生物化学-核酸课件

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1、第二章 核酸,核 酸(nucleic acid),是由核苷酸组成的生物大分子，携带和传递遗传信息。,第一节 概述,核酸是一类重要的生物大分子，担负着生命信息的储存与传递。 核酸是现代生物化学、分子生物学的重要研究领域，是基因工程操作的核心分子。,第一节 核酸是遗传物质的载体,一、核酸的研究发现史 1868年，科学家从细胞核中分离得到一种酸性物质，即现在被称为核酸的物质。,核酸的分类及分布,主要在细胞核,存在于胞核、胞液中。,脱氧核糖核酸(DNA),核糖核酸(RNA),生物遗传的物质基础,核酸的分类及分布,存在于细胞核和线粒体内。,存在于胞核、胞液和线粒体。,携带遗传信息，决定细胞和个体的遗传型

2、(genotype)。,参与遗传信息的复制与表达。某些病毒RNA也可作为遗传信息的载体。,RNA的分类和功能,信使RNA（mRNA） 携带DNA遗传信息 转运RNA（tRNA） 通过反密码子识别mRNA的 密码子，使氨基酸对号入座 核蛋白体 (rRNA) 与核糖体蛋白形成核糖体， 是蛋白质合成的场所,98核中（染色体中） 真核 线粒体（mDNA） 核外 叶绿体（ctDNA） DNA 拟核 原核 核外：质粒（plasmid） 病毒：DNA病毒,二、核酸的种类和分布,核酸分为两大类： 脱氧核糖核酸 Deoxyribonucleic Acid （DNA） 核糖核酸 Ribonucleic Acid（

3、RNA）,第二节 核酸的分子组成,核酸,核苷酸,核苷,磷酸,碱基,戊糖,元素组成： C H O N P,核酸完全水解产生嘌呤和嘧啶等碱性物质、戊糖（核糖或脱氧核糖）和磷酸的混合物。核酸部分水解则产生核苷和核苷酸。每个核苷分子含一分子碱基和一分子戊糖，一分子核苷酸部分水解后除产生核苷外，还有一分子磷酸。核酸的各种水解产物可用层析或电泳等方法分离鉴定。,核酸的基本组成单位是核苷酸,碱基,戊糖,磷酸,核苷酸,核苷,核酸,DNA的基本组成单位是脱氧核糖核苷酸 。 RNA的基本组成单位是核糖核苷酸 。,嘌呤,嘧啶,碱基,腺嘌呤（A）,鸟嘌呤（G）,胞嘧啶（C）,胸腺嘧啶（T）,尿嘧啶（U）,DNA、RN

4、A均有,DNA有,RNA有,核苷酸的结构,每种核酸都含有四种碱基 。,戊 糖,（构成RNA）,核糖,（构成DNA）,脱氧核糖,嘌呤,腺嘌呤(adenine, A),鸟嘌呤(guanine, G),碱 基,嘧啶,胞嘧啶(cytosine, C),尿嘧啶(uracil, U),胸腺嘧啶(thymine, T),核酸中也存在一些不常见的稀有碱基。稀有碱基的种类很多，大部分是上述碱基的甲基化产物。,核苷（或脱氧核苷）：碱基和核糖（或脱氧核糖）通过糖苷键连接形成。,糖苷键,核苷酸： AMP, GMP, UMP, CMP 脱氧核苷酸： dAMP, dGMP, dTMP, dCMP,核苷酸（脱氧核苷酸）：核

5、苷（脱氧核苷）和磷酸以酯键连接形成。,多磷酸核苷酸： NMP，NDP，NTP,环化核苷酸: cAMP，cGMP,肌苷酸及鸟苷酸(强力味精),辅酶 NAD、NADP、FMN,IMP GMP,多聚核苷酸（核酸）,多聚核苷酸是通过一个核苷酸的C3-OH 与另一分子核苷酸的5-磷酸基形成3,5-磷酸二酯键相连而成的链状聚合物。,5-磷酸端（常用5-P表示）；3-羟基端（常用3-OH表示） 多聚核苷酸链具有方向性，当表示一个多聚核苷酸链时，必须注明它的方向是53或是35。,多聚核苷酸的表示方式,DNA RNA,5PdAPdCPdGPdTOH 3 5PAPCPGPUOH 或5ACGTGCGT 3 5ACG

6、UAUGU 3 ACGTGCGT ACGUAUGU,DNA的合成原料： dATP, dGTP, dCTP, dTTP. RNA的合成原料： ATP, GTP, CTP, TTP.,第二节 核酸的分子结构,一、DNA的一级结构 脱氧核糖核酸的排列顺序 可以用碱基排列顺序表示 连接键：3，5-磷酸二酯键 磷酸与戊糖顺序相连形成主链骨架 碱基形成侧链 多核苷酸链均有5-末端和3-末端 DNA的碱基顺序本身就是遗传信息存储的分子形式。生物界物种的多样性即寓于DNA分子中四种核苷酸千变万化的不同排列组合之中。,2. 基因与基因组,基因（gene）：一段有功能的DNA片段，生物细胞中DNA分子的最小功能单

7、位（交换单位）。,基因组（genome）：某生物体（完整单倍体）所含全部遗传物质的总和。 包括：核基因组（拟核/核DNA）及核外（质粒/质体DNA）,各种细胞、病毒和细菌质粒中基因组的大小,3. 原核生物基因组特点 重复序列少，多位编码区 多为操纵子形式组织 有重叠基因存在,真核生物基因组特点 以染色体存在 重复序列多,基因组计划 人类基因组计划（Human Genome Project， HGP ） 酵母基因组计划 （YGP） 大肠杆菌（E.Coli）,二、DNA的二级结构 DNA的双螺旋模型,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

8、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。 在DNA分子中，嘌呤碱基的总数与嘧啶碱基的总数相等。,DNA双螺旋模型要点,B型结构 两条链反向平行，右手螺旋 碱基在内（AT，GC）碱基平面垂直于螺旋轴 戊糖在外，双螺旋每转一周 为10碱基对（bp） A型结构 碱基平面倾斜20，螺旋变粗变短，螺距23nm。 Z型结构 左手螺旋，只有小沟,双螺旋DNA的结构参数,双螺旋稳定的力 氢键 碱基堆积力（疏水相互作用及范德华力） 离子键等 则DNA变性剂（热、pH、脲/酰胺、有机溶剂）,DNA的存在形式,二、DNA的三级结构,DNA双螺旋的进一步扭曲构成三

9、级结构，负超螺旋 原核 双链环状DNA（dcDNA） 病毒 单链环状DNA（scDNA） 单链线性DNA（ssDNA）,真核 双链线性DNA（dsDNA）,第四节 RNA的结构与功能,一、结构特点 碱基组成 A、G、C、U （AU/GC） 稀有碱基较多，稳定性较差，易水解 多为单链结构，少数局部形成螺旋 分子较小 分类 mRNA（hnRNA 核不均一RNA） tRNA rRNA （snRNA/asRNA） 少数RNA病毒,二、tRNA,占RNA总量的15 一种氨基酸对应最少一种RNA,分子量25000左右，大约由7090个核苷酸组成，沉降系数为4S左右。 分子中含有较多的修饰成分。 3-末端都

10、具有CpCpAOH的结构。,tRNA的三级结构,三、rRNA,占RNA总量的80,四、mRNA和hnRNA,占细胞总RNA的35,真核细胞mRNA的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” ，5 -末端有一个甲基化的鸟苷酸，称为” 帽结构“ 。,五、snRNA （small nucleic RNA 核小RNA） scRNA （small cytoplasmic RNA） asRNA （antisense RNA）,第四节 核酸的分子结构,一，DNA的分子结构 （一）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

11、称为碱基序列。,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。,书写方法,DNA 与RNA的区别,（二） DNA的二级结构 双螺旋结构,DNA双螺旋结构模型要点,1.两条链反向，平行，碱基互补 A = T G C 。 2.围绕同一中心轴构成右手双螺旋 。螺旋直径2nm，表面有大沟和小沟（蛋白质结合部位）。 3. 碱基在内侧。每圈螺旋含10个碱基对 (bp)，螺距为3.4nm。,4. 维持双螺旋稳定的因素：横向为氢键，纵向为碱基间的堆积力。,碱基互补配对,T,A,G,C,（一）原核生物DNA的高级结构,（三）DNA的三级结构,（二）真核生物DNA的高级结构,真核生物染色体由DN

12、A和蛋白质构成，其基本单位是 核小体。,核小体的组成 DNA：约200bp 组蛋白：H1 H2A，H2B H3 H4,八聚体,DNA的功能：基因是DNA分子中的某一段核苷酸排列顺序，编码特定的蛋白质。,二、RNA的种类和分子结构,RNA的一级结构：多核糖核苷酸链中核苷酸的排列顺序 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,核蛋白体,RNA,信使,RNA,转运,RNA,功,能,核蛋白体组分,蛋白质合成模板,转运氨基酸,核蛋白体,RNA,信使,RNA,转运,RNA,细胞核和胞液,功,

13、能,rRNA,mRNA,tRNA,核蛋白体组分,二、RNA的种类和分子结构,核蛋白体,RNA,（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。,* mRNA结构特点,1. 大多数真核mRNA的5末端形成帽子结构：m7GpppNm-。,2. 大多数真核mRNA的3末端有多聚A尾。,* tRNA的一级结构特点 含稀有碱基较多 3末端为 CCA-OH 5末端大多数为G 由7090个核苷酸组成,（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的二级结构 三叶草形,氨基酸臂,额

14、外环,* tRNA的三级结构 倒L形,* rRNA的结构,（三）核蛋白体RNA,* rRNA的功能 参与组成核蛋白体（ rRNA+pr） ，作为蛋白质生物合成的场所。 核蛋白体包括大亚基和小亚基,核酸的理化性质,第 三 节,一、紫外吸收,在260nm波长有最大吸收峰，是由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。,二、核酸的紫外吸收特性,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，可以作为核酸及其组份定性和定量测定的依据。 以A260/A280进行定性、定量 DNA和RNA溶液中加入溴化乙锭（EB），在紫外下

15、发出荧光,三、核酸的变性、复性与分子杂交,1. 变性 稳定核酸双螺旋次级键断裂，空间结构破坏，变成单链结构的过程。核酸的的一级结构(碱基顺序)保持不变。 变性表征 生物活性部分丧失、粘度下降、浮力密度升高、紫外吸收增加（增色效应） 变性因素： pH（11.3或5.0） 变性剂（脲、甲酰胺、甲醛） 低离子强度 加热,二、DNA的变性,定义：在某些理化因素作用下，DNA双链解开成两条单链的过程。,变性因素：过量酸，碱，加热等。,DNA变性的本质是双链间氢键的断裂,DNA的变性过程是突变性的，它在很窄的温度区间内完成。因此，通常将紫外吸收的增加量达最大量一半时的温度称熔解温度，用Tm表示。 一般DNA的Tm值在70-85C之间。DNA的Tm值与分子中的G和C的含量有关。 G和C的含量高，Tm值高。因而测定Tm值，可反映DNA分子中G, C含量，可通过经验公式计算：（G+C)%=(Tm-69.3)X2.44,2. 热变性和Tm,例：变性引起紫外吸收值的改变,DNA的紫外吸收光谱,增色效应：DNA变性时其溶液OD260增高的现象。,Tm：DNA 解链50%时的温度称为DNA的解链温度，又称融解温度(Tm)。其大小与G+C含量成正比。,三、DNA的复性,DNA复性的定义 在适当条件下，变性