生物化学核酸1.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第4章 生命密码核酸,遗传信息的携带者和传递着。,第4章 生命密码核酸 (Nucleic Acids),1.核酸的分类和组成,2.核酸的结构,3.核酸的理化性质,4.核酸的研究方法,5.核酸测序及合成,6.核酸的生物功能,7.核酸的应用技术,8.基因、基因组及基因组学,9.DNA与疾病,生命遗传信息的载体,核酸的研究历史,-核酸的发现,1868年 F.Miescher从脓细胞的细胞核中提取出一种富含磷的酸性物质，称为“核素”（nuclein）。,1889 年R.Altmann从酵母和动物组织中提取出不含蛋白质的核酸。最先提出“核酸”。,1894年O.Hammars证明酵母核酸中的糖是戊糖。,E.Fischer研究糖和嘌呤，1902年获得诺贝尔化学奖。,Kossel鉴定嘌呤和嘧啶碱基，获得1910年诺贝尔生理学奖,1909年P.A.Levene和W.A.Jacobs鉴定是D-核糖，1929年两人确定为2-脱氧-D-核糖，1912年提出“四核苷酸假说：生物体含等量的四种核苷酸，DNA类似于糖原和淀粉是一种多聚体，不可能是遗传物质。,1,米歇尔,Friedrich Miescher,(1844-1895),被认为是细胞核化学的创始人和DNA的发现者。,The Nobel Prize in Physiology or Medicine 1910,“in recognition of the contributions to our knowledge of cell chemistry made through his work on proteins,including the nucleic substances.”,Albrecht Kossel（科塞尔）,鉴定嘌呤和嘧啶碱基,1928年Griffith发现DNA是遗传物质。1944年美国微生物学家Oswald T.Avery等肺炎双球菌转化实验。,1949年，生化学家Erwin Chargaff（查格夫）用纸层析技术测定the four nucleotide bases in DNA：A=T,G=C，提出,Chargaff,法则。,1952年，A.Hershey和M.Chase 用,35,S和,32,P标记的噬菌体T2感染大肠杆菌时，只有DNA进入细菌细胞中。,核酸的研究历史,-核酸的化学研究,2,病毒侵染实验,核酸是遗传信息的载体,1952年,A.D.Hershey,M.Chase,35,S和,32,P标记的噬菌体T,2,感染大肠杆菌,肺炎双球菌转化实验,1944年,Avery等实验,无荚膜,有荚膜,加热,R.Franklin和DNA的X-射线衍射照片,Watson,沃森,1953年2月28日，时年25岁的沃森和34岁的克里克在英国剑桥大学卡文迪什实验室发现了“生命的奥秘”。4月25日英国的自然发表了他们的DNA双螺旋结构模型。,Crick,克里克,DNA双螺旋结构模型,DNA双螺旋结构的阐明是20世纪生命科学里程碑式的工作,对DNA的了解：,基因疗法,DNA指纹鉴定,克隆技术的发展,干细胞研究,转基因农作物的培育,人类起源与进化的研究,以DNA为基础的药物研制,遗憾的是DNA双螺旋的问世并无人喝彩，大家都把目光集中到当年的斯大林逝世、伊丽莎白二世加冕和人类征服珠穆朗玛峰等大事上。,1990年人类基因组计划（Human Genome Project），美国30亿美元（19912005年）我国1999年加入承担1任务。提前于2003年完成。,2000年6月24日,Working draft of human genome,2003年3月,国际人类基因组单体型图计划(HapMap)（10%）,至今基因测序：水稻、80多种微生物、动植物等。,功能基因组学、结构基因组学、蛋白质组学、RNA组学,生物化学和分子生物学发展的主要方向有3个：,结构分子生物学、神经分子生物学、发育分子生物学,核酸的研究历史,-后基因组时代,4,2006年诺贝尔生理学和医学奖,发现RNA（核糖核酸）干扰机制,Craig C.Mello,克雷格梅洛 1960年,美国马萨诸塞大学,医学院分子医学教授,Andrew Z.Fire,安德鲁法尔 1959年,美国斯坦福大学,医学院病理与遗传学教授,RNA干扰（RNAi）:,让致病基因沉默,The Nobel Prize in Chemistry 2006,Roger D.Kornberg,罗杰科恩伯格,b.1947,Stanford University USA,for his studies of the molecular basis of eukaryotic transcription,第一个成功地将脱氧核糖核酸（）的复制过程捕捉下来的科学家,.,真核生物体内的细胞如何利用基因内存储的信息生产蛋白质,Roger Kornberg,(right)with his father,Arthur Kornberg,who was awarded the Nobel Prize in Physiology and Medicine 1959.,left：Roger Kornberg,middle：Arthur Kornberg,right：Andrew Z.Fire,The Nobel Prize 2006,纯化出一种可以合成DNA的酶,核酸的分类 Classification of nucleic acids,DNA(,D,eoxyribo,n,ucleic,a,cid)脱氧核糖核酸,RNA(,R,ibo,n,ucleic,a,cid)核糖核酸,信使,核糖核酸（,mRNA,messenger RNA),转移,核糖核酸（,tRNA,transfer RNA）,核糖体,核糖核酸（,rRNA,ribosomal RNA）,DNA 脱氧核糖核酸,原核生物：核区-染色体,真核生物：核内-染色体,细胞器-线粒体、叶绿体,病毒：只含DNA 或只含RNA,动物病毒-DNA,植物病毒-RNA,少见DNA,噬菌体-DNA,环状双链DNA,线型双链DNA,环状单链DNA,RNA 核糖核酸,mRNA tRNA rRNA,原核细胞,真核细胞,小RNA(sRNA),核内小RNA(snRNA),核仁小RNA(snoRNA),反义RNA(antisense RNA)、核酶,特殊功能 RNA,冠状SARS病毒,结构模型（上）,电镜照片（下）,单股正链RNA病毒,mRNA （信使RNA）,约占总RNA的5%；,不同细胞的mRNA的链长和分子量差异很大；,其功能是将DNA的遗传信息传递到蛋白质合成基地 核糖体上，是蛋白质生物合成的模板。,tRNA （转移RNA）,约占总RNA的10-15%；,在蛋白质生物合成中起翻译氨基酸信息，并将相应的氨基酸转运到核糖体的作用；,已知每一个氨基酸至少有一个相应的tRNA；,分子的大小很相似，链长一般在73 78个核苷酸之间。,rRNA,（核糖体RNA）,约占全部RNA的80%，,是核糖核蛋白体的主要组成部分。,rRNA 的功能与蛋白质生物合成相关。,核酸的组成 Composition of nucleic acids,戊糖,碱基,核苷,磷酸,核 酸,核苷酸,结构单元,1.酶促反应中酶的作用在于,。,A.降低反应的活化能 B.提高反应的活化能,C.促使正向反应速度提高 D.改变反应平衡,2.不含腺嘌呤的辅酶是,。,A.NADH B.CoA C.FAD D.FMN,3.丝氨酸蛋白酶活性中心的氨基酸残基是,、,、,。,4.胰凝乳蛋白酶催化肽键水解，是通过促使,（,氨基酸）高度极化，对底物肽键的酰基亲核进攻，与底物形成中间体。,习题,碱,碱 基,嘧 啶,1,2,3,4,5,6,4个C和2个N的杂环化合物,嘌 呤,1,2,3,4,5,6,7,8,9,嘧啶环与咪唑环组成的双环结构,碱基分两大类：嘌呤、嘧啶,9,1,碱 基-嘌呤碱,腺嘌呤 A,(6-氨基嘌呤),嘌 呤,鸟嘌呤 G,(2-氨基-6-氧嘌呤),1,2,3,4,5,6,7,8,9,碱 基-嘧啶碱,胸腺嘧啶 T,2,4-二氧-5-甲基嘧啶,5-甲基尿嘧啶,存在于DNA,嘧 啶,尿嘧啶 U,(2,4-二氧嘧啶),存在于RNA,胞嘧啶 C,(2-氧-4-氨基嘧啶),1,2,3,4,5,6,嘧啶和嘌呤碱基的紫外吸收,嘌呤碱和嘧啶碱分子中都含有共轭双键体系。,pH 7,条件下嘧啶和嘌呤碱基,在紫外区,260 nm,有吸收。,酮式,-,烯醇式或胺式,-,亚胺式,互变,戊 糖,D-核 糖,(RNA),D-2-脱氧核糖,(DNA),1,2,3,4,5,1,2,3,4,5,核 苷,腺苷,脱氧胸苷,鸟苷、胞苷、尿苷,脱氧腺苷、脱氧鸟苷、脱氧胞苷,N,1,-C,1,N,9,-C,1,戊糖与碱基的连接键：N-C键，,N,-糖苷键(glycosidic bond),核 苷 酸,嘌呤或,嘧啶碱基,戊糖,磷酸酯,两类：核糖核苷酸(RNA)、脱氧核糖核苷酸(DNA),核 苷 酸,Acid,磷酸,Sugar,戊糖,Base,碱基,O,1,5,3,2,Monophosphate,Diphosphate,Triphosphate,Adenine,Guanine,Thymine,Cytosine,Uracil,Purine,嘌呤碱,Pyrimidine,嘧啶碱,-OH Ribose,-H Deoxyribose,核苷(Nucleo,s,ide),核苷酸(Nucleo,t,ide),脱氧核糖核苷酸,dAMP,dGMP,dCMP,dTMP,DNA和RNA的基本化学组成及作用,核苷酸的衍生物,ATP（腺嘌呤核糖核苷三磷酸）,GTP（鸟嘌呤核糖核苷三磷酸）,cAMP 和 cGMP：（细胞之间传递信息的信使）,NAD,+,，FAD，CoA,多聚核苷酸,腺嘌呤核糖核苷三磷酸（ATP）,高能磷酸键,核苷酸的衍生物,环状核苷酸（cAMP/cGMP）,ATP/GTP,cAMP/cGMP,腺/鸟苷酸环化酶,生物调控第二信使,核苷酸的衍生物,碱基=,A,：（cAMP，3,5-环化腺苷一磷酸）,G：（cGMP，3,5-环化鸟苷一磷酸）,核苷酸衍生物,烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（辅酶）,腺嘌呤,烟酰胺,黄素腺嘌呤二核苷酸(FAD),核苷酸衍生物,辅酶A（CoA）,核苷酸衍生物,phosphorylated,ADP,泛酸,Pantothenate unit,sulfhydyl group,乙酰基,acetyl,核苷酸衍生物,多聚核苷酸（Polynucleotides）,多聚核苷酸（Polynucleotides）,合成脱氧核酸由脱氧核苷三磷酸,dATP,dGTP,dCTP,dTTP,合成核酸由核苷三磷酸,ATP,GTP,CTP,UTP,DNA,水解得到,dAMP,dGMP,dCMP,dTMP,RNA,水解得到,AMP,GMP,CMP,UMP,核酸中核苷酸的连接方式,3,5 磷酸二酯键,5,-,-3,5,5,3,3,-3,5,-,竖线式,3,5-磷酸二酯键；,5端在左侧，3端在右侧,核酸中核苷酸的连接方式,4.2 核酸的结构,-,DNA结构,DNA的一级结构,碱基序列,DNA的二级结构,双螺旋结构,DNA的三级结构,DNA分子通过扭曲和折叠所形成的特定构象，包括不同二级结构单元间的相互作用，单链与二级结构单元间的相互作用以及DNA的拓扑特征。超螺旋是DNA三级结构的一种。,DNA的四级结构,DNA与蛋白质复合物的结构。如染色质的基本结构单位核小体。,Structure of nucleic acids,-Double helix of DNA,Watson-Crick阐明的是B型DNA双螺旋结构,左旋DNA,两条反向平行的多核苷酸链,（1）右手，反向平行，直径2 nm；,（2）碱基在内，磷酸和糖基在外；,碱基环与糖基环垂直；,碱基环与轴垂直；,糖环与轴平行；,（3）10个碱基对一圈，螺距3.4 nm；,（4）碱基互补或配对，形成氢键；,（5）一条链的碱基排序不受任何限制。,DNA双螺旋结构,碱基间形成的氢键,哪对碱基形成的氢键,？,DNA双螺旋结构的作用力,1）氢键：G-C、A-T,2）碱基堆积力：芳香环疏水结构,3）磷酸残基的负电荷与介质中的阳离子形成的离子键。,DNA的三级结构,超螺旋结构,是DNA双螺旋结构基础上进一步螺旋形成的,有正超螺旋、负超螺旋。,一般的生命体是负超螺旋，可以减少DNA螺旋的圈数。,正超螺旋可以增加螺旋数，有些细菌和病毒是正超螺旋,。,熔解温度（,T,m,，melting temperature）,加热使DNA双螺旋结构失去一半时的温度。,DNA的四级结构,DNA与蛋白质复合物的结构,真核细胞染色体的基本结构单位-,核小体,H2A、H2B、H3、H4,146bp,组蛋白,组蛋白乙酰转移酶和组蛋白去乙酰化酶,HDAC Inhibitors,Histone Acetyltransferase,(HAT),Histone Deacetylase,(HDAC),去乙酰化核小体Deacetylated,Nucleosome,乙酰化核小体,Acetylated Nucleosome,Inactivation of HAT activity or recruit of HDACs can induce tumor cell proliferation.,RNA通常是单链线型分子，可自身回折形成局部双螺旋（二级结构），进而折叠（三级结构）。,RNA一级结构：碱基序列,（AGCU，3,5-磷酸二酯键）,mRNA：线型,tRNA:二级结构呈三叶草型，三级结构为倒L型,rRNA：与蛋白质形成核蛋白复合物,4.2 核酸的结构,-,RNA结构,5,3,AUG,UAG,UGA,UAA,编码区,非编码区,非编码区,m,7,G,5,ppp,5,N,m,5帽子结构,3polyA,AAAAOH,真核生物mRNA结构,mRNA结构,原核生物,：多顺反子,一条mRNA链上有多个编码区，能指导多个蛋白质生物合成。,真核生物,：单顺反子,一条,mRNA,链只能指导合成一条蛋白质。,三叶草型,折叠形,氨基酸臂,T,C,环,二氢尿嘧啶,环,反密码环,额外环,蛋白质生物合成过程中具有,转运氨基酸,和,识别密码子,的作用。,氨基酸臂,T,C,环,二氢尿嘧啶,环,反密码环,tRNA的结构,tRNA的结构,10%稀有碱基,转录后加工修饰而成,tRNA,的关键部位,氨基酸臂：氨基酸结合部位,CCA-OH 3,反密码环：,mRNA,结合部位,D,环：含,DHU,T,C,环：含胸苷和假尿苷,额 外 环：可鉴别,tRNA,一种,tRNA,只与一种氨基酸结合,一种氨基酸可与几种,tRNA,结合,GA甲基化,密码子与反密码子是反向配对的,tRNA的结构,rRNA的结构,核糖体有大小2个亚基,rRNA是核糖体的骨架，,rRNA是一种核酶，催化肽键合成，蛋白质只是维持rRNA构象，起辅助作用。,核糖体=rRNA+蛋白质,（60%）（40%）,核糖体是蛋白质合成中心，是一种核酶。,