核酸的化学.ppt

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　　核 酸 的 化 学

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　　第3章 核酸的化学

　　核酸的种类、分布与化学组成 核酸的分子结构 核酸的理化性质 核酸的提取、分离和含量测定 核蛋白和病毒

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　　一、核酸简介

　　1909年Levene.P.A发现酵母核酸含有核糖，以后又发现脱氧核糖，正确指出了核苷、核苷酸的分子结构。

　　核酸---生物体内的生物大分子，是生物遗传的物质基础。

　　核酸的发现简史：

　　1868年瑞士化学家米歇尔从脓细胞核中分离出核素(核蛋白);

　　1889年 Altman制备了不含蛋白的核素，定名为核酸;

　　德国生理学家Kossel等研究了核酸的化学组成，分离出四种碱基

　　1944年，科学家通过DNA可以把一个细菌的性状转移给另一个细菌，证明了核酸是遗传信息的携带者。

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　　标题： 核酸的应用

　　正文： 核酸类衍生物可抑制病原核酸与蛋白质的合成，从而抑制了癌细胞与病毒的进一步增殖。 如对病毒引起的天花、狂犬病和乙型脑炎等

　　1、核酸类衍生物可作为抗病毒、抗癌药物

　　日本开发出了治疗白血病的人造核酸。它就像一把剪刀，可发现引起白血病的遗传基因并将其剪除，将来有望成为治疗白血病的主要药物。

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　　正文： 用人工手段把一种生物的遗传物质转移到另一种生物的细胞中去，并使这种遗传物质所带的遗传信息在受体细胞中表达的技术。 通过遗传工程，可用人工方法改组DNA，可以定向改变遗传特性，还可以跨越种属界限，从而有可能创造出新型的生物品种。 如利用大肠杆菌生产胰岛素、干扰素等 人类基因组计划

　　2、遗传工程

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　　标题： 一、 核酸的种类与分布

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　　核酸

　　核苷酸

　　核苷

　　磷酸

　　碱基 嘌呤碱 或 嘧啶碱 (A、G、C、T、U)

　　戊糖 核糖 或 脱氧核糖

　　标题： 二、核酸的化学组成

　　水 解

　　核酸的基本结构单位是核苷酸

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　　正文： 例题：RNA 和DNA 彻底水解后的产物是________ A. 核糖相同,部分碱基不同 B. 碱基相同,核糖不同 C. 碱基不同,核糖不同 D. 碱基不同,核糖相同

　　标题： DNA和RNA的化学组成比较

　　(Gp:) DNA RNA

　　(Gp:) 碱基

　　(Gp:) A G C T

　　(Gp:) A G C U

　　(Gp:) 戊糖

　　(Gp:) 脱氧核糖

　　(Gp:) 核糖

　　(Gp:) 磷酸

　　(Gp:) 磷酸

　　(Gp:) 磷酸

　　(Gp:) 结构

　　(Gp:) 双链 双螺旋

　　(Gp:) 单链 局部双螺旋

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　　标题： 核苷酸的结构

　　碱基

　　戊糖

　　磷酸

　　核苷酸

　　核苷

　　糖苷键

　　核苷=戊糖+碱基 (糖苷键)

　　核苷酸=核苷+磷酸 (磷酸酯键)

　　磷酸酯键

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　　标题： 常见的核苷酸

　　正文： 组成DNA的核苷酸----脱氧核苷酸 (dAMP、dCMP、dGMP、dTMP) 组成RNA的核苷酸--- 核苷酸 (AMP、CMP、GMP 、UMP )

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　　标题： 三、核苷酸的衍生物

　　正文： 1、多磷酸核苷酸： 游离的单核苷酸多为5’-核苷酸

　　腺嘌呤核苷酸(一磷酸核苷) AMP

　　二磷酸核苷酸 ADP

　　三磷酸核苷酸 ATP

　　+磷酸

　　+磷酸

　　高能磷酸键

　　~

　　~

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　　标题： ATP的性质

　　末端含有两个高能磷酸键。 具有很高的水解自由能， 习惯上称为高能键，通常 用“～”表示。水解时, 可 以释放出大量自由能。 物质代谢产生的能量使ADP 和磷酸合成ATP。 ATP分解为ADP或AMP时，释 放出大量的能量，支持生理 活动或生化反应。这是生物 体主要的供能方式。

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　　核苷三磷酸的生理作用： ATP：能量储存和利用的中心; UTP：参与糖原的合成 CTP：参与脂肪和磷脂的合成 GTP：参与蛋白质和嘌呤的合成

　　其他的：

　　核苷二磷酸：GDP、CDP、UDP

　　核苷三磷酸： GTP、CTP、UTP，是合成RNA的原料

　　脱氧核苷二磷酸：dADP、dGDP、dTDP、dCDP

　　脱氧核苷三磷酸：dATP、dCTP、dGTP、dTTP， 是合成DNA的原料。

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　　2、辅酶类核苷酸

　　辅酶Ⅰ(NAD):尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸 辅酶Ⅱ(NADP)：尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸 黄素单核苷酸(FMN) 黄素腺嘌呤二核苷酸(FAD) 都属于核苷酸类衍生物，在生物氧化过程中参与 氢和某些化学基团的传递，在糖、脂肪和蛋白质 代谢中起着重要的作用。

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　　标题： 3、环磷酸核苷酸

　　正文： cAMP：3’,5’-环腺苷酸，作为激素作用过程的调节物，参与物质代谢过程。 类似化合物还有：cGMP、cCMP

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　　标题： 核酸生物学功能

　　正文： DNA——是遗传信息载体，通过DNA的自我复制 传递遗传信息。 RNA——参与蛋白质的生物合成。 RNA种类： 核糖体RNA (rRNA) 转运RNA (tRNA) —— 转运氨基酸 信使RNA (mRNA) —— 转录DNA遗传信息， 指导蛋白质合成。

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　　二级结构

　　三级结构

　　一级结构

　　标题： 第二节 核酸的分子结构

　　一、DNA的分子结构

　　核苷酸的排列顺序

　　双螺旋结构

　　超螺旋

　　碱基堆积力 氢键

　　3′-5′磷酸二酯键

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　　连接方式: 3′-5′磷酸二酯键

　　标题： 1、DNA的一级结构

　　脱氧核苷酸的3′-羟基和5′-磷酸脱水缩合(酸脱羟基，醇脱氢)

　　多核苷酸链具有方向性： 5’末端--磷酸基团 3’末端--羟基

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　　正文： 交替的戊糖和磷酸基团形成核苷酸链的主链; 碱基可看成是侧链; 不同核苷酸链的区别就在于碱基组成的不同。 亲水基团：戊糖、磷酸基(主链上) 疏水基团：碱基 核酸的一级结构：多核苷酸链中核苷酸的排列顺序。也即碱基的排列顺序。

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　　标题： 2、 DNA的二级结构：双螺旋

　　两条链，反向平行，右手螺旋，同一螺旋轴。 螺旋表面有大沟、小沟。 碱基在双螺旋的内侧，磷酸与脱氧核糖在外侧。 碱基间氢键相连。

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　　双螺旋的直径2nm。 碱基对之间轴向距离0.34nm 每圈螺旋含10个核苷酸。

　　(Gp:) 2.0 nm

　　(Gp:) 小沟

　　(Gp:) 大沟

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　　标题： 碱基互补原则：双链同一水平的一对碱基依靠氢链结合在一起。

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　　正文： 腺嘌呤(A)与胸腺嘧啶 (T)成对， A和T之间构成二个氢键， 鸟嘌呤(G)与胞嘧啶(C)成对 G和C之间构成三个氢键。 (A+G)/(T+C)=1 按照碱基互补配对原则，当一条链的碱基顺序已定，可以推知另一条互补链的碱基序列。 DNA复制、转录、反转录等过程的分子基础都是碱基互补。

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　　标题： 稳定双螺旋结构的因素

　　①碱基堆积力。 ②互补碱基对间的氢键。 ③离子键：磷酸基上负电荷与介质中的阳离子形成的，中和了磷酸基上负电荷间的斥力，有助于DNA稳定。 ④范德华力

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　　标题： 3、 DNA的三级结构

　　DNA双螺旋链的进一步扭曲或再次螺旋---超螺旋。 原核生物：环状DNA可形成超螺旋。

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　　标题： 真核生物DNA与蛋白质结合成核小体而使两端固定，也可形成超螺旋。

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　　核小体

　　纤丝

　　玫瑰花结

　　螺旋圈

　　染色体

　　DNA

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　　标题： 二、RNA的分子结构

　　天然RNA是单链线形分子，局部区域为双螺旋结构。

　　戊糖为D-核糖。 基本碱基：腺嘌呤A、鸟嘌呤G、胞嘧啶C、尿嘧啶U。 稀有碱基。 基本单位：核苷酸 连接键：3’,5’-磷酸二酯键

　　(一)RNA分子的组成

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　　标题： (二) RNA的一级结构

　　(Gp:) 核苷酸的排列顺序 5’末端--磷酸基团 3’末端--羟基

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　　标题： RNA的类型

　　正文： 动植物、微生物细胞中三种主要的RNA: 核糖体RNA(rRNA) 转运RNA(tRNA) 信使RNA(mRNA) 真核细胞中还少量核内小RNA(snRNA)

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　　标题： (三) RNA的二级结构

　　RNA分子是一条单链。 通过自身回折使可以配对的碱基相遇，形成氢键。 由双螺旋区和环状突起构成。

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　　标题： rRNA的结构

　　正文： rRNA的分子量较大，结构相当复杂。 原核生物的rRNA分三类：5SrRNA、16SrRNA和23SrRNA。 真核生物的rRNA分四类：5SrRNA、5.8SrRNA、18SrRNA和28SrRNA。

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　　正文： 目前虽已测出不少rRNA分子的一级结构，但对其二级、三级结构及其功能的研究还需进一步的深入。 rRNA与蛋白质结合而形成核糖体，其功能是作为mRNA的支架，使mRNA分子在其上展开，实现蛋白质的合成。

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　　tRNA的二级结构 三叶草式

　　反密码子

　　主要特征： 1.四臂四环; 2.反密码环上的反密码子与mRNA上的密码子相互作用; 3.氨基酸臂3′端有CCA-OH的共有结构; 4.D环上有二氢尿嘧啶(D); 5.TψC环含有T和ψ; 6.可变环上的核苷酸数目可以变动; 7.含有修饰碱基和不变核苷酸。

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　　标题： (四)tRNA的三级结构

　　正文： tRNA的二级结构在空间折叠，形成倒“L”型的三维空间立体结构。

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　　标题： mRNA的结构

　　正文： 绝大多数真核细胞mRNA在3’-末端有长约200个核苷酸的polyA 原核生物的mRNA通常没有3’-polyA 真核细胞mRNA5’-末端有3’-mG5’-Nm-3’-P结构，称为5’-帽子。 5’帽子的功能： 是mRNA翻译起始的必要结构，对核糖体对mRNA的识别提供了信号，协助核糖体与mRNA结合，使翻译从AUG开始。 可增加mRNA的稳定性，保护mRNA免遭5’→3’核酸外切酶的攻击。

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　　标题： 第三节 核酸的理化性质

　　(一)核酸的分子量 DNA的分子量一般为106～1010。生物越高等，DNA分子越大，储存的遗传信息越多。 RNA的分子大小不同。

　　DNA溶液的黏度极高，变性后黏度降低。 RNA的黏度比DNA小

　　(二)核酸的黏度

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　　标题： (四)核酸的沉降特性

　　正文： 不同构象的核酸、蛋白质及其他杂质，在超离心的作用下，沉降速率不同。 可以用超离心的方法纯化核酸或分离不同构象的核酸 测定核酸的沉降常数与分子量

　　(三)核酸的溶解性

　　核酸(DNA或RNA)是极性化合物，微溶于水，不溶于有机溶剂。 分离核酸时，常加入乙醇使其从溶液中沉淀出来。 DNA溶于浓的氯化钠溶液， RNA溶于稀的氯化钠溶液。

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　　(五)核酸的酸碱性质

　　为两性电解质，磷酸基团(酸性);含N碱基(碱性) 磷酸的酸性强，通常表现为酸性。 存在等电点：正负电荷净值为零时，溶液的pH值。 磷酸基团可与金属离子成盐，增加溶解度。 pH直接影响碱基对之间的氢键稳定性。 pH在4.0~11.0，DNA最稳定

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　　(六)核酸的紫外吸收性质

　　核酸的碱基具有共轭双键，在260nm处有最大吸收峰。 可用紫外分光光度计进行定性与定量测定。 核酸的紫外吸收值比核苷酸吸收值之和小。 变性的核酸，紫外吸收值增大。 可用来判断核酸的水解或变性的程度。 DNA吸收紫外光后，能引起突变，可用于性状优良菌种 的筛选。

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　　标题： (七)核酸的变性

　　核酸的变性：(书P43) 变性的本质是双链间氢键的断裂，三维空间结构的破坏，但一级结构不变。 变性的因素：加热、过高或过低的pH、有机溶剂等。 理化性质的改变：260nm的紫外吸收值升高;黏度降低;生物活性丧失。 DNA的热变性：(书P43) 特点：爆发式，温度范围窄 DNA 的熔点(熔解温度)：Tm

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　　正文： 影响DNA的Tm值大小的因素： DNA的均一性。均一性越高，熔解范围越窄。 G-C的含量。含量越高， Tm值越高。 介质中的离子强度。离子强度较低，Tm值较低，熔解温度的范围较窄。

　　RNA分子有局部的双螺旋区 也可以发生变性，但Tm值较低

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　　正文： (八)核酸的复性与分子杂交

　　复性：在适当条件下，变性核酸的互补链重新缔合成双螺旋的过程。 分子杂交：复性时，各片段只要有相同的碱基彼此互补，就可重新形成双螺旋。 (DNA - DNA， RNA - RNA ，DNA - RNA )

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　　标题： DNA的变性与复性

　　(Gp:) 高温变性

　　(Gp:) 缓慢冷却

　　(Gp:) 急速冷却

　　(Gp:) 热复性

　　(Gp:) 复性失败

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　　标题： 核酸的杂交示例

　　核酸分子杂交的应用 1.研究DNA分子中某一种基因的位置 2.测定两种核酸分子间的序列相似性

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　　标题： 第四节 核酸的提取、分离和定量测定

　　正文： 核酸提取的一般原则：

　　保护核酸的天然状态 提取过程中避免强酸、强碱、高温、机械剪切力、剧烈搅拌 加抑制剂抑制酶的作用。 整个过程在低温(0℃左右)条件下进行。

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　　标题： 核酸的提取

　　核酸在自然状态下以核蛋白形式存在 核蛋白的分离：DNA蛋白溶于浓NaCI(1~2mol/L) RNA蛋白溶于稀NaCI(0.14mol/L) 抑制剂：柠檬酸(用于DNA)、硅藻土(用于RNA)

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　　标题： 蛋白质的去除

　　正文： 方法：变性法、酶解法

　　核酸的纯化

　　粗分离：酒精沉淀核酸 纯化：分离出不同形状、不同分子量的核酸 常用方法：凝胶电泳、纤维素过滤法、凝胶过滤法、超滤法

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　　标题： 核酸的含量测定

　　正文： 定磷法：

　　无机磷，在钼酸及还原剂作用下生成钼蓝。钼蓝在660nm处有最大吸收。

　　定糖法 1、核糖 糠醛 深绿色化合物 在670nm处进行比色测定 2、脱氧核糖 w-OH-γ-酮戊醛 蓝色化合物 在595nm处进行比色测定

　　浓HCl

　　脱水

　　地衣酚

　　缩合

　　浓H2SO4

　　二苯胺

　　脱水

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　　正文： 紫外吸收法 核酸对260nm左右的紫外光有最大吸收。 1μg/mL的DNA吸光值为0.020 1μg/mL的RNA吸光值为0.022

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　　标题： 两种最重要的生物大分子比较

　　蛋白质 核酸

　　正文： 基本组成单位 氨基酸 核苷酸

　　组成单位 20种 A、C 、G 、T (DNA) 的种类 A、C 、G 、U (RNA)

　　连接方式 肽键 3’,5’-磷酸二酯键

　　一级结构 Aa排列顺序 碱基序列

　　空间结构 二、三、四级结构 双螺旋、超螺旋

　　生命活动 遗传信息贮存、传递、 直接执行者 表达,决定蛋白结构

　　功能

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　　标题： 核蛋白

　　真核生物细胞核内，DNA与蛋白质结合成核蛋白。 核蛋白：富含赖氨酸和精氨酸的碱性蛋白。 原核生物细胞内不含组蛋白

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　　标题： 病毒

　　病毒有具有侵染性的核酸和蛋白质组成。 病毒的核酸一般为DNA或RNA。 病毒介于生物和非生物之间。 狂犬病、天花、肝炎、流感、烟草花叶病等都是由病毒引起的。

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　　标题： 病毒侵染细胞过程

　　噬菌体：侵染细菌的病毒。

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　　标题： 肺炎双球菌的转化实验

　　正文： 受体细胞直接摄取供体细胞的遗传物质(DNA片段)，将其同源部分进行碱基配对，组合到自己的基因中，从而获得供体细胞的某些遗传性状，这种变异现象，称为转化。 肺炎双球菌的转化现象最早是由英国的细菌学家格里菲斯(Griffith)于1928年发现的。

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　　正文： 肺炎双球菌(Diplococcus pneumoniae)是一种病原菌，存在着光滑型(Smooth简称S型)和粗糙型(Rough简称R型) 两种不同类型。 其中光滑型的菌株产生荚膜，有毒，在人体内它导致肺炎，在小鼠体中它导致败血症，并使小鼠患病死亡，其菌落是光滑的 粗糙型的菌株不产生荚膜，无毒，在人或动物体内不会导致病害，其菌落是粗糙的。

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　　正文： 肺炎双球菌转化实验的结论：加热杀死的S菌中有一种“转化因子”，能使R菌转化为S菌，使小鼠死亡。

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　　正文： 1944年美国的埃弗雷(O.Avery) 等人在格里菲斯(Griffith)研究的基础上，对转化的本质进行了体外转化实验。 从SⅢ型活菌体内提取DNA、RNA、蛋白质和荚膜多糖，将它们分别和 RⅡ型活菌混合均匀后注射人小白鼠体内，结果只有注射SⅢ型菌DNA和RⅡ型活菌的混合液的小白鼠才死亡，这是一部分RⅡ型菌转化产生有毒的、有荚膜的SⅢ型菌所致，并且它们的后代都是有毒、有荚膜的。 由此说明RNA、蛋白质和荚膜多糖均不引起转化，而DNA却能引起转化。如果用DNA酶处理DNA后，则转化作用丧失。

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　　标题： 噬菌体侵染细菌实验

　　正文： 由于噬菌体的蛋白质外壳没有进入细菌体内,只有DNA进入细菌体内,结果子代噬菌体与亲代的噬菌体的形态、大小等,特性相同。 这就证明了:DNA是遗传物质。

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　　标题： 碱基堆积力

　　正文： 所谓的碱基堆积力是指在DNA双螺旋结构中，碱基对平面垂直于中心轴，层叠于双螺旋的内侧，相邻疏水性碱基在旋进中彼此堆积在一起相互吸引形成的作用力。

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　　标题： 琼脂糖凝胶电泳

　　正文： 以琼脂糖作支持物 常用于分析DNA 特点：兼有“分子筛”和“电泳”的双重作用。

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　　标题： 聚丙烯酰胺凝胶电泳

　　正文： 以聚丙烯酰胺作为支持物; 用于分离RNA和蛋白质; 具有分子筛效应。