第五章核酸化学.ppt
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1、第四章 核酸化学,核酸是一类重要的生物大分子,担负着生命信息的储存与传递。 核酸是现代生物化学、分子生物学的重要研究领域,是基因工程操作的核心分子。,核酸概述,核酸发现简史,1868年,瑞士外科医生F. Miescher从细胞核中分离得到一种酸性物质,即现在被称为核酸的物质,实质是一种核糖核蛋白,19世纪末20世纪初,德国生理学家Kossel等对核酸化学组成进行了初步研究,其学生Levene继续研究了核酸的结构,1944 O. Avery DNA 是遗传物质,1928年,英国细菌学家,医生Fred Griffith的体内转化实验,Protease+,1944年,Avery的转换转化实验,噬菌体
2、感染实验,1953年,Watson ,Crick提出了DNA的双螺旋结构模型,使生物化学进入了分子水平时代。 1958年,Meselson和Stahl用同位素标记证明DNA的复制方式是半保留复制。 50年代以后,飞速发展,不仅分离出各种核酸,而且发展产生了遗传工程(基因工程)等生物技术。 目前,基因结构、表达、调节已成为现代生物化学和分子生物学研究中心。 1980年,生物学家、诺贝尔奖得主H.Dulbecco提出人类基因组计划,HGP (Human Genomic Project )。 1990年,美国决定用30亿美元、15年时间完成HGP,中国于1999年加入并承担1%测序任务,现已基本完成
3、。 后基因组时代: 功能基因组学:蛋白质组学,细胞内基因表达的所有蛋白质。 结构基因组学:RNA组学,研究细胞全部功能RNA结构、作用。,核酸与蛋白质一样,是一切生物有机体不可缺少的组成部分。 核酸是生命遗传信息的携带者和传递者,它不仅对于生命的延续,生物物种遗传特性的保持,生长发育,细胞分化等起着重要的作用,而且与生物变异,如肿瘤、遗传病、代谢病等也密切相关。 因此,核酸的研究是现代生物化学、分子生物学和医学的重要基础之一。,4.1.2 核酸的种类和分布,核酸分为两大类: 脱氧核糖核酸 Deoxyribonucleic Acid (DNA) 核糖核酸 Ribonucleic Acid(RNA
4、),DNA(脱氧核糖核酸) RNA(核糖核酸),mRNA(信使RNA) tRNA(转运RNA) rRNA(核糖体RNA),核酸,98核中(染色体中) 真核 线粒体(mDNA) 核外 叶绿体(ctDNA) DNA 拟核 原核 核外:质粒(plasmid) 病毒:DNA病毒,RNA主要存在于细胞质中,tRNA: 转移RNA rRNA: 核糖体RNA mRNA:信使RNA 其它RNA RNA病毒:SARS,特殊功能的RNA,非编码RNA(ncRNA) 小RNA(sRNA) Small nuclear RNA , snRNA(核) Small nucleoar RNA , snoRNA(核仁) Sma
5、ll cytoplasmic RNA , scRNA(胞质) microRNA、siRNA、piRNA Antisense RNA Ribozyme RNase P,RNA功能的多样性 1、参与蛋白质的合成 2、RNA的转录后加工与修饰 3、参与基因表达的调控 4、生物催化作用 5、遗传信息的载体 6、引物,第一节 核酸的基本化学组成,核酸完全水解产生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。核酸部分水解则产生核苷和核苷酸。每个核苷分子含一分子碱基和一分子戊糖,一分子核苷酸部分水解后除产生核苷外,还有一分子磷酸。核酸的各种水解产物可用层析或电泳等方法分离鉴定。,核酸 nucl
6、eic acid,核苷酸 nucleotide,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),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,-D-(+)呋喃核糖,-D-(+)呋喃脱氧核糖,1. 嘧啶(Pyrimidine),二、碱基,RNA: C,U DNA: C,T,2. 嘌呤(Purine),接近平面,具有固定键长、键角;,酮式和烯醇式互变,氨
7、基态和亚氨基态互变。,核酸中也存在一些不常见的稀有碱基。稀有碱基的种类很多,大部分是上述碱基的甲基化产物。,7-甲基鸟苷酸,5-甲基胞苷,N6-甲基腺苷,N2-甲基鸟苷,5-羟甲基胞苷,次黄嘌呤核苷,假尿嘧啶核苷,4-硫代尿苷,7-甲基鸟苷酸,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,嘧啶碱: C1 N1,嘌呤碱: C1 N9。 核酸中的核苷与脱氧核苷均为-型 碱基平面与核糖平面互相垂直 戊糖的标号为,RNA:中的核苷称核糖核苷(或称核苷):腺苷(A)、鸟苷(G)、胞苷(C)、尿苷( U ) 。 DNA :中的核苷称脱氧核糖核苷(或称脱氧核苷
8、):脱氧腺苷(dA)、脱氧鸟苷(dG) 、脱氧胞苷(dC)和脱氧胸苷(dT),“d”表示脱氧。,Adenosine Guanosine Cytidine Uridine,RNA: 尿嘧啶核苷 DNA: 脱氧胸腺嘧啶核苷,DNA:dAMP、dGMP、dCMP、dTMP RNA: AMP、 GMP、 CMP、 UMP,1、 构成DNA、RNA的核苷酸 DNA:dAMP、dGMP、dCMP、dTMP RNA: AMP、 GMP、 CMP、 UMP,四、核苷酸(nucleotide) 核苷酸 核苷+磷酸 戊糖+碱基+磷酸,磷酸所连接位置:3,5 磷酯键,核苷中戊糖C2 、C3、C5羟基被磷酸酯化,多聚
9、核苷酸(核酸),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。,核酸的连接方式 单核苷酸之间的连接键:3, 5 -磷酸二酯键 核酸链的二个游离末端: 5磷酸基末端 3羟基末端 书写方向: 5 3,没有分枝,线性结构(原核可成环) 方向性:链两端的核苷酸残基不同,书写时, 5端在左侧, 3端在右侧,2、 细胞内的游离核苷酸及其衍生物 核苷5-多磷酸化合物 ATP、GTP、CTP、ppppA、ppppG 在能量代谢和物质代谢及调控中起重要作用。 环核苷酸 3,5-cAMP, 3,5-cGMP 信号分子,cAMP调节细胞的糖代谢、脂代
10、谢。 核苷5多磷酸3多磷酸化合物 ppGpp pppGpp ppApp 核苷酸衍生物 HSCoA、 NAD+、NADP+、FAD等辅助因子。 GDP-半乳糖、GDP-葡萄糖等是糖蛋白生物合成的活性糖基供体。,核苷酸的衍生物,ATP是生物体内分布最广和最重要的一种核苷酸衍生物,ATP (腺嘌呤核糖核苷三磷酸),ATP 腺苷三磷酸 三磷酸腺苷 三磷腺苷 腺三磷,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
11、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。,(2)GTP (鸟嘌呤核糖核苷三磷酸),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。,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之间传递信息的信使。 cAMP 和 cGMP 的环状磷酯键是一个高能键。在 pH 7.4 条件下, cAMP 和
12、cGMP 的水解能约为43.9 kj /mol,比 ATP 水解能高得多。,cAMP,cGMP,H,3,5-环腺苷酸,3,5-环鸟苷酸,3-二磷酸,5-二磷酸鸟苷,巯基乙胺,泛酸,3磷酸-腺苷二磷酸,尼克酰胺,腺苷,尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸,核黄素,腺苷,黄素腺嘌呤二核苷酸,肌苷酸,IMP GMP,强力味精:5肌苷酸二钠 + 5鸟苷酸二钠,第二节 RNA的结构与功能,一、结构特点 碱基组成 A、G、C、U (AU/GC) 稀有碱基较多,稳定性较差,易水解 多为单链结构,少数局部形成螺旋 分子较小 分类 mRNA(hnRNA 核不均一RNA) tRNA rRNA (snRNA/asRNA) 少数R
13、NA病毒,RNA的类别及分布,一、细胞质RNA,1、核糖体RNA(rRNA),二、细胞核RNA,前体RNA(precursor RNA) ;不均一核RNA(hnRNA) 小RNA(snRNA)。,三、线粒体RNA与叶绿体RNA,四、病毒RNA,类病毒,植物病毒与一些肿瘤病毒,2、转移RNA(tRNA),3、信使RNA(mRNA),(一)、 RNA的一级结构 AMP、GMP、CMP、UMP通过3、5磷酸二酯键形成的线形多聚体。, 组成RNA的戊糖是核糖 RNA的U替代DNA中的T,此外,RNA中常有一 些稀有碱基。 天然RNA分子都是单链线形分子,只有部分区域是A-型双螺旋结构。,二、tRNA
14、(转移RNA),占RNA总量的15 一种氨基酸对应最少一种RNA,分子量25000左右,大约由7090个核苷酸组成,沉降系数为4S左右。 分子中含有较多的修饰成分(稀有碱基)。 3-末端都具有CpCpAOH的结构。 5末端大多为pG或pC,tRNA的结构 二级结构是三叶草形 氨基酸臂 二氢尿嘧啶环 反密码环 额外环 TC环(假尿嘧啶环) 倒L形的三级结构,tRNA的功能: 转运氨基酸:氨酰tRNA 识别密码子 参与翻译起始 参与基因表达调控,三、rRNA (核糖体RNA),占RNA总量的80,分子量相对较大,一般106 核糖体是蛋白质合成的场所,包含60%RNA,40%蛋白质,多数附着于内质网
15、上。,rRNA的功能: 组成核糖体 参与tRNA与mRNA的结合 肽基转移酶活性,四、mRNA和hnRNA,占细胞总RNA的35 它是蛋白质合成的模板。,真核细胞mRNA的3-末端有一段长达200个核苷酸左右的聚腺苷酸(polyA),称为 “尾结构” 5 -末端有一个甲基化的鸟苷酸,称为“帽结构”。, 5-帽子:m7G 5 -ppp5-Nm( Nm )p-,由甲基化酶催化 可抵抗5核酸外切酶降解mRNA。 可为核糖体提供识别位点,使mRNA很快与核糖体结合,促进蛋白质合成起始复合物的形成。, 3-端有一段约30-300核苷酸的polyA。 转录后由poly(A)聚合酶催化加尾 PolyA是mR
16、NA由核进入胞质所必需的形式。 polyA与mRNA半寿期有关, PolyA大大提高mRNA在胞质中的稳定性。,二、 DNA的结构,一级结构:脱氧核苷酸分子间连接方式及排列顺序。 二级结构:DNA的两条多聚核苷酸链间通过氢键形成的双螺旋结构。 三级结构:DNA双链进一步折叠卷曲形成的构象。,一、DNA的一级结构 脱氧核糖核酸的排列顺序 可以用碱基排列顺序表示 连接键:3,5-磷酸二酯键 磷酸与戊糖顺序相连形成主链骨架 碱基形成侧链 多核苷酸链均有5-末端和3-末端 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。,写法:
17、53: 5-pApCpTpG-3, 或5ACTG3, DNA一级结构的不均一性 (1)重复序列 正向重复,高度重复序列 (high repetive sequence, satelite DNA,SSR) 2-10bp/copy 105-106 copies/genome 多为串联重复排列(tandem repeats) 分布于着丝点、端粒区、结构基因两侧 中度重复序列(middle repetitive sequence) 0.1-1Kb/copy 10-104 copies/genome 多为间隔重复 rDNAtDNAHistone gene cluster 低拷贝重复:基因家族 单拷贝序
18、列(single copy sequence),反向重复(回文序列) (inverted repeat , palindrome sequence) 较长的回文结构,可形成茎环结构(发夹结构)或十字形结构 较短的回文序列,可作为一种特别信号,如限制性核酸内切酶的识别位点。 转录的终止作用与回文结构有关。,镜象重复(mirror repeat) 某些情况下可以三股螺旋DNA,(2) 富含AT的序列 很多有重要调节功能的DNA区段都富含AT碱基对。特别是在复制起点和转录启动的Pribnow区,富含AT对。,2. 基因与基因组,基因(gene):一段有功能的DNA片段,生物细胞中DNA分子的最小功能
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- 第五 核酸 化学
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