第05章核酸的化学.ppt
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1、第 五章 核酸的化学,重点内容,核酸的分子组成与基本结构单位 DNA与RNA的结构与功能 核酸的理化性质及其应用,第一节 核酸的概念和化学组成,The Concept and Chemical Component of Nucleic Acid,核酸的发现和研究工作进展,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 Nirenberg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
2、 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,Oswald T. Avery (1877-1955).,埃弗里,美国细菌学家,他和C.麦克劳德、M.麦卡锡于1944年共同证明了遗传物质是DNA而不是蛋白质。,核 酸(nucleic acid),是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。,(1)存在于细胞质(90%)及细胞核内。 (2)参与细胞内DNA遗传信息的表达(转录及 翻译)。 (3)对于RNA病毒,RNA是遗传信息的载体。,DNA(脱
3、氧核糖核酸,deoxyribonucleic acid ),(1)存在于细胞核(98%)、线粒体、质粒等中。 (2)遗传的物质基础、携带遗传信息,决定细胞和 个体的基因型。,RNA(核糖核酸,ribonucleic acid ),一、核酸的生物功能,(一)核酸是遗传变异的物质基础,核酸所含有的基因决定物质的遗传特性; 变异使物种进化和生物发展成为可能。,基因:系指含有合成一个功能性生物分子(蛋白质或RNA)所需信息的一个特定DNA片段。,(二)核酸与生物遗传信息的传递,核酸的遗传信息决定蛋白质的结构,(三)核酸与医药,致病:DNA分子结构的改变 抗病:核酸类似物 治疗:基因治疗 基因工程药物:
4、生物药物的一种新生产手段,二、核酸的分子组成与 基本结构单位 单核苷酸 Mononucleotide,核酸的化学组成,1. 元素组成 C、H、O、N、P(910%),2. 分子组成, 碱基(base):嘌呤碱,嘧啶碱, 戊糖(Five-carbon Sugars) 核糖(ribose ) 脱氧核糖(deoxyribose), 磷酸(phosphate),核酸,核苷酸,磷酸:H3PO4,核苷,戊糖(核糖或脱氧核糖),碱基(嘌呤或嘧啶),核酸分子的基本结构单位核苷酸,嘧啶,嘌呤,1. 碱基 (Bases),(一)核苷和核苷酸,嘌呤: purine,嘧啶: pyrimidine,腺嘌呤(A),鸟嘌呤
5、( G),胞嘧啶(C),尿嘧啶(U),胸腺嘧啶(T),adenine,guanine,cytosine,uracil,thymine,稀有碱基: 、I、DHU、 m7A、m7G、,2. 戊糖(Five-carbon Sugars),-D-核糖 (ribose) 构成RNA,-D-2-脱氧核糖 (deoxyribose) 构成DNA,磷酸(phosphate):H3PO4,两类核酸分子组成比较 DNA A、G、C、T 脱氧核糖(dR) 磷酸 RNA A、G、C、U 核糖(R) 磷酸,碱基 核糖 磷酸,3. 核苷(ribonucleoside)的形成,碱基和核糖(脱氧核糖)通过糖苷键连接形成核苷(
6、脱氧核苷)。,嘌呤核苷糖苷键: N9C1 嘧啶核苷糖苷键: N1C1,腺苷,脱氧胞苷,4. 核苷酸(ribonucleotide),核苷(脱氧核苷)和磷酸以磷酸酯键连接形成核苷酸(脱氧核苷酸)。,自然界存在的游离核苷酸为5核苷酸,5 可略去。,碱基不同:可产生由A、G、C、U、T组成的五 类核苷酸。 戊糖不同:可产生由脱氧核糖和核糖组成的两类 核苷酸DNA和RNA。 磷酸的数目不同:可产生含1个、2个或3个磷酸 基的不同核苷酸NMP、NDP、NTP。,O,N,N,NH2,O,OCH2,P,O,OH,HO,OH,H,1,1,脱氧胞苷酸(dCMP),参与构成RNA的碱基、核苷及相应的核苷酸,RNA
7、 核苷 5-核苷酸 碱基base ribonucleoside ribonucleotide,腺嘌呤adenine(A) 腺苷adenosine 腺苷酸(AMP) 鸟嘌呤guanine(G) 鸟苷guanosine 鸟苷酸(GMP) 胞嘧啶cytosine(C) 胞苷cytidine 胞苷酸(CMP) 尿嘧啶uracil(U) 尿苷uridine 尿苷酸(UMP),参与构成DNA的碱基、核苷及相应的核苷酸,DNA 脱氧核苷 5-脱氧核苷酸 碱基base deoxyribonucleoside deoxyribonucleotide,腺嘌呤adenine(A) 脱氧腺苷deoxyadenosin
8、e 脱氧腺苷酸(dAMP) 鸟嘌呤guanine(G) 脱氧鸟苷deoxyguanosine 脱氧鸟苷酸(dGMP) 胞嘧啶cytosine(C) 脱氧胞苷deoxycytidine 脱氧胞苷酸(dCMP) 胸腺嘧啶thymine(T) 脱氧胸苷deoxythymidine 脱氧胸苷酸(dTMP),体内重要的游离核苷酸及其衍生物,含核苷酸的生物活性物质: NAD+、NADP+、CoA-SH、FAD 等都含有 AMP,多磷酸核苷酸:NMP,NDP,NTP,环化核苷酸: cAMP,cGMP,AMP,ADP,ATP,cAMP,三、 核酸的分子结构,Molecular structure of nuc
9、leic acid,(一)DNA的分子结构,1. DNA 的一级结构,定义 核酸中核苷酸的排列顺序。 由于核苷酸间的差异主要是碱基不同,所以也称为碱基序列。,3 ,5 磷酸二酯键 概念:一个核苷酸戊糖C3的游离羟基与另一个核苷酸戊糖C5上的磷酸脱水缩合生成的化学键。,交替的磷酸基团和戊糖构成了DNA的骨架 (backbone)。,DNA链的方向是5 3,1) 主链与侧链 由磷酸-戊糖交替排列成的链状结构为核酸的主链; 碱基伸展于主链之外,称为侧链。 2) 5-端与3-端 多核苷酸链中,戊糖C5上有自由磷酸基的一端,称为5-端;而戊糖基的C3上有自由羟基者,称为3-端。,多核苷酸链 多个核苷酸聚
10、合所形成的链状结构称之。,3,5,主 链,侧 链,书写方法,5 pApCpTpGpCpT-OH 3,5 A C T G C T 3,核酸分子的大小常用碱基(base或kilobase)数目来表示。 小的核酸片段(50bp)常被称为寡核苷酸(oligonucleotide)。自然界中的DNA和RNA的长度可以高达几十万个碱基。,小 结,2.真核细胞染色质DNA与原核细胞生物DNA的一级结构特点,(1)重复顺序,高度重复顺序 中度重复顺序 单一顺序 (结构基因、单顺反子),(2)间隔顺序与插入顺序,(常有卫星DNA),(内含子、外显子),(3)回文结构:舟行水面水行舟,a.真核细胞染色质DNA的结
11、构特点:,b. 原核细胞染色质DNA的结构特点:,(1)基因重叠:同一DNA序列包含不同的基因区 (2)多顺反子 一个mRNA 分子上携带多个结构基因的编码信息 (3)结构基因连续性,原核生物的多顺反子,真核生物的单顺反子,3. DNA的二级 结构 Secondary Structure of DNA,(1)DNA的二级结构 双螺旋结构 The secondary structure of DNA DNA double helix,DNA双螺旋结构是DNA 二级结构的重要形式,它 是Watson和Crick两位科学家于1953年提出来的一种结构模型。,DNA双螺旋结构的研究背景,罗莎林德弗兰克
12、林Rosalind Franklin(1920-1958),DNA双螺旋结构模型要点 (Watson, Crick, 1953),DNA分子由两条相互平行但走向相反的脱氧多核苷酸链组成,两链以-脱氧核糖-磷酸-为骨架,以右手螺旋方式绕同一公共轴盘。大沟(major groove)及小沟(minor groove)相间。,DNA双螺旋结构模型要点 (Watson, Crick, 1953),碱基垂直螺旋轴居双螺旋内側,与对側碱基形成氢键配对(互补配对形式:A=T; GC) 。 螺旋直径为2nm,相邻碱基平面距离0.34nm,螺旋一圈螺距3.4nm,一圈10对碱基。,亲水性的骨架位于双链的外侧。
13、疏水性的碱基位于双链的内侧。,骨架与碱基,碱基互补配对,T,A,G,C,DNA双螺旋结构模型要点 (Watson, Crick, 1953),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。 磷酸基的负电荷与介质中的阳离子的正电荷之间形成的离子键。,双螺旋DNA的结构特征,1、反向平行 2、右双螺旋:大、小二沟;10bp/螺旋,螺 距3.4nm (34A0);D = 2nm(20A0) 3、主链骨架位于螺旋外侧,碱基在内 4、副键维系:横向氢键;纵向碱 基堆砌力 5、碱基互补(配对):A = T;G C,双螺旋DNA的结构特点,(2)DNA双螺旋 结构的多样性 The Variety o
14、f DNA Structures,1953,Watson-Crick, BDNA(右手螺旋) (right-handed helix) 1979,Rich, ZDNA(左手螺旋) (left-handed helix),BDNA,ADNA,ZDNA,a.多种右手螺旋,天然DNA在不同湿度、不同盐浓度中结晶,其X线衍射所得数据不一样。,B. Z-DNA 左手螺旋。 螺距较大,直径变窄(细长而伸展),只有小沟。 分子长链中磷原子不是平滑延伸而是锯齿排列。,ZDNA也是天然DNA中的一种构象。 意义: DNA的左旋化可能与致癌、突变及基因表达的调控有关。,4. DNA的超螺旋结构及其在染色质中的组装
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