱氧胸腺嘧啶核苷酸(dTMP),2.稀有核苷酸,修饰成分,核酸中也存在一些不常见的稀有碱基。稀有碱基
9、的种类很多,大部分是上述碱基的甲基化产物。,3 核苷酸的其他形式,ATP是生物体内分布最广和最重要的一种核苷酸衍生物。它的结构如下:,(1) ATP (腺嘌呤核糖核苷三磷酸),P,-O,腺苷-5-磷酸,O,ATP的性质,ATP 分子的最显著特点是含有两个高能磷酸键。ATP水解时, 可以释放出大量自由能。 ATP 是生物体内最重要的能量转换中间体。ATP 水解释放出来的能量用于推动生物体内各种需能的生化反应。 ATP 也是一种很好的磷酰化剂。磷酰化反应的底物可以是普通的有机分子,也可以是酶。磷酰化的底物分子具有较高的能量(活化分子),是许多生物化学反应的激活步骤。,GTP (鸟嘌呤核糖核苷三磷酸
10、),GTP是生物体内游离存在的另一种重要的核苷酸衍生物。它具有ATP 类似的结构, 也是一种高能化合物。 GTP主要是作为蛋白质合成中磷酰基供体。在许多情况下, ATP 和 GTP 可以相互转换。,(2)cAMP 和 cGMP,cAMP(3,5- 环腺嘌呤核苷一磷酸)和 cGMP( 3,5-环鸟嘌呤核苷一磷酸)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 pH 7.4 条件下, cAMP 和 cGMP 的水解能约为43.9 kj /mol,比 ATP 水解能高得多。,环化磷酸化,cAMP,cGMP,(3)辅酶或辅基,作为核酸的单体: 各种核苷三磷酸和脱
11、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,酶的辅助因子的结构成分(如NAD),(五)核苷酸的连接方式,多聚核苷酸是通过一个核苷酸的C3-OH 与另一分子核苷酸的5-磷酸基形成3,5-磷酸二酯键相连而成的链状聚合物。 由脱氧核糖核苷酸聚合而成的称为DNA链; 由核糖核苷酸聚合而成的则称为RNA链。,核酸分子中核苷酸之间的共价键,3 -5 磷酸二酯键,5-磷酸端(常用5-P表示);3-羟基端(常用3-OH表示) 多聚核苷酸链具有方向性,当表示
12、一个多聚核苷酸链时,必须注明它的方向是53或是35。,多聚核苷酸的表示方式,DNA RNA,在多聚核苷酸(DNA或RNA)链中,由于构成核苷酸单元的戊糖和磷酸基是相同的,体现核苷酸差别的实际上只是它所带的碱基,所以多聚核苷酸链结构也可表示为:,在讨论有关核酸问题时,一般只关心其中碱基的种类和顺序,所以上式可以进一步简化为: 5PAPCPGPCPTPGPTPA 3 或 5 ACGCTGTA 3,3,5,1,P,P,P,OH,A,T,G,pGpTpAOH,pG-T-A,pGTA,概 述,核酸(nucleic acid) 以核苷酸为基本组成单位的生物大分子,携带和传递遗传信息。 DNA(Deoxyr
13、ibonucleic acid)脱氧核糖核酸 RNA(Ribonucleic acid) 核糖核酸,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的含量较为稳定,占9-11%。,基本构成单位:核苷酸(nucleotide),核苷酸由戊糖、磷酸和含氮碱基三部分构成,核苷(nucleoside),核苷 戊糖+碱基 糖与碱基之间的C-N键,称为C-N糖苷键,尿苷,OH,假尿苷(),核苷酸是核苷的磷酸酯。作为DNA或RNA结构单元的核苷酸分别是5-磷酸-脱氧核糖核苷酸和5-磷酸-核糖核苷酸。核苷酸 核苷+磷酸 戊糖+碱基+磷酸,核苷酸的组成,核苷酸的连接方
14、式,多聚核苷酸是通过一个核苷酸的C3-OH 与另一分子核苷酸的5-磷酸基形成3,5-磷酸二酯键相连而成的链状聚合物。 由脱氧核糖核苷酸聚合而成的称为DNA链; 由核糖核苷酸聚合而成的则称为RNA链。,5-磷酸端(常用5-P表示);3-羟基端(常用3-OH表示) 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53或是35。,多聚核苷酸的表示方式,DNA RNA,第三节 核酸的分子结构,一、一级结构(primary structure),一级结构是指DNA分子中脱氧核苷酸的排列顺序。核苷酸的排列顺序代表了遗传信息。,1、核苷酸的连接方式: 3, 5磷酸二酯键,2、核酸的基本结
15、构形式:多核苷酸链,信息量:4n 末端: 5 端、 3端 多核苷酸链的方向: 5端3端(由左至右),3、表示方法:结构式、线条式、文字缩写,DNA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DNA分子中四种核苷酸千变万化的不同排列组合之中。,字母式,线条式,结构式,DNA一级结构的表示法,二、DNA的二级结构 双螺旋模型(double helix model),1953年,J. Watson和F. Crick 在前人研究工作的基础上,根据DNA结晶的X-衍射图谱和分子模型,提出了著名的DNA双螺旋结构模型,并对模型的生物学意义作出了科学的解释和预测。 在DNA分子中,嘌呤
16、碱基的总数与嘧啶碱基的总数相等。,碱基组成分析Chargaff 规则:A = T;G C,电位滴定证明,嘌呤与嘧啶的可解离基团由氢键连接。,DNA纤维的X-线衍射图谱分析,1.DNA双螺旋结构的研究背景,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。,碱基组成规则(Chargaff规则),A=T,G=C; A+G=T+C(嘌呤与嘧啶的总数相等),不受年龄、营养、性别及其他环境等影响,Chargaff首先注意到DNA碱基组成的某些规律性,在年总结出DNA碱基组成的规律:,沃森(左)和克里克与DNA分子双螺旋结构模型(1953年),2. DNA双螺旋结构的要点,
17、(1)DNA分子由两条多聚脱氧核糖核苷酸链(简称DNA单链)组成。两条链沿着同一根轴平行盘绕,形成右手双螺旋结构。螺旋中的两条链方向相反,即其中一条链的方向为5端3端,而另一条链的方向为3端5端。,(2)嘌呤和嘧啶碱基位于螺旋的内侧,磷酸和脱氧核糖基位于螺旋外侧。碱基平面与螺旋轴垂直,糖环平面与螺旋轴基本平行。,(3)螺旋直径约为2nm,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 ,每条链相邻两个碱基平面之间的距离为0.34 nm。,(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
18、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的总数相等。,(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。,碱基堆积力 是碱基对之间在垂直方向上的相互作用,可以使DNA分子层层堆积,分子内部形成疏水核心,双螺旋结构模型(B-DNA),(1)反平行双链:右手螺旋, 脱氧核糖-磷酸骨架位于外侧,碱基对位于内侧, 碱基对平面垂直纵轴 (2)碱基互补配对:AT配对(两个氢键),GC配对
19、(三个氢键) (3)右手双螺旋:螺距为3.4 nm,直径为2.0 nm,10bp/圈 (4)表面功能区:小沟较浅;大沟较深,是蛋白质识别DNA碱基序列 的基础 (5)维持结构稳定的力量:氢键维持双链横向稳定,碱基堆积力维持 螺旋纵向稳定,DNA的双螺旋结构的形成,3. 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:主链呈锯齿型左向盘绕,直径约1.8nm,螺距4.5n
20、m,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。,DNA双螺旋的不同构象,双螺旋DNA的结构参数,DNA的双螺旋结构的意义,该模型揭示了DNA作为遗传物质的稳定性特征,最有价值的是确认了碱基配对原则,这是DNA复制、转录和反转录的分子基础,亦是遗传信息传递和表达的分子基础。该模型的提出是本世纪生命科
21、学的重大突破之一,它奠定了生物化学和分子生物学乃至整个生命科学飞速发展的基石。,DNA分子间的三链结构,DNA二级结构的多样性,DNA回文序列及几种结构形式,回文序列,发夹式结构,十字形结构,中心区域,夫妻相思 宋朝.李禺 夫想妻(顺读) 妻想夫(倒读) 枯眼望遥山隔水, 儿忆父兮妻忆夫, 往来曾见几心知。 寂寥长守夜灯孤。 壶空怕酌一杯酒, 迟回寄雁无音讯, 笔下难成和韵诗。 久别离人阻路途。 途路阻人离别久, 诗韵和成难下笔, 讯音无雁寄回迟。 酒杯一酌怕空壶。 孤灯夜守长寥寂, 知心几见曾来往, 夫忆妻兮父忆儿。 水隔山遥望眼枯。,三 DNA的三级结构,双螺旋进一步扭曲,形成一种比双螺旋
22、更高层次的空间构象。包括:线状DNA形成的纽结、超螺旋和多重螺旋、环状DNA形成的结、超螺旋和连环等,其中超螺旋是最常见的三级结构。,生物体内有些DNA是以双链环状DNA的形式存在,包括: 某些病毒DNA 某些噬菌体DNA 某些细菌染色体DNA 细菌质粒DNA 真核细胞中的线粒体DNA、叶绿体DNA,环形DNA的不同构象 松驰环、解链环、负超螺旋 (1) 松弛环形DNA 线形DNA直接环化 (2) 解链环形DNA 线形DNA拧松后再环化,(3) 正超螺旋与负超螺旋DNA 线形DNA拧紧或拧松后再环化,成为超螺旋结构。 绳子的两股以右旋方向缠绕,如果在一端使绳子向缠紧的方向旋转,再将绳子两端连接
23、起来,会产生一个左旋的超螺旋,以解除外加的旋转造成的胁变,这样的超螺旋叫正超螺旋。 如果在绳子一端向松缠方向旋转,再将绳子两端连接起来,会产生一个右旋的超螺旋,以解除外加的旋转所造成的胁变,这样的超螺旋称负超螺旋。,DNA超螺旋结构的形成,超螺旋状态的定量描述,公式1: L=T+W L连环数(linking number),DNA双螺旋中一条链以右手螺旋与另一条链缠绕的次数。 TDNA分子中的螺旋数(twisting number) W超螺旋数或缠绕数(writhing number),DNA超螺旋的形成,超螺旋的拓扑学公式: L=T+W 或 =+,DNA超螺旋结构形成的意义, 使DNA形成高
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