核酸化學05.ppt

1、第三章核酸的結構與功能,Department of Biochemistry Hangzhou Medical College Guyisheng,（Structure and Function of Nucleic Acid),生物化學 Biochemistry,2020/7/24,Department of Biochemistry,Hangzhou Medical College,【2】,概述,核酸(mucleic acid)是存在于細胞中的一類大分子酸性物質，包括核糖核酸（RNA）和脫氧核糖核酸（DNA）兩大類。 RNA和DNA都是以單核苷酸為基本單位所組成的多核苷酸長鏈。 DNA(d

2、eoxyribonucleic acid)是遺傳信息的載體；RNA(ribonucleic acid)主要參與遺傳信息的表達（病毒中也可作為遺傳信息的載體）。,比較,2020/7/24,Department of Biochemistry,Hangzhou Medical College,【3】,第一節(jié) 核酸的化學組成,1、核酸的元素組成：C、H、O、N、P 2、核酸的基本結構單位核苷酸 3、核酸的水解產物：3種成分,2020/7/24,Department of Biochemistry,Hangzhou Medical College,【4】,一、核苷酸中的堿基成分,主要有5種堿基：A、G

3、、C、U、T 還有稀有堿基 酮式和烯醇式互變異構體 氨基和亞氨基互變異構體 含共軛雙鍵，260nm左右紫外吸收峰（定性、定量分析）,2020/7/24,Department of Biochemistry,Hangzhou Medical College,【5】,堿基結構式,DNA： A、G、C、T RNA： A、G、C、U,稀有堿基,共軛,紫外光,2020/7/24,Department of Biochemistry,Hangzhou Medical College,【6】,二、戊糖與核苷,1戊糖：-D-核糖、-D-2-脫氧核糖,2020/7/24,Department of Bioche

4、mistry,Hangzhou Medical College,【7】,核苷是由戊糖與含氮堿基經脫水縮合而生成的化合物。 在大多數情況下，核苷是由核糖或脫氧核糖的C-1 位上的-羥基與嘧啶堿N1或嘌呤堿N9進行縮合，生成的化學鍵稱為糖苷鍵。,核苷酸表,2核苷,2020/7/24,Department of Biochemistry,Hangzhou Medical College,【8】,核苷結構式,2020/7/24,Department of Biochemistry,Hangzhou Medical College,【9】,三、核苷酸（nucleotide）的結構與命名,核苷酸是由核苷與

5、磷酸經脫水縮合后生成的磷酸酯類化合物，包括核糖核苷酸和脫氧核糖核苷酸兩大類。 由于與磷酸基縮合的位置不同而分別生成2-核苷酸、3-核苷酸和5-核苷酸。最常見者為5-核苷酸（5 常被省略）。 含有一個磷酸基團的核苷酸稱為核苷一磷酸（NMP） ；含有兩個磷酸基團的核苷酸稱為核苷二磷酸（NDP）； 含有三個磷酸基團的核苷酸稱為核苷三磷酸（NTP）。,核苷酸表,2020/7/24,Department of Biochemistry,Hangzhou Medical College,【10】,AMP與dCTP,2020/7/24,Department of Biochemistry,Hangzhou

6、Medical College,【11】,cAMP（第二信使）,2020/7/24,Department of Biochemistry,Hangzhou Medical College,【12】,第二節(jié) 核酸的一級結構,DNA分子主要由dAMP、dGMP、dCMP和dTMP四種脫氧核糖核苷酸所組成。DNA的一級結構就是指DNA分子中脫氧核糖核苷酸的排列順序及連接方式。 RNA分子主要由AMP，GMP，CMP，UMP四種核糖核苷酸組成。RNA的一級結構就是指RNA分子中核糖核苷酸的排列順序及連接方式。,核酸的一級結構：多核苷酸鏈中核苷酸的排列順序（核苷酸序列或堿基序列）,2020/7/24,D

7、epartment of Biochemistry,Hangzhou Medical College,【13】,核苷酸的連接方式,連接方式： 一分子的核苷酸的3-位羥基與另一分子核苷酸的5-位磷酸基通過脫水可形成3,5-磷酸二酯鍵，從而將兩分子核苷酸連接起來。,2020/7/24,Department of Biochemistry,Hangzhou Medical College,【14】,多核苷酸鏈：,核酸就是由許多核苷酸單位通過3,5-磷酸二酯鍵連接起來形成的不含側鏈的長鏈狀化合物。 核酸具有方向性的長鏈狀化合物，多核苷酸鏈的兩端，一端稱為5-端，另一端稱為3-端。,2020/7/24,

8、Department of Biochemistry,Hangzhou Medical College,【15】,核酸一級結構的表示方法,2、文字簡化式 pApGpCpT pA-G -C-T pAGCT ,1、線條簡化式,2020/7/24,Department of Biochemistry,Hangzhou Medical College,【16】,第三節(jié) DNA的空間結構與功能,一、DNA的二級結構雙螺旋結構模型（double helix model） DNA雙螺旋結構是DNA二級結構的一種重要形式，它是Watson和Crick兩位科學家于1953年提出來的一種結構模型。,Watson,

9、2020/7/24,Department of Biochemistry,Hangzhou Medical College,【17】,（一）DNA雙螺旋結構的研究背景：,19501953，Chargaff研究小組對DNA的化學組成進行了研究，發(fā)現： 不同生物種屬的DNA堿基組成不同，且物種親緣關系越遠，差異越大； 同一個體（相同物種）不同組織器官中DNA堿基組成相同，且不因年齡、環(huán)境及營養(yǎng)而改變； DNA分子中四種堿基的摩爾百分比具有一定的規(guī)律性，即A=T、G=C、A+G=T+C。 這一規(guī)律被稱為Chargaff原則。,2020/7/24,Department of Biochemistry,

10、Hangzhou Medical College,【18】,1. 為右手反向平行雙螺旋； 2. 主鏈位于螺旋外側，堿基位于內側； 3. 兩條鏈間存在堿基互補：A與T或G與C配對形成氫鍵，稱為堿基互補原則（A與T為兩個氫鍵，G與C為三個氫鍵）； 4. 螺旋的穩(wěn)定因素為氫鍵和堿基堆砌力； 5. 螺旋的螺距為3.4nm，直徑為2nm。,（二）DNA雙螺旋結構的特點（B型）：,2020/7/24,Department of Biochemistry,Hangzhou Medical College,【19】,B型雙螺旋DNA的結構特征,2020/7/24,Department of Biochemis

11、try,Hangzhou Medical College,【20】,堿基配對與氫鍵形成,2020/7/24,Department of Biochemistry,Hangzhou Medical College,【21】,（三）DNA雙螺旋結構的多樣性：,目前已知DNA雙螺旋結構可分為A、B、C、D及Z型等數種，除Z型為左手雙螺旋外，其余均為右手雙螺旋。,螺旋模式,2020/7/24,Department of Biochemistry,Hangzhou Medical College,【22】,二、DNA的超螺旋結構,（一）原核生物DNA的三級結構： 絕大多數原核生物的DNA都是共價封閉的環(huán)

12、狀雙螺旋。如果再進一步盤繞則形成麻花狀的超螺旋三級結構。,超螺旋,2020/7/24,Department of Biochemistry,Hangzhou Medical College,【23】,（二）真核生物中的核小體結構,在真核生物中，雙螺旋的DNA分子圍繞一蛋白質八聚體進行盤繞，從而形成特殊的串珠狀結構，稱為核小體。核小體結構屬于DNA的三級結構。,2020/7/24,Department of Biochemistry,Hangzhou Medical College,【24】,組蛋白與核小體（nucleosome）,組蛋白有5種：H1、H2A、H2B、H3、H4 核心組蛋白（組蛋

13、白八聚體） （H2A、H2B、H3、H4）2 核小體的核心顆粒（nucleosome core partiele ）,連接區(qū)（linker）,DNA雙螺旋核小體串珠狀多核小體細絲螺線管超螺線管染色單體,核小體,2020/7/24,Department of Biochemistry,Hangzhou Medical College,【25】,核小體結構,核小體,2020/7/24,Department of Biochemistry,Hangzhou Medical College,【26】,三、DNA的功能,遺傳的物質基礎，攜帶與傳遞遺傳信息 DNA的基本功能：作為遺傳信息的載體，為生物遺傳

14、信息復制以及基因信息的轉錄提供模板。 DNA復制：親代DNA子代DNA，遺傳性狀的相對保守性。 轉錄、翻譯：DNARNA蛋白質，表達特殊的生物學性狀。,2020/7/24,Department of Biochemistry,Hangzhou Medical College,【27】,基因與基因組,DNA分子中具有特定生物學功能的片段稱為基因（gene）。 一個生物體的全部基因序列稱為基因組（genome）。 基因組的大小與生物的復雜性有關，如病毒SV40的基因組大小為5.1103bp，大腸桿菌為5.7106bp，人為3109bp。,說明,2020/7/24,Department of Bio

15、chemistry,Hangzhou Medical College,【28】,第四節(jié) RNA的空間結構與功能,主要存在于細胞質中 RNA通常以單鏈形式存在，但也可形成局部的雙螺旋結構。 RNA分子的種類較多，分子大小變化較大，功能多樣化。 主要的RNA種類有rRNA、mRNA、tRNA、HnRNA、SnRNA等。,種類表,2020/7/24,Department of Biochemistry,Hangzhou Medical College,【29】,RNA的一般結構特征,分子比DNA小得多，僅含幾十至數千個核苷酸。 一般是單鏈，堿基組成不遵守Chargaff 規(guī)則。 堿基組成上RNA分子

16、中含有U，U與T具有相同的結構信息量。 RNA核糖分子上C2-OH是游離的，是易發(fā)生不良反應的位置，因此RNA不如DNA穩(wěn)定。,2020/7/24,Department of Biochemistry,Hangzhou Medical College,【30】,一、mRNA的結構與功能,信使RNA（messenger RNA）細胞內含量較少，占總RNA的5%左右，但種類很多。 在細胞核內合成的初級產物稱為HnRNA（不均一RNA）。 成熟的mRNA分子由編碼區(qū)和非編碼區(qū)組成。 mRNA的功能是把核內DNA的遺傳信息（堿基序列）傳送到胞質，指導蛋白質合成 。（含三聯體密碼，triplet cod

17、e）,2020/7/24,Department of Biochemistry,Hangzhou Medical College,【31】,真核生物mRNA的特殊結構：,5-末端的帽子結構：7-甲基鳥嘌呤核苷三磷酸(m7GpppNm)。促進核糖體與mRNA結合,加速翻譯的起始速度,增強mRNA的穩(wěn)定性 3-末端的多聚腺苷酸(polyA)尾巴結構:參與mRNA從核內向胞質轉移,增強mRNA穩(wěn)定性 真核生物mRNA含有內含子，在核內需經過一系列的加工、修飾及剪接等去除內含子，轉變?yōu)槌墒斓膍RNA，進入胞漿,2020/7/24,Department of Biochemistry,Hangzhou

18、Medical College,【32】,帽子結構,哺乳動物成熟mRNA的結構特點,2020/7/24,Department of Biochemistry,Hangzhou Medical College,【33】,mRNA分子中帶有遺傳密碼，其功能是為蛋白質的合成提供模板。 mRNA分子中每三個相鄰的核苷酸組成一組，在蛋白質翻譯合成時代表一個特定的氨基酸信息，稱三聯體密碼或密碼子（codon）。,三聯體密碼 (triplet code),2020/7/24,Department of Biochemistry,Hangzhou Medical College,【34】,二、tRNA的結構與

19、功能,tRNA是分子最?。?090核苷酸）,約占總RNA的15%。 但含有稀有堿基(rare base)最多的RNA，其稀有堿基的含量可多達20%。 包括二氫尿嘧啶（DHU）、假尿嘧啶（, pseudouridine）、甲基化嘌呤（mG, mA）等 tRNA是保守性最強的RNA。 功能：轉運氨基酸的載體。,稀有堿基,2020/7/24,Department of Biochemistry,Hangzhou Medical College,【35】,（一）tRNA的二級結構：,tRNA是單鏈核酸，分子中的某些局部也可形成雙螺旋（堿基互補區(qū)域），進而形成“莖-環(huán)樣結構”（stem-loop）（發(fā)夾

20、結構）；（以及環(huán)、襻狀結構） tRNA的二級結構由于局部雙螺旋的形成而呈現“三葉草”形（cloverleaf pattern），故稱為“三葉草”結構。,三葉草,2020/7/24,Department of Biochemistry,Hangzhou Medical College,【36】,tRNA的三葉草結構：,tRNA的“三葉草”形結構包括：氨基酸臂、DHU環(huán)、反密碼環(huán)、可變環(huán)、TC環(huán)五部分。（4螺旋區(qū)，3環(huán)突，1附加叉） 反密碼環(huán)中有反密碼子(anticodon) 與mRNA的相應的密碼子互補 各種tRNA的3端，末端三個核苷酸序列均為-CCA, 是結合氨基酸的部位（氨基酸接納莖，ac

21、ceptor stem） 。,三葉草,2020/7/24,Department of Biochemistry,Hangzhou Medical College,【37】,（二）tRNA的三級結構：,tRNA的三級結構為“倒L型”結構，使tRNA有較大的穩(wěn)定性。 一端為氨基酸臂，另一端為反密碼環(huán)；L型的拐角處為DHU環(huán)和TC環(huán)。 各環(huán)的核苷酸序列差異較大，這是各種tRNA的特異性所在。 這些結構特征與tRNA和核蛋白體中的蛋白質及rRNA的相互作用有關。,L型,2020/7/24,Department of Biochemistry,Hangzhou Medical College,【38】,

22、三、rRNA的結構與功能,rRNA是細胞中含量最多的RNA，占總量的80%。 rRNA與蛋白質一起構成核蛋白體（核糖體，ribosome），作為蛋白質生物合成的場所。 核蛋白體由大、小亞基構成。,2020/7/24,Department of Biochemistry,Hangzhou Medical College,【39】,核蛋白體的大、小亞基,2020/7/24,Department of Biochemistry,Hangzhou Medical College,【40】,核蛋白體的組成,在原核生物中，rRNA有三種：5S，16S，23S。其中，16S的rRNA參與構成核蛋白體的小亞基

23、，而5S和23S的rRNA參與構成核蛋白體大亞基。 在真核生物中，rRNA有四種：5S，5.8S，18S，28S。其中，18S的rRNA參與構成核蛋白體小亞基，其余的rRNA參與構成核蛋白體大亞基。,組成表,二級結構,2020/7/24,Department of Biochemistry,Hangzhou Medical College,【41】,四、其他小分子RNA,小核RNA(snRNA) 小核仁RNA(snoRNA) 小胞質RNA(scRNA),參與hnRNA、rRNA的轉運和加工,種類表,2020/7/24,Department of Biochemistry,Hangzhou Me

24、dical College,【42】,五、核酶,1982年 Thomas Ceeh 在研究真核生物嗜熱四膜蟲的rRNA基因中發(fā)現具有催化功能的RNA，把這種具有酶促活性（自身催化作用）的RNA稱為核酶（ribozyme）。 核酶通常有特殊的分子結構，如錘頭結構。 這些RNA可以獨立完成rRNA的剪接。 核酶可用于腫瘤相關基因生成的mRNA、病毒RNA等的切割等。,2020/7/24,Department of Biochemistry,Hangzhou Medical College,【43】,第五節(jié) 核酸的理化性質及其應用,一、核酸的一般理化性質 核酸具有酸性 DNA粘度大；RNA粘度較小

25、能吸收紫外光，最大吸收峰為260nm。 分子大小： 1 m DNA = 3000 bp = 2x106 Dalton （人DNA分子量：31012，長約1.7米）,紫外光,2020/7/24,Department of Biochemistry,Hangzhou Medical College,【44】,二、 DNA的變性,在理化因素作用下，DNA雙螺旋的兩條互補鏈松散而分開成為單鏈，從而導致DNA的理化性質及生物學性質發(fā)生改變，這種現象稱為DNA的變性。 引起DNA變性的因素主要有： 高溫，強酸強堿，有機溶劑等。,2020/7/24,Department of Biochemistry,Ha

26、ngzhou Medical College,【45】,增色效應（hyperchromic effect）：DNA變性后對260nm紫外光的光吸收度增加的現象； 旋光性下降； 粘度降低； 生物學功能喪失或改變。,DNA變性后的性質改變,2020/7/24,Department of Biochemistry,Hangzhou Medical College,【46】,融解溫度（Tm，melting temperature）,連續(xù)加熱DNA，以溫度對A260的關系作圖，得解鏈曲線。 DNA的解鏈溫度：加熱DNA溶液，使對260nm紫外光吸收值達到其最大值的50，該溫度稱DNA的解鏈溫度，又稱融解

27、溫度（Tm，熔點）。 在Tm時，DNA分子內50的雙鏈結構被解開。,曲線,2020/7/24,Department of Biochemistry,Hangzhou Medical College,【47】,三、DNA的復性與分子雜交,變性DNA在適當條件下兩條互補鏈可重新恢復天然的雙螺旋構象，這一現象稱DNA復性。 熱變性DNA經緩慢冷卻后即可以復性，這一過程又稱為退火（annealing）。 一般認為復性溫度應比Tm值低25，該溫度是DNA復性的最佳條件。,圖示,2020/7/24,Department of Biochemistry,Hangzhou Medical College,【4

28、8】,核酸的分子雜交： 將不同源的核酸熱變性，再進行復性，只要這些核酸分子含有可形成堿基配對的片段（即具有互補序列），就可以形成局部雙鏈的過程。 核酸雜交可以是DNA-DNA雜交，也可以是DNA-RNA雜交。 不同來源的、具有大致相同互補堿基順序的核酸片段稱為同源順序。,雜交,分子雜交 (molecular hybridization),2020/7/24,Department of Biochemistry,Hangzhou Medical College,【49】,核酸探針,在核酸雜交分析過程中，常將已知順序的核酸片段（DNA或RNA）用放射性同位素或其他化合物進行標記。這種帶有一定標記的

29、已知順序的核酸片段稱為探針(probe)。 作為探針，與待測樣品進行雜交試驗，可以判斷待測核酸分子中是否含有探針同源的序列。,雜交,2020/7/24,Department of Biochemistry,Hangzhou Medical College,【50】,第六節(jié) 核酸酶（nucleases）,凡是能水解核酸的酶都稱為核酸酶。 核酸酶按底物分為DNA酶、RNA酶。 從多核苷酸鏈的末端開始水解核酸的酶稱為核酸外切酶； 核酸5末端外切酶。 核酸3末端外切酶。,2020/7/24,Department of Biochemistry,Hangzhou Medical College,【51】

30、,內切酶,從多核苷酸鏈中間開始水解核酸的酶稱為核酸內切酶。 能識別特定的核苷酸順序，并從特定位點水解核酸的內切酶稱為限制性核酸內切酶（限制酶）。 核酸酶，尤其是限制性內切酶，是基因工程不可缺少的工具。,2020/7/24,Department of Biochemistry,Hangzhou Medical College,【52】,兩類核酸的比較,DNA RNA,分布,98DNA分布在核內,90RNA在胞質（包括mRNA rRNA tRNA）,組成單位,dNMP (dAMP dGMP dCMP dTMP ),NMP (AMP GMP CMP UMP),功能,DNA是生物體儲存遺傳信息的物質，

31、是遺傳物質基礎。生物體遺傳信息通過DNA復制傳遞給子代，體現遺傳的相對保守性。DNA不同功能單位基因可指導合成RNA,翻譯表達特異蛋白質,RNA主要功能是轉錄，傳遞DNA上遺傳信息，直接參與蛋白的生物合成。mRNA蛋白質合成的直接模板；tRNA轉運、活化蛋白質合成原料氨基酸；rRNA組成核蛋白體，是蛋白質合成場所。 近年核酶（ribozyme)發(fā)現,2020/7/24,Department of Biochemistry,Hangzhou Medical College,【53】,稀有堿基, 堿基, tRNA,2020/7/24,Department of Biochemistry,Hangz

32、hou Medical College,【54】,堿基的紫外吸收光譜曲線, 性質, 堿基,2020/7/24,Department of Biochemistry,Hangzhou Medical College,【55】,互變異構, 堿基,2020/7/24,Department of Biochemistry,Hangzhou Medical College,【56】,主要的核苷酸,2020/7/24,Department of Biochemistry,Hangzhou Medical College,【57】,分子生物學的先驅,2020/7/24,Department of Bioch

33、emistry,Hangzhou Medical College,【58】,Three forms of DNA,2020/7/24,Department of Biochemistry,Hangzhou Medical College,【59】,超螺旋,2020/7/24,Department of Biochemistry,Hangzhou Medical College,【60】,核小體,2020/7/24,Department of Biochemistry,Hangzhou Medical College,【61】,染色體結構模式,2020/7/24,Department of Biochemistry,Hangzhou Medical College,【62】,DNA核小體染色體,2020/7/24,Department of Biochemistry,Hangzhou Medical College,【