第二章核酸化学课件

,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,*,第二章核酸化学,Nucleic Acid Chemistry,第二章核酸化学Nucleic Acid Chemistry,1,核酸是一类重要的生物大分子，担负着生命信息的储存与传递。,核酸是现代生物化学、分子生物学的重要研究领域，是基因工程操作的核心分子。,核酸概述,核酸是一类重要的生物大分子，担负着生命信息的储存与传递。核酸,2,第一节 核酸是遗传物质的载体,一、核酸的发现史,1868年，F. Miescher从细胞核中分离得到一种含磷量很高的酸性物质，即现在被称为核酸的物质。,第一节 核酸是遗传物质的载体一、核酸的发现史,3,1944年，Avery的转换转化实验,or,and,可分离,1944年，Avery的转换转化实验orand可分离,4,1943年，,chargaff,等证明了,DNA,中四种碱基的比例并不相等,1953年，Watson、Crick发现 DNA双螺旋模型,核酶（Ribozyme）,第二章核酸化学课件,5,98核中（染色体中）,真核 线粒体（mDNA）,核外,叶绿体（ctDNA）,DNA 拟核,原核,质粒（plasmid）,病毒：DNA病毒,二、,核酸的种类和分布,核酸分为两大类：,脱氧核糖核酸： Deoxyribonucleic Acid （,DNA,）,核糖核酸：,Ribonucleic Acid（,RNA,）,98核中（染色体中）二、核,6,RNA主要存在于细胞质中,tRNA,rRNA,mRNA,其它,（4.5SRNA,5SRNA;sRNA;反义RNA,核酶等）,RNA病毒,三、分子生物学的中心法则,RNA主要存在于细胞质中 tRNA三、分子生物学的中心法,7,第二节 核酸的基本化学组成,核酸,核苷酸,核苷,磷酸,碱基,戊糖,元素组成： C H O N P,核酸完全水解产生,嘌呤和嘧啶,等碱性物质、,戊糖,（核糖或脱氧核糖）和,磷酸,的混合物。核酸部分水解则产生核苷和核苷酸。核酸的各种水解产物可用层析或电泳等方法分离鉴定。,第二节 核酸的基本化学组成核酸核苷酸核苷磷酸碱基戊糖元素组成,8,组成核酸的戊糖有两种。DNA所含的糖为 -D-2-脱氧核糖；RNA所含的糖则为-D-核糖。,一、戊糖,Ribose,Deoxyribose,组成核酸的戊糖有两种。DNA所含的糖为,9,1. 嘧啶（Pyrimidine）,1,2,3,4,5,6,尿嘧啶,uracil,U,胞嘧啶,cytosine,C,胸腺嘧啶,thymine,T,二、碱基,1. 嘧啶（Pyrimidine）123456尿嘧啶U胞嘧啶,10,二、碱基,1. 嘧啶（Pyrimidine）,尿嘧啶,uracil,胞嘧啶,cytosine,胸腺嘧啶,thymine,U,C,T,二、碱基 1. 嘧啶（Pyrimidine）尿嘧啶胞嘧啶胸,11,稀有碱基,稀有碱基,12,腺嘌呤,Adenine,A,2. 嘌呤（Purine）,1,2,3,4,5,6,9,7,8,鸟嘌呤,Guanine,G,腺嘌呤 AdenineA2. 嘌呤（Purine）123,13,2. 嘌呤（Purine）,腺嘌呤,Adenine,鸟嘌呤,Guanine,A,G,2. 嘌呤（Purine）腺嘌呤 Adenine鸟嘌呤,14,稀有碱基,稀有碱基,15,核酸中也存在一些不常见的稀有碱基。稀有碱基的种类很多，大部分是上述碱基的甲基化产物。如7甲基鸟嘌呤（核苷酸）：,核酸中也存在一些不常见的稀有碱基。稀有碱基的种,16,第二章核酸化学课件,17,三、核苷（nucleoside）,核苷 戊糖+碱基,糖与碱基之间的C-N键，称为C-N糖苷键,1,2,3,4,5,(OH),1,2,3,4,5,(OH),三、核苷（nucleoside）核苷 戊糖+碱基 1,18,Adenosine Guanosine Cytidine Uridine,Adenosine Guanosine,19,四、核苷酸（nucleotide）,核苷酸 核苷+磷酸 戊糖+碱基+磷酸,H,H,H,H,H,H,H,H,H,四、核苷酸（nucleotide） 核苷酸 核,20,五、核苷酸衍生物,1.,继续磷酸化,AMP,ADP,ATP,五、核苷酸衍生物1. 继续磷酸化AMPADPATP,21,2.环磷酸化,cAMP,cGMP,2.环磷酸化 cAMP cGMP,22,3. 肌苷酸及鸟苷酸,4. 辅酶 NAD、NADP、FMN,IMP,GMP,3. 肌苷酸及鸟苷酸4. 辅酶 NAD、NADP,23,六、多聚核苷酸（核酸）,多聚核苷酸是通过一个核苷酸的C,3,-OH 与另一分子核苷酸的5-磷酸基形成3,5-磷酸二酯键相连而成的链状聚合物。,5,5,3,3,六、多聚核苷酸（核酸）多聚核苷酸是通过一个核苷酸的C3-O,24,第二章核酸化学课件,25,5-磷酸端(常用5-P表示); 3-羟基端（常用3-OH表示）,多聚核苷酸链具有方向性，当表示一个多聚核苷酸链时，必须注明它的方向是53或是35。,多聚核苷酸的表示方式,DNA RNA,5,P,dA,P,dC,P,dG,P,dT,OH,3 5,P,A,P,C,P,G,P,U,OH,或5ACGTGCGT 3 5ACGUAUGU 3,ACGTGCGT ACGUAUGU,T,5,3,OH,U,5,3,OH,OH,OH,OH,OH,5-磷酸端(常用5-P表示); 3-羟基端（常用3-,26,第三节 DNA的结构,一、DNA的,一级结构,脱氧核糖核酸的排列顺序,可以用碱基排列顺序表示,连接键：3，5-磷酸二酯键,磷酸与戊糖顺序相连形成主链骨架,碱基形成侧链,多核苷酸链均有5-末端和3-末端,DNA的碱基顺序本身就是遗传信息存储的分子形式。生物界物种的多样性即寓于DNA分子中四种核苷酸千变万化的不同排列组合之中。,第三节 DNA的结构一、DNA的一级结构,27,2. 基因与基因组,基因（gene）,：一段有功能的DNA片段，生物细胞中DNA分子的最小功能单位（交换单位）。,蛋白质（,mRNA,蛋白质）,产物,tRNA,RNA,rRNA,调节功能：调节基因,无产物,作用未知(占绝大多数）,结构基因,2. 基因与基因组基因（gene）：一段有功能的DNA片段，,28,基因组（genome）,：某生物体（完整单倍体）所含全部遗传物质的总和。包括：核基因组（拟核/核DNA）及核外（质粒/质体DNA/线粒体DNA）,bp（碱基对,）,10,3,10,4,10,5,10,6,10,7,10,8,10,9,10,10,10,11,10,12,人,两栖类,鱼类,藻类,酵母,细菌,E.Coli,病毒,质粒,各种细胞、病毒和细菌质粒中基因组的大小,基因组（genome）：某生物体（完整单倍体）所含全部遗传物,29,3. 原核生物基因组特点,重复序列少，编码区占比例大,多以操纵子的形式组织在一起,有重叠基因存在,真核生物基因组特点,以染色体形式存在,重复序列多，非编码区占绝大部分,有断裂基因 （内含子和外显子）,基因组计划,人类基因组计划（Human Genome Project， HGP ）,酵母基因组计划 （YGP）,大肠杆菌（E.Coli）,3. 原核生物基因组特点 真核生物基因组特点基因组计划,30,第二章核酸化学课件,31,二、DNA的二级结构,DNA的双螺旋模型,1953年，J. Watson和F. Crick 在前人研究工作的基础上，根据DNA结晶的X-衍射图谱和分子模型，提出了著名的DNA双螺旋结构模型，并对模型的生物学意义作出了科学的解释和预测。,在DNA分子中，嘌呤碱基的总数与嘧啶碱基的总数相等。,二、DNA的二级结构 DNA的双螺旋模型1953年，J.,32,DNA双螺旋模型要点,B型结构,两条链反向平行，右手螺旋,碱基在内（AT，GC） 碱基平面垂直于螺旋轴,戊糖在外，双螺旋每转一周 为10碱基对（bp）螺距为3.4,nm， 0.34nm/ bp,A型结构,碱基平面倾斜20，螺旋变粗变短，螺距23nm。,Z型结构,左手螺旋，只有小沟,2.0 nm,小沟,大沟,DNA双螺旋模型要点B型结构 2.0 nm小沟大沟,33,第二章核酸化学课件,34,双螺旋DNA的结构参数,类型,旋转方向,螺旋直径（nm）,螺距（nm）,每转碱基对数目,碱基对间垂直,距离（nm）,碱基对与水平面倾角,ADNA,BDNA,ZDNA,右,右,左,2.0,2.3,1.8,2.8,3.4,4.5,11,10,12,0.255,0.34,0.27,20,0,7,稳定双螺旋结构的作用力及破坏双螺旋结构的因素,氢键,碱基堆积力（疏水相互作用及范德华力）,离子键等,而DNA变性剂(热、pH、脲/酰胺、有机溶剂)则破 坏双螺旋结构,双螺旋DNA的结构参数类型旋转方向螺旋直径（nm） 螺距（,35,DNA的存在形式,2-10-30-150-300-700-1400,DNA-,核小体-纤丝-突环-花结-螺旋圈-染色体,DNA的存在形式2-10-30-150-300-700-14,36,二、DNA的三级结构,DNA双螺旋的进一步扭曲构成三级结构，,负超螺旋,（双螺旋的螺旋）,原核 双链环状DNA（dcDNA）,病毒 单链环状DNA（scDNA）,单链线性DNA（ssDNA）,二、DNA的三级结构DNA双螺旋的进一步扭曲构成三级结构，负,37,第二章核酸化学课件,38,当DNA双螺旋分子在溶液中以一定的构象自由纯在时，双螺旋处在能量最低的状态此为松弛态。如果是这种正常的DNA分子额外的多转几圈或少转几圈，就会使双螺旋中存在张力。当双螺旋分子的末端是开放的，这种张力可以通过链的转动释放出来，DNA将恢复正常的状态。但如果DNA分子的两端是固定的，这种额外的张力就不能释放出来， DNA分子本身就会发生扭曲，用以抵销张力。这种扭曲称为超螺旋，是双螺旋的螺旋。,当DNA双螺旋分子在溶液中以一定的构象自由纯在时，双螺旋处在,39,真核 双链线性DNA（dsDNA）,真核 双链线性DNA（dsDNA）,40,第二章核酸化学课件,41,第四节 RNA的结构与功能,一、结构特点,碱基组成 A、G、C、U （AU/GC） 稀有碱基较多，稳定性较差，易水解,多为单链结构，少数在局部形成双螺旋,分子较小,分类,mRNA（hnRNA 核内不均一RNA）,tRNA,rRNA （snRNA/asRNA）,少数RNA病毒,第四节 RNA的结构与功能一、结构特点,42,二、tRNA,占RNA总量的15,一种氨基酸对应至少一种tRNA,分子量25000左右，大约由7090个核苷酸组成，沉降系数为4S左右。,分子中含有较多的修饰碱基。,3,-末端都具有,-CCA-OH,的结构。,三叶草二级结构,一般有四环四臂组成,氨基酸臂、D臂、反密码子臂、TC臂,D环、反密码子环、可变环、TC环,“倒写的字母L” 三级结构,二、tRNA占RNA总量的15分子量25000左右，大约由,43,tRNA的三级结构,(76,bp),tRNA的三级结构(76bp),44,第二章核酸化学课件,45,三、rRNA,占RNA总量的80,原核生物,真核生物,核糖体,rRNA,核糖体,rRNA,30s,70s,50s,16s,5s 、23s,40s,80s,60s,18s,5s、5.8s、28s,大肠杆菌5sRNA的结构,三、rRNA占RNA总量的80原核生物真核生物核糖体rRN,46,四、mRNA和hnRNA,占细胞总RNA的35,真核细胞mRNA的3-末端有一段长达200个核苷酸左右的多聚腺苷酸(polyA)，称为 “尾结构” ，5 -末端有一个甲基化的鸟苷酸，称为“帽子结构”。,占细胞总RNA的35,四、mRNA和hnRNA占细胞总RNA的35真核细胞m,47,五,、,snRNA （small nucleic RNA 核小RNA） U-RNA、RNP,scRNA （small cytoplasmic RNA）,asRNA （antisense RNA）,五、snRNA （small nucleic RNA 核,48,第五节 核酸的性质,一、一般理化性质,两性解离 / 一般呈酸性（在中性溶液中带负电荷），微 溶于水，不溶于有机溶剂,线性大分子（粘度高、抗剪切力差）,乙醇,可用电泳或离子交换（色谱）进行分离,室温条件下，DNA在碱中变性，但不水解，RNA水解,颜色反应,加热条件下，D核糖浓盐酸苔黑酚,绿色,D2脱氧核糖酸二苯胺,蓝紫色,第五节 核酸的性质一、一般理化性质,49,二、核酸的紫外吸收特性,在核酸分子中，由于嘌呤碱和嘧啶碱具有共轭双键体系，因而具有独特的紫外线吸收光谱，一般在,260nm,左右有最大吸收峰，可以作为核酸及其组份定性和定量测定的依据。,DNA和RNA溶液中加入溴化乙锭（EB），在紫光外下发出荧光,核酸比其各核苷酸的光吸收值之和少30%40%,二、核酸的紫外吸收特性在核酸分子中，由于嘌呤碱和嘧啶碱具有共,50,三、核酸的变性、复性与分子杂交,1. 变性,稳定核酸双螺旋结构的次级键断裂，空间结构破坏，变成单链无规线团结构的过程。核酸的一级结构(碱基顺序)保持不变。,变性表征：部分生物活性丧失、粘度下降、浮力密度升高、紫外吸收增加（增色效应）,变性因素,pH（11.3或5.0）,变性剂（脲、甲酰胺、甲醛）,低离子强度,加热,三、核酸的变性、复性与分子杂交1. 变性,51,DNA的变性过程是突然性的,，它在很窄的温度区间内完成。因此，通常将紫外吸收的增加量达最大增量一半时的温度称为熔解温度，用,T,m,表示。,一般DNA的,T,m,值在70-85,C之间。DNA的T,m,值与分子中的,GC,的含量有关。,GC 的含量高，T,m,值就高。因而测定Tm,值，可反映DNA分子中GC的含量，可通过经验公式计算：（G+C)%=(Tm-69.3)X2.44,2. 热变性和T,m,DNA的变性过程是突然性的，它在很窄的温度区间内完成。因此，,52,3. 核酸的复性,变性核酸的互补链在适当的条件下，重新缔合成为双螺旋结构的过程称为,复性,。,DNA复性后，一系列性质将得到恢复，但是生物活性一般只能得到部分的恢复。具减色效应。,将热变性的DNA骤然冷却至低温时，DNA不能复性。而变性的DNA只有在缓慢冷却时才可复性，复性过程又称为,“退火”,。,退火温度T,m,25,影响复性的因素,片段浓度,片段大小,片段复杂性（重复序列数目）,溶液的离子强度,3. 核酸的复性变性核酸的互补链在适当的条件下，重新缔合成为,53,第二章核酸化学课件,54,4.分子杂交,DNA单链与在某些区域有互补序列的异源DNA单链或RNA链形成双螺旋结构的过程。这样形成的新分子称为,杂交分子,。,核酸的杂交在分子生物学和遗传学的研究中具有重要意义。,Southern 杂交,（Southern bolting）：DNA,Northern 杂交,（Northern bolting）：RNA,Western 杂交,（Western bolting）：蛋白质,4.分子杂交DNA单链与在某些区域有互补序列的异源DNA单链,55,分子杂交操作过程示意图,分子杂交操作过程示意图,56,第二章核酸化学课件,57,四、核酸的序列测定,双脱氧链终止法（Sanger酶法）如右图：,2. Gilbert化学降解法（略）,四、核酸的序列测定双脱氧链终止法（Sanger酶法）如右图,58,第二章核酸化学课件,59,第二章核酸化学课件,60,本 章 小 结,核酸是遗传物质载体的证明和研究历史,核酸的化学结构：戊糖、碱基（A、T、G、C、U），核苷、核苷酸及其衍生物的结构特点（原子编号）,DNA的结构：一级结构 (核苷酸排列顺序及其表示、核苷酸之间的连接方式、基因及基因组、核酸序列的测定)、二级结构 ( Watson-Crick双螺旋模型、ZDNA)、维持二级结构的化学键。,RNA种类、结构与功能，RNA碱基组成上的特点。,核酸的性质：酸碱性、变性与复性、分子杂交,本 章 小 结核酸是遗传物质载体的证明和研究历史,61,谢谢,谢谢,62,