第二章 核酸的化学.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,*,*,*,概 述,核酸的组成,DNA,的结构,RNA,的结构与功能,核酸的性质,第二章 核酸的化学,1,核酸的发现,1868,年，瑞士科学家米歇尔（,F.,Miescher,医生,),从外科绷带的脓细胞中分离出细胞核，再从细胞核中分离出一种含磷很多的酸性化合物，称其为核素（,nuclein,），,核素实际上就是我们现在所指的核蛋白。,一、概 述,分子组成：,核蛋白,蛋白质 核酸 单核苷酸,磷酸 核苷,核糖或脱氧核糖 嘌呤或嘧啶,水解,核酸是核糖或脱氧核糖与瞟呤或嘧啶碱间形成核苷，核苷间以磷酸连接而成的多个核苷酸组成的一类生物大分子。,故核酸是核蛋白的组分之一，是单核苷酸的多聚体，呈酸性，因最初从细胞核中发现，故称核酸。,核酸的概念,2,核酸的种类和分布,脱氧核糖核酸,DNA,细胞核染色体中（真核）,类核结构中（原核）,核糖核酸,RNA,细胞质中,(m,t,r),核酸的主要功能,DNA,是遗传信息的载体,RNA,在蛋白质的合成中起重要作用,一、概 述,核酸的重要性：对生物遗传和蛋白质生物合成；对肿瘤的发病机 制（病理）和治疗，所有病毒都是核蛋白,r,ibo,n,ucleic,a,cid,message,transfer,ribosomal,d,eoxy,-,ribo,n,ucleic,a,cid,3,二、核酸的组成,元素,：,C,、,H,、,O,、,N,、,P,分子,：,4,-D-,核糖,-D-2-,脱氧核糖,戊 糖,核酸的结构之,环的下方基团在链的右侧，上方左侧；,D,型指与,1C,最远的不对称,C,的羟基为,D,构型；,b,指半缩醛羟基与,4C,羟基在糖环异侧；,a,和,b,不是对映体，,b,D,、,b,L,才是对映体。,5,碱 基,A,G,C,U,T,关于碱基：,1,、瞟呤碱和嘧啶碱有酮式和烯醇式互变异构,且处于平衡，表示时两种均可。,2,、两类核酸含主要碱基,4,个即两个瞟呤碱和两个嘧啶碱，所含瞟呤碱相同（腺瞟呤,A,和鸟瞟呤,G),所含嘧啶碱不同,DNA,所含为胞嘧啶,C,和胸腺嘧啶,T,RNA,所含为胞嘧啶,C,和尿嘧啶,U,，故,DNA,和,RNA,组成上有两点区别,:,核糖和碱基。,3,、有些核酸中含有除这五个碱基外的其它修饰碱基，修饰碱基一般含量很少，故称稀有碱基。,核酸的结构之,6,腺苷,(A),脱氧胸苷,(,dT,或,T),核酸初步水解得核苷酸,核苷酸用核苷酸酶水解,得磷酸和核苷,核苷酸是核酸的组成单位,而核苷和磷酸是组成核苷酸的基本物质,.,再用核苷酶或酸水解得核糖磷酸酯和碱基,故碱基与糖环相连,.,糖苷键为,C-N,键，瞟呤碱的,9,位、嘧啶碱的,1,位（位阻），核苷用碱基第一字母表示，脱氧核苷,+d,表示,核酸的结构之,核 苷,（糖苷）,7,核 苷 酸,磷酸和糖环连接，有机合成实验表明磷酸可与糖环上所有羟基成酯键,但分析表明自然界中核苷酸多为,5,核苷酸。,核酸的结构之,8,核 苷 酸,（,AMP,）,Adenosine,monophosphate,9,eden,si:n,三磷酸腺苷,10,脱氧鸟苷三磷酸,11,核苷酸的连接方式,核酸的一级结构,O,B2,O,B1,P,P,OH,1,2,3,4,5,核苷酸连接成核酸。以,3,位羟,基与磷酸成酯键形成多核苷,酸链，具有极其规整排列和明,确走向一级结构,核酸的结构之,12,脱氧核苷酸的排列,顺序,核酸中的可变成分（碱基）的排列,顺序,一级结构的表示方法,线条式,/,字母式,/,结构式,p,dA,p,dC,p,dG,p,dT,p,dA-dC-dG-T,1.DNA,的一级结构,DNA,的一级结构是由数量极其庞大的四种脱氧核糖核苷酸（,dAMP,、,dGMP,、,dCMP,、,dTMP,）,按一定,顺序,，通过,3,5,磷酸二酯键连成的直线形或环形分子。,三、,DNA,的结构,13,pA,-U-G-C,pdG-dC-dA-dT(T,),14,1.,多核苷酸链内或链间通过氢键折叠卷曲形成的特定空间构象,2.,DNA,分子由两条,方向,相反互相平行的多核苷酸链构成，链由,3,-5,磷酸二酯键将带有不同碱基的糖环连接成糖,-,磷酸骨架，都是右手螺旋，有共同螺旋轴。螺旋表面有一所谓大沟和一小沟。,（大沟由一个完整的螺旋构成，小沟由螺旋的两个骨架构成）,2.DNA,二级结构,(,双螺旋结构,),1953,年,Watson&Crick,1962,诺贝尔生理学,-,医学奖,含氮碱基,碱基对,糖磷酸骨架,15,3.,模型认为两条链上的碱基均在主链内侧，按碱基配对原则（,A-T,、,C-G,），之所以这样,配对系,1,）,.A-T,间两对氢键，,G-C,间三对氢键；,2,）,.,分子相对大的瞟呤碱与小的嘧啶碱配对,与,DNA,空间尺寸吻合，形成整个分子长度内,2nm,（,20A,）的螺旋直径。,16,DNA,的双螺旋结构,4.,糖环平面位于链骨架内且与螺旋轴,平行，磷酸酯键链在糖环外侧（亲,水）。每对成对碱基处于与螺旋轴,基本垂直的同一平面内，相邻碱基,对平面间距为,0.34nm,，这种平行及,合适 的间距使相邻碱基平面间的,p,电子云在一定程度上互相交盖，形,成所谓的碱基堆积力，堆积的结果,使双螺旋每旋转一圈有,10,对碱基对,每转的高度（螺矩高度）为,3.4nm,（蛋白质螺矩,0.54nm,，每,3.6,氨基酸,为一圈，氨基酸间距,0.15nm,）。,17,多数的,DNA,为双螺旋的线形分子，有些,DNA,如病毒,DNA,、细胞器内的,DNA,会形成环状构象,超螺旋有右手超螺旋和左手超螺旋，前者称负超螺旋后者为正超螺旋,3.DNA,的三级结构,线形或环状的,DNA,双螺旋进一步扭曲形成的超螺旋。是一种比双螺旋更高层次的空间构象。包括：,线状,DNA,形成的纽结、超螺旋和多重螺旋、环状,DNA,形成的纽结、超螺旋和连环等。,18,线状,DNA,形成的超螺旋,超螺旋的形成可能是由于,DNA,结构因某种分子力学上的关系扭曲而导致。例如：人体,染色质,DNA,先缠绕组蛋白形成所谓的核粒（核小体），许多核粒由,DNA,链连接成佛珠，,佛珠还可以进一步盘绕压缩成更高层次，,DNA,大分子可被压缩近一万次。,19,环状,DNA,形成的超螺旋,20,信使,mRNA,（,5%,）：,单链，将遗传信息传递到蛋白质的合成基地；,转移,tRNA,（,10-15%,）：,将氨基酸运送到核糖体的特定部位；,核糖体,rRNA,（,80%,）：,单链螺旋，不稳定，功用不清。,四、,RNA,的结构,21,RNA,的,一级结构,是由数量不一的四种核糖核苷酸,（,AMP,、,GMP,、,CMP,、,UMP,）,按一定顺序，通过,3-,5,磷酸二酯键连成的线形分子,表示方法与,DNA,相同。,RNA,的,二级结构,是短的，不完全螺旋的多核苷酸链。,研究表明大多数,RNA,为单链，在许多区域自身发生回折，在回折部分形,成区域双螺旋，在螺旋内能够配对的碱基按照碱基配对原则（,A-U,、,G-,C,）成对，不能配对的区域则形成环状突起。,RNA,的,三级结构,是在茎（线形部分）、环（回折部分）,结构基础上进一步扭曲折叠而成的复杂结构。,、,RNA,的结构,22,tRNA,的,一级结构,由,7493,个（多为,76,个）核苷酸组成单链；,具有不变的（恒定的）核苷酸,:U,8,、,G,18,、,G,19,；,含较多的修饰核苷酸,。,tRNA,的二级结构,三叶草结构,具有四臂四环,3,端为,CCA,OH,序列,5,端为,P,G,tRNA,的,三级结构,倒,L,形结构,（）,tRNA,的结构,23,tRNA,的三叶草结构,可变环,18,19,8,1.,两端环绕，形成四臂四环,2.3,端共同的,CCA-OH,，氨基酸臂,3.,二氢尿嘧啶（,D,）环和臂,4.,反密码子环和臂（,anticodon,）,5.,可变环（碱基个数多变）,6.T,环和臂,鸟,尿,7bp,24,tRNA,的三级结构,(,Kim,S.H.et,al,.Science,vol.,185.p.435,1974),氨基酸臂和,T,C,臂,D,臂和反密码子臂,T,C,环,反密码子环,转角,着陆,携带,D+Anti,A+T,D,环,25,tRNA,的三级结构特点,(,倒“,L”,结构,),L,端是,3,端,CCA,，另一端为反密码子，两端之间距离,7nm,。,分子中的碱基对间有维持三级结构的氢键，碱基对中除,按,Watson-Crick,标准配对外，还有其他非标准配对。,tRNA,三级结构分子中，对称性结构占分子的,40,。,tRNA,的倒“,L”,结构为一切,tRNA,所共有，但有些,tRNA,的,精细结构存在差异，如拐角大小、,CCA,末端伸展度、肽链,折叠松紧、反密码子构象等。,26,（）,mRNA,的结构（单链）,1,、“帽子”指,7-,甲基鸟苷以不寻常的,5,，,5,三磷酸连接到,mRNA,的,5,端并在第一或第二个核苷酸核糖的,2,上羟甲基化，表示为,m,7,G,5,ppp,5,NmP,。帽子结构对翻译活性很重要。,2,、,3,原,核生物没有或只有少于,10,个多聚腺苷酸链，而真核生物细胞,mRNA,有大约,200,多个，这种,poly A,与,mRNA,顺利通过核膜进入胞浆相关联，亦与,mRNA,从细胞核转移到核糖体的过程相关联。,27,rRNA,是核糖体的组成成分（约,60,）,核糖体种类和大小用,S,表示。,30S,（亚基）,16S,原核生物,70S,23S,50S,5S,40S,18S,真核生物,80S,28S,60S,5.8S,5S,(3),rRNA,的结构,（大肠杆菌）,28,rRNA,的二级结构,rRNA,链内约有一半核苷酸形成碱基配对，配对部分形成螺旋，未配对部分形成突环，,另外链内长距离的碱基互补使相隔较远的部分配对，形成复杂的多环多臂构象。,29,、,DNA,与基因,遗传特性由,DNA,中的核苷酸顺序决定，通过复制传给子代。,DNA,通过转录 产生相应的,mRNA,，由,tRNA,翻译成相应氨,基酸用于蛋白质合成；,基因：,DNA,分子中最小的功能单位，以三个一组的三联体形,式表达,(,遗传密码子,),。,结构基因：为,RNA,或蛋白质编码的基因；,调节基因：不转录生成,RNA,片段；,基因组：某生物体所含全部基因。,五、,DNA,和基因组,以核蛋白存在的核酸,是基本遗传物质,或遗传的分子基础,在蛋白质的生物合成上占有,重要地位因而在个体生长繁殖遗传变异和转化等一些列生命现象种起决定作用。,核 酸 的 遗 传 学 功 能,30,AAG,AAA,GUU,AUU,UUC,UUU,GAG,UAU,AGU,DNA,mRNA,蛋,白,质,转录,翻译,遗传信息的转录和翻译,TTC,TTT,CAA,TAA,AAG,AAA,CTC,ATA,TCA,赖,赖,缬,异亮,苯丙,苯丙,谷,酪,丝,31,大部分为结构基因，每个基因在,DNA,分子中只出现一至几次；,功能相关的基因常串联在一起，转录在同一,mRNA,分子中；,有基因重叠现象。,、原核生物基因组的特点,32,有重复序列：,单拷贝序列,中度重复序列,高度重复序列,有断裂基因,、真核生物基因组的特点,33,.,一般理化性质,晶形,DNA,为,白色纤维状固体；,RNA,为白色粉末状固体,溶解性,均溶于水；不溶于一般有机溶剂，在,70%,乙醇中,形成沉淀；,粘度,DNA,粘度,很大,RNA,粘度,小得多,旋光性,均很强,六、核酸的理化性质,34,密度：,RNA,双链,DNA,；,环状,DNA,开环、线状,DNA,单链,DNA,双链,DNA,沉降速度：,RNA,环状,DNA,开环、线状,DNA,密度及沉降特性,35,.,核酸的紫外吸收,36,.,核酸结构的稳定性,碱基对间的氢键,A-T,两对、,G-C,三对,碱基堆积力,p,电子云重叠,环境中的正离子,DNA,双螺旋及,RNA,螺旋区外侧磷酸基团带负电,螺旋内的碱基疏水作用,螺旋外表面的水膜,37,概念：双螺旋区氢键断裂，空间结构破坏，形成单链无规则线团。,变性后呈现增色效应、粘度下降、密度升高、生物学功能全部或部分丧失。,热变性和,T,m,将紫外吸收的增加量达到最大量一半时的温度，称熔解温度（,T,m,）。,.,核酸的变性,38,G-C,对含量（,G+C,）,%=,（,T,m,-69.3,）,2.44,溶液的离子强度,离子强度降低，,T,m,下降，在纯水中,DNA,室温下可变性,pH,pH,升高，去质子无法形成氢键，,pH11.3,，,DNA,完全变性,变性剂,甲酰胺、尿素、甲醛破坏氢键，妨碍碱基堆积，,使,T,m,下降。,影响热变性的因素：,39,DNA,的变性和复性,40,影响因素：,单链片段浓度越高，复性速度越快；,片段小易复性；,片段内重复序列多，复性快；,热变性后迅速降温不能复性，缓慢降温,并维持在,T,m,-25,度左右最易复性,(,退火,),;,维持一定的离子浓度，复性加快。,、核酸的复性,变性核酸的互补链在适当条件下重新缔,合成双螺旋的过程。,41,来源不同的具有互补碱基序列的多核,苷酸片段在溶液中冷却时，可再形成双螺,旋结构。,、核酸的杂交,42,核酸的分子杂交,43,