生物化學(xué)核酸的化學(xué)

生物化學(xué)核酸的化學(xué)第1頁/共94頁主要內(nèi)容一、

核酸的研究歷史和重要性二、核酸的組成和分類三、核酸的基本結(jié)構(gòu)單位—核苷酸四、

DNA的分子結(jié)構(gòu)五、

RNA的分子結(jié)構(gòu)六、

核酸的理化性質(zhì)及核酸研究常用技術(shù)第2頁/共94頁一、核酸的研究歷史和重要性核酸的發(fā)現(xiàn):1868瑞士F.Miescher從膿細(xì)胞的細(xì)胞核中分離出了一種含磷酸的有機(jī)物，當(dāng)時(shí)稱為核素（nuclein）,后稱為核酸（nucleicacid）.核素實(shí)質(zhì)是一種核糖核蛋白。.核酸——生命物質(zhì)的主要組分，控制著生物的生長、發(fā)育、繁殖、遺傳等重要的生命活動(dòng)。第3頁/共94頁第4頁/共94頁一、核酸的研究歷史和重要性1944Avery

等通過肺炎球菌轉(zhuǎn)化試驗(yàn)證明DNA是遺傳物質(zhì)第5頁/共94頁一、核酸的研究歷史和重要性1953Watson和Crick提出DNA結(jié)構(gòu)的雙螺旋模型它不僅闡明了DNA分子的結(jié)構(gòu)特征，而且提出了DNA作為執(zhí)行生物遺傳功能的分子，從親代到子代的DNA復(fù)制過程中遺傳信息的傳遞方式及高度保真性，為遺傳學(xué)進(jìn)入分子水平奠定了基礎(chǔ)，成為現(xiàn)代分子生物學(xué)發(fā)展史上最為輝煌的里程碑。第6頁/共94頁一、核酸的研究歷史和重要性1958Crick提出遺傳信息傳遞的中心法則70年代建立DNA重組技術(shù)80年代分子生物學(xué)、分子遺傳學(xué)等學(xué)科突飛猛進(jìn)發(fā)展，另有核酶的發(fā)現(xiàn)90年代以后實(shí)施人類基因組計(jì)劃（HGP）,生命科學(xué)進(jìn)入一個(gè)新時(shí)代21世紀(jì)初RNA組學(xué)誕生，并得到迅速發(fā)展，非編碼RNA研究已成為熱點(diǎn)。第7頁/共94頁第8頁/共94頁二、核酸的分類與組成按所含糖類不同，分為：脫氧核糖核酸（DNA）：遺傳物質(zhì)，遺傳信息的載體，負(fù)責(zé)遺傳信息的儲(chǔ)存和發(fā)布，并通過復(fù)制將遺傳信息傳遞給子代。核糖核酸（RNA）：RNA的功能多樣性。主要有：參與基因表達(dá)的調(diào)控、催化作用、遺傳信息的加工、病毒RNA是遺傳信息的載體負(fù)責(zé)遺傳信息的表達(dá)，第9頁/共94頁種類分布功能DNA原核生物：核質(zhì)區(qū)真核生物：95%在細(xì)胞核、

5%在線粒體和葉綠體

遺傳信息的載體RNAtRNA原核生物：細(xì)胞質(zhì)真核生物：75%在細(xì)胞質(zhì)

15%在線粒體和葉綠體

10%在細(xì)胞核攜帶、轉(zhuǎn)移aamRNA肽鏈合成的模板rRNA核糖體主要成分二、核酸的分類與組成第10頁/共94頁第11頁/共94頁元素組成C、H、O、N、P其中P的含量在核酸中相對恒定。在DNA中為9.9%，在RNA中為9.4%

。這可用于測定核酸的含量——定磷法。第12頁/共94頁

戊糖

嘌呤

核糖脫氧核糖

堿基嘧啶

核苷酸

磷酸

核苷結(jié)構(gòu)組成第13頁/共94頁

核苷酸

RNA中的核苷酸腺苷酸AMP鳥苷酸GMP胞苷酸CMP尿苷酸UMPDNA中的核苷酸脫氧腺苷酸dAMP脫氧鳥苷酸dGMP脫氧胞苷酸dCMP脫氧胸苷酸dTMP生物體內(nèi)存在的核苷酸，多是5核苷酸。'二、核酸的基本結(jié)構(gòu)單位—第14頁/共94頁堿基、核苷、核苷酸的概念和關(guān)系

NitrogenousbasePentosesugarHOCH2HOHDoxyribose(inDNA)HOCH2HOOHRibose(inRNA)PhosphatePyrimidinesCytosineThymineUracilCUTPurinesAdenineGuanineAG第15頁/共94頁基本堿基結(jié)構(gòu)和命名嘌呤嘧啶Adenine

(A)Guanine(G)Cytosine(C)Uracil(U)Thymine(T)第16頁/共94頁修飾堿基第17頁/共94頁核糖和脫氧核糖第18頁/共94頁核苷酸的結(jié)構(gòu)和命名腺嘌呤核苷酸（AMP）

Adenosine

monophosphate脫氧腺嘌呤核苷酸（dAMP）Deoxyadenosine

monophosphateOH鳥嘌呤核苷酸（GMP）胞嘧啶核苷酸（CMP）尿嘧啶核苷酸（UMP）脫氧鳥嘌呤核苷酸（dGMP）脫氧胞嘧啶核苷酸（dCMP）脫氧胸腺嘧啶核苷酸（dTMP）H第19頁/共94頁P(yáng)PPPPPPP常見（脫氧）核苷酸的結(jié)構(gòu)和命名鳥嘌呤核苷酸（GMP）尿嘧啶核苷酸（UMP）胞嘧啶核苷酸（CMP）腺嘌呤核苷酸（AMP）脫氧腺嘌呤核苷酸（dAMP）脫氧鳥嘌呤核苷酸（dGMP）脫氧胞嘧啶核苷酸（dCMP）脫氧胸腺嘧啶核苷酸（dTMP）第20頁/共94頁幾種稀有核苷酸假尿苷（）二氫尿嘧啶（DHU）AmCH3CH3H3Cm26AHH5第21頁/共94頁細(xì)胞內(nèi)游離核苷酸及其衍生物

多磷酸核苷酸

環(huán)核苷酸

輔酶類核苷酸第22頁/共94頁

5′-NMP5′-NDP5′-NTPN=A、G、C、U

5′-dNMP5′-dNDP5′-dNTPN=A、G、C、T腺苷酸及其多磷酸化合物

AMPAdenosine

monophosphate

ADPAdenosine

diphosphate

ATPAdenosine

triphosphate第23頁/共94頁各種核苷三磷酸和脫氧核苷三磷酸是體內(nèi)合成RNA和DNA合成的直接原料。在體內(nèi)能量代謝中的作用：ATP——能量“貨幣”

UTP——參加糖的互相轉(zhuǎn)化與合成CTP——參加磷脂的合成GTP——參加蛋白質(zhì)和嘌呤的合成另外:CDPG參與磷脂合成，ADPG、UDPG、GDPG、TDPG參與糖原、淀粉、纖維素、果膠等合成；游離核苷酸及其衍生物的功能第24頁/共94頁第二信使——cAMP、cGMP，微生物細(xì)胞內(nèi)，還有cUMP、cCMP、cIMP，但功能不明。

輔酶如NAD+、NADP+、FMN、FAD、CoASH的組成成分，參加細(xì)胞內(nèi)的氧化還原反應(yīng)和?；D(zhuǎn)移反應(yīng)；醫(yī)療中，ATP作為能源藥物用于心力衰竭急救，cAMP用于心肌梗死，阿拉伯糖苷有抗DNA病毒作用，用于抗癌。第25頁/共94頁cAMP的結(jié)構(gòu)

環(huán)化核苷酸cAMP、cGMP：被稱為第二信使，有放大激素的作用第26頁/共94頁cGMP的結(jié)構(gòu)第27頁/共94頁肌苷酸及鳥苷酸(強(qiáng)力味精)IMPGMP第28頁/共94頁

四、DNA的分子結(jié)構(gòu)

1.

DNA一級結(jié)構(gòu)2.

DNA的二級結(jié)構(gòu)3.

DNA的三級結(jié)構(gòu)4.DNA與基因組第29頁/共94頁55331.

DNA一級結(jié)構(gòu)DNA分子中各脫氧核苷酸之間的連接方式（3′-5′磷酸二酯鍵）和排列順序叫做DNA的一級結(jié)構(gòu)，簡稱為堿基序列。一級結(jié)構(gòu)的走向的規(guī)定為5′→3′。不同的DNA分子具有不同的核苷酸排列順序，因此攜帶有不同的遺傳信息。第30頁/共94頁DNA一級結(jié)構(gòu)的表示法5′3′5′3′

p

p

p

pOH3′ACTG1′線條式5′

ACTGCATAGCTCGA3′字母式結(jié)構(gòu)式第31頁/共94頁DNA、RNA的一級結(jié)構(gòu)比較

DNA一級結(jié)構(gòu)5′3′OHOHOH5′3′RNA

RNA與DNA一級結(jié)構(gòu)的差異

DNA

RNA糖脫氧核糖核糖堿基AGCTAGCU不含稀有堿基含稀有堿基DNA第32頁/共94頁

DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)(Watson-Crick模型）DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)特征、穩(wěn)定因素及意義

DNA雙螺旋的多態(tài)性DNA的其它二級結(jié)構(gòu)

（DNA回文結(jié)構(gòu)、發(fā)卡、十字架、三鏈結(jié)構(gòu)等）2.

DNA二級結(jié)構(gòu)第33頁/共94頁DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)的形成5′3′5′3′5′3′5′3′磷酸核糖堿基T-A堿基對C-G堿基對第34頁/共94頁DNA的雙螺旋模型特點(diǎn)

a.兩條反向平行的多聚核苷酸鏈沿一個(gè)假設(shè)的中心軸右旋相互盤繞而形成。

b.磷酸和脫氧核糖單位作為不變的骨架組成位于外側(cè)，作為可變成分的堿基位于內(nèi)側(cè)，鏈間堿基按A—T，G—C配對（堿基配對原則，Chargaff定律）。

c.螺旋直徑2nm，相鄰堿基平面垂直距離0.34nm,螺旋結(jié)構(gòu)每隔10個(gè)堿基對（basepair,bp）重復(fù)一次，間隔（螺距）為3.4nm。d.螺旋表面不平滑，有大溝和小溝。第35頁/共94頁

氫鍵堿基堆集力磷酸基上負(fù)電荷被胞內(nèi)組蛋白或正離子中和DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)穩(wěn)定因素

第36頁/共94頁DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)的意義

該模型揭示了DNA作為遺傳物質(zhì)的穩(wěn)定性特征，最有價(jià)值的是確認(rèn)了堿基配對原則，這是DNA復(fù)制、轉(zhuǎn)錄和反轉(zhuǎn)錄的分子基礎(chǔ)，亦是遺傳信息傳遞和表達(dá)的分子基礎(chǔ)。該模型的提出是20世紀(jì)生命科學(xué)的重大突破之一，它奠定了生物化學(xué)和分子生物學(xué)乃至整個(gè)生命科學(xué)飛速發(fā)展的基石。第37頁/共94頁DNA雙螺旋的多態(tài)性

所謂DNA二級結(jié)構(gòu)的多態(tài)性，是指DNA不僅具有多種形式的雙螺旋結(jié)構(gòu)，而且還能形成三鏈、四鏈結(jié)構(gòu)，說明DNA的結(jié)構(gòu)是動(dòng)態(tài)的，而不是靜態(tài)的。核酸的構(gòu)型的多樣性是由于核酸主干鏈上各鍵和堿基的旋轉(zhuǎn)造成的，而多鏈的DNA是特定的堿基序列導(dǎo)致的結(jié)果。第38頁/共94頁(1)B-DNA螺旋：標(biāo)準(zhǔn)的

Watson,Crick雙螺旋，細(xì)胞正常狀態(tài)下DNA存在的構(gòu)型。(2)A-DNA螺旋：DNA在75%相對濕度的鈉鹽中的構(gòu)型。(3)C-DNA螺旋：DNA在66%相對濕度的鋰鹽中的構(gòu)型。(4)Z-DNA螺旋：左手的DNA螺旋，這種螺旋可能在基因表達(dá)或遺傳重組中起作用。DNA雙螺旋的不同構(gòu)型第39頁/共94頁DNA雙螺旋構(gòu)象的類型A-DNAZ-DNAB-DNA第40頁/共94頁DNA雙螺旋的不同構(gòu)象

第41頁/共94頁DNA回文序列及幾種結(jié)構(gòu)形式回文序列發(fā)夾式結(jié)構(gòu)十字形結(jié)構(gòu)中心區(qū)域第42頁/共94頁DNA三鏈間的堿基配對DNA分子內(nèi)的三鏈結(jié)構(gòu)

多聚嘌呤多聚嘧啶DNA分子間的三鏈結(jié)構(gòu)DNA的三鏈結(jié)構(gòu)第43頁/共94頁

3DNA的三級結(jié)構(gòu):超螺旋

在細(xì)胞內(nèi)，由于DNA分子與其它分子（主要是蛋白質(zhì)）的相互作用，使DNA雙螺旋進(jìn)一步扭曲形成的高級結(jié)構(gòu).實(shí)例：超螺旋核蛋白體（染色體chromosome）第44頁/共94頁自從1965年Vinograd等人發(fā)現(xiàn)多瘤病毒的環(huán)形DNA的超螺旋以來，現(xiàn)已知道絕大多數(shù)原核生物都是共價(jià)封閉環(huán)(covalentlyclosedcircle,CCC)分子，這種雙螺旋環(huán)狀分子再度螺旋化成為超螺旋結(jié)構(gòu)(superhelix或supercoil)。有些單鏈環(huán)形染色體(如φ×174)或雙鏈線形染色體(如噬菌體λ)，在其生活周期的某一階段，也必將其染色體變?yōu)槌菪问?。對于真核生物來說，雖然其染色體多為線形分子但其DNA均與蛋白質(zhì)相結(jié)合，兩個(gè)結(jié)合點(diǎn)之間的DNA形成一個(gè)突環(huán)(loop)結(jié)構(gòu)，類似于CCC分子，同樣具有超螺旋形式。第45頁/共94頁超螺旋按其方向分為正超螺旋和負(fù)超螺旋兩種。真核生物中，DNA與組蛋白八聚體形成核小體結(jié)構(gòu)時(shí)，存在著負(fù)超螺旋。研究發(fā)現(xiàn)，所有的DNA超螺旋都是由DNA拓?fù)洚悩?gòu)酶產(chǎn)生的。第46頁/共94頁第47頁/共94頁第48頁/共94頁第49頁/共94頁第50頁/共94頁染色體包裝的多級螺旋模型壓縮倍數(shù)76405（8400）

DNA→核小體→螺線管→超螺線管→染色單體

2nm10nm30(10)nm400nm2~10μm

一級包裝二級包裝三級包裝四級包裝

染色體的基本結(jié)構(gòu)單位是核小體。核小體是由DNA和組蛋白組成的，組蛋白有五種。H2A,H2B,H3,H4各兩分子構(gòu)成一個(gè)八聚體，其外再由雙螺旋DNA繞其旋轉(zhuǎn)1.75圈(為DNA的三級結(jié)構(gòu))，約含140bp，稱為核小體的核心顆粒(coreparticle)。兩個(gè)核心顆粒之間由一段雙螺旋DNA鏈(約60bp)相連，稱為連接部，組蛋白H1結(jié)合在此部位。若干個(gè)核小體再螺旋形成核小體纖維，再進(jìn)一步螺旋化形成染色體。從雙螺旋DNA到染色體，DNA總共壓縮了約8000~10000倍.第51頁/共94頁核小體結(jié)構(gòu)如圖所示:第52頁/共94頁第53頁/共94頁第54頁/共94頁第55頁/共94頁4DNA與基因組DNATranscription

RNA（mRNA、tRNA、rRNA）TranslationProtein基因基因是DNA片段的核苷酸序列，DNA分子中最小的功能單位。結(jié)構(gòu)基因調(diào)節(jié)基因基因組DNA與基因第56頁/共94頁基因和基因組基因即一段有功能的DNA片段，生物細(xì)胞中DNA分子的最小功能單位（交換單位）。一個(gè)細(xì)胞或生物體所含的全套基因稱基因組；基因組計(jì)劃：人類基因組計(jì)劃（HumanGenomeProject，HGP）酵母基因組計(jì)劃（YGP）大腸桿菌（E.Coli）第57頁/共94頁真核生物基因組的特點(diǎn)A.重復(fù)序列單拷貝序列：在整個(gè)DNA中只出現(xiàn)一次或少數(shù)幾次，主要為編碼蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)基因。中度重復(fù)序列：在DNA中可重復(fù)幾十次到幾千次。高度重復(fù)序列：可重復(fù)幾百萬次高度重復(fù)序列一般富含A-T或G-C，富含A-T的在密度梯度離心時(shí)在離心管中形成的區(qū)帶比主體DNA更靠近管口；富含G-C的更靠近管底，稱為衛(wèi)星DNA（satelliteDNA）富含A-T富含G-C主體DNA第58頁/共94頁B.有斷裂基因mRNA1872bp內(nèi)含子（intron)：基因中不為多肽編碼，不在mRNA中出現(xiàn)。ABCDEG7700bpF外顯子（exons）：為多肽編碼的基因片段。：由于基因中內(nèi)含子的存在。transcription第59頁/共94頁原核生物基因組的特點(diǎn)A.DNA大部分為結(jié)構(gòu)基因，每個(gè)基因出現(xiàn)頻率低。B.功能相關(guān)基因串聯(lián)在一起，并轉(zhuǎn)錄在同一mRNA中（多順反子）。C.有基因重疊現(xiàn)象。ABCDEFG第60頁/共94頁五、

RNA的分子結(jié)構(gòu)

1RNA的一級結(jié)構(gòu)

2tRNA的分子結(jié)構(gòu)3rRNA的分子結(jié)構(gòu)4mRNA的分子結(jié)構(gòu)第61頁/共94頁

RNA分子中各核苷之間的連接方式（3′-5′磷酸二酯鍵）和排列順序叫做RNA的一級結(jié)構(gòu)OHOHOH5′3′

RNA與DNA的差異

DNARNA糖脫氧核糖核糖堿基AGCTAGCU不含稀有堿基含稀有堿基1RNA的一級結(jié)構(gòu)

第62頁/共94頁

對于RNA的一級結(jié)構(gòu)，研究最多的是tRNA。tRNA的5’-末端總是磷酸化，而且常是pG；3’-末端最后三個(gè)氨基酸順序相同，總是CCAOH；tRNA中含有較多的稀有堿基，每分子含7～15個(gè)，稀有堿基中最常見的是甲基化的堿基。在rRNA分子中，研究最多的是5SrRNA和16SrRNA。大腸桿菌中的5SrRNA的5’-端常出現(xiàn)pppU，3’-端為UOH；第43～47位的核苷酸順序?yàn)镃GAAC（真核細(xì)胞此序列則出現(xiàn)在5.8SrRNA），這是rRNA與tRNA相互識(shí)別、相互作用的部位；原核細(xì)胞16SrRNA的3’-端總存在序列ACCUCCU，這是mRNA的識(shí)別位點(diǎn)。mRNA相對分子質(zhì)量不均一，代謝活躍，這給一級結(jié)構(gòu)的研究帶來一定困難。真核細(xì)胞mRNA與原核mRNA比較，在結(jié)構(gòu)上具有明顯的區(qū)別。真核細(xì)胞mRNA的3’-末端有一段可長達(dá)200個(gè)左右的聚腺苷酸（polyA），稱為“尾”結(jié)構(gòu)；5’-末端有一個(gè)甲基化的鳥苷酸,稱為“帽”結(jié)構(gòu)，表示m7Gp5p5pXpmY，其中X、Y為任意堿基。這種“尾”和“帽”的結(jié)構(gòu)在mRNA功能表現(xiàn)中具有重要作用。第63頁/共94頁tRNA的結(jié)構(gòu)

二級結(jié)構(gòu)特征：單鏈三葉草葉形四臂四環(huán)

三級結(jié)構(gòu)特征：在二級結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上進(jìn)一步折疊扭曲形成倒L型第64頁/共94頁第65頁/共94頁第66頁/共94頁X光晶體衍射解出的tRNA立體結(jié)構(gòu)第67頁/共94頁tRNA的三級結(jié)構(gòu)第68頁/共94頁

rRNA的分子結(jié)構(gòu)特征：

單鏈，螺旋化程度較tRNA低

與蛋白質(zhì)組成核糖體后方能發(fā)揮其功能5SRNA的二級結(jié)構(gòu)第69頁/共94頁第70頁/共94頁

mRNA的分子結(jié)構(gòu)原核生物mRNA特征：

先導(dǎo)區(qū)+翻譯區(qū)（多順反子）+末端序列真核生物mRNA特征：

“帽子”（m7G-5′ppp5′-N-3′p）+單順反子+“尾巴”（PolyA）第71頁/共94頁原核細(xì)胞mRNA的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)5′3′順反子順反子順反子插入順序插入順序先導(dǎo)區(qū)末端順序第72頁/共94頁真核細(xì)胞mRNA的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)AAAAAAA-OH5′

“帽子”PolyA

3′

順反子m7G-5′ppp-N-3′p第73頁/共94頁真核生物mRNA的一級結(jié)構(gòu)可用下式表示:5′-帽子5′-非密碼區(qū)密碼區(qū)3′-非密碼區(qū)polyA5′-cap：m7G(5′)pppNmp5′-capcap0:m7G(5′)pppNpcap1:m7G(5′)pppNmpNpcap2:m7G(5′)pppNmpNmpNp第74頁/共94頁5′-cap的功能(1)防止mRNA被核酸酶降解。(2)為mRNA翻譯活性所必需。(3)與蛋白質(zhì)合成的正確起始有關(guān)。第75頁/共94頁3′-polyA:polyA的殘基數(shù)20~200個(gè)，或更多。polyA的功能(1)保護(hù)mRNA，免受核酸外切酶的作用。(2)與翻譯有關(guān)，沒有polyA翻譯活性降低。(3)與mRNA從細(xì)胞核轉(zhuǎn)移到細(xì)胞質(zhì)有關(guān)。第76頁/共94頁六、核酸的某些理化性質(zhì)及

核酸研究常用技術(shù)

1核酸的物理性質(zhì)

2核酸的紫外吸收特性（λmax=260nm）

3核酸的變性、復(fù)性和分子雜交

4核酸的溶鏈溫度（Tm）

5核酸的水解第77頁/共94頁性狀：RNA及其組分核苷酸、核苷、嘌呤堿、嘧啶堿的純品都呈白色的粉末或結(jié)晶；DNA則為疏松的石棉一樣的纖維狀固體。粘性：核酸的水溶液粘度很大，粘度DNA大于RNA。核酸變性后，粘度下降。溶解性：RNA和DNA都是極性的化合物，一般說來，這些化合物都微溶于水，不溶于乙醇、乙醚、氯仿等有機(jī)溶劑。它們的鈉鹽易溶于水。DNA和RNA在生物細(xì)胞內(nèi)都與蛋白質(zhì)結(jié)合成核蛋白。物理性質(zhì)第78頁/共94頁DNA的紫外吸收光譜天然DNA變性DNA核苷酸總吸收值1232202402602800.10.20.30.4波長（nm）光吸收123核酸的光吸收值比各核苷酸光吸收值的和少30-40%，當(dāng)核酸變性或降解時(shí)光吸收值顯著增加（增色效應(yīng)），但核酸復(fù)性后，光吸收值又回復(fù)到原有水平（減色效應(yīng)）。第79頁/共94頁DNA的變性過程加熱部分雙螺旋解開無規(guī)則線團(tuán)鏈內(nèi)堿基配對第80頁/共94頁核酸的變性、復(fù)性和雜交變性（加熱）探針雜交（緩慢冷卻）復(fù)性（緩慢冷卻）

變性