江南大学801生物化学课件总结3核酸化学Word文档下载推荐.docx
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⑸Pauling提出的蛋白质α螺旋结构。
3、双螺旋结构模型的意义
①说明了基因的结构、信息和功能三者之间的关系。
②三个学派得到统一,推动了分子生物学研究的迅猛发展:
操纵子学说提出、核酸序列测定。
§
注:
1958年,Crick提出“中心法则”。
三、生物技术的兴起及人类基因组计划
※DNA重组技术(分子生物学的第二次革命)
①DNA切割技术:
DNA限制性内切酶
②分子克隆:
工具酶(限制酶、DNA连接酶、DNA聚合酶、逆转录酶)
③快速测序:
酶法测序、化学测序技术
※基因工程/遗传工程:
利用DNA重组技术,对基因进行分子施工,改造基因,从而改变生物体的性状特征。
※在DNA重组技术的带动下发展出生物技术、生物工程。
※人类基因组计划:
随后进入后基因组时代,产生了功能基因组学、蛋白质组学、转录组学等学科。
四、核酸的类别、分布和功能
1、核酸的类别与分布
⑴脱氧核糖核酸DNA
①原核生物:
集中在核区。
含有染色体DNA和质粒DNA,为环状双链DNA。
②真核生物:
分布在细胞核(组成染色质),线粒体,叶绿体中。
含有染色体DNA、线粒体DNA和叶绿体DNA,
染色体DNA是线形双链DNA,线粒体DNA和叶绿体DNA是环状双链DNA。
③病毒:
只含有DNA或RNA,被外壳蛋白包裹。
⑵核糖核酸RNA
①tRNA占80%以上;
rRNA占15%左右;
mRNA占5%左右。
②病毒RNA
③其他RNA
2、核酸的生物学功能
①DNA是主要的遗传物质
②RNA参与蛋白质的生物合成
3、应用
①在食品方面:
强力助鲜剂,如肌苷酸和鸟苷酸。
②在医药方面:
ATP、CoA、基因疫苗、基因治疗等。
③工业生产:
催化剂。
第二节核酸的化学组成
※定义:
核酸是由C、H、O、N、P组成的一类重要的生物大分子。
一、碱基
1、正常碱基
嘌啉碱基
Purines
腺嘌啉A(DNA/RNA):
Adenine=6-aminopurine;
鸟嘌啉G(DNA/RNA):
Guanine=2-amino-6-oxypurine;
次黄嘌啉I:
Hypoxanthine=6-oxypurine
黄嘌啉X:
Xanthine=2,6-dioxypurine
嘧啶碱基
Pyrimidines
胞嘧啶C(DNA/RNA):
Cytosine=2-oxy-4-aminopyrimidine
胸腺嘧啶T(DNA):
Thymine=2,4-dioxy-5-methylpyrimidine
尿嘧啶U(RNA):
Uracil=2,4-dioxypyrimidine
乳清酸Oroticacid=2,4-dioxy-6-carboxypyrimidine
※总结:
DNA中的嘌呤碱基:
adenine,guanine;
DNA中的嘧啶碱基:
cytosine,thymine
RNA中的嘌呤碱基:
RNA中的嘧啶碱基:
cytosine,uracil
tRNA中的嘧啶碱基:
cytosine,thymine,uracil
2、稀有碱基
DNA
尿嘧啶、5-羟甲基尿嘧啶、5-甲基胞嘧啶、5-羟甲基胞嘧啶、N6-甲基腺嘌呤
RNA
⑴6-二氢尿嘧啶、4-硫尿嘧啶、5-甲氧基尿嘧啶
⑵胸腺嘧啶
⑶N4-乙酰基胞嘧啶、2-硫胞嘧啶
⑷1-甲基腺嘌呤、N6,N6-二甲基腺嘌呤、N6-异戊烯基腺嘌呤
⑸1-甲基鸟嘌呤、N1,N2,N7-三甲基鸟嘌呤
⑹次黄嘌呤、1-甲基次黄嘌呤
二、糖及核苷
⑴生成:
核苷是由戊糖与含氮碱基经脱水缩合而生成的化合物。
⑵特点:
在大多数情况下,核苷由核糖或脱氧核糖的C1'
β-羟基与嘧啶碱N1或嘌呤碱N9进行缩合,
故生成的化学键称为β,N-糖苷键。
⑶举例:
DNA:
脱氧腺苷、脱氧鸟苷、脱氧胞苷和脱氧胸苷
RNA:
腺苷、鸟苷、胞苷和尿苷
三、核苷酸
⑴生成:
核苷酸是由核苷与磷酸经脱水缩合后生成的磷酸酯类化合物,包括核糖核苷酸和脱氧核糖核苷酸两大类。
⑵磷酸的位置:
磷酸可以分别在核糖的2’,3’和5’位;
脱氧核糖的3’和5’位。
※由于与磷酸基缩合的位置不同而分别生成2’-核苷酸、3’-核苷酸和5’-核苷酸。
最常见的为5’-核苷酸
(5’常被省略)。
也能形成3’,5’-环核苷酸。
※5’-核苷酸又可按其在5’位缩合的磷酸基的多少,分为一磷酸核苷(核苷酸)、二磷酸核苷和三磷酸核苷。
脱氧腺苷酸、脱氧鸟苷酸、脱氧胞苷酸和脱氧胸苷酸
腺苷酸、鸟苷酸、胞苷酸和尿苷酸
五、核苷酸的功能
1、生命活动的能量来源
①ATPisthemostcommonlyusedsource.
②GTPisusedinproteinsynthesisaswellasafewotherreactions.
③UTPisthesourceofenergyforactivatingglucoseandgalactose.
④CTPisanenergysourceinlipidmetabolism.
2、参与信号传导
①cAMP,cGMP作为第二信使
②ATP为蛋白质磷酸化提供能量和磷酸离子
3、参与酶或蛋白质生物活性的调节
①是辅酶的组成成分:
AMPispartofthestructureofsomeofthecoenzymeslikeNADandCoenzymeA.
②蛋白质的修饰(ADP或AMP化)
六、核酸的共价结构—3’,5’-磷酸二酯键
①磷酸以3’,5’-磷酸二酯键方式连接核苷酸。
※核酸的酸碱滴定曲线显示,在核酸分子中的磷酸基只有一级解离,说明另外两个羟基参与形成磷酸二酯键。
※牛脾磷酸二酯酶可以逐个水解核酸形成3’-核苷酸,说明有5’-磷酸二酯键的形成。
※蛇毒磷酸二酯酶可以逐个水解核酸形成5’-核苷酸,说明有3’-磷酸二酯键的形成。
②多核苷酸由戊糖、磷酸和碱基组成。
⑴多核苷酸的主链:
磷酸核糖链←亲水性,带负电
⑵多核苷酸的侧链:
碱基←疏水性
⑶多核苷酸:
具有3’和5’末端
⑷多核苷酸的表示方法:
一般是从5'→3'末端
第三节
DNA的分子结构
一、DNA的一级结构
①定义:
DNA的一级结构是指核酸分子中核苷酸的排列顺序(碱基顺序)以及核苷酸之间的连接方式。
②DNA主要由4种脱氧核糖核苷酸组成
腺嘌呤脱氧核糖核苷酸,鸟嘌呤脱氧核糖核苷酸,胞嘧啶脱氧核糖核苷酸,胸腺嘧啶脱氧核糖核苷酸。
③DNA以3’,5’-磷酸二酯键方式连接
④DNA呈线形或环状多聚体
⑤DNA分子量大——DNA的分子量最大的可超过108bp
※人的为3.2×
109bp(3.2Gb),常染色质占2.95Gb,真正用于编码蛋白质的仅占1.1%到1.4%,有31000个
编码蛋白质的基因;
酵母编码蛋白质的基因为6000个;
果蝇编码蛋白质的基因为13000个;
蠕虫编码蛋白
质的基因为18000个;
植物编码蛋白质的基因约为26000个。
二、DNA的二级结构
※定义:
DNA的二级结构是指由部分或全部核苷酸残基形成的有规律的稳定结构。
1、DNA碱基组成的Chargaff定则:
⑴A=T;
⑵G=C;
⑶含氨基的碱基总数等于含酮基的碱基总数A+C=G+T;
⑷嘌呤总数等于嘧啶总数A+G=T+C
2、Franklin/Wilkins的DNA晶体X-射线衍射图:
DNA为双链分子的螺旋结构
3.Watson-Crick的DNA双螺旋结构模型
⑴DNA分子是由两条反向平行链绕同一轴形成的右手双螺旋结构;
⑵磷酸与脱氧核糖通过3’,5’-磷酸二酯键相间形成的共价主链位于螺旋外侧,碱基位于内侧,碱基平面与中心轴
垂直,糖环平面与中心轴平行;
⑶双螺旋的直径为2nm,每个螺旋圈含有10个核苷酸对,螺距为3.4nm,碱基对之间的距离为0.34nm;
⑷两条链的碱基通过氢键相互配对:
A=T,G≡C,使两条链具有互补性;
⑸碱基对的方向性和排列不对称性使螺旋表面形成大沟和小沟;
⑹DNA双螺旋结构通过两种力维系:
互补碱基对之间的氢键及碱基的疏水堆积作用。
4、DNA右手双螺旋结构的不同构象
⑴B-DNA:
在92%相对湿度下进行X-射线衍射图谱测定而得到的DNA结构取B构象,称为B-DNA。
后来发现B-DNA是DNA在细胞内最常见也是最稳定的构象。
⑵A-DNA:
实际上DNA的结构是动态的,在相对湿度为75%时测出的DNA分子是A构象(A-DNA),这一构象
不仅出现于脱水DNA中,还出现在RNA分子的双螺旋区域和DNA-RNA杂交分子中,因此在DNA
转录时,可能发生B→A型的转变。
⑶C-DNA:
将相对湿度进一步降到66%,就出现C型DNA(C-DNA),这一构象仅在实验室中观察到,在生物体
中还未发现。
⑷共同特点:
这些研究表明DNA分子结构在不同条件下可以有所不同,但它们均为右手双螺旋,且螺旋的表面
都有一大沟和一小沟。
5、左旋双螺旋DNA(Z-DNA)
⑴发现:
Rich等分析CGCGCG单晶时,发现它呈左手的螺旋,且它的两条主链呈Z字形,Rich就将这种独特的
结构称为Z-DNA。
后来发现在细胞DNA分子中也存在Z-DNA结构。
⑵形成原因:
Z-DNA形成是DNA单链上出现嘌呤和嘧啶交替排列所造成的,如CGCGCG或CACACA。
※在细胞内尽管DNA上具有这样的区段,但在正常情况下DNA仍形成稳定的B-DNA结构。
※只有当胞嘧啶的第5位碳原子甲基化时,在甲基的周围形成局部疏水区,这一区域扩展到B-DNA大沟中,
使B-DNA不稳定而转变成Z-DNA。
⑶功能:
①Z-DNA参与基因调节,控制基因的启闭。
※因为Z-DNA的形成,使局部DNA双链处于不稳定状态,这就有利于DNA双链解开,
而DNA解链是DNA复制和转录的必要环节。
②Rich小组利用Z-DNA抗体,证实在DNA调节基因转录的区域中存在Z-DNA(一个DNA短的片段),
并发现这种短的片段既能增强基因的活性,亦能抑制附近基因的活化,这主要取决于环境的不同。
③在细胞分裂过程中,Z-DNA可能还参与基因的重组。
④又由于Z-DNA分子中大沟消失,小沟深而狭,含有更多的遗传信息,也可能通过蛋白的不同识别方式,
来调节细胞的多种生命活动。
§
注:
不同的DNA二级结构总结
项目
A型DNA
B型DNA
Z型DNA
存在条件
缺水时及DNA-RNA杂交分子
生理条件下
嘌啉与嘧啶碱基
相间排列时
外形
短粗
适中
细长
螺旋方向
右手螺旋
左手
直径
~2.6
~2.0
~1.8
碱基对/螺旋
11
10.5
12
每对碱基间距/nm
0.26
0.34
0.37
碱基倾角
20°
6°
1°
螺旋表面
大沟,小沟
大沟消失,小沟窄深
6、三螺旋DNA结构triplestrandedstructure
①发现:
目前已分别通过核磁共振和隧道扫描电镜分析发现,在DNA中存在三链结构(H-DNA)。
②形成:
三链结构是在DNA双螺旋的基础上形成的DNA大分子中一些区段的三螺旋结构。
第三条DNA位于双螺旋大沟中,随双螺旋的旋转而旋转。
③特点:
三链结构中单条DNA区段的碱基为同一类型,其中双螺旋的两条刚好配对,第三条链与其中的一条配对。
如:
双螺旋的一条均为嘌呤,另一条均为嘧啶,第三条链均为嘌呤或均为嘧啶,即具有多嘧啶-多嘌啉特点
④碱基互补配对原则:
碱基配对符合原来的碱基配对原则,但C在质子化后才能与G-C中的G配对。
与第三链碱基配对的氢键均为2条,最后形成三联体碱基T=A·
T,C≡G·
C+
7、DNA四联体螺旋
①基本结构单位:
G-四联体结构(G-quarter),它由四个鸟嘌呤在一个正方形平面内以氢键环形连接而成。
在四联体的中心有一个由4个带负电荷的羰基氧原子围成的“口袋”。
②螺旋方向:
通过G-四联体的堆积,可以形成分子内或分子间的右手螺旋。
③G-四联体螺旋有两个显著的特点:
⑴它的稳定性决定于“口袋”内所结合的阳离子种类,已知K+的结合使四联体螺旋最稳定。
⑵它在热力学和动力学上都很稳定,如在含K+溶液中,d(TTGGGG)n在90℃时仍可稳定存在。
※据推测:
四联体螺旋可能起着稳定染色体和在复制过程中保持其完整性的作用以及参与端粒DNA的复制。
8、DNA的其它螺旋结构
1)回文结构
定义:
DNA序列中以某一中心区域为对称轴,其两侧的碱基对顺序正读和反读都相同的双螺旋结构。
即对称轴一侧的片段旋转180°
后,与另一侧片段对称重复。
回文结构能形成十字结构和发夹结构。
2)镜像(颠倒/对映)重复:
存在于同一股上的某些DNA区段的反向重复序列。
此序列各单股中没有互补序列,不能形成十字型或发夹结构。
三、DNA的三级结构
双螺旋DNA通过扭曲,折叠或再螺旋形成的特定构象称为DNA的三级结构,它包括不同二级结构单元间
的相互作用、单链与二级结构单元间的相互作用以及DNA的拓扑特征。
※重要形式:
超螺旋结构是DNA三级结构的重要形式:
在双螺旋基础上的再螺旋。
1、DNA超螺旋
⑴超螺旋形成的原因:
①DNA双螺旋缠绕不足→产生新张力→DNA分子扭曲形成负超螺旋
②DNA双螺旋缠绕过多→产生新张力→DNA分子扭曲形成正超螺旋
⑵DNA双螺旋结构多为负超螺旋
⑶超螺旋的生物学意义
①DNA更紧密,易于体内包装
②DNA负超螺旋利于执行生理功能,因为负超螺旋易解链(旋),利于一些DNA分子的结构改变
⑷环状DNA形成的超螺旋
大多数原核生物的DNA都是共价封闭的环状双螺旋。
如果再进一步盘绕则形成麻花状的超螺旋三级结构。
2、DNA超螺旋的定量------拓扑性质
⑴拓扑学性质:
在不断变形情况下的某些不变的性质
⑵拓扑连系数/连环数(linkingnumber)Lk:
双螺旋DNA中一条链以右手螺旋绕另一条链缠绕的次数
⑶比连系差(超螺旋密度)σ:
σ=ΔLk/Lk0,σ用于衡量DNA超螺旋水平
扭转数(twistingnumber)T:
DNA双链之间的相互缠绕数,即DNA分子中双螺旋数
缠绕数(writhingnumber)W:
围绕螺旋轴的缠绕数,即双螺旋内的再缠绕数,右手螺旋为正值
⑷Lk=T+W,Lk具有拓扑学性质
⑸DNA分子的拓扑异构体:
具有不同连系数的同一种DNA分子
3、DNA拓扑异构酶:
能增加或减少DNA超螺旋程度,或能改变DNA分子的拓扑连系数的酶
四、DNA-蛋白质复合物的结构
1、病毒
①组成:
病毒主要由核酸和蛋白质组成,有的还含有脂和糖。
内部:
核酸几至几十个基因
外部:
衣壳由许多蛋白质亚基构成→原聚体protomer
capsid由脂蛋白组成→被膜envelope
②侵染性:
核酸决定病毒的侵染性
③专一性:
蛋白质与宿主专一性有关,能够保护核酸,有的还有酶、引物蛋白或运动蛋白的作用。
④种类:
⑴噬菌体以细菌和放线菌为宿主,有RNA噬菌体、单链环状DNA噬菌体,双链DNA噬菌体;
⑵植物病毒多为RNA病毒,少数为DNA病毒,如CaMV为双链环状DNA病毒,双粒病毒含有两种
单链DNA分子,两者同时存在时才有感染性;
⑶动物病毒有RNA类和DNA类,有的有被膜。
2、细菌拟核:
细菌双链环状DNA与碱性蛋白和少量的RNA结合,在细胞内紧密缠绕形成致密小体,称为拟核
3、真核生物染色体
※真核生物的DNA以染色质形式存在,分为常染色质和异染色质两种:
①常染色质:
压缩比为1000-2000倍,相对较为松散,主要为单拷贝基因和中等重复序列,是基因表达的活跃区;
②异染色质:
指细胞分裂间期,DNA折叠压缩程度较高,以凝集状态存在,对碱性燃料着色较深的区域。
包括:
⑴永久性异染色质:
着丝粒、端粒、次缢痕等,由较短和高度重复的DNA序列组成
⑵功能性异染色质:
随细胞分化进一步折叠压缩封闭细胞活性
4、核小体nucleosome——核小体是染色质的最基本结构单位
核心核心组蛋白:
组蛋白八聚体2H2a,2H2b,2H3,2H4
①核小体核心DNA:
140~160bp,以左手超螺旋围绕着核心组蛋白1.65圈形成线圈型负超螺旋
连接部分连接DNA:
50~60bp相结合,用于联系
连接蛋白:
组蛋白H1两个核小体
②平均每个核小体单位含DNA200bp(压缩7倍)
③稳定核小体结构的主要作用力:
DNA上带负电荷的
磷酸基与带正电荷的组蛋白之间的静电力
④核小体和染色质
⑴核小体链与H1结合进一步盘绕形成30nm染色质
纤丝,每圈6个核小体(压缩100倍)。
⑵染色质纤丝组成突环(loop),进而形成玫瑰花结
(rosette),再组装成螺旋圈(coil),由螺旋圈组成
染色体。
※总结:
染色体DNA及染色体外DNA
①染色体是DNA分子的包装形式
②原核细胞一条染色体:
双链环状结构
染色体外DNA(质粒DNA):
双链环状结构
多条染色体:
线形结构
③真核细胞染色体外DNA(细胞器DNA):
高重复顺序:
≤10bp,重复百万次
④真核染色体DNA中等重复顺序:
≈几百bp,重复≥1000次
低重复顺序:
重复1~几次
第四节RNA的分类与结构
一、RNA的种类
1、基本RNA
①rRNA:
起着装配蛋白质和催化肽链形成的作用。
②mRNA:
充当遗传信息的信使和蛋白质合成的模板
③tRNA:
转运氨基酸
2、其它RNA
1)核酶和脱氧核酶:
具有催化作用的RNA或DNA。
2)hnRNA(heterogeneousnuclearRNA):
细胞核内存在的各种不同于基本RNA的所有RNA的总称。
特点:
hnRNA十分不稳定、易被降解或转化为其它RNA。
其中1/2可运输到细胞质,其余的在核内被降解。
平均长度8~k。
非编码RNA长度差异大,20多nt-17kb,通常为20~500nt,具有不同的功能,如基因
表达调控(miRNA、siRNA)。
二、RNA的结构特征
1)总体结构特征:
RNA的结构比DNA的复杂。
在单链的基础上,RNA可经进一步折叠形成二级结构和三级结构。
2)RNA的具体结构特征:
①戊糖为核糖④A与T,G与C无等比关系
②以U代替DNA中的T⑤RNA中有稀有的修饰碱基
③RNA为单链核酸
3)功能及场所:
DNA是遗传信息的贮存物质,它存在于细胞核内
RNA是把DNA中的遗传信息转变成功能性蛋白质的中介物质,它既存在于细胞核内,也存在于
细胞质中。
在蛋白质合成中三种RNA协调作用。
4)RNA的结构层次
①RNA的一级结构:
指RNA链上核苷酸的顺序以及各个功能部位的排列顺序。
②RNA的二级结构:
指单链RNA分子自身回折,链内的互补碱基配对形成的局部双螺旋区与非配对顺序形成
的突环相间分布的花形结构。
③RNA的三级结构:
指通过RNA链的再度扭曲,使一个突环上的未配对碱基与另一突环上的未配对碱基形成
新的氢键配对关系,从而使平面花形结构转变成立体花形结构。
※稳定力:
碱基堆积作用在稳定RNA结构中起主要作用,氢键是另一种支持RNA三维结构的力
三、RNA的一级结构
①主要由4种核糖核苷酸组成:
腺嘌呤核糖核苷酸、鸟嘌呤核糖核苷酸、胞嘧啶核糖核苷酸、尿嘧啶核糖核苷酸
②以3’,5’-磷酸二酯键方式连接
③种类较多,结构多不相同
四、RNA的二级结构
1、RNA的二级结构元件
①双股螺旋:
RNA的双链区,一般为右手螺旋。
②发夹环:
与双螺旋一端两条链连接的非配对的单链区。
茎环结构:
由双股螺旋及其与之相连的发夹环所组成的结构称为茎环结构。
③单碱基突起及突环:
双链RNA中一个或多个连续的不配对碱基可引起单碱基突起或突环。
④内部环:
为隔开或连接两个双螺旋RNA的环区。
⑤结合环:
连接3个或3个以上双链RNA的环区,也称为支环.
⑥单链区:
常出现于RNA分子的端部。
2、开关结构
开关结构是由茎环结构组成的二级结构。
②开关系统的形成:
在开关结构中,RNA分子的某一段序列的碱基随条件
的
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- 江南 大学 801 生物化学 课件 总结 核酸 化学