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    【医学ppt课件】核酸的化学.ppt

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    【医学ppt课件】核酸的化学.ppt

    【医学ppt课件】核酸的化学,本章主要内容核苷酸DNARNA核酸的性质,1868年 F.Miescher首先从伤员绷带的脓细胞中分离得到称为“核素”的核酸1944年 O.N.Avery通过转化实验证实DNA是主要的遗传物质1953年 J.D.Watson和F.H.C.Crick提出DNA 双螺旋结构模型 1958 Crick提出遗传信息传递的中心法则1970s 建立DNA重组技术1980s后 分子生物学、分子遗传学等学科突飞猛进发展,提出并完成HGP,核酸化学的发展过程,上页 下页 章首,一、概述概念,核酸(nucleic acid)是由碱基(嘌呤和嘧啶)、戊糖和磷酸组成的高分子物质,是生物体的基本组成。种类:DNA(脱氧核糖核酸)RNA(核糖核酸),“四核苷酸假说”:核酸由四种核苷酸组成的单体构成的,缺乏结构方面的多样性,不大可能有重要的生理功能。,1928年,英国 S型肺炎球菌:有荚膜,菌落表面光滑R型肺炎球菌:没有荚膜,菌落表面粗糙,著名的肺炎球菌实验,结果说明?,结果说明:加热杀死的S型肺炎球菌中一定有某种特殊的生物分子或遗传物质,可以使无害的R型肺炎球菌转化为有害的S型肺炎球菌这种生物分子或遗传物质是什么呢?,著名的肺炎球菌实验,纽约洛克非勒研究所 Avery 从加热杀死的S型肺炎球菌将蛋白质、核酸、多糖、脂类分离出来,分别加入到无害的R型肺炎球菌中,结果发现,惟独只有核酸可以使无害的R型肺炎球菌转化为有害的S型肺炎球菌。1944年 结论:DNA是生命的遗传物质,分布:,DNA:主要在细胞核中,是染色体的主 要成分。此外在线粒体、叶绿体.RNA:主要在细胞质中,此外在线粒体、细胞核核仁;,二、核酸的组成成分,核酸是一种线形多聚核苷酸(polynucleotide),其基本结构单位是核苷酸(nucleotide)。,核苷酸的基本结构,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)、核酸中的戊糖,从两类核酸的水解产物可看到它们组成的差别?,(二)碱基,核酸中的碱基分两类:1、嘧啶碱(pyrimidine):是嘧啶的衍生物。,嘧啶,1,2,3,4,5,6,H,胞嘧啶 Cytosine,(C),尿嘧啶 uracil,(U),H,H,胸腺嘧啶 thymine,(T),2、嘌呤碱(purine):由嘌呤衍生而来。,1,2,3,4,5,6,7,8,9,嘌呤,腺嘌呤 adenine,(A),鸟嘌呤 guanine,(G),3、稀有碱基:,一些修饰碱基,因含量甚少而称之。大多为甲基化碱基,多在tRNA中。,(三)核苷:(nucleoside),核苷:戊糖与碱基缩合而成,并以糖苷键相连接。糖苷键:二者的连接是C-N键,称N-糖苷键。,腺 苷,尿苷,OH,假尿苷(),核苷的表示:,核苷:A、G、C、U脱氧核苷:dA,dG,dC,dT修饰核苷:如5-甲基 胞嘧啶:m5dC。,(四)核苷酸(nucleotide,nt),1、种类:1)按酯化位点:可在核糖的2-,3-,5-;2)按核糖类型:核苷酸、脱氧核苷酸,核苷中戊糖的羟基被磷酸酯化,即为核苷酸。,2、结构:,3、表示:,与一个磷酸结合MP:(d)AMP、(d)GMP、(d)CMP、(d)TMP、UMP与二个磷酸结合DP:如:ADP与三个磷酸结合TP:如:ATP,核苷酸,4、特殊核苷酸:,环核苷酸:核糖3-,5-成环。cAMP、cGMP 功能:第二信使 第二信使:通常把激素称为第一信使,激素与靶位受体结合后,生成某些物质,这些物质是联系激素引起生物学效应的重要物质,称为第二信使。例如:cAMP、cGMP等。,核苷酸,cAMP,cGMP,肌苷酸及鸟苷酸(强力味精),酶的辅助因子的结构成分 NAD、NADP、FMN,IMP GMP,(五)核苷酸的连接方式,1、3-,5磷酸二酯键将核苷酸连接成核酸大分子。,一、核苷酸,3,5,1,P,P,P,OH,A,T,G,pGpTpAOH,pG-T-A,pGTA,2、核酸的一级结构:,多核苷酸链中各核苷酸残基的排列顺序称。,3,5,1,P,P,P,OH,A,T,G,pGpTpAOH,pG-T-A,pGTA,1)一级结构表示方法如上:,2)读向:,碱基序列从左到右表示5 3,由3-,5磷酸二酯键连接。若两链反向平行,则需注明每条链的走向。如:5A-T-G-C-C-T-G-A 3 3 T-A-C-G-G-A-C-T 5,核苷酸,三、DNA,(一)DNA 的一级结构:由数量庞大的4种脱氧核苷酸通过3-,5磷酸二酯键连接成的直线形或环形多聚体。,(二)DNA的双螺旋二级结构,1、双螺旋结构模型建立的依据:1)根据DNA碱基组成的定量分析提出chargaff碱基配对原则:A=T,G=C2)根据对DNA纤维和晶体的x-衍射分析。3)电位滴定证明。,DNA,双螺旋中的碱基对(base pair,bp),2,双螺旋结构的特点:(Watson-Crick模型),1)形成:两条链反向平行;右手螺旋。,DNA,2)结构:,A、核糖-磷酸以3-,5磷酸二酯键连接成 骨架;碱基在内;B、大沟、小沟。,DNA,3)尺寸:,DNA,A、直径:2nm;B、碱基距离:0.34nm;C、一周10个核苷酸;D、螺距:3.4nm。,4)双螺旋的稳定性:,A、依靠碱基堆积力B、氢键C、离子键,3.DNA的二级结构类型,上页 下页 章首 节首,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)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,几种DNA螺旋主要构象参数,B-DNA与A-DNA,几种DNA钠盐的特点:,B-DNA:生理状态下多为此种;92%相对湿度A-DNA:右手螺旋;75%相对湿度;生理状态 下多见dsRNA、DNA-RNAZ-DNA:人工合成、左手螺旋;嘧啶、嘌呤交 替;有m5dC;与基因表达调控有关;此外,还发现有C、D、E等型。,DNA分子间三股螺旋结构模型,(三)DNA的三级结构,DNA双螺旋进一步扭曲即成三级结构。天然DNA有双链DNA(dsDNA),有的病毒为单链DNA(ssDNA)在dsDNA中:线形分子(大多数)环状分子(dcDNA):质粒、线粒体、叶绿体、病毒、细菌,DNA,1、超螺旋结构,特点:可将长链压缩在一较小体内;密度大;凝胶电泳中移动速度快。,DNA,2、核小体中的 扭曲方式,在真核细胞染色质中,DNA双螺旋分子盘绕在组蛋白上形成核小体。许多核小体由DNA连成念珠状结构,再盘绕压缩成高层次的结构 染色体。,DNA,真核生物:DNA和蛋白质组装成染色体,染色体的基本单位是核小体。,核小体由DNA和组蛋白构成。组蛋白有H1,H2A,H2B,H3和H4。H2A,H2B,H3和H4各两分子构成核小体的核心,称为组蛋白八聚体。DNA双螺旋分子缠绕在八聚体上构成核小体的核心颗粒。核小体的核心颗粒之间再由DNA和组蛋白H1构成的连接区连接起来形成串珠状结构。核小体进一步旋转折叠形成棒状染色体,将近1 m长的DNA分子容纳于直径只有数微米的细胞核中。,(四)DNA的功能,1、DNA一级结构的特点 基因:是含特定遗传信息的核苷酸序列(DNA或RNA)是遗传物质的最小 功能单位。若干bp 多个基因 pr+DNA 染色体染色质是核中由DNA和蛋白质组成并可被苏木精等染料染色的物质,染色质DNA含有大量基因片段,是生命的遗传物质。,DNA,弄清几个概念 基因:基因是DNA片段的核苷酸序列,DNA分子中最小的功能单位。转录:DNA分子中的遗传信息转移到RNA分子中过程。翻译:把以mRNA为模板合成蛋白质的过程。结构基因:为RNA或蛋白质编码的基因.调节基因:只有调节作用,并不能转录生成RNA的片段.基因组:某生物体所含的全部基因称该生物体的。,1)原核生物基因组:,基因在同一染色体上。A、除调节序列和信号序列外,多为结构 基因;B、功能相关的基因常连在一起,并转录在 同一mRNA中;,DNA,C、基因有重叠;同一核苷酸顺序中包含多种生物信息。,2)真核生物基因组:,一般基因分布在若干染色体上。A、有重复序列;B、有断裂基因:即有内含子。内含子(intron):DNA分子中不编码的序列。外显子(exons):DNA分子中可表达的序列。,DNA,内含子与外显子,2、DNA是遗传信息的载体,半保留复制保证了亲代性状传到子代,保证了亲代与子代的相似性。,DNA,3、DNA是变异的物质基础,变异是生物进化的基础。变异的发生:1)DNA复制时出错;2)理化因素等引起碱基变化或缺失,使DNA碱基序列改变,从而发生性状变异。,DNA,四、RNA,(一)RNA的结构组成:4种核苷酸,有稀有碱基;连接:同DNA形成:一般以DNA为模板合成,有例外。结构:单链线形分子,局部区域有双螺旋。,(二)RNA的类型,三种:信使RNA(messenger RNA,mRNA)核糖体RNA(ribosomel RNA,rRNA)转运RNA(transfer RNA,tRNA),RNA,此外,在真核细胞中还有少量:,核内小RNA(snRNA):参与核糖体的组成。不均一RNA(hnRNA):mRNA的前体。反义RNA(asRNA):可与mRNA部分或全部序列互补;抑 制DNA复制、转录;抑制mRNA翻译。,1、tRNA,约占全部RNA的15%;由70-90个核苷酸组成许多种类;沉降系数4S。,RNA,1)tRNA结构:,一级结构多已清楚,含较多稀有碱基;二级结构为三叶草 有:aa臂、二氢嘧啶环、反密码环、可变环、T 环P198,RNA,主要特征:1.四臂四环;2.氨基酸臂3端有CCAOH的共有结构;3.D环上有二氢尿嘧啶(D);4.反密码环上的反密码子与mRNA相互作用;5.可变环上的核苷酸数目可以变动;6.TC环含有T和;7.含有修饰碱基和不变核苷酸。,tRNA三级结构为倒L型,A、在pr合成中转运aa;B、在pr合成的起始、DNA反转录合成及其它代谢调节中起作用。,2)tRNA功能:,2、mRNA和hnRNA,1)合成:以DNA为模板(核内)合成 hnRNA(含内含子和外显子)加工 成熟的mRNA 入细胞质 蛋白质合成,RNA,合成mRNA,切除内含子,2)mRNA结构特点:,3末端有polyA结构:与mRNA从核入质有关。5末端有帽子结构:G被甲基化,此可能与pro合成的起始有关。,3)功能:是蛋白质合成的模板,3、rRNA,1)占RNA总量的80%,是构成核糖体的骨架。2)核糖体功能:pr合成的部位.3)结构:分大、小亚基 一、二级结构多已确定,但功能不清。,RNA,原核细胞:70S核糖体;真核细胞:80S核糖体;,核糖体RNA自我剪切,1983年在四膜虫中发现RNA有催化功能,4、RNA的功能,1)在DNA复制、转录、翻译中起重要调控 作用;2)有催化作用;3)可作为遗传物质(如逆转录病毒)。,RNA,五、核酸的性质,(一)一般理化性质1、两性电解质:2、溶解性:微溶于水,不溶于一般有机试剂(乙醇沉淀核酸),钠盐易溶于水。0.14摩尔法:分离DNA蛋白和RNA蛋白的方法DNA蛋白:在0.14mol/L的NaCl溶液中溶解度最低.RNA蛋白:在0.14mol/L的NaCl溶液中溶解度较大.3、粘度高:一般DNA比RNA粘度高。4、水解性:可被酸、碱或酶水解,DNA比 RNA对稀碱稳定。,核酸的性质,5、颜色反应:,1)核糖与浓盐酸和苔黑酚(甲基间苯二酚)共热呈绿色,在 670nm处可测RNA;2)2-脱氧核糖与酸和二苯胺共热呈蓝紫色,在595nm处可测DNA。二种反应可作定性试验,定量试验灵敏度低、准确性差,但快、简便。,核酸的性质,(二)紫外吸收性质,碱基具共轭双键强烈吸收260-290nm波段紫外光,最大吸收峰在260nm附近。应用:1、不同核苷酸有不同吸收特性,可用紫外分光光度计进行定性、定量测定。1 OD相当于:50g/ml DNA 40g/ml RNA,核酸的性质,2、确定所提取的核酸是否纯品。1)DNA:OD260/OD280 1.8 纯品 2)RNA:OD260/OD280 2.0 纯品 在纯化DNA 时,通常用A260/A280=1.8-2.0 作为纯度标准,若大于此值,表示有RNA 污染;若小于此值,则有pro 或酚污染.,核酸的性质,(三)核酸结构的稳定性,1、碱基堆积力:双螺旋内部碱基形成的疏 水区;2、碱基间的氢键:3、磷酸基与介质中阳离子形成的离子键,核酸的性质,(四)核酸的变性,1、变性的概念1)现象:双螺旋DNA和具双螺旋区的RNA氢键 断裂,空间结构被破坏,形成单链无规 则线团状的过程。,核酸的性质,2)结果:A、增色效应:260nm紫外吸收增加;B、粘度下降;C、生物学性能部分或全部丧失。3)引起变性的因素:温度、pH、尿素、甲醛等。,核酸的性质,2、热变性与Tm,Tm:在热变性中,紫外吸收增加的中点值所对应的温度,称该DNA的熔解温度(melting temperature,Tm);又称热解链温度。(G+C)%=(Tm-69.3)*2.44,核酸的性质,3、影响Tm的因素:,1)G-C含量:Tm与G-C含量成正比。2)介质中的离子强度:离子强度低,Tm低,在纯水中,DNA 在室温下即可变性。3)溶液的pH.4)变性剂,核酸的性质,(五)核酸的复性,概念:变性DNA在适当条件下(缓慢降温),可 使两条彼此分开的链重新缔合成双螺旋结 构的过程。复性后,许多物化性质可得到恢复,生物学活性部分恢复。影响因素:温度、DNA片段大小、DNA浓 度、碱基重复序列多少、离子浓度。,核酸的性质,DNA变性与复性,六、分子生物学技术,(一)分子杂交与探针技术1、概念:1)分子杂交(hybrization):在退火条件下,不同来源的DNA互补区形成氢键,或DNA单链和RNA链的互补区形成DNA-RNA杂合双链的过程。DNA-DNA:DNA-RNA:,分子生物学技术,2)探针(probe),用放射性同位素或荧光标记的DNA或RNA片段.确诊病人细胞中提取的DNA;病毒DNA;肿瘤组织提取的DNA。,分子生物学技术,(二)限制性内切酶:,1、核酸的工具酶有:水解酶类;聚合酶类;连接酶;反转录酶等;,分子生物学技术,2、水解酶:水解磷酸二酯键,1)按专一性分:DNA水解酶、RNA水解酶2)按作用方式分:外切酶:从核酸链3或5一个个水解。内切酶:作用于核酸链内部。,分子生物学技术,3、限制性内切酶,在核苷酸链内特定序列切开DNA双链的酶。因切法不同,产生二种产物:交错切产生粘性末端:平切产生平头末端:,分子生物学技术,粘性末端,分子生物学技术,分子生物学技术,(三)Southern印迹法,分子生物学技术,用于检测DNA方法:如图,Northern 印迹法:用于检测RNA,(四)聚合酶链 式反应(polymeerase chain reaction,PCR),聚合酶链式反应(PCR),每一轮聚合酶链式反应可使目的基因片段增加一倍,30轮循环可获得 230(1.07109)个基因片段,应用:,广泛用于克隆、测序、产生特异突变、医学诊断和法医.,原理:碱基配对;聚合酶可催化在试管内合成与模板互补的 DNA新链;双脱氧核苷酸无3-OH,合成到此终止;可电泳分离随机得到的大小不等的片段。,(五)核酸序列测定,核酸序列测定,

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