第二章 核酸化学.ppt

第二章 核酸化学,概 述,1868年，F. Miescher从细胞核中分离得到一种酸性物质，被称为核酸（nucleic acid）。 Mendel关于基因（gene）的研究。 1944年，Avery等完成了著名的肺炎球菌转化实验，证明遗传物质的基础是核酸。 1953年，Watson和Click提出DNA双螺旋模型。,1. 脱氧核糖核酸（deoxyribonucleic acid , DNA） 原核: 裸露的DNA分子集中于核区 真核: 细胞核DNA：与组蛋白、非组蛋白形成染色体 细胞器DNA：双链环形，一般裸露,核酸的种类和分布,2. 核糖核酸（ribonucleic acid , RNA) 包括：tRNA 、rRNA、mRNA 主要存在于细胞质中，少量在细胞核中。,核酸的功能,脱氧核糖核酸（DNA）: 基因遗传物质的载体，是生物的主要遗传物质。,核糖核酸（RNA）: 参与遗传信息的传递和表达过程，在蛋白质的生物合成中起重要作用。,第一节 核苷酸,核酸（DNA和RNA）是一种线性多聚核苷酸，它的基本结构单元是核苷酸。,核苷酸,核苷,磷酸,戊糖(核糖、脱氧核糖),碱基（嘌呤、嘧啶）, 碱 基, 主要包括嘌呤碱和嘧啶碱。,嘌呤碱：腺嘌呤（A）、鸟嘌呤（G）,嘧啶碱：胞嘧啶（C）、尿嘧啶（U）、 胸腺嘧啶（T）,RNA中主要含：A、G、C、U 四种碱基,DNA中主要含：A、G、C、T 四种碱基, 戊 糖, 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。,1,4,2, 核 苷,1,9,1,1, 由一个碱基和一个戊糖结合形成，共8种。,糖与碱基之间的C-N键，称为C-N糖苷键。, 核苷酸, 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-脱氧核糖核苷和5-磷酸-核糖核苷。,核 苷,核苷酸,Nitrogenous base,Pentose sugar,Phosphate,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）,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）,将核酸完全水解后可得到哪些组分? DNA和RNA的水解产物有何不同？,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 (三磷酸腺苷),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。, 核苷酸的衍生物,腺苷酸及其多磷酸化合物, 环核苷酸普遍存在于动植物及微生物中。,（2） cAMP（环腺苷酸）和 cGMP,这两种环核苷酸在细胞代谢调节中具有重要作用，是传递激素作用的媒介物,称为二级信使。,NAD：烟酰胺腺嘌呤二核苷酸 NADP：烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸 FAD：黄素腺嘌呤二核苷酸,（3） 辅酶类核苷酸,一、DNA的一级结构,是指脱氧核苷酸之间的连接方式和排列顺序。,1. 连接方式： 3，5-磷酸二酯键,第二节 DNA的分子结构,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： PAPCPTPG 或 PACTG -ACTG-,可以表示为,各种简化的读向都是从左到右，左侧为5，右侧为3。,2. 排列顺序,真正代表DNA生物学意义的是碱基的排列顺序， 顺序本身就是遗传信息存储的分子形式。 生物界的多样性即寓于DNA分子中的4种脱氧核苷酸的千变万化的不同排列组合之中。,二、DNA的二级结构,Chargaff 定律：,碱基当量定律：几乎所有生物 AT，GC ；AGTC。 不对称比率：不同物种中 A/G、T/C比值差别较大；（AT）/(GC)比值因物种而异。,DNA的Na盐纤维和DNA晶体的X光衍射分析 Franklin,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。,1. DNA分子由两条反向平行的多聚脱氧核苷酸链组成。一条链的走向为53，而另一条链的走向向为35。两条链沿一个假想的中心轴右旋平行盘绕，形成大沟与小沟。,DNA双螺旋结构的要点:,2. 磷酸和脱氧核糖作为不变的链骨架位于外侧，作为可变成分的碱基位于螺旋的内侧。链间的碱基按AT和G C配对形成碱基平面，平面与纵轴近于垂直。,3.螺旋横截面的直径约为2nm，相邻碱基平面的垂直距离为0.34nm，螺旋结构每隔10个碱基重复一次，间距为3.4nm。,4. DNA双螺旋结构在生理条件下是很稳定的，稳定力量主要有两个： 碱基堆积力（base stacking force） 氢键（hydrogen bond）,DNA双螺旋结构的多态性,回文序列（palindromic sequence）：指DNA序列中，以某一中心区域为对称轴，其两侧碱基序列正读和反读都相同的双螺旋结构。,其它类型的DNA螺旋结构,发夹结构,十字形结构,镜像重复（mirror repeat）：DNA序列反向重复，且存在于同一条链上。,当DNA的一段寡嘧啶（寡嘌呤）构成镜像重复时可以形成三股螺旋（hinged DNA , H-DNA),Hoogsteen配对,三、DNA的三级结构,超螺旋（superhelix）是DNA三级结构中最常见的形式。,正超螺旋：3.4nm间距内碱基对数多于10个。 负超螺旋：3.4nm间距内碱基对数少于10个。,RNA是DNA的局部转录产物，分子量要比DNA小得多。 RNA为单链分子，以3，5-磷酸二酯键相连。 配对原则是AU，G C，但不遵守碱基当量定律。,第二节 RNA的分子结构,概 述,根据RNA的功能，可以分为mRNA（message RNA）、tRNA（transfer RNA）和rRNA（ribosomal RNA）三种。,一、tRNA的分子结构,一级结构 单链核酸，通常由7388个核苷酸组成。 含较多稀有核苷酸，如：DHU、等。 3'-末端都具有CCA-OH的结构。,二级结构 三叶草形结构，由四臂四环组成。,氨基酸臂 D臂（二氢尿嘧啶臂） D环 TC臂 TC环 额外环 AC臂（反密码臂） AC环,三级结构 倒L型,原核生物rRNA有3类：5S、16S、23S 真核生物rRNA有4类： 5S、5.8S、18S、28S,二、rRNA的分子结构,许多rRNA的一级结构及由一级结构推导出来的二级结构都已阐明，但是对许多rRNA的功能迄今仍不十分清楚。 已有一些rRNA具有酶的活性，称为核酶（ribozyme）。,顺反子（cistron）：一个基因就是一个顺反子。 原核生物的mRNA一般是多顺反子。 真核生物的mRNA一般是单顺反子。,三、mRNA的分子结构,原核生物mRNA结构特点,先导区：SD序列。富含嘌呤碱基，可与16s rRNA的3末端富含嘧啶碱基的序列互补，这与mRNA对核糖体的快速识别有关。,5-末端有一个甲基化的鸟苷酸，称为“帽子结构” 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” 。,真核生物mRNA结构特点,帽子结构,第五节 核酸的性质,核酸分子中既含有酸性基团（磷酸基），也含有碱性基团（氨基），因而核酸具有两性性质。 核酸分子中的磷酸是一个中等强度的酸，而氨基是一个弱碱，所以核酸的等电点比较低。如DNA的等电点为44.5，RNA的等电点为22.5。 在生理pH或中性缓冲液中，核酸带负电，可在电场中向阳极移动。,1. 核酸的两性性质及等电点,等电点 pI,在核酸分子中，由于嘌呤碱和嘧啶碱具有共轭双键体系，因而具有独特的紫外线吸收光谱。一般在260nm左右有最大吸收峰，可以作为核酸定性和定量测定的依据。,2. 核酸的紫外吸收,减色效应:双螺旋结构的形成和3，5 -磷酸二酯键的形成都会减弱碱基对紫外光的吸收。,增色效应：核酸变性后对紫外光的吸收增加。,1 天然DNA 2 变性DNA 3 游离核苷酸,核酸的变性（denaturation） 是指核酸分子中氢键断裂，双螺旋解开，变成无规则卷曲的过程。 核酸的复性（renaturation） 是指变性DNA的两条单链的碱基可以重新配对，恢复双螺旋结构。,3. 核酸的变性、复性和分子杂交,DNA变性,改变了DNA的二级结构，并不破坏一级结构。,DNA复性,变性DNA缓慢冷却，恢复双螺旋结构，称退火(annealing) 变性DNA迅速冷却，双链继续保持分开，称淬火(quenching),能够引起核酸变性的因素很多。温度升高、酸碱度改变、甲醛和尿素等的存在均可引起核酸的变性。,Tm值（melting temperature）：熔解温度，指消光值A260达到最大值一半时的温度。, 影响Tm的因素主要有： 1. DNA的性质与组成 DNA的均一性：均一DNA，Tm值范围小 G-C含量： G-C含量高，Tm值越大 2. 溶液的性质 溶液离子强度高， Tm高。 所以DNA制品应保持比较高浓度的缓冲液中。,把不同的DNA链放在同一溶液中做变性处理，或把单链DNA和RNA放在一起，只要有些区域有碱基配对的可能，它们之间就可能形成局部的双链。,分子杂交（molecular hybridization）,核酸的杂交,1、某DNA样品含腺嘌呤15.1%（按摩尔碱基计），计算其余碱基的百分含量。 2、DNA双螺旋结构是什么时候，由谁提出来的？试述其结构模型。 3、tRNA的结构有何特点？有何功能？ 4、真核生物与原核生物mRNA结构各有何特点？ 5、DNA和RNA的结构有何异同？ 6、T7噬菌体DNA，其双螺旋链的相对分子质量为2.5×107。计算DNA链的长度（设一对核苷酸的平均相对分子质量为650）,核酸变性和复性 、分子杂交 、增色效应和减色效应 、回文结构 、Tm值 cAMP 、Chargaff定律,名词解释,简答题,