生物化学-3章--核酸化学

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1、第三章 核酸化学,第一节 核酸的化学组成 第二节 DNA的结构与功能 第三节 RNA的结构与功能 第四节 核酸的性质,第三章 核酸化学,学习目标,1、掌握核酸的化学组成、核苷酸的组成、DNA与RNA的结构与功能、核酸的理化性质、DNA的变性。 2、熟悉核小体的组成、核酸分子的杂交、基因与基因组。 3、了解核酸的分离提纯及定量测定，鉴定核酸样品中核酸的纯度。,第三章 核酸化学,什么是核 酸？,是由若干核苷酸组成的生物大分子，又称为多聚核苷酸。携带和传递遗传信息，是生命遗传的物质基础。,分类及作用,第一节 核酸的化学组成,一、元素组成 主要含有 C、H、O、N、P等。 其中P含量较恒定，为 9%1

2、0%，为核酸的特征性元素，可用于核酸定量分析。 一般不含S元素,二、核酸基本组成单位核苷酸,DNA的基本组成单位是什么？,脱氧核糖核苷酸,RNA的基本组成单位是什么？,核糖核苷酸,核苷酸的基本组成成分 1.磷酸（H3PO4） 磷酸为酸性物质，可与戊糖以磷脂键相连。 定磷法：通过测定P元素的含量计算核酸的含量。,2.戊糖,3.碱基 基本结构是含氮的杂环化合物；分为嘌呤和嘧啶。,碱基,嘌呤,嘧啶,腺嘌呤（A）,鸟嘌呤（G）,胞嘧啶（C）,胸腺嘧啶（T）,尿嘧啶（U）,DNA、RNA均有,DNA有,RNA有,嘌呤,腺嘌呤(adenine, A),鸟嘌呤(guanine, G),嘧啶,胞嘧啶(cyto

3、sine, C),尿嘧啶(uracil, U),胸腺嘧啶(thymine, T),每种核酸都含有四种碱基 ： DNA含有A、G、C、T RNA含有A、G、C、U 另外 除上述碱基外，核酸分子中还含有极少量的碱 基称为稀有碱基，如次黄嘌呤、二氢尿嘧啶、5-甲 基胞嘧啶、5-羟基胞嘧啶等。,4、核苷,碱基,核糖,核糖核苷,存于RNA,碱基,脱氧核糖,脱氧核糖核苷,存于DNA,糖苷键,糖苷键,糖苷键,核苷酸,磷酸,核糖核苷,磷酸,脱氧核糖核苷,核糖核苷酸（NMP）,脱氧核糖核苷酸（dNMP）,酯键,酯键,DNA基本单位,RNA基本单位,AMP、GMP、UMP、CMP,dAMP、dGMP、dTMP、d

4、GMP,戊糖,磷酸,碱基,自然界游离核苷酸主要以5-核苷酸形式存在,多磷酸核苷酸,NMP、NDP、NTP dNMP、dNDP、dNTP, 脱氧核苷一、二、三磷酸,其中：N代表核苷或者脱氧核苷； M、D、T分别代表“一、二 、三”,根据磷酸基团数目的不同, 核苷一、二、三磷酸,脱氧核糖核苷酸根据磷酸基团数量不同分,一磷酸脱氧核糖核苷（dNMP） 二磷酸脱氧核糖核苷（dNDP） 三磷酸脱氧核糖核苷（dNTP）,核糖核苷酸根据磷酸基团数量不同分,一磷酸核苷（NMP） 二磷酸核苷（NDP） 三磷酸核苷（NTP）,其中：N代表核苷或者脱氧核苷； M、D、T分别代表“一、二 、三”,二、核酸基本组成单位核

5、苷酸,环化核苷酸: cAMP，cGMP,1. 是核酸的基本组成单位； 2. ATP是生物体能量的直接供应体： ATP ADP+Pi+能量 3.构成多种辅酶：如NAD、CoA等； 4. 物质代谢调节中的第二信使，如cAMP、cGMP。,核苷酸的生理功能,三、核酸中核苷酸的连接方式,核苷酸之间以3 , 5 -磷酸二酯键连接形成多核苷酸链，即核酸。,每条链有两端 5-末端 带游离磷酸基 3-末端 带游离羟基 书写方式：左向右， 5-末端写在左侧， 3-末端 写在右侧,碱基：用单字母 竖线：核糖碳链 磷酸基团：P P与斜线：3, 5 -磷酸二酯键,书写方法,小于50个核苷酸残基组成的核酸，称为寡核苷酸

6、，大于50个称为多核苷酸。,RNA,多聚核苷酸链,DNA,多聚脱氧核苷酸链,DNA 与RNA的区别,一级结构 二级结构 三级结构,第二节 DNA的结构与基因组 一、DNA的分子结构,（一）DNA的一级结构 定义：指DNA分子中脱氧核苷酸的排列顺序，即核苷酸序列。由于核苷酸间的差异主要是碱基不同，所以又称为碱基序列或碱基排列顺序。 主要化学键： 3，5-磷酸二酯键 如果碱基顺序发生变化，其生物学顺序就会发生改变。,DNA携带的遗传信息有两类： 1.有功能活性的DNA序列携带的信息。 2.调控信息：能够被各种蛋白质分子特异性识别和结合。,（二）DNA的二级结构 双螺旋结构： 主要指两条多核苷酸链反

7、向平行盘绕所形成的双螺旋结构。,Watson Crick,双螺旋结构 研究背景 1951年富兰克林获得高质量的DNA分子X线衍射照片； 1953年美国科学家沃森和英国科学家克里克提出DNA双螺旋结构。,双螺旋结构的主要结构特点 1、两条链反向平行，右手螺旋； 2、碱基互补配对：A=T（2个氢键）,G C（3个氢键）； 3、双螺旋稳定因素：横向氢键，纵向碱基堆积力。 4、表面有大、小沟，蛋白质结合的部位。 5、螺旋直径2nm ，碱基位于内侧，每圈含10个碱基对，相邻碱基间隔0.34nm，螺距为3.4nm。,小沟,大沟,Chargaff规则： 数量上：A=T,G=C 不同生物种属的DNA碱基组成不

8、同 同一个体不同组织、器官的DNA具有相同的碱基组成,（三）DNA的三级结构 定义：指DNA在双螺旋结构基础上进一步盘旋扭曲形成更加复杂的超螺旋结构。 正超螺旋：盘旋方向与双螺旋方向相同 负超螺旋：盘旋方向与双螺旋方向相反,原核生物DNA超级结构 大多数原核生物都是环状双螺旋分子结构，如细菌质粒，还有某些病毒、噬菌体，真核生物细胞中的线粒体、叶绿体等都是环状的，这些环状多是负超螺旋结构。,真核生物DNA的超级结构,真核生物染色体由DNA和蛋白质构成，其基本单位是 核小体。,核小体：DNA双链进一步盘绕在以组蛋白为核心的结构表面。核小体有组蛋白核心和盘绕在核心上的DNA构成。 核心的组成：H2A

9、、H2B、H3和H4各两分子，形成八聚体。,DNA的功能 DNA的基本功能是生物遗传信息的携带者，并作为基因复制和转录的模板，其碱基序列决定氨基酸序列。DNA是生命遗传的物质基础，也是个体生命活动的信息基础。,基因：指DNA分子中的特定区段，其中的核苷酸排列顺序决定了基因的功能。能编码有特定功能的蛋白质或RNA，能负载遗传信息。 基因组：一个生物体的所有遗传信息或全部基因序列的总和。 人类基因组：包含了细胞核染色体DNA、线粒体DNA所携带的所有遗传物质。,二、生物基因组学,基因的功能 荷载遗传信息 传递遗传信息 作为基因表达的模板,RNA的结构,第三节 RNA的结构与功能,RNA的一级结构：

10、多核糖核苷酸链中核苷酸的排列顺序。 主要化学键： 3，5-磷酸二酯键 RNA为一条多核苷酸链，有的碱基配对，有的不配对，可以螺旋，也可以不螺旋。 RNA通常以单链形式存在，局部可有二、三级结构,动物细胞内主要RNA的种类及功能,功,能,核糖体组分,蛋白质合成模板,转运氨基酸,核糖体,RNA,信使,RNA,转运,RNA,细胞核和胞液,rRNA,mRNA,tRNA,（一 ）信使RNA,内含子 (intron),* mRNA成熟过程,外显子 (exon),mRNA的功能：作为蛋白质合成的模板。,剪接、加工,* mRNA结构特点,1. 大多数真核mRNA的5末端在转录后加上一个7-甲基鸟苷为起始结构，

11、形成帽子结构：m7GpppNm-。,2. 大多数真核mRNA的3末端有一个多聚腺苷酸（polyA）结构，称为多聚A尾。,3、真核生物mRNA有编码区和非编码区。,5-帽子结构和3-PolyA都有抗核酸外切酶降解的作用，即增加mRNA的稳定性。 5-帽子结构与蛋白质翻译起始有关，与mRNA核内向胞质转移有关。,帽子结构与多聚A尾的功能,（二）转运RNA,tRNA的功能 选择性搬运氨基酸到核糖体，参与蛋白质的翻译。,tRNA的结构特点 1、单链小分子，由73-93个核苷酸组成。 2、含稀有碱基较多：如二氢尿嘧啶（DHU）、假尿嘧啶（）等。 3、3末端为 CCA-OH，结合、转运氨基酸部位。 4、5

12、末端大多数为G，总是磷酸化。 5、tRNA分子中约半数碱基可互相结合，形成双螺旋，即tRNA的二级结构，类似三叶草形。 6、tRNA三级结构呈倒“L”形。,* tRNA的二级结构 三叶草形,可变环,不同tRNA碱基数目可变化,结合rRNA、维持tRNA高级结构,* tRNA的三级结构 倒L形,DHU环,可变环,TC环,（三）核糖体RNA,* rRNA的功能 参与组成核糖体（ rRNA+蛋白质） ，核糖体作为蛋白质生物合成的场所。 核糖体包括大亚基和小亚基,除上述三种RNA外，真核细胞核内还有非mRNA小RNA的RNA分子；主要包括核内小RNA（snRNA），核仁小RNA（snoRNA）、胞质小

13、RNA（scRNA）、小片段干扰RNA（siRNA）等等。 作用：RNA的转录后加工、转运以及基因表达的调控等。 核酶： 具有催化活性的RNA，是一类生物催化剂，在RNA生物合成的剪接修饰中发挥重要作用。,其他RNA,第三节 核酸的理化性质 一、核酸的一般性质,微溶于水，不溶于乙醇、乙醚和三氯甲烷（氯仿）等有机溶剂，在溶液中的粘度很高。 主要组成元素：C、H、O、N、P（9%-10%），通过计算P的含量测定核酸含量。 核酸为多元酸，具有较强的酸性；酸性条件下比较稳定，碱性条件下易降解，具有两性解离（酸性磷酸基，碱性碱基）；通过电泳或离子交换等分离纯化核酸。 属于线性生物大分子，抗剪切力差。,二

14、、核酸的紫外吸收性质,在260nm波长有最大吸收峰，记着OD260，是由嘌呤、嘧啶碱基的共轭双键决定的。这一特性常用作核酸的定性、定量分析。,DNA的紫外吸收光谱,（一）DNA变性 定义：指在某些理化因素作用下，DNA双链之间的氢键发生断裂，使双链DNA解开为单链的过程。 变性因素：加热、强酸、强碱、有机溶剂等。 变性后理化性质的改变：粘度降低、紫外吸收值改变,三、核酸的变性、复性和分子杂交,DNA变性本质：双链间氢键的断裂，碱基堆积力被破坏，破坏DNA的二级结构，但核苷酸的排列顺序不变，即一级结构不被破坏。,增色效应：在DNA变性过程中，解链导致更多的碱基中共轭双键暴露，从而使得DNA在26

15、0nm处吸光度增高的现象。,例：变性引起紫外吸收值的改变,Tm：即DNA的解链温度或融解温度，指的是在DNA解链过程中，紫外光吸收值达到最大值的一半时所对应的温度。 Tm：DNA 解链50%时的温度。 TM大小与G+C含量、DNA长度成正比。,三、核酸的变性、复性和分子杂交,50%DNA双链被解开,GC比AT之间多一个氢键,（二）DNA复性 定义：DNA变性后，当缓慢除去变性因素，两条解离的互补双链又可以重新配对而恢复为原来的双螺旋结构，这一现象称为DNA的复性。 复性后，DNA的理化性质和生物学活性也会得到恢复。,三、核酸的变性、复性和分子杂交,退火：热变性的DNA经缓慢冷却时复性的过程 热变性的DNA，当温度迅速冷却至4以下时，复性不可能发生。 减色效应：DNA复性时，其溶液OD260降低。,（三）核酸分子杂交 概念：变性的DNA或RNA在复性的过程中，具有碱基序列部分互补的不同DNA之间、不同RNA之间或DNA与RNA之间形成杂化双链的现象。 类型：DNA-DNA、RNA-RNA、DNA-RNA,三、核酸的变性、复性和分子杂交,临床医学应用： 遗传疾病的基因诊断、恶性肿瘤的基因分析、传染病病原体的检测等等。,谢,谢,