《化學生物學》課件Part 3

1、2022/7/1012022/7/102核酸與蛋白質(zhì)一樣，是一切生物機體不可缺少的組成部分。核酸是生命遺傳信息的攜帶者和傳遞者，它不僅對于生命的延續(xù)，生物物種遺傳特性的保持，生長發(fā)育，細胞分化等起著重要的作用，而且與生物變異，如腫瘤、遺傳病、代謝病等也密切相關(guān)。因此，核酸是現(xiàn)代生物化學、分子生物學和醫(yī)學的重要基礎之一。2022/7/103Friedrich Miescher核酸的發(fā)現(xiàn)DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)2022/7/104內(nèi)容第一節(jié) 核酸的分類和組成第二節(jié) 核酸的結(jié)構(gòu)第三節(jié) 核酸的性質(zhì)第四節(jié) 核酸堿基順序分析第五節(jié) 核酸測定方法2022/7/105核酸的分類一核酸的組成二第一節(jié) 核酸的分類和組成

2、2022/7/106一、核酸的分類Deoxyribonucleic AcidRibonucleic Acid2022/7/107DNA分子含有生物物種的所有遺傳信息，分子量一般都很大。DNA為雙鏈分子，其中大多數(shù)是鏈狀結(jié)構(gòu)大分子，也有少部分呈環(huán)狀結(jié)構(gòu)。脫氧核糖核酸（DNA）核糖核酸（RNA）RNA主要是負責DNA遺傳信息的翻譯和表達，分子量要比DNA小得多。RNA為單鏈分子。根據(jù)RNA的功能，可以分為mRNA、tRNA和rRNA三種。2022/7/108二、 核酸的組成核酸（DNA和RNA）是一種線性多聚核苷酸，它的基本結(jié)構(gòu)單元是核苷酸。核苷酸本身由核苷和磷酸組成, 而核苷則由戊糖和堿基形成D

3、NA與RNA結(jié)構(gòu)相似，但在組成成份上略有不同。核酸核苷酸磷酸核苷戊糖堿基2022/7/109 DNA和RNA的基本化學組成 化學組成DNARNA堿基 嘌呤堿 腺嘌呤（A） 鳥嘌呤 (G) 腺嘌呤（A） 鳥嘌呤 (G) 嘧啶堿 胞嘧啶 (C) 胸腺嘧啶 (T) 胞嘧啶 (C) 尿嘧啶 (U)戊糖D-2-脫氧核糖D-核糖酸磷酸磷酸2022/7/10101核酸的結(jié)構(gòu)單元-核苷酸2022/7/1011（1）組成核酸的堿基腺嘌呤鳥嘌呤2022/7/1012尿嘧啶 胞嘧啶 胸腺嘧啶2022/7/1013堿基的結(jié)構(gòu)特征2022/7/1014堿基都具有芳香環(huán)的結(jié)構(gòu)特征。嘌呤環(huán)和嘧啶環(huán)均呈平面或接近于平面的結(jié)構(gòu)

4、。堿基的芳香環(huán)與環(huán)外基團可以發(fā)生酮式-烯醇式或胺式-亞胺式互變異構(gòu)。2022/7/1015核苷酸的紫外吸收能力 嘌呤堿和嘧啶堿分子中都含有共軛雙鍵體系，在紫外區(qū)有吸收（260 nm左右）。2022/7/1016（2）戊糖組成核酸的戊糖有兩種。DNA所含的糖為-D-2-脫氧核糖；RNA所含的糖則為-D-核糖。2022/7/1017（3）核苷 nucleoside糖與堿基之間的C-N鍵，稱為C-N糖苷鍵。2022/7/1018（4）核苷酸nucleotide核苷酸是核苷的磷酸酯。作為DNA或RNA結(jié)構(gòu)單元的核苷酸分別是5-磷酸-脫氧核糖核苷和5-磷酸-核糖核苷。2022/7/10192核苷酸的衍生

5、物（1） ATP (腺嘌呤核糖核苷三磷酸)2022/7/1020 ATP是生物體內(nèi)分布最廣和最重要的一種核苷酸衍生物。它的結(jié)構(gòu)如下：2022/7/1021ATP的水解 ATP 分子的最顯著特點是含有兩個高能磷酸鍵。ATP水解時, 可以釋放出大量自由能。2022/7/1022 (2)GTP (鳥嘌呤核糖核苷三磷酸)GTP是生物體內(nèi)游離存在的另一種重要的核苷酸衍生物。它具有ATP 類似的結(jié)構(gòu), 也是一種高能化合物。GTP主要是作為蛋白質(zhì)合成中磷?；w。在許多情況下, ATP 和 GTP 可以相互轉(zhuǎn)換。 2022/7/1023（3）cAMP 和 cGMP cAMP(3,5- 環(huán)腺嘌呤核苷一磷酸)和

6、 cGMP( 3,5-環(huán)鳥嘌呤核苷一磷酸)的主要功能是作為細胞之間傳遞信息的信使。2022/7/1024cAMP 和 cGMP 的環(huán)狀磷酯鍵是一個高能鍵。在 pH 7.4 條件下, cAMP 和 cGMP 的水解能約為43.9 kJ /mol，比 ATP 水解能高得多。2022/7/10253多聚核苷酸多聚核苷酸是通過核苷酸的5-磷酸基與另一分子核苷酸的C3-OH形成磷酸二酯鍵相連而成的鏈狀聚合物。由脫氧核糖核苷酸聚合而成的稱為DNA鏈；由核糖核苷酸聚合而成的則稱為RNA鏈。2022/7/1026多聚核苷酸的特點在多聚核苷酸中，兩個核苷酸之間形成的磷酸二酯鍵通常稱為53磷酸二酯鍵。多聚核苷酸鏈

7、一端的C5帶有一個自由磷酸基，稱為5-磷酸端（常用5-P表示）；另一端C3帶有自由的羥基，稱為3-羥基端（常用3-OH表示）。多聚核苷酸鏈具有方向性，當表示一個多聚核苷酸鏈時，必須注明它的方向是53或是35。2022/7/1027方向性 在多聚核苷酸（DNA或RNA）鏈中，由于構(gòu)成核苷酸單元的戊糖和磷酸基是相同的，體現(xiàn)核苷酸差別的實際上只是它所帶的堿基，所以多聚核苷酸鏈結(jié)構(gòu)也可表示為：在討論有關(guān)核酸問題時，一般只關(guān)心其中堿基的種類和順序，所以上式可以進一步簡化2022/7/1028DNA的結(jié)構(gòu)一RNA的結(jié)構(gòu)二第二節(jié) 核酸的結(jié)構(gòu)2022/7/1029多聚核苷酸是由四種不同的核苷酸單元按特定的順序

8、組合而成的線性結(jié)構(gòu)聚合物，因此，它具有一定的核苷酸順序，即堿基順序。核酸的堿基順序是核酸的一級結(jié)構(gòu)。DNA的堿基順序本身就是遺傳信息存儲的分子形式。生物界物種的多樣性即寓于DNA分子中四種核苷酸千變?nèi)f化的不同排列組合之中。而mRNA(信息RNA)的堿基順序，則直接為蛋白質(zhì)的氨基酸編碼，并決定蛋白質(zhì)的氨基酸順序。 2022/7/1030一、DNA的結(jié)構(gòu) 1953年，J. Watson和F. Crick 在前人研究工作的基礎上，根據(jù)DNA結(jié)晶的X-衍射圖譜和分子模型，提出了著名的DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型，并對模型的生物學意義作出了科學的解釋和預測。2022/7/10311DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的特點DNA分

9、子由兩條DNA單鏈組成。DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)是分子中兩條DNA單鏈之間基團相互識別和作用的結(jié)果。雙螺旋結(jié)構(gòu)是DNA二級結(jié)構(gòu)的最基本形式。2022/7/1032堿基的相互結(jié)合具有嚴格的配對規(guī)律，即腺嘌呤（A）與胸腺嘧啶（T）結(jié)合，鳥嘌呤（G）與胞嘧啶（C）結(jié)合，這種配對關(guān)系，稱為堿基互補。A和T之間形成兩個氫鍵，G與C之間形成三個氫鍵。2022/7/1033DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的要點 （1）DNA分子由兩條多聚脫氧核糖核苷酸鏈(簡稱DNA單鏈)組成。兩條鏈沿著同一根軸平行盤繞，形成右手雙螺旋結(jié)構(gòu)。螺旋中的兩條鏈方向相反，即其中一條鏈的方向為53，而另一條鏈的方向為35。2022/7/1034 （2）嘌

10、呤堿和嘧啶堿基位于螺旋的內(nèi)側(cè)，磷酸和脫氧核糖基位于螺旋外側(cè)。堿基環(huán)平面與螺旋軸垂直，糖基環(huán)平面與堿基環(huán)平面成90角。2022/7/1035 （3）螺旋橫截面的直徑約為2 nm，每條鏈相鄰兩個堿基平面之間的距離為0.34 nm，每10個核苷酸形成一個螺旋，其螺矩（即螺旋旋轉(zhuǎn)一圈）高度為3.4nm。2022/7/1036 （4）兩條DNA鏈相互結(jié)合以及形成雙螺旋的力是鏈間的堿基對所形成的氫鍵。 在DNA分子中，嘌呤堿基的總數(shù)與嘧啶堿基的總數(shù)相等。2022/7/10372DNA雙螺旋的穩(wěn)定性DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)在生理條件下是很穩(wěn)定的。維持這種穩(wěn)定性的因素包括：兩條DNA鏈之間形成的氫鍵；由于雙螺旋結(jié)構(gòu)內(nèi)

11、部形成的疏水區(qū)，消除了介質(zhì)中水分子對堿基之間氫鍵的影響；介質(zhì)中的陽離子（如Na+、K+和Mg2+）中和了磷酸基團的負電荷，降低了DNA鏈之間的排斥力、范德華引力等。改變介質(zhì)條件和環(huán)境溫度，將影響雙螺旋的穩(wěn)定性。2022/7/10383.DNA的三螺旋結(jié)構(gòu)1957年，A. Rich 等用兩條多聚尿嘧啶核苷酸鏈和一條多聚腺嘌呤核苷酸鏈合成出一種三鏈結(jié)構(gòu)的物質(zhì)，并提出了DNA三螺旋結(jié)構(gòu)的概念。近年來對于DNA三螺旋結(jié)構(gòu)和功能的研究已經(jīng)取得了很大的進展。DNA的三螺旋結(jié)構(gòu)與雙螺旋結(jié)構(gòu)相似，都是通過DNA單鏈之間形成氫鍵實現(xiàn)的。 2022/7/1039DNA三螺旋結(jié)構(gòu)的三種示意圖 2022/7/1040

12、超螺旋結(jié)構(gòu)2022/7/10414.DNA的超螺旋結(jié)構(gòu) 超螺旋（Supercoil），簡單地說就是螺旋的螺旋。超螺旋的形成不是一個隨機過程，而是當DNA存在一定張力時才會形成。由于DNA雙螺旋的盤繞過度或不足，使DNA分子處于一種張力狀態(tài)，在封閉環(huán)狀DNA分子中的這種張力不能釋放出來，就會形成超螺旋 。2022/7/1042超螺旋的形式2022/7/1043G 除了可以和C 配對外，也可以和U 配對。2022/7/1044二、RNA的結(jié)構(gòu) RNA是單鏈分子，因此，在RNA分子中，并不遵守堿基種類的數(shù)量比例關(guān)系，即分子中的嘌呤堿基總數(shù)不一定等于嘧啶堿基的總數(shù)。在RNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)中，堿基的配對情

13、況不象DNA中嚴格。G 除了可以和C 配對外，也可以和U 配對。G-U 配對形成的氫鍵較弱。 RNA分子中，部分區(qū)域也能形成雙螺旋結(jié)構(gòu)，不能形成雙螺旋的部分，則形成突環(huán)。這種結(jié)構(gòu)可以形象地稱為“發(fā)夾型”結(jié)構(gòu)。 2022/7/1045單鏈雙螺旋突環(huán)2022/7/10461.mRNA的結(jié)構(gòu) mRNA (信使RNA)：約占總RNA的5%，但種類較多，哺乳動物細胞約有幾萬種不同的mRNA。mRNA在體內(nèi)代謝很快，細菌mRNA平均半衰期僅為2分鐘，一些很不穩(wěn)定的細菌mRNA的轉(zhuǎn)錄尚未完成，已從5 端開始降解，實際上并沒有形成完整的mRNA分子。真核細胞mRNA半衰期較原核細胞長，但平均也僅有5小時。不同

14、細胞的mRNA的鏈長和分子量差異很大。它的功能是將DNA的遺傳信息傳遞到蛋白質(zhì)合成基地-核糖核蛋白體。 2022/7/1047（1）mRNA的“帽結(jié)構(gòu)” 真核細胞mRNA 5-末端有一個甲基化的鳥苷酸，稱為“帽結(jié)構(gòu)”。（2）mRNA的“尾結(jié)構(gòu)” 極大多數(shù)真核細胞mRNA在3 -末端有一段長約200核苷酸的polyA，稱為 “尾結(jié)構(gòu)”。2022/7/1048帽結(jié)構(gòu)尾結(jié)構(gòu)2022/7/1049許多rRNA的一級結(jié)構(gòu)及由一級結(jié)構(gòu)推導出來的二級結(jié)構(gòu)都已闡明，rRNA分子中有非配對的單鏈區(qū)以及配對的雙鏈區(qū)相間排列，組成發(fā)卡（Hairpin）、突環(huán)(bulge)、內(nèi)部環(huán)（Internal loop）、多分

15、支環(huán)和假結(jié)等二級結(jié)構(gòu)。 2.rRNA的結(jié)構(gòu) 2022/7/1050大腸桿菌16S rRNA的二級結(jié)構(gòu) 大腸桿菌16S rRNA由1542個核苷酸構(gòu)成，二級結(jié)構(gòu)可以分成為4個功能域 2022/7/1051 tRNA的二級結(jié)構(gòu)都呈”三葉草”形狀，在結(jié)構(gòu)上具有某些共同之處，一般可將其分為五臂四環(huán)：包括氨基酸接受區(qū)、反密碼區(qū)、二氫尿嘧啶區(qū)、TC區(qū)和可變區(qū)。除了氨基酸接受區(qū)外，其余每個區(qū)均含有一個突環(huán)和一個臂。 3.tRNA的結(jié)構(gòu) 2022/7/1052tRNA中的稀有堿基 2022/7/1053DNA復制、轉(zhuǎn)錄、翻譯及蛋白質(zhì)合成2022/7/1054核酸的兩性性質(zhì)一核酸的水解性質(zhì)二第三節(jié) 核酸的性質(zhì)核

16、酸的變性與復性三2022/7/1055與蛋白質(zhì)相似，核酸分子中既含有酸性基團（磷酸基）也含有堿性基團（氨基），因而核酸也具有兩性性質(zhì)。由于核酸分子中的磷酸是一個中等強度的酸，嘌呤堿基和嘧啶堿基都具有弱堿性，所以核酸的等電點比較低。如DNA的等電點為44.5，RNA的等電點為22.5。RNA的等電點比DNA低的原因，是RNA分子中核糖基2-OH通過氫鍵促進了磷酸基上質(zhì)子的解離。DNA沒有這種作用。 一、核酸的兩性性質(zhì)及等電點 2022/7/1056二、核酸的水解（1）酸或堿水解 核酸分子中的磷酸二酯鍵可在酸或堿性條件下水解切斷。DNA和RNA對酸或堿的耐受程度有很大差別。例如，在0.1 mol/

17、L NaOH溶液中，RNA幾乎可以完全水解，生成2-或3-磷酸核苷；DNA在同樣條件下則不受影響。這種水解性能上的差別，與RNA核糖基上2-OH的鄰基參與作用有很大的關(guān)系。在RNA水解時，2-OH首先進攻磷酸基，在斷開磷酯鍵的同時形成環(huán)狀磷酸二酯，再在堿的作用形成水解產(chǎn)物。2022/7/1057核糖核酸的堿水解反應 2022/7/1058（2）酶水解生物體內(nèi)存在多種核酸水解酶。這些酶可以催化水解多聚核苷酸鏈中的磷酸二酯鍵。以DNA為底物的DNA水解酶（DNases）和以RNA為底物的RNA水解酶（RNases）。根據(jù)核酸水解酶的作用方式又可將其分作兩類：2022/7/1059核酸外切酶（如牛胰

18、核糖核酸酶、核糖核酸酶T1、核糖核酸酶U2、牛胰脫氧核糖核酸酶、牛脾脫氧核糖核酸酶）核酸外切酶的作用方式是從多聚核苷酸鏈的一端（3-端或5-端）開始，逐個水解切除核苷酸。2022/7/1060核酸內(nèi)切酶如牛脾磷酸二酯酶、蛇毒磷酸二酯酶和限制性內(nèi)切酶。核酸內(nèi)切酶的作用方式剛好和外切酶相反，它從多聚核苷酸鏈中間開始，在某個位點切斷磷酸二酯鍵。如牛胰核糖核酸酶催化的核酸水解反應，特異性作用于嘧啶核苷酸的C-3位磷酸與其相鄰核苷酸C-5位構(gòu)成的磷酸酯鍵，產(chǎn)生3-嘧啶單核苷酸和3-為嘧啶核苷酸的寡核苷酸 2022/7/1061限制性核酸內(nèi)切酶 這種酶可以特異性的水解核酸中某些特定堿基順序部位，它有嚴格的

19、堿基專一性。當作用于雙鏈DNA時，此酶可以交錯地切斷兩條鏈（此時產(chǎn)生兩條互補的單鏈，稱為粘性末端），也可以不交錯切割（切開的兩個末端稱為平端），這類酶在降解DNA時能識別46個特異性脫氧核苷酸順序。 2022/7/1062EcoR水解DNA的作用方式 2022/7/1063三、核酸的變性、復性與雜交(1) 核酸的變性核酸的變性是指核酸雙螺旋區(qū)的多聚核苷酸鏈間的氫鍵斷裂，變成單鏈結(jié)構(gòu)的過程。變性核酸將失去其部分或全部的生物活性。核酸的變性并不涉及磷酸二酯鍵的斷裂，所以它的一級結(jié)構(gòu)(堿基順序)保持不變。能夠引起核酸變性的因素很多。溫度升高、酸堿度改變、甲醛和尿素等的存在均可引起核酸的變性。2022

20、/7/1064RNA本身只有局部的雙螺旋區(qū)，所以變性行為所引起的性質(zhì)變化沒有DNA那樣明顯。利用紫外吸收的變化，可以檢測核酸變性的情況。例如，天然狀態(tài)的DNA在完全變性后，紫外吸收(260 nm)值增加2540%.而RNA變性后，約增加1.1%。這種現(xiàn)象稱為增色效應.2022/7/1065DNA變性2022/7/1066DNA變性的特征DNA的變性過程是突變性的，它在很窄的溫度區(qū)間內(nèi)完成。因此，通常將引起DNA變性的溫度稱為融點，用Tm表示。一般DNA的Tm值在70-85C之間。DNA的Tm值與分子中的G和C的含量有關(guān)。2022/7/1067當DNA的稀鹽溶液加熱到80-100時，雙螺旋結(jié)構(gòu)即發(fā)生解體，兩條鏈彼此分開，形成無規(guī)線團。DNA變性后，它的一系列性質(zhì)也隨之發(fā)生變化，如紫外吸收(260 nm)值升高, 粘度降低等。2022/7/1068(2) 核酸的復性變性DNA在適當