生物化学 核酸生物化学.ppt
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1、第二章,核酸的化学,本章主要内容 核苷酸 DNA RNA 核酸的性质,认识核酸在生命科学上的重要性 弄清碱基、核苷、核苷酸和核酸分子结构上的关系 掌握核酸的化学本质及DNA和RNA在组分、结构和功能上的差异 认识核酸的结构与其性质与功能之间的关系。,学习要求,1869年 F.Miescher首先从伤员绷带的脓细胞中分离得到称为“核素”的核酸 1944年 O.N.Avery通过转化实验证实DNA是主要的遗传物质 1953年 J. D.Watson和F.H.C.Crick提出DNA双螺旋结构模型 1958年 Crick提出遗传信息传递的中心法则 1970年,建立DNA重组技术 1980年后,分子生
2、物学、分子遗传学等学科突飞猛进发展,提出并完成HGP.,核酸化学的发展过程,一、概述 概念,核酸(nucleic acid)是由碱基(嘌呤和嘧啶)、戊糖和磷酸组成的高分子物质,是生物体的基本组成。 种类: DNA (脱氧核糖核酸) RNA(核糖核酸),“四核苷酸假说”: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,不大可能有重要的生理功能。 1944年,Avery等人的肺炎双球菌转化实验证实核酸是生命遗传的基础物质。 1952年,Hershey和Chase的T2噬菌体侵染实验彻底证明遗传物质是核酸,而不是蛋白质。,1928年,英国 S型肺炎球菌:有荚膜,菌落表面光滑 R型肺炎球菌:没
3、有荚膜,菌落表面粗糙,著名的肺炎球菌实验,结果说明?,结果说明:加热杀死的S型肺炎球菌中一定有某种特殊的生物分子或遗传物质,可以使无害的R型肺炎球菌转化为有害的S型肺炎球菌 这种生物分子或遗传物质是什么呢?,著名的肺炎球菌实验,纽约洛克非勒研究所 Avery 从加热杀死的S型肺炎球菌将蛋白质、核酸、多糖、脂类分离出来,分别加入到无害的R型肺炎球菌中, 结果发现,惟独只有核酸可以使无害的R型肺炎球菌转化为有害的S型肺炎球菌。 1944年 结论:DNA是生命的遗传物质,噬菌体侵染实验,分布:,DNA:主要在细胞核中,是染色体的主 要成分。此外在线粒体、叶绿体. RNA:主要在细胞质中,此外在线粒体
4、、细胞核核仁;,二、核酸的组成成分,核酸是一种线形多聚核苷酸(polynucleotide), 其基本结构单位是核苷酸(nucleotide)。,核苷酸的基 本结构,(一)核酸中的戊糖,D-核糖(D-ribose) D-脱氧核糖 (D-deoxyribose) 核酸据此分类: 脱氧核糖DNA; 核糖RNA; 核酸中的戊糖均为 -D-型,核苷酸,从两类核酸的水解产物可看到它们组成的差别?,(二)碱基,核酸中的碱基分两类: 1、嘧啶碱(pyrimidine):是嘧啶的衍生物。,嘧啶,1,2,3,4,5,6,H,胞嘧啶 Cytosine,(C),尿嘧啶 uracil,(U),H,H,胸腺嘧啶 thy
5、mine,(T),2、嘌呤碱(purine):由嘌呤衍生而来。,1,2,3,4,5,6,7,8,9,嘌呤,腺嘌呤 adenine,(A),鸟嘌呤 guanine,(G),3、稀有碱基:,一些修饰碱基,因含量甚少而称之。 大多为甲基化碱基,多在tRNA中。,(三)核苷: (nucleoside),核苷:戊糖与碱基缩合而成,并以糖苷键相连接。 糖苷键: 二者的连接是C-N键,称N-糖苷键。,腺 苷,尿苷,OH,假尿苷(),核苷的表示:,核苷:A、G、 C 、U 脱氧核苷:dA,dG,dC,dT 修饰核苷: 如5-甲基脱氧胞嘧啶:m5dC。,脱氧核糖核酸和核糖核酸异同的对比,(四)核苷酸(nucle
6、otide,nt),1、种类: 1)按酯化位点:可在核糖的2- , 3-, 5-; 2)按核糖类型: 核苷酸、 脱氧核苷酸,核苷中戊糖的羟基被磷酸酯化,即为核苷酸。,2、结构:,3、表示:,与一个磷酸结合MP:(d)AMP、(d)GMP、(d)CMP、(d)TMP、UMP 与二个磷酸结合DP:如:ADP 与三个磷酸结合TP: 如:ATP,核苷酸,4、特殊核苷酸:,环核苷酸: 核糖3-, 5- 成环。 cAMP、 cGMP 功能: 第二信使,激素、一些药物、神经递质通过其发挥生理作用。,核苷酸,核苷酸衍生物,环化磷酸化,cAMP,cGMP,核苷酸衍生物,5- IMP 5- 肌苷酸 (5- 次黄嘌
7、呤核苷酸) 5- GMP,(五)核苷酸的连接方式,1、 3-, 5磷酸二酯键将核苷酸连接成核酸大分子。,一、核苷酸,2、核酸的一级结构:,多核苷酸链中各核苷酸残基的排列顺序。,3,5,1,P,P,P,OH,A,T,G,pGpTpAOH,pG-T-A,pGTA,1)一级结构表示方法如上:,2)读向:,碱基序列从左到右表示5 3,由3-, 5磷酸二酯键连接。 若两链反向平行,则需注明每条链的走向。如: 5A-T-G-C-C-T-G-A 3 3 T-A-C-G-G-A-C-T 5,核苷酸,三、DNA,(一)DNA 的一级结构: 由数量庞大的4种脱氧核苷酸通过3-, 5磷酸二酯键连接成的直线形或环形多
8、聚体。,(二)DNA的双螺旋二级结构,1、双螺旋结构模型建立的依据: 1) chargaff对DNA碱基组成的定量分析,提出碱基配对原则:A=T, GC 2)根据对DNA纤维和晶体的x-衍射分析。 3)电位滴定证明。 A=T, GC,DNA,双螺旋中的碱基对(base pair,bp),2.双螺旋结构的特点:(Watson-Crick模型),1)形成: 两条链反向平行; DNA一条链为另一条链互补链 右手螺旋。,DNA,2)结构:,A、核糖-磷酸以3-, 5磷酸二酯键连接成骨架; 碱基在内; A=T, GC B、大沟、小沟。,DNA,3)尺寸:,DNA,A、直径:2nm ; B、碱基距离:0.
9、34nm; C、一周10个核苷酸; D、螺距:3.4nm 。,4)双螺旋的稳定性:,A、依靠碱基堆积力 B、氢键 C、离子键,3、二级结构的构象类型:,DNA,B-DNA,A-DNA,Z-DNA,B-DNA与A-DNA,几种DNA钠盐的特点 :,B-DNA:生理状态下多为此种;92%相对湿度 A-DNA:右手螺旋;75%相对湿度;生理状态 下多见dsRNA、DNA-RNA Z-DNA:人工合成、左手螺旋;嘧啶、嘌呤交 替;有m5dC ;与基因表达调控有关; 此外,还发现有C、D、E等型。,(三)DNA的三级结构,DNA双螺旋进一步扭曲即成 三级结构。 天然DNA有双链DNA(dsDNA), 有
10、的病毒为单链DNA(ssDNA) 在dsDNA中: 线形分子(大多数) 环状分子(dcDNA):质粒、,DNA,1、超螺旋结构,特点: 可将长链压缩 在一较小体内; 密度大; 凝胶电泳中移 动速度快。,DNA,回文结构中的单链可形成发夹结构,特殊DNA的结构,上页 下页 章首 节首,双链回文结构可形成十字架结构,特殊DNA的结构,上页 下页 章首 节首,DNA的其他结构,DNA三股螺旋概念是在1957年提出来的,当时有人发现,人工合成的一条右手螺旋多聚物(A)n与另两条右手螺旋多聚物(T)n形成三股螺旋结构,这是分子间的三股螺旋。此后有人研究证明,聚dA链首先与一条聚dT链互补形成双螺旋,然后
11、,在高盐条件下, 另一条dT链再同双螺旋形成三股螺旋结构。 双螺旋结构通过Watson-Crick氢键稳定而三股螺旋是通过 Hoogsteen氢键稳定。,DNA的三股螺旋结构,2、核小体中的 扭曲方式,在真核细胞染色质中, DNA双螺旋分子盘绕 在组蛋白上形成核小体。 许多核小体由DNA 连成念珠状结构,再盘 绕压缩成高层次的结构 染色体。,DNA,真核生物:DNA和蛋白质组装成染色体,染色体的基本单位是核小体。,核小体进一步旋转折叠形成棒状染色体,将近1 m长的DNA分子容纳于直径只有数微米的细胞核中。,1、DNA是遗传信息的载体,半保留复制 保证了亲代 性状传到子 代,保证了 亲代与子代
12、的相似性。,DNA,(四)DNA的功能,2、DNA是变异的物质基础,变异是生物进化的基础。变异的发生: 1)DNA复制时出错; 2)理化因素等引起碱基变化或缺失,使DNA碱基序列改变,从而发生性状变异。,DNA,四、RNA,(一)RNA的结构 组成:4种核苷酸,有稀有碱基; 连接:同DNA 形成:一般以DNA为模板合成,有例外。 结构:单链线形分子,局部区域有双螺旋。,(二)RNA的类型,三种: 信使RNA(messenger RNA,mRNA) 核糖体RNA (ribosomel RNA,rRNA) 转运RNA (transfer RNA,tRNA),RNA,三种RNA的功能,mRNA是遗传
13、信息的携带者。在细胞核中转录DNA上的遗传信息,再进入细胞质,蛋白质合成的模板。 tRNA起识别密码子和携带相应氨基酸的作用。 rRNA和蛋白质共同组成的复合体就是核糖体,核糖体是蛋白质合成的场所。,1、tRNA,约占全部RNA的 15%;由70-90个核 苷酸组成许多种类; 沉降系数4S。,RNA,1)tRNA结构:,一级结构多已清楚, 含较多稀有碱基; 二级结构为三叶草 有:aa臂、 二氢嘧啶环、 反密码环、 可变环、 T 环,RNA,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
14、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。,tRNA 三级结构 为倒L型,A、在pr合成中转运aa; B、在pr合成的起始、DNA反转录合成及其它代谢调节中起作用。,2)tRNA功能:,2、mRNA和hnRNA,1)合成: 以DNA为模板(核内) 合成 hnRNA(含内含子和外显子) 加工 成熟的mRNA 入细胞质 蛋白质合成,RNA,合成mRNA,切除内含子,2) mRNA结构特点:,3末端有polyA结构:与mRNA从核入质有关。 5末端有帽子结构:G被甲基化,此可能与pro合成的起始有关。,3) 功能:是蛋白质合成的模板,3、rRNA,1)占RNA总量
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