第四章核酸化學(xué).ppt

1、第四章核酸化學(xué)，學(xué)習(xí)內(nèi)容，1，核酸概述2，核酸的概念，種類，分布和功能3，核酸的化學(xué)成分(核苷酸)4，DNA 5，RNA 6，核蛋白7，核酸的重要物理化學(xué)性質(zhì)和分析技術(shù)8，掌握DNA雙螺旋模型的要點和模型在生物學(xué)上的意義。掌握不同類型的RNA結(jié)構(gòu)特征。掌握核酸的性質(zhì)，核酸的變性和復(fù)性。核酸的發(fā)現(xiàn)：1868年，瑞士年輕科學(xué)家F.Miescher，1，核酸概述，從外科繃帶中的膿細胞核中分離出核，獲得一種高含磷的酸性物質(zhì)，稱為核仁，核素實質(zhì)上是核蛋白，核酸的研究歷史：188820世紀20年代，人們測定了核酸的化學(xué)組成，把核酸分為DNA和RNA。1943年，E .Chargaff的工作：嘌呤：嘧啶=1

2、:1推斷堿基對。1944年，艾弗里的肺炎球菌轉(zhuǎn)換實驗證明遺傳物質(zhì)是DNA。1953年，Watson-Crick制作了DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)模型。1953年Watson和Crick提出了DNA結(jié)構(gòu)的雙螺旋結(jié)構(gòu)模型，1962年諾貝爾生理醫(yī)學(xué)獎(25y)，(35y)，1953年，J. Watson和F. Crick在前人研究工作的基礎(chǔ)上提出了著名的DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型，這是20世紀最偉大的成就之一1958年，Crick提出了基因信息傳遞的中心規(guī)律，1961年，Jacob和Monod通過操縱學(xué)學(xué)說1966年的Nirenberg等破解了基因編碼，1981年，Cech在Ribozime(Ribozime)19

3、83年Simons等發(fā)現(xiàn)了反義RNA，并在20世紀70年代誕生了DNA重組技術(shù)。基因工程的誕生。20世紀90年代開始實施人類基因組計劃，基因組學(xué)研究開始了。生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)取得了空前的發(fā)展。核酸以核苷酸為基本結(jié)構(gòu)單位，按照一定的排列順序，通過3，5-磷酸二酯鍵連接，折疊形成具有特定生物學(xué)功能的線性或環(huán)聚核苷酸。核酸和蛋白質(zhì)一樣，是所有生物有機體不可缺少的組成部分。核酸是生命遺傳信息的載體和載體，不僅是生命的延續(xù)，在維持生物種的遺傳特性、生長發(fā)育、細胞分化等過程中發(fā)揮著重要作用，也與腫瘤、遺傳病、代謝病等生物變異密切相關(guān)。因此核酸研究是現(xiàn)代生物化學(xué)、分子生物學(xué)、醫(yī)學(xué)的重要基礎(chǔ)之一。引述：核酸概要，2

4、，核酸的概念，種類，分布和功能，1。核酸的概念2。核酸的種類3。核酸的分布4。核酸的生物學(xué)功能，1。廣義，核酸(nucleic acid)是由基本(嘌呤、嘧啶、戊糖、磷酸)組成的高分子材料，負責輸送有機體的基本組成，遺傳信息(核苷酸作為基本結(jié)構(gòu)單位)。2.核酸的種類是： 1)核糖核酸(ribonucleic acid-RNA) 2)脫氧核糖核酸(deoxyribonucleic acid-DNA)。核糖核酸(RNA)分為：轉(zhuǎn)RNA(傳輸RNA-tRNA)。10%)信使RNA (messenger RNA-mRNA，5%)核糖體RNA (ribbonical RNA-rrna，80%)另一個RN

5、A:核內(nèi)不均勻的RNA(hnRNA)，3 .核酸分布，1) DNA是主要遺傳物質(zhì)遺傳信息的載體，負責存儲和出版遺傳信息。經(jīng)典實驗：細菌轉(zhuǎn)化實驗：1944，艾弗里等。噬菌體感染實驗：1952，Hershey NAD和FAD是生物氧化系統(tǒng)的重要組成部分，在傳遞氫原子或電子方面起著重要作用。CoA是部分酶的輔酶成分，參與糖有氧氧化和脂肪酸氧化過程。2 .核苷酸的連接方法，1) 3，5-磷酸二酯鍵將核苷酸連接成核酸分子。2)核酸的一級結(jié)構(gòu)：多核苷酸鏈中每個核苷酸殘基的排列稱為核酸的一級結(jié)構(gòu)。pApCpTpG、(1)主結(jié)構(gòu)表示如下：(2)讀取方向：默認：序列從左到右表示5 3，由3，5-pospace鍵

6、連接。如果兩條鏈平行于相反的方向，則必須指示每條鏈的路徑。例如，5a-t-g-c-c-t-g-a 3t-a-c-g-g-a-c-t 5，3)核酸的功能，1，核酸是有機體遺傳變異的物質(zhì)基礎(chǔ)2，RNA主要參與蛋白質(zhì)的生物合成。3、RNA的功能多樣性?；虮磉_調(diào)控，催化作用，基因信息處理，病毒RNA是基因信息的載體。4、核酸及分子疾病。(a) DNA分子的基本構(gòu)成(Chargaff dings) (1)在所有DNA中，A=T，G=C即A G=T C (2)DNA的基本構(gòu)成是各種生物種類的DNA唯一的基本構(gòu)成(不對稱比例A T/G)4，DNA，2) DNA的一級結(jié)構(gòu)：指DNA分子中幾種脫氧核苷酸的排列

7、順序。大量的四種脫氧核苷酸通過3，5-磷酸二酯鍵連接的直線型或環(huán)狀聚。DNA的堿基序列本身就是遺傳信息存儲的分子形式。生物界物種的多樣性在DNA分子中的四種脫氧核苷酸的不同排列組合中。(b) DNA的雙螺旋二次結(jié)構(gòu)，1，雙螺旋結(jié)構(gòu)模型的建立標準：1)基于DNA堿基對原理：A=T，G=C 2)基于DNA纖維和晶體的x-衍射分析。3)電位滴定證明。2DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的特征，(1)圍繞同一中心軸的兩個反向平行多脫氧核苷酸鏈以右螺旋結(jié)構(gòu)纏繞，螺旋表面有大凹槽和小凹槽。(2)嘌呤和嘧啶堿基位于螺旋內(nèi)部，磷酸和脫氧核糖堿基位于螺旋外部，通過徐璐3，5-磷酸鍵連接，形成DNA分子的骨架?；经h(huán)平面垂直于螺旋

8、軸，糖基環(huán)平面與基本環(huán)平面成90度角。(3)螺旋橫截面的直徑約為2 nm，每條鏈的兩個相鄰基本平面之間的距離為0.34 nm，每10個核苷酸形成一個螺旋，其螺桿力矩(即螺旋旋轉(zhuǎn)1圓)的高度為3.4 nm。(4)雙螺旋內(nèi)部的堿基有規(guī)律地配對，堿基的相互結(jié)合有嚴格的配對規(guī)律。即腺嘌呤(a)和胸腺嘧啶(t)結(jié)合，鳥苷(g)和胞嘧啶(c)結(jié)合，這一對稱為基本互補。a和t之間形成兩個氫鍵，g和c之間形成三個氫鍵。雙螺旋的兩條鏈是互補關(guān)系。3.DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)揭示了DNA作為遺傳物質(zhì)的穩(wěn)定性特性，最重要的是確認了DNA復(fù)制、轉(zhuǎn)錄和逆轉(zhuǎn)錄的分子基礎(chǔ)、遺傳信息傳遞和表達的分子基礎(chǔ)堿基對原則，奠定了生物學(xué)、分

9、子生物學(xué)以及整個生命科學(xué)快速發(fā)展的基石。促進了分子生物學(xué)和分子遺傳學(xué)的發(fā)展，被認為是20世紀最偉大的發(fā)現(xiàn)之一。1962年，沃森和克里克與莫里斯威爾金斯一起發(fā)現(xiàn)了DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)，獲得了諾貝爾獎。4，雙螺旋結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性因子，DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)在生理條件下很穩(wěn)定，維持這種穩(wěn)定性的因素是氫鍵A=T，GC。氫鍵是弱結(jié)合，但很多氫鍵的總作用力很大?；拘螤钍潜馄降?，分布在雙螺旋內(nèi)部。大量的堿基層堆積，相鄰堿基的平面很近，方向環(huán)上n原子電子云交錯，就會產(chǎn)生一些吸引力，就是堿基積累力。通過在堿基是疏水的，雙螺旋結(jié)構(gòu)內(nèi)部形成強疏水區(qū)域，消除介質(zhì)中水分子對堿基間氫鍵的影響，有利于堿基間氫鍵的形成。所以堿基積累力是

10、DNA雙螺旋穩(wěn)定的最主要因素。堿積累力，以及多胺、組蛋白、Na、K、Mg 2在DNA分子中與帶負電荷的磷酸基團起作用，有助于降低兩個DNA鏈之間的靜電排斥力，也有助于雙螺旋的穩(wěn)定性。改變介質(zhì)條件和環(huán)境溫度會影響雙螺旋的穩(wěn)定性。5，不同類型的次結(jié)構(gòu)，Watson和Crick現(xiàn)在稱為b-DNA，DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)表示相對濕度為92%的DNA鈉鹽的纖維結(jié)構(gòu)，更接近于生理條件下細胞內(nèi)大部分DNA的形態(tài)。DNA有雙螺旋結(jié)構(gòu)，例如：A、C、D、E和Z。有三股螺旋DNA。A-DNA，DNA鈉鹽的結(jié)構(gòu)特征與B-DNA不同，在相對濕度低于75%的情況下制造的纖維稱為A-DNA。A-DNA也是由半平行雙股形成的右手

11、雙螺旋。RNA-RNA、RNA-DNA混合分子有這樣的結(jié)構(gòu)，當DNA鈉鹽纖維的相對濕度和鹽的種類改變時，DNA的形態(tài)就會改變。Z-DNA，1978年，里奇等使合成六聚DNA片段d(CGCGCG)成為晶體，并對該片段進行了稱為左撇子雙螺旋結(jié)構(gòu)左撇子DNA或Z-DNA的X-衍射分析。天然B-DNA的局部區(qū)域可以形成Z-DNA(磷酸根離Z-DNA太近，產(chǎn)生排斥作用，從而導(dǎo)致不穩(wěn)定性-潛在的衰變區(qū)域)。Z-DNA和B-DNA可以徐璐轉(zhuǎn)換，也可以處于某種平衡狀態(tài)。人們推測，如果這種平衡狀態(tài)被破壞，基因表達可能會失控，Z-DNA可能與基因表達調(diào)控有關(guān)。A-DNA、B-DNA和Z-DNA的主要結(jié)構(gòu)特征、三股

12、螺旋DNA(三股螺旋DNA)、DNA的二次結(jié)構(gòu)除了雙螺旋結(jié)構(gòu)外，還有三股形成的螺旋結(jié)構(gòu)，即三股螺旋結(jié)構(gòu)。K. Hoogsteen 1963是三股螺旋結(jié)構(gòu)(ts-DNA)、ts-DNA、tat、hoog steel氫鍵Ts-DNA H-DNA、CGC、三股螺旋結(jié)構(gòu)，通常是相同的上升核苷酸和微核苷酸天然DNA有dsdna(雙鏈DNA)，dsDNA中的線性分子(大部分)環(huán)分子(dcDNA):質(zhì)粒、線粒體、葉綠體、病毒、細菌、1、超螺旋結(jié)構(gòu)、特征：把長鏈壓縮在較小的體內(nèi)密度高。凝膠電泳移動速度快。DNA超螺旋結(jié)構(gòu)的意義使DNA處于高度致密的狀態(tài)，以便能裝入細胞核。促進DNA結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)換以滿足功能需求。負

13、超螺旋分子受到張力的話，互補鏈分裂會產(chǎn)生局部變性，有助于克隆和轉(zhuǎn)錄。2，在核體中扭曲，真核細胞染色質(zhì)，DNA雙螺旋分子纏繞在組蛋白上，形成核體。很多核糖體把DNA像念珠一樣排列，然后包裹在高水平的結(jié)構(gòu)染色體里。真核生物DNA(線性雙鏈)的第三級結(jié)構(gòu)，fig . 3-8 structure of DNA(146 BP)wrapped around a nucleosome core。the DNA is bound in a left-handed soleid al super coil that circum navigates the histone complex 1.8 times。1

14、46bp DNA用左手螺旋在群體蛋白質(zhì)核心包圍1.8圈。真核生物染色質(zhì)絲，組蛋白八聚體：從DNA到染色質(zhì)絲，DNA壓縮近100倍，最終從DNA壓縮到染色體，DNA壓縮近10萬倍。3 .DNA拓撲特性，拓撲可用于研究兩個徐璐糾纏環(huán)的幾何形態(tài)之間的相互關(guān)系。鏈數(shù)(linking number，l):指示一條鏈用右手纏繞另一條鏈的次數(shù)。扭轉(zhuǎn)數(shù)(twsting number，t):沃森-克里克螺旋數(shù)。超螺旋數(shù)(纏繞數(shù)，wrthing number，w) l=t w，w0，即LT，正超級螺旋(右)給定環(huán)DNA分子以拓撲性質(zhì)的不同形式生成，例如松弛和超螺旋，稱為拓撲異構(gòu)。(4) DNA的功能，第1，1級結(jié)

15、構(gòu)的特征基因：包含特定遺傳信息的核苷酸序列(DNA或RNA)，是遺傳物質(zhì)的最低功能單位。多個BP(一個基因)多個基因DNA蛋白染色體，1)原核基因組：基因在同一染色體上。a、除曹征序列和信號序列外，大部分結(jié)構(gòu)基因；b，功能相關(guān)基因經(jīng)常連接并轉(zhuǎn)錄在同一mRNA上；c，基因重復(fù)；相同的核苷酸順序包含多種生物信息。，2)真核生物基因組：一般基因分布在多個染色體上。a，有重復(fù)序列；b，有斷了的基因：內(nèi)含子。內(nèi)含子：DNA分子中未加密的序列。exons:DNA分子中可以表達的序列。內(nèi)含子和外顯子，2，DNA是遺傳信息的載體。半保留復(fù)制確保將親代特性傳遞給子代，并確保親代與子代的相似性。3，DNA是變異的物質(zhì)基礎(chǔ)，變異是生物進化的基礎(chǔ)。變異發(fā)生：1)DNA復(fù)制錯誤；(2)由于理化因素等原因，堿基發(fā)生變化或缺失，DNA堿基序列發(fā)生變化，性狀發(fā)生變異。5，RNA，(a) RNA的結(jié)構(gòu)：具有稀有堿的4種核苷酸；連接：與DNA形成：一般以DNA為模板的合成，有例外。結(jié)構(gòu)：具有雙螺旋的單鏈線性分子。RNA和DNA之間的差異每個DNA RNA中的脫氧核糖AGCT AGCU不包含稀有堿基，(2) RNA的類型，信使RNA(messenger RNA，mRNA)核糖體RNA (ribosomel RNA，RNA)異質(zhì)RNA (hnrna)