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第五章 核 酸

生物化学. 第五章 核 酸. 第一节 核酸概论. 一、核酸的发现和研究简史. 基因是片段因子 染色体是遗传单位 基因位于染色体上 染色体上包含线状排列的基因 突变是基因的物理变化 交换导致重组 DNA 是遗传物质 一个基因编码一个蛋白质 DNA 是双螺旋的 DNA 复制是半保留的 遗传的密码是三联体的 DNA 是可以测序的 基因组是可以测序的. 第一节 核酸概论. 第一节 核酸概论. Miescher 从小牛胸腺里提取了核酸 动物核酸 DNA Altmann 从酵母中也提出一种核酸植物核酸 RNA

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第五章 核 酸

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  1. 生物化学 第五章核酸

  2. 第一节 核酸概论 一、核酸的发现和研究简史 基因是片段因子 染色体是遗传单位 基因位于染色体上 染色体上包含线状排列的基因 突变是基因的物理变化 交换导致重组 DNA是遗传物质 一个基因编码一个蛋白质 DNA是双螺旋的 DNA复制是半保留的 遗传的密码是三联体的 DNA是可以测序的 基因组是可以测序的.

  3. 第一节 核酸概论

  4. 第一节 核酸概论 • Miescher从小牛胸腺里提取了核酸动物核酸DNA • Altmann从酵母中也提出一种核酸植物核酸RNA • 细胞核里的核酸与小牛胸腺的核酸相似,而细胞质里的核酸与植物核酸相似. • 经过一系列的研究,到核酸的化学组成,由四种核苷酸组成。两者的差别主要是核糖的不同，DNA是脱氧核糖，RNA是核糖( Hammars,1894)。 • 细胞核里的核酸称为脱氧核糖核酸（DNA） • 细胞质里的核酸称为核糖核酸（RNA）

  5. 第一节 核酸概论 四核苷酸假说 • Phoebus Levene (Russian-American, （1869-1940) 贡献：核酸的化学结构及核酸中糖的鉴定

  6. Wrong DNA structure proposed by Phoebus Levene

  7. 第一节 核酸概论 • In 1928, Frederick Griffith (British), • 1944 ， O. Avery 肺炎双球菌转化实验

  8. 第一节 核酸概论 1952 ， A.D Hershey 和M. Chase 噬菌体感染实验

  9. 第一节 核酸概论 • Erwin Chargaff showed (1950’s): • 不同来源的DNA的碱基组成不同 • 同一生物的不同组织里的DNA碱基是相同的。 • DNA中嘌呤碱基等于嘧啶碱基。 • %A=%T and %G=%C Edwin Chagraff (1905-2002)

  10. 第一节 核酸概论 • James Watson (American, 1928-) • Francis Crick (British, 1916-2004) Maurice Wilkins (1916-) and Rosalind Franklin (1920-1958)

  11. 1960年——1973年 • 发现了逆转录酶. • 发现了基因工程的工具酶. • 1972年由Con实现了DNA的体外重组. 1973年以后 • 明确了基因的概念. • 基因工程的兴起. • 一级结构的顺序测定的发展. • 高级结构的测定. • 核酸的人工合成. • 人类基因组

  12. 第一节 核酸概论 二、核酸的种类和分布 （一）脱氧核糖核酸(deoxyribonucleic acid , DNA) 原核：裸露的DNA分子集中于核区 真核：细胞核DNA：与组蛋白、非组蛋白形成染色体 细胞器DNA：双链环形，一般裸露

  13. 第一节 核酸概论 （二）核糖核酸（ribonucleic acid , RNA) 1、转移RNA（transfer RNA , tRNA) : 保守性最强 2、核糖体RNA（ribosomal RNA , rRNA) 3、信使RNA（messenger RNA , mRNA) 4、特殊功能的RNA(noncoding RNA) Small nuclear RNA , snRNA (核内小RNA） Small nucleoar RNA , snoRNA （核仁小RNA) Small cytoplasmic RNA , scRNA(核质小RNA) Antisense RNA (反义RNA） miRNA, lncRNA Ribozyme （核酶）

  14. 第一节 核酸概论 三、核酸的生物功能 20世纪40年代DNA和RNA都是细胞的重要组成物质，前者可引起遗传性状的转化，后者可能参与蛋白质的生物合成。 （一）DNA是主要的遗传物质 遗传物质细胞细胞核染色体DNA（非蛋白质）DNA片段基因

  15. 第一节 核酸概论 三、核酸的生物功能 （二）RNA参与蛋白质的生物合成 显微紫外分光光法，组织化学法，化学分析方法测生长和分泌旺盛进行蛋白生物合成的细胞中RNA含量特别丰富。 （三）RNA功能的多样性 1、参与蛋白质的合成 2、RNA的转录后加工与修饰 3、参与基因表达的调控 4、生物催化作用 5、遗传信息的加工与进化

  16. 第二节 核酸的结构单元——核苷酸 核 酸（nucleic acid) 核苷酸(nucleotide) 核苷(nucleoside) 磷酸 (phosphoric acid) 碱基(base) 戊糖(pentose) 一、核酸的化学组成

  17. 第二节 核酸的结构单元——核苷酸 两类核酸的基本化学组成

  18. 核苷酸的基本构造 5’ 1’ 4’ Purine Pyrimidine 3’ 2’ Ribose, Deoxyribose 碱 基 磷 酸 Adenine Guanine Thymine Cytosine Uracil Monophosphate Diphosphate Triphosphate 五碳糖 核苷 核苷酸 Nucleoside (Adenosine) Nucleotide(Adenosine monophosphate, AMP)

  19. 核苷酸中的碱基均为含氮杂环化合物，它们分别属于嘌呤衍生物和嘧啶衍生物。核苷酸中的嘌呤碱(purine)主要是鸟嘌呤(guanine, G)和腺嘌呤(adenine, A)，嘧啶碱(pyrimidine)主要是胞嘧啶(cytosine, C)、尿嘧啶(uracil, U)和胸腺嘧啶(thymine, T)。 第二节 核酸的结构单元——核苷酸 二、核酸组成部分的化学结构 （一）碱基 嘧啶 嘌呤

  20. 第二节 核酸的结构单元——核苷酸 （一）碱基 嘧啶 嘌呤 嘌呤和嘧啶环中含有共轭双键，对260nm左右波长的紫外光有较强的吸收。碱基的这一特性常被用来对碱基、核苷、核苷酸和核酸进行定性和定量分析.

  21. 第二节 核酸的结构单元——核苷酸 1、嘧啶 嘧啶 胞嘧啶C 尿嘧啶U 5-羟甲基胞嘧啶 5-甲基胞嘧啶 胸腺嘧啶T

  22. 第二节 核酸的结构单元——核苷酸 2、嘌呤 嘌呤 腺嘌呤 鸟嘌呤 六元环是实际上是嘧啶环，五元环部分是咪唑环。 嘌呤的定位与嘧啶不同，嘧啶从底边开始定，而嘌呤从侧面开始定位。

  23. 第二节 核酸的结构单元——核苷酸 3、稀有碱基（修饰碱基） 6-甲-氨基腺嘌呤 二氢尿嘧啶 修饰主要是甲基化，RNA中以tRNA含修饰碱基最多。

  24. 第二节 核酸的结构单元——核苷酸 4、碱基互变异构 核酸中五种碱基中的酮基和氨基，均位于碱基环中氮原子的邻位，可以发生酮式-烯醇式或氨基-亚氨基之间的结构互变。这种互变异构在基因的突变和生物的进化中具有重要作用。

  25. 第二节 核酸的结构单元——核苷酸 （二）戊糖 核酸中的戊糖是D型的，有核糖(ribose)和脱氧核糖(deoxyribose)两种，分别存在于核糖核苷酸和脱氧核糖核苷酸中。为了与碱基标号相区别，通常将戊糖的C原子编号都加上撇“ ′”，而碱基中原子的标号不加撇，以示区别。 1’ 核糖 脱氧核糖 无氧

  26. 第二节 核酸的结构单元——核苷酸 三、核苷 (nucleoside) 戊糖与嘧啶或嘌呤碱以C-N糖苷键连接就称为核苷，通常是戊糖的C1′与嘌呤碱的N9或嘧啶碱的N1相连接。 b型糖苷键,碱基与糖环平面互相垂直，反式存在。 腺嘌呤核苷 胞嘧啶脱氧核苷

  27. 第二节 核酸的结构单元——核苷酸 1、常见核苷 各种常见核苷 碱基 核糖核苷 脱氧核糖核苷 嘌呤 腺嘌呤 鸟嘌呤 腺嘌呤核苷 鸟嘌呤核苷 腺嘌呤脱氧核苷 鸟嘌呤脱氧核苷 嘧啶 胞嘧啶核苷 尿嘧啶核苷 -------------- 胞嘧啶脱氧核苷 -------------- 胸腺嘧啶核苷 胞嘧啶 尿嘧啶 胸腺嘧啶

  28. 第二节 核酸的结构单元——核苷酸 假尿嘧啶核苷 次黄(嘌呤核)苷 7-甲基鸟苷 4-硫代尿苷 2、稀有核苷 • 稀有碱基+正常的糖 • 正常碱基+修饰糖或其它糖 • 正常碱基+正常糖，但是非正常的糖苷糖 • 假尿嘧啶核苷（ψ）

  29. 第二节 核酸的结构单元——核苷酸

  30. 第二节 核酸的结构单元——核苷酸 四、核苷酸 核苷中戊糖C2、C3、C5羟基被磷酸酯化,就形成核苷酸。 核苷酸分成核糖核苷酸与脱氧核糖核苷酸 结构式：5’-AMP (5’腺嘌呤核苷酸） 3’-dCMP（3’胞嘧啶脱氧核苷酸） 5’-AMP 2’-AMP 3’-AMP 腺嘌呤核苷-n’-磷酸酯

  31. 第二节 核酸的结构单元——核苷酸 核 酸 苷 碱 基 五碳糖 磷 酸 全称：腺嘌呤核苷（一磷）酸 简称：碱基的简称+ 苷+酸 如： 腺 苷 酸 Juang RH (2004) BCbasics

  32. 第二节 核酸的结构单元——核苷酸 • 由于自然界中的核苷酸主要是5’-核苷酸，所以如果不是特指，以上的表示都是5’ 核苷酸，都是指一磷酸。 • 如果是一个脱氧核糖的核苷酸，则它的名称（无论是全称还是简称）都是在核糖核苷酸的前面加上脱氧二字。 • 如脱氧腺嘌呤核苷酸，脱氧腺苷酸。 符号简称： 腺嘌呤核苷一磷酸AMP pA A 脱氧腺嘌呤核苷一磷酸dAMPdpA dA 核苷酸通式： 5’-NMP 5’-dNMP如不特指5’-可以省略。

  33. 第二节 核酸的结构单元——核苷酸 1、   构成DNA、RNA的核苷酸 RNA：AMP、 GMP、 UMP、 CMP DNA：dAMP、 dGMP、 dTMP、 dCMP

  34. 第二节 核酸的结构单元——核苷酸 • ①核苷5’-多磷酸化合物。 • (脱氧)核苷二磷酸、(脱氧)核苷三磷酸,在能量代谢和物质代谢及调控中起重要作用。 双脱氧核苷酸的结构在DNA的序列测定中使用. 2、细胞内的游离核苷酸及其衍生物 NTP dNTP NDP ddNTP NMP

  35. ②环化核苷酸 3’,5’-cAMP， 3’,5’-cGMP 信号分子，cAMP调节细胞的糖代谢、脂代谢。 第二节 核酸的结构单元——核苷酸 2、细胞内的游离核苷酸及其衍生物 3’,5’-cAMP 3’,5’-cGMP

  36. ③其它多磷酸核苷酸——核苷5’多磷酸3’多磷酸化合物③其它多磷酸核苷酸——核苷5’多磷酸3’多磷酸化合物 ppGpp pppGpp ppApp 多磷酸化合物中5’，3’通常省略。ppNpp,在碱基N的左侧为5’，在N右侧的为3’. 第二节 核酸的结构单元——核苷酸 2、细胞内的游离核苷酸及其衍生物

  37. 第二节 核酸的结构单元——核苷酸 2、细胞内的游离核苷酸及其衍生物 ④辅酶核苷酸——核苷酸衍生物 CoA、 NAD+、NADP+、FAD等辅助因子。 GDP-半乳糖、GDP-葡萄糖等是糖蛋白生物合成的活性糖基供体。

  38. 第二节 核酸的结构单元——核苷酸 3、核苷酸的性质 • ①一般的性状 • 核苷酸为无色粉末或结晶状,易溶于水,不溶于有机溶剂,有较高的熔点,酸性较强.由于其分子的不对称性和带有C*的糖环故有旋光性. • ②核苷酸的紫外吸收 • 由于核苷酸中的碱基具有与苯环类似的共轭双键,所以它有强烈的吸收紫外光的能力，碱基、核苷和核苷酸的紫外吸收峰的吸收区间在240—290nm，各种核苷酸的最大吸收峰不同,但一般在260nm左右有较大的紫外吸收,故常用260nm作为核酸特征吸收峰值,利用这一点可作核酸的定性定量测定.

  39. 第二节 核酸的结构单元——核苷酸 3、核苷酸的性质 核苷酸的定性定量分析

  40. 第二节 核酸的结构单元——核苷酸 3、核苷酸的性质 利用紫外吸收对核苷酸的定量测定 核苷酸的紫外吸收在260nm时符合Lambert-Beer定律即: A260=.c.l A:光密度; :摩尔消光系数; c:吸光物质的摩尔浓度; l:光程. 例题：称取AMP样品534毫克定容至100毫升，PH=2.0.测定 A260=1.98×10-4 已知：MWAMP=347.2 ε260=1.5×10-2 求：样品中AMP的百分含量。

  41. 第二节 核酸的结构单元——核苷酸 3、核苷酸的性质 ③核苷酸的解离 某些碱基，核苷及核苷酸的PK’值 *：戊糖羟基的PK值。

  42. 第三节 核酸的结构 一、DNA的结构 一级结构：脱氧核苷酸分子间连接方式及排列顺序。 二级结构：DNA的两条多聚核苷酸链间通过氢键形成 的双螺旋结构。 三级结构：DNA双链进一步折叠卷曲形成的构象 （超螺旋）。

  43. DNA的一级结构 (一).DNA的分子大小与形状

  44. DNA的一级结构 (二).DNA的碱基组成 Chargaff规则: 1. 在所有的生物DNA中,A=T,G=C或A+G=T+C,这就是DNA碱基的当量定律,即Chargaff规则. 2. DNA的碱基组成有种的特异性,但在同一生物体内无组织特异性. 3. DNA的碱基不随年龄,营养状态的变化而变化,即稳定性.

  45. DNA的一级结构 P R P R P R P R P R P R 1 2 3 4 5 6 5’ （三）.DNA的一级结构 5’ 3’ 3’ 5’ 核酸是核苷酸以磷酯键连结成的长链分子 5’ 3’,5’-磷酸二酯键

  46. 核酸长链书写 A T C G A T C G 1’ 2’ 3’ 5’ 5’ 3’ P OH 竖线式 5’pApTpCpGpApTpCpG-OH3’ B 5’pATCGATCG-OH3’ R ATCGATCG 文字式 P DNA中多核苷酸的一个片段及缩写符号 Juang RH (2004) BCbasics

  47. 两股核酸的方向相反 5’ 3’ 5’pApTpCpGpApTpCpG-OH3’ 5’pCpGpApTpCpGpApT-OH3’ 3’ 5’ ATCGATCG GCTAGCTA 是不同的序列. Juang RH (2004) BCbasics

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