南京农业大学生化课件核酸5-5-1.ppt

1、第五章第五章 核核 酸酸（Chemistry of nucleic acid）1868年年，瑞瑞士士科科学学家家F.Miescher 从从外外科科绷绷带带上上脓脓细细胞胞中中分分离离出出了了一一种种富富含含磷磷的的有有机机物物质质，称称为为“核核素素”(nuclein)。他他的论文发表在的论文发表在Med.Chem.Unters1872年年，他他从从莱莱茵茵河河鲑鲑鱼鱼中中得得到到类类似似物物,同同时时还还分分离离到到一一种种碱碱性性化化合合物物，称称为为鱼精蛋白（鱼精蛋白（protamine）5.1概概述述1889年年，Altman等等人人又又从从酵酵母母和和动动物物的的细细胞胞核核中中得得

2、到到了了不不含含蛋蛋白白质质的的核核酸酸，并并首次使用首次使用“核酸核酸”（Nucleic Acid）命名。命名。1944年年，Avery等等人人通通过过细细菌菌转转化化实实验证明验证明核酸就是遗传物质核酸就是遗传物质。5.1概概述述5.1概概述述 Nucleic Acid(NA)Polynucleotide chain(poly Nt)Nucleotide(Nt)basic unitMono-phosphate(Mp)Nucleoside(Ns)Deoxy-ribose(Ribose)BasePurin(pu)Pyrimidine(py)Adenine(A)Thymine(T)Guanine

3、(G)Uracil(U)Cytosine(C)DNA分子的片段分子的片段 5.1概概述述5.1.1 核酸的种类、分布与功能种种类类分分布布功功能能DNA原核生物：核质区原核生物：核质区真核生物：真核生物：95%95%在细胞核、在细胞核、5%5%在线粒体和叶绿体在线粒体和叶绿体 遗传信息的载体遗传信息的载体RNAtRNA原核生物：细胞质原核生物：细胞质真核生物：真核生物：75%75%在细胞质在细胞质15%15%在线粒体和叶绿体在线粒体和叶绿体10%10%在细胞核在细胞核 携带、转移携带、转移aaaamRNA肽链合成的模板肽链合成的模板rRNA核糖体主要成分核糖体主要成分5.1概概述述5.1.1

4、核酸的种类、分布与功能lDNA与与RNA的区别的区别RNA 2 单磷酸核苷酸单磷酸核苷酸 3 单磷酸核苷酸单磷酸核苷酸 2,3 环式单核苷酸环式单核苷酸RNase pH11.5lRiboselBaselD.S.&S.S.lNumbers&lengthlStability核酸的基本结构单元核酸是由许多核苷酸组成的长链核酸是由许多核苷酸组成的长链NucleotideNucleotide5.1概概述述5.1.2 核酸的化学组成核苷核苷酸酸磷磷酸酸核核苷苷戊戊糖糖碱碱基基核核糖糖脱氧核糖脱氧核糖嘌嘌呤呤嘧嘧啶啶5.1概概述述5.1.2 核酸的化学组成它它们们均均以以呋呋喃喃糖糖态态存存在在 RNA R

5、NA 中中 DNA DNA 中中 5.1概概述述5.1.2 核酸的化学组成DNADNA中的中的4 4种碱基：腺嘌呤、鸟嘌呤、胞嘧啶、种碱基：腺嘌呤、鸟嘌呤、胞嘧啶、胸腺嘧啶胸腺嘧啶RNARNA中的中的4 4种碱基：腺嘌呤、鸟嘌呤、胞嘧啶、种碱基：腺嘌呤、鸟嘌呤、胞嘧啶、尿嘧啶尿嘧啶5.1概概述述5.1.2 核酸的化学组成5-甲基-2,4-二氧嘧啶Thy胸腺嘧啶2,4-二氧嘧啶Ura尿嘧啶2-氨基氨基-6-氧嘌呤氧嘌呤Gue鸟嘌呤鸟嘌呤2-氧-4-氨基嘧啶Cyt胞嘧啶嘧啶6-氨基嘌氨基嘌呤呤Ade腺嘌呤腺嘌呤嘌呤嘌呤124NN3561357NNNNCH24689HNNNNCHNH2HNNNNCH

6、OHH2NNNNH2OHNNOONNOOCH3 戊戊糖糖第第1 1位位碳碳原原子子上上的的羟羟基基与与嘌嘌呤呤的的第第9 9位位氮氮原原子子或与或与嘧啶的第嘧啶的第1 1位氮原子位氮原子形成的形成的N-CN-C糖苷键糖苷键。腺苷腺苷脱氧鸟苷脱氧鸟苷5.1概概述述5.1.2 核酸的化学组成RNARNA中中的的核核苷苷酸酸腺苷酸腺苷酸AMP鸟苷酸鸟苷酸GMP胞苷酸胞苷酸CMP尿苷酸尿苷酸UMPDNADNA中中的的核核苷苷酸酸脱氧腺苷酸脱氧腺苷酸dAMP脱氧鸟苷酸脱氧鸟苷酸dGMP脱氧胞苷酸脱氧胞苷酸dCMP脱氧胸苷酸脱氧胸苷酸dTMP生生生生物物物物体体体体内内内内存存存存在在在在的的的的核核核核

7、苷苷苷苷酸酸酸酸，多多多多是是是是5 5 5 5核核核核苷苷苷苷酸酸酸酸。5.1概概述述5.1.2 核酸的化学组成Nucleotide(Nt)basic unitAdenine(A)Guanine(G)Thymine(T)NH3OONH3ONH3Uracil(U)Cytosine(C)p pOHOHOOOHOHOOOHOHp pOOp pp pOHOHOHOHRNARNase pH11.5OO 2,3 环式单核苷酸环式单核苷酸OOp p3 单磷酸核苷酸单磷酸核苷酸p pOOOHOH 2 单磷酸核苷酸单磷酸核苷酸 p pOOOHOH5.2DNA的分子结构的分子结构 DNADNA分子中各种脱氧核苷

8、酸之间的连接方分子中各种脱氧核苷酸之间的连接方式和排列顺序。式和排列顺序。四种脱氧核苷酸通过四种脱氧核苷酸通过3 3,5,5-磷酸二酯键磷酸二酯键连接起来的多核苷酸链的排列顺序。连接起来的多核苷酸链的排列顺序。1.定义5.2DNA的分子结构的分子结构5.2.1 DNA的一级结构DNA单链的延伸单链的延伸53端端 5.2.1 DNA的一级结构5.2DNA的分子结构的分子结构v 无分枝无分枝的长链的长链2.多聚脱氧核苷酸链的结构特点v由由糖糖-磷磷酸酸相相互互间间隔隔连连接接，构构成成主主链链；碱碱基基连连接接在在主链的核糖上，形成主链的核糖上，形成侧链侧链。v 具有具有方向性方向性。两个末端分别

9、为。两个末端分别为55端和端和33端。端。在天然在天然DNADNA中，中，55端常为磷酸，端常为磷酸，33端为游离羟基。端为游离羟基。5.2.1 DNA的一级结构5.2DNA的分子结构的分子结构3、一级结构的表示方法1）线条法5.2.1 DNA的一级结构5.2DNA的分子结构的分子结构5 pGpCpTpTpAOH 35 pGCTTAOH 3pGCTTAOHGCTTA2）文字式5.2.1 DNA的一级结构5.2DNA的分子结构的分子结构 DNA的二级结构是指的二级结构是指DNA的的双螺旋结构双螺旋结构。双螺旋结构是双螺旋结构是DNA的两条链的两条链围着同一中心围着同一中心轴旋绕而成的一种空间结构

10、。轴旋绕而成的一种空间结构。DNA的双螺旋模型是由的双螺旋模型是由Watson和和Crick两两位科学家于位科学家于1953年年提出的。提出的。1.二级结构的概念5.2DNA的分子结构的分子结构5.2.2 DNA的二级结构1953年年 Watsosn&Crick Right handed B-form DNA Double helix Model5.2.2 DNA的二级结构5.2DNA的分子结构的分子结构2.双螺旋结构模型提出的依据A.DNAA.DNA的的X-X-射线衍射图射线衍射图：(1)(1)衍射斑点呈交叉状分布衍射斑点呈交叉状分布(2)(2)衍射点之间的距离与层次表明有衍射点之间的距离与

11、层次表明有0.340.34nmnm和和3.43.4nmnm的的周期性周期性(3)(3)图的顶上和底部是最强的衍射斑点，呈带状图的顶上和底部是最强的衍射斑点，呈带状5.2.2 DNA的二级结构5.2DNA的分子结构的分子结构M.H.F.Wilkins&Rosalind Frankin Xray photograph of DNA with high quality 1952年年5.2.2 DNA的二级结构5.2DNA的分子结构的分子结构B.DNA的碱基组成分析的碱基组成分析：（：（Chargaff定则定则）(1)所有所有DNA分子中分子中A=T，G=C(2)同同一一种种生生物物的的所所有有体体细

12、细胞胞DNA的的碱碱基基组组成成相相同同，与与年年龄龄、健健康康状状况况、外外界界环环境境无无关关，可可作作为为该该物物种种的特征，用的特征，用不对称比率不对称比率(A+T)/(G+C)来衡量。来衡量。(3)亲亲缘缘越越近近的的生生物物，其其DNA的的碱碱基基组组成成越越近近，即即不不对称比率越相近。对称比率越相近。5.2.2 DNA的二级结构5.2DNA的分子结构的分子结构5.2.2 DNA的二级结构5.2DNA的分子结构的分子结构C C、DNADNA的碱基物化数据的碱基物化数据 如碱基的几何大小、键长键角数据、酸碱滴如碱基的几何大小、键长键角数据、酸碱滴定等。定等。5.2.2 DNA的二级

13、结构5.2DNA的分子结构的分子结构3.双螺旋结构模型的基本特征双螺旋结构模型的基本特征(1)(1)反向平行反向平行 的双链沿中心轴盘绕成的双链沿中心轴盘绕成右手螺旋右手螺旋。DNADNA的的双螺双螺旋结旋结构构5.2.2 DNA的二级结构5.2DNA的分子结构的分子结构(2)(2)双螺旋表面形成两种凹槽：较浅的叫双螺旋表面形成两种凹槽：较浅的叫小沟小沟，另，另一条叫一条叫大沟大沟。l碱基顶部基团裸露在碱基顶部基团裸露在DNA 大沟大沟内内l蛋白质因子与蛋白质因子与DNA的特异结合依赖于的特异结合依赖于 氨基酸与氨基酸与DNA间的氢键的形成间的氢键的形成l蛋白质因子沿蛋白质因子沿大沟大沟与与D

14、NA形成专一性形成专一性 结合的机率与多样性结合的机率与多样性高于沿小沟高于沿小沟的结合的结合l 大沟的空间大沟的空间更有利于与蛋白质的结合更有利于与蛋白质的结合5.2.2 DNA的二级结构5.2DNA的分子结构的分子结构(3)(3)由糖由糖-磷酸相互间隔连接构成的主链处于螺旋外侧；磷酸相互间隔连接构成的主链处于螺旋外侧；碱基则伸向螺旋内部，与中轴垂直。碱基则伸向螺旋内部，与中轴垂直。Right handed B-form DNA Double helix Model5.2.2 DNA的二级结构5.2DNA的分子结构的分子结构(4)(4)双双螺螺旋旋内内部部的的碱碱基基按按规规则则配配对对：A

15、 A与与T T配配对对，形形成成2 2个个氢氢键键；G G与与C C配配对对，形形成成3 3个个氢氢键键，称称为为碱碱基基互互补补配配对对，双双螺螺旋旋的的两两条条链链也也呈呈互互补补关关系。系。5.2.2 DNA的二级结构5.2DNA的分子结构的分子结构 A A =T TG CG C5.2.2 DNA的二级结构5.2DNA的分子结构的分子结构(5)(5)双螺旋直径为双螺旋直径为2 2nmnm，每对脱氧核苷酸残基沿纵轴旋转每对脱氧核苷酸残基沿纵轴旋转3636，上升，上升0.340.34nmnm。所以每所以每1010个个碱基对形成一个螺旋，碱基对形成一个螺旋，螺距螺距3.43.4nmnm。5.2

16、.2 DNA的二级结构5.2DNA的分子结构的分子结构4.影响双螺旋结构稳定性的因素影响双螺旋结构稳定性的因素互补碱基之间的氢键互补碱基之间的氢键 (Hydrogen bond)弱键弱键,可加热解链可加热解链氢键堆积氢键堆积,有序排列有序排列(线性线性,方方向向)5.2.2 DNA的二级结构5.2DNA的分子结构的分子结构碱碱基基堆堆集集力力(Base Base stacking stacking forces)forces)：碱碱基基堆堆集集成成非非极极性性的的区区域域，相相互互间间产产生生疏疏水水作作用用和和范范德德华华力力 疏水作用力疏水作用力(Hydrophobicinteraction)Van de waals force(1.7A/嘌呤环与嘧啶环作用半径)3.4A4.影响双螺旋结构稳定性的因素影响双螺旋结构稳定性的因素5.2.2 DNA的二级结构5.2DNA的分子结构的分子结构离子键离子键磷酸酯键磷酸酯键(phosphoester bond)强键强键,需酶促解需酶促解链链消除消除DNA单链上磷酸基团间的静电单链上磷酸基团间的静电斥力斥力l 0.2 mol/L Na+生理盐条