第6章核酸的化学.ppt
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1、杨凌职业技术学院生物工程系 http:/,Biochemistry,第一节 核酸的化学组成 第二节 核酸的结构 第三节 核酸的性质,第六章 核酸的化学,杨凌职业技术学院生物工程系 http:/,Biochemistry,核酸,概念:核酸是由核苷和磷酸通过3,5-磷酸二酯键连接起来的,最早发现于细胞核中,而且具有酸性,所以定名为核酸。 功能:核酸也是一类重要的生物大分子,是一切生物机体不可缺少的组成部分。担负着生命信息的储存与传递。生物体所有的生长、繁殖、遗传、变异等机能都与核酸有着密切的关系。 重要性:核酸是现代生物化学、分子生物学和医学的重要研究领域,是基因工程操作的核心分子。,杨凌职业技术
2、学院生物工程系 http:/,Biochemistry,核酸的发展史,1.1868年瑞士年轻的外科医生Friedrich Miescher从外科诊所遗弃的绷带上的脓细胞的细胞核中分离出一种含磷丰富的有机物质,它的含磷量之高超过当时已发现的任何一种有机化合物,并且有很强的酸性,由于是从细胞核中分离出来的,当时称之为核素;后来被证明是它是一种蛋白质,被命名为核蛋白。 2.1889年,人们才分离得到了不含蛋白质的核酸,之后对其结构、性质和功能进行了全面研究。 3.1910年德国的科学家A.Kossel和他的学生发现了构成核酸的4种碱基,并获得诺贝尔化学奖; 4.1928年英国的细菌学家Fred Gr
3、iffith发现无致病能力的肺炎球菌R型可转化为有致病能力的S型,杨凌职业技术学院生物工程系 http:/,Biochemistry,5.1944年美国洛克菲勒基金会医学研究所的艾弗里Oswald Avery等进一步发现这种使肺炎球菌的遗传性发生改变的转化因子是DNA,而不是蛋白质。 6.1950年以前流行四核苷酸结构学说:核酸由等摩尔的四种核苷酸组成,而且认为蛋白质才是转化因子。 7.1950年以后,Chargaff ,Markham应用纸层析及分光光度计大量测定了各种生物的DNA的碱基组成,发现不同生物的DNA碱基组成不同,有严格的种的特异性,同时也发现生物的碱基组成不同,但总是A=T,G
4、=C,并提示A-T,G-C之间互补的概念。 8.1950年后即1952年,赫尔希用同位素标记法证明了艾弗里Avery等的发现是正确的。,核酸的发展史,杨凌职业技术学院生物工程系 http:/,Biochemistry,9. 1953年Watson ,Crick提出了DNA双螺旋结构模型,被认为是20世纪自然科学中的重大突破之一,它揭开了分子生物学研究的序幕,为分子遗传学的研究奠定了基础。 10. 不久,提出了中心法则。 11. 1981年,我国科学工作者首先人工合成了具有生物活性的酵母丙氨酰转运核糖核酸(Ala-tRNA),处于世界领先地位。从此,有关核酸的研究是生命科学最活跃的领域之一。 1
5、2.现在已经证明DNA是贮存遗传信息的物质,基因是DNA分子中的一段特定的碱基序列。而且完成了生物体内很多DNA碱基序列的测定。这为DNA重组技术和基因工程的诞生奠定了基础,是生命科学的发展的一大突破。,核酸的发展史,杨凌职业技术学院生物工程系 http:/,Biochemistry,第一节 核酸的组成,核酸的概念:核酸是一种重要的生物高分子化合物,是由其结构单体核苷酸通过3, 5- 磷酸二酯键聚合而成的长链,继而形成具有复杂三维结构的大分子化合物。 核酸完全水解的产物(分子组成):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。,杨凌职业技术学院生物工程系 http:/,Bioc
6、hemistry,核酸的元素组成:由碳、氢、氧、氮、磷5种元素组成 特征元素:其中磷的含量在各种核酸中变化范围不大,大约占整个核酸重量的9.5左右,即1g磷相当于10.5g核酸。因此在核酸的定量分析中可通过含磷量的测定来估算核酸的含量。 计算公式:核酸含量含磷量10.5,第一节 核酸的组成,杨凌职业技术学院生物工程系 http:/,Biochemistry,戊糖分类:DNA所含的糖为-D-2-脱氧核糖; RNA所含的糖则为-D-核糖。 另外,有的RNA中含有D-2-O-甲基核糖。,一、 戊糖,杨凌职业技术学院生物工程系 http:/,Biochemistry,碱基分类:嘌呤碱和嘧啶碱。它们均含
7、有杂原子氮,被称为含氮的杂环化合物,呈弱碱性,故将其命名为碱基。 碱基特征: A.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。 B.碱基的芳香环与环外基团可以发生酮式烯醇式或胺式亚胺式互变异构。 C.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)。 D.核酸中存在的稀有碱基种类很多,大部分是上述碱基的甲基化产物。,二、碱基,杨凌职业技术学院生物工程系 http:/,Biochemistry,1.嘌呤碱(purine ):是嘌呤的衍生物,在RNA和DNA中主要有两种相同的嘌呤碱,它们是腺嘌呤( adenine Ade or A )和鸟嘌呤( gu
8、anine Gua or G )。此外,还含有修饰嘌呤碱。 注意:RNA和DNA中的嘌呤碱为腺嘌呤和鸟嘌呤。,二、碱基,杨凌职业技术学院生物工程系 http:/,Biochemistry,二、碱基,杨凌职业技术学院生物工程系 http:/,Biochemistry,2.嘧啶碱(pyrimidine ):是嘧啶的衍生物,在RNA和DNA中主要含有两种嘧啶,其中都含有胞嘧啶(cytosine Cyt or C),另外分别有尿嘧啶(uracil Ura or U)和胸腺嘧啶(thymine Thy or T)。此外,还含有修饰嘧啶碱。 注意:RNA中的嘧啶碱为胞嘧啶和尿嘧啶; DNA中的嘧啶碱为胞嘧
9、啶和胸腺嘧啶。,二、碱基,杨凌职业技术学院生物工程系 http:/,Biochemistry,二、碱基,杨凌职业技术学院生物工程系 http:/,Biochemistry,二、碱基结构特征,杨凌职业技术学院生物工程系 http:/,Biochemistry,二、碱基结构特征,杨凌职业技术学院生物工程系 http:/,Biochemistry,稀有碱基,杨凌职业技术学院生物工程系 http:/,Biochemistry,1.核苷,核苷:由戊糖和碱基通过糖苷键形成的糖苷。 糖苷键:由戊糖(核糖或脱氧核糖)的第1位C碳原子与嘌呤碱的第9位N原子或嘧啶碱的第1位N原子通过N-糖苷键相连,这种糖与碱基之
10、间的连键是C-N糖苷键。,杨凌职业技术学院生物工程系 http:/,Biochemistry,1.核苷,杨凌职业技术学院生物工程系 http:/,Biochemistry,常见的核苷,杨凌职业技术学院生物工程系 http:/,Biochemistry,2.核苷酸(nucleotide),核苷酸:是核苷中戊糖环上的羟基与磷酸脱水生成的核苷磷酸酯。 类型:核糖核苷酸和脱氧核糖核苷酸,它们是RNA和DNA的基本组成单位。 核苷酸:核苷+磷酸,戊糖+碱基+磷酸 注意:在核苷酸的核糖上,有3个游离的羟基,它们磷酸化可形成2-、3-和5-核苷酸。 在脱氧核苷酸核糖上,有2个游离的羟基,它们磷酸化可形成3-
11、和5-脱氧核苷酸。 2-、3-和5-核苷酸在异构酶的催化下,其结构可以发生互变。,杨凌职业技术学院生物工程系 http:/,Biochemistry,不同点:在核苷酸分子中,通常2位和3位只能结合一个磷酸,而在5位结合磷酸可多至三个。 主要核苷酸: 生物体中游离的核苷酸多为5-核苷酸。,2.核苷酸(nucleotide),杨凌职业技术学院生物工程系 http:/,Biochemistry,常见的核苷酸,杨凌职业技术学院生物工程系 http:/,Biochemistry,知识点,1.核苷、核苷酸及核酸的概念。 2.核酸的组成及分类。 3.碱基的结构特征。 4.RNA和DNA中碱基的组成。,杨凌职
12、业技术学院生物工程系 http:/,Biochemistry,四、细胞内的其他核苷酸,1.核苷多磷酸,腺苷酸及其多磷酸化合物,杨凌职业技术学院生物工程系 http:/,Biochemistry,四、细胞内的其他核苷酸,核苷多磷酸的功能: A.为生命体的合成代谢提供能量; B.为某些代谢反应提供磷酸基团; C.ATP、GTP、CTP、UTP为合成RNA提供原料,而 dATP、dGTP、dCTP、dTTP为合成DNA提供原料; D.参与辅酶的形成。如尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸(辅酶,NAD),尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(辅酶,NADP),黄素单核苷酸(FMN),黄素腺嘌呤二核苷酸(FAD)等与生物氧化
13、作用的关系很密切,是重要的辅酶。,杨凌职业技术学院生物工程系 http:/,Biochemistry,四、细胞内的其他核苷酸,2.环化核苷酸: 概念:它是核苷酸分子中的磷酸基团与核糖通过两个酯键环化形成的。 环化核苷酸的生物功能: 常作为信号传导的第二信使。因为人体内各种含氮激素(蛋白质、多肽和氨基酸衍生物)都是通过细胞内的环磷酸腺苷而发挥作用的。它能传递多种细胞外的不同信息,调节大量不同的生理生化过程,这说明细胞内的信号通路具有明显的通用性。激素等为第一信使。 第二信使:将作用于细胞膜的信息传递到细胞内,使之产生生理效应的细胞内信使,称为第二信使。,杨凌职业技术学院生物工程系 http:/,
14、Biochemistry,四、细胞内的其他核苷酸,重要的环化核苷酸:3,5-环化腺苷酸(cAMP)和3,5-环化鸟苷酸(cGMP)。,杨凌职业技术学院生物工程系 http:/,Biochemistry,第二节 核酸的结构,一、核酸的一级结构 (一)核苷酸的连接方式 (二)DNA的一级结构 (三)RNA的一级结构 二、核酸的空间结构 (一)DNA的空间结构 (二)RNA的空间结构,杨凌职业技术学院生物工程系 http:/,Biochemistry,一、核酸的一级结构,(一)核苷酸的连接方式 核酸:是由许多核苷酸和脱氧核苷酸按一定顺序用3,5-磷酸二酯键连接而成的多核苷酸链。 3,5-磷酸二酯键:
15、即一个核苷酸的3羟基与另一个核苷酸的5-磷酸基以酯键相连的键。,杨凌职业技术学院生物工程系 http:/,Biochemistry,一、核酸的一级结构,DNA一级结构,杨凌职业技术学院生物工程系 http:/,Biochemistry,一、核酸的一级结构,多核苷酸链的简写方式: A.用竖线代表戊糖; B.P代表磷酸; C.碱基用相应的符号表示,由5端到3端。 注意:由于多核苷酸链中的差异在于碱基的不同,所以多核苷酸链可以只写出碱基的顺序。如AGCTAGC。,杨凌职业技术学院生物工程系 http:/,Biochemistry,一、核酸的一级结构,结构式,杨凌职业技术学院生物工程系 http:/,
16、Biochemistry,(二)DNA的一级结构,概念:是指DNA分子中脱氧核苷酸的排列顺序。由于不同的脱氧核苷酸只是碱基的不同,所以DNA的一级结构也是指脱氧核苷酸中碱基的排列顺序。 DNA碱基组成所遵循的规律:(查加夫规律) A.具有生物物种的特异性。即不同物种的DNA有其特有的碱基组成。对于同一物种来说,即使是不同的器官其DNA的碱基组成也是相同的,不会受生长发育、营养状况及环境条件的影响而变化。 B.构成DNA的4种碱基互补。即AT,GC,所以AGTC,嘌呤碱和嘧啶碱的总量相等。,杨凌职业技术学院生物工程系 http:/,Biochemistry,(三)RNA的一级结构,概念:是指RN
17、A分子中核糖核苷酸的排列顺序。由于不同的核糖核苷酸只是碱基的不同,所以RNA的一级结构也是指核糖核苷酸中碱基的排列顺序。 根据功能不同RNA有以下分类: 信使RNA(mRNA):在蛋白质合成中起模板作用; 核糖体RNA(rRNA):与蛋白质结合构成核糖体,核糖体是蛋白质合成的场所; 转运RNA(tRNA):在蛋白质合成时起着携带活化氨基酸的作用。,杨凌职业技术学院生物工程系 http:/,Biochemistry,三种RNA比较,杨凌职业技术学院生物工程系 http:/,Biochemistry,(三)RNA的一级结构,保守序列:在tRNA中,有许多位置的核苷酸是固定不变的,称之为保守序列。
18、接收末端:在tRNA中,其3端核苷酸皆为-CCAOH,用于与活化的氨基酸相结合,称之为接受末端。 沉降系数(S):指单位离心力场中沉降分子下沉的速度,为了纪念超离心法创始人Svedberg,用S作为沉降系数的单位,1S =110-13s,S常用来描述核酸分子、蛋白质分子和核糖体等的大小,,杨凌职业技术学院生物工程系 http:/,Biochemistry,二、核酸的空间结构,(一) DNA的空间结构 1. DNA的二级结构:指由两条脱氧核苷酸链形成的双螺旋结构。 DNA双螺旋结构的特点: A.主干链反向平行:DNA分子是一个由两条平行的脱氧多核苷酸链围绕同一个中心轴盘曲形成的右手螺旋结构,两条
19、链行走方向相反,一条链为53走向,另一条链为35走向。 侧链碱基互补配对:A与T配对,其间形成两个氢键;G与C配对,其间形成三个氢键。每一碱基对的两个碱基称为互补碱基,同一DNA分子的两条脱氧多核苷酸链称为互补链。,杨凌职业技术学院生物工程系 http:/,Biochemistry,二、 DNA的空间结构,2.各小分子在双螺旋中的位置不同:磷酸基和脱氧核糖基位于双螺旋的外侧;碱基位于双螺旋的内侧。碱基平面与中轴垂直。 3.双螺旋立体结构:DNA双螺旋的直径为2nm,一圈螺旋含10个碱基对,每一碱基平面间的轴向距离为0.34nm,故每一螺旋的螺距为3.4nm,每个碱基的旋转角度为36。 4.有大
20、沟、小沟:绕B-DNA双螺旋表面上出现的螺旋槽(沟),宽的沟称为大沟,窄沟称为小沟。大沟,小沟都、是由于碱基对堆积和糖-磷酸骨架扭转造成的。,杨凌职业技术学院生物工程系 http:/,Biochemistry,二、 DNA的空间结构,杨凌职业技术学院生物工程系 http:/,Biochemistry,二、 DNA的空间结构,杨凌职业技术学院生物工程系 http:/,Biochemistry,二、 DNA的空间结构,维持DNA结构稳定的因素 A.碱基对之间的氢键: A与T配对,其间形成两个氢键;G与C配对,其间形成三个氢键。 B.碱基对之间的堆积力: C.磷酸基和阳离子之间的离子键:DNA中的磷
21、酸基团带负电,它与阳离子如钠离子、钾离子、镁离子等形成离子键,从而减少了脱氧核苷酸链间的静电斥力,有助于DNA双螺旋结构的稳定。,杨凌职业技术学院生物工程系 http:/,Biochemistry,二、 DNA的空间结构,2.DNA的三级结构:DNA双螺旋进一步盘曲形成更加复杂的结构。 DNA的三级结构的主要形式:超螺旋是DNA三级结构的最常见的形式。 超螺旋分为正超螺旋和负超螺旋。 负超螺旋:超螺旋方向与双螺旋方向相反,使螺旋变松者,叫做负超螺旋。 正超螺旋:超螺旋方向与双螺旋方向相同,使螺旋变紧者,叫做正超螺旋。,杨凌职业技术学院生物工程系 http:/,Biochemistry,二、 D
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