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第四章 核酸化学

第四章 核酸化学. 4.1 概述. 4.2 核苷酸. 4.3 核酸的结构. 4.4 核酸的性质. 4.5 核酸的生物学功能. 4.6 核酸的分离、合成和鉴定. 1868 年 Miescher 博士从外科绷带的脓细胞中分离出细胞核 , 在细胞核中发现了不溶于稀酸和盐溶液的沉淀物 , 并在所有细胞的核里都找到了此物质 , 故命名 核质 (Nuclein) 。. 4.1 概述. 1. 核酸研究简史. 1879 年 Kossel 经过 10 年的努力 , 搞清楚核质中有四种不同的组成部分 : A,T,C 和 G 。

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第四章 核酸化学

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Presentation Transcript

  1. 第四章 核酸化学

  2. 4.1 概述 4.2 核苷酸 4.3 核酸的结构 4.4 核酸的性质 4.5核酸的生物学功能 4.6核酸的分离、合成和鉴定

  3. 1868年Miescher博士从外科绷带的脓细胞中分离出细胞核,在细胞核中发现了不溶于稀酸和盐溶液的沉淀物, 并在所有细胞的核里都找到了此物质, 故命名核质(Nuclein)。 4.1 概述 1.核酸研究简史 1879年Kossel经过10年的努力, 搞清楚核质中有四种不同的组成部分: A,T,C和G。 1889年Altman建议将核质改名为“核酸”, 并且已经认识到“核质” 乃“核酸” 与蛋白质的复合体。

  4. 1909年Levene发现酵母的核酸含有核糖。 Levene还提出了核酸的“磷酸-核糖(碱基)-磷酸”的骨架结构, 解决了DNA分子的线性问题, 还在1935年提出“四核苷酸”学说, 认为这四种核苷酸的聚合体是构成核酸的基本单位。

  5. 1944年Avery重做1928年Griffith的细菌转化实验，证明DNA是遗传物质。1944年Avery重做1928年Griffith的细菌转化实验，证明DNA是遗传物质。 1952年Hershey & Chase的噬菌体感染实验进一步证明DNA是遗传物质。

  6. 1950年Chargaff,E和Hotchkiss,R.D.采用纸层析法仔细分析了DNA的组成成分, 得知[A]=[T], [G]=[C], [A+G]=[C+T]。 1953年Watson, Crick根据DNA的X射线图谱的研究结果, 提出了DNA的双螺旋模型(Double helix)。几星期后提出了半保留式复制模型。 1957年Meselson Stahl用密度梯度离心法, 证实半保留复制假说。 1958年Kornberg得到高纯度的DNA polymerase, 这种酶需要一个模板DNA。 1960年Cairns拍摄了复制中的细菌DNA的电镜照片。 1970年发现第一个DNA限制性内切酶。 1972年建立DNA重组技术。 1978年建立DNA的双脱氧测序法。 1990年开始实施人类基因组计划。 2003年人类基因组计划宣告完成测序任务。

  7. 磷酸 核苷 戊糖 碱基 • 2. 核酸的组成和分类 核酸 核苷酸 水 解

  8. 核酸分为： • 脱氧核糖核酸（deoxyribonucleic acid，DNA） —主要集中在细胞核，线粒体和叶绿体中也有少量DNA； • 核糖核酸（ ribonucleic acid，RNA） —90%分布在细胞质中，10％存在于细胞核中。 • 3. 核酸的重要性 • 核酸是遗传的物质基础

  9. 叶绿体中含有环状DNA 染色体 质粒 线粒体中含有环状DNA

  10. 1928: Griffith • 1928年，英國军医Frederick Griffith (1881~1941) 以老鼠做实验发现，將活的良性肺炎双球菌与死的恶性肺炎双球菌混合，可以引起转型，得到活的恶性菌，使老鼠死亡。

  11. 1944年完成的肺炎球菌转化试验，证明DNA携带遗传信息。1944年完成的肺炎球菌转化试验，证明DNA携带遗传信息。 Oswald Avery (1877-1955)Microbiologist Avery led the team that showed that DNA is the unit of inheritance. One Nobel laureate has called the discovery "the historical platform of modern DNA research", and his work inspired Watson and Crick to seek DNA's structure.

  12. 肺炎球菌转化试验 S型 R型

  13. 1952 HERSHEY, CHASE-噬菌体标记实验

  14. 人体23对染色体,分别来自于父母 子代利用遗传下来的DNA可以制造与父代相同的RNA、蛋白质，故龙生龙、凤生凤。

  15. 染色体上的DNA双螺旋

  16. “彩虹”和克隆猫CC 多莉 （1997.7.23） DNA重组技术（基因工程） Clone—克隆，人工操作下的细胞无性繁殖过程。

  17. 白 绵羊的体细胞核 植入 山羊子宫 黑绵羊的去核卵细胞细胞质

  18. 物种 基因组 基因数目 物种 基因组 基因数目 MS2噬菌体 3.6 kb 4 裂殖非洲粟酒酵 20 Mbp 6,000 Qβ噬菌体 4.2 kb 3 盘基网柄菌 47 Mbp 7,000 SV40 5.2 kbp 8 秀丽隐杆线虫 100 Mbp 19,100 ΦX174 5.4 kbp 9 拟南芥 70 Mbp 25,500 TMV 6.4 kb 4 水稻(籼稻) 74.8 Mbp 46,022~55,615 HIV 9.3 kb 10 黑腹果蝇 165 Mbp 13,000 腺病毒2 35.9 kbp 11 河豚鱼 400 Mbp 70,000 λ噬菌体 48.5kbp 50 担尼鱼 1.9 Gbp 70,000 T4噬菌体 169 kbp 300 非洲爪蟾 2.9 Gbp 70,000 大肠杆菌 4.64 Mbp 4,288 小鼠 3.3 Gbp 70,000 酿酒酵母 13.5 Mbp 5,885 人 3.3 Gbp 31,000 4. DNA和基因组 DNA分子中最小的功能单位称作基因，为RNA或蛋白质编码的基因称结构基因，只有调节功能，不转录生成RNA的称调节基因，某生物体所含的全部遗传物质称该生物体的基因组。

  19. 原核生物基因组的特点 通常只有一个DNA分子； 无重复序列； 功能相关的基因常构成一个转录单位； 有重叠基因。

  20. 真核生物基因组的特点 （1）有重复序列，中度重复序列可重复几十次到几千次，如rRNA基因、tRNA基因和某些蛋白质的基因；高度重复序列可重复数百万次，如卫星DNA和微卫星DNA。 （2）有断裂基因，不少基因含有称作内含子的非编码区，编码区称作外显子，有些基因可含有几十个内含子。 鸡卵清蛋白的基因

  21. RNA功能的多样性 1.某些病毒的遗传物质(RNA病毒，逆转录病毒）; 2.控制蛋白质的合成(mRNA,tRNA,rRNA); 3.遗传信息的加工(snRNA:hnRNA→mRNA); 4.基因表达和细胞功能的调控(asRNA,RNAi); 5.催化功能(Ribozyme); 6.在细胞分化和个体发育中发挥重要作用; 7.在生命起源中可能有重要作用。

  22. 4.2 核苷酸(nucleotide)

  23. 4.2.1 核苷酸的结构组成 • 1. 戊糖 • RNA中含D-核糖(ribose) • DNA中含D-2-脱氧核糖(deoxyribose)

  24. 2. 碱基(base) • 包括嘧啶碱和嘌呤碱两类

  25. 腺嘌呤Adenine 6

  26. 鸟嘌呤guanine 6 2

  27. 尿嘧啶uracil 4 2

  28. 胞嘧啶cytosine 4 2

  29. 胸腺嘧啶thymine 4 5 2

  30. 3. 核苷（nucleoside） • 戊糖和碱基缩合而成的糖苷称为核苷。 戊糖C1和嘌呤碱N9相连接 戊糖C1和嘧啶碱N1相连接 N1 N9 β1ˊ β1ˊ 胞嘧啶脱氧核苷 （deoxycytidine，dC） 腺嘌呤核苷 （adenosine，A）

  31. 核糖核苷和脱氧核糖核苷 核苷常用单字母符号表示：如腺苷用A表示，脱氧核苷在符号前加小写字母d，如脱氧腺苷用dA表示。

  32. 修饰碱基与核糖或脱氧核糖连接 正常碱基与修饰核糖连接 碱基和核糖以特殊方式连接 • 稀有核苷（修饰核苷） C5 5，6-二氢尿苷 2`-O-甲基腺苷 假尿嘧啶核苷

  33. 假尿嘧啶核苷 次黄嘌呤核苷 二氢尿嘧啶核苷 甲基鸟嘌呤核苷 • 表示方法：在核苷的左面以小写字母及其右上角数码表示其取代基团的性质数目和位置，如：2－甲基腺苷表示为m2A，2－硫代尿苷为s2U。 • 如在核苷符号右边有小写字母则表示糖环上的取代基团的性质，如2’－O－甲基腺苷，表示为Am。

  34. 自然界存在的核苷酸为5 ˊ -核苷酸 • 4. 核苷酸（nucleotide） • 核苷中戊糖的羟基磷酸酯化就形成核苷酸 • 核糖核苷酸：2ˊ -、3ˊ -和5ˊ -核苷酸 • 脱氧核糖核苷酸：3ˊ -和5ˊ -脱氧核苷酸

  35. 核苷酸 两类核酸的基本化学组成

  36. 核糖核苷酸（RNA）的基本结构单位

  37. 脱氧核糖核苷酸（DNA）的基本结构单位

  38. 4.2.2 核苷酸的性质 • 1.一般物理性质 • 无色粉末或结晶； • 易溶于水，不溶于有机溶剂； • 酸性溶液中不稳定，中性和碱性溶液中很稳定； • 具有旋光性 • 2.互变异构现象 • 碱基的芳香环与环外基团可以发生酮式—烯醇式或胺式—亚胺式互变异构。

  39. 3. 紫外吸收 • 在240~290nm有吸收，最大值在260nm附近。

  40. 4. 核苷酸的两性解离

  41. 4.2.3 核苷酸的重要衍生物 • 1. 5ˊ-二磷酸核苷酸和5ˊ -三磷酸核苷酸

  42. ATP （三磷酸腺苷）在生物体内化学能的储存和利用中起关键作用； • 核苷三磷酸化合物在生物体内的能量代谢中起着重要的作用。 • GTP参加蛋白质和嘌呤的合成 • CTP参加磷脂的合成 • UTP参加多糖的合成

  43. 2. 环化核苷酸 • 核苷酸的5ˊ -磷酸与核糖C3的羟基结合成环。 • 生理功能：作为激素作用的媒介物，参与调节细胞生理生化过程，控制生物的生长、分化和细胞对激素的效应。 • ppGpp,pppGpp,ppApp等核苷多磷酸对细胞机能有调控作用。

  44. 氨基乙硫醇 泛酸 3`磷酸腺苷酸 • 3. 辅酶类核苷酸 辅酶A（ CoA） 酰基载体

  45. 辅酶I（Co I,NAD) 辅酶Ⅱ(Co II，NADP） 黄素腺嘌呤二核苷酸（FAD） 烟酰胺 腺嘌呤核苷酸 烟酰胺腺嘌呤二核苷酸

  46. 4.3.1 DNA的结构 1. DNA的碱基组成 四种主要的碱基：腺嘌呤、鸟嘌呤、 胞嘧啶和胸腺嘧啶。 规律： Chargaff当量规则：A=T；G=C； 1949年Chargaff发现A与T及C与G配对现象。 Erwin Chargaff (1905-2002) Chargaff discovered the pairing rules of DNA letters, noticing that A matches to T and C to G. 4.3 核酸的结构 • 具有种属特异性； • 没有组织特异性。

  47. H H H • 2. DNA的一级结构 • 指DNA分子中核苷酸排列的顺序。 • 核酸中核苷酸之间是通过3ˊ，5 ˊ -磷酸二酯键连结。

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  49. 3. DNA的二级结构 • 1951年，Rosalind Franklin 得到DNA分子的X-ray衍射照片，1953年，Watson与Crick解出了DNA的双螺旋结构，此为分子生物学上的大进步。

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