食品生物化学 2.4核酸化学ppt课件.ppt

2.4 核酸化学,Nucleic Acid,功能：核酸是生物遗传信息的载体，是生物遗传的物质基础。另外，某些小分子核酸具有酶的功能。在有机体内核酸常与蛋白质结合成复合体即核蛋白体而存在。 种类： 1、脱氧核糖核酸（DNA，细胞核） 2、核糖核酸（RNA，细胞质 ）,遗传信息的贮存和携带者，生物的主要遗传物质。在真核细胞中，DNA主要集中在细胞核内，线粒体和叶绿体中均有各自的DNA。原核细胞没有明显的细胞核结构，DNA存在于称为拟核的结构区。每个原核细胞只有一个染色体，每个染色体含一个双链环状DNA。,主要参与遗传信息的传递和表达过程，细胞内的RNA主要存在于细胞质中，少量存在于细胞核中，病毒中RNA本身就是遗传信息的储存者。可以分为mRNA、tRNA和rRNA三种另外在植物中还发现了一类比病毒还小得多的侵染性致病因子称为类病毒，它是不含蛋白质的游离的RNA分子，还发现有些RNA具生物催化作用（ribozyme）。,2.4.1核酸的分子组成,组成元素：C、H、O、N、PP 的含量比较稳定（ DNA占9.9%RNA占9.4%），通过测定P的含量来推算核酸的含量（定磷法）。任何核酸都含磷酸，所以核酸呈酸性。 基本组成单位：核苷酸,核酸的逐步水解过程,核酸,核苷,核苷酸,磷酸,戊糖(核糖和脱氧核糖),碱基(嘌呤碱与嘧啶碱),核酸的各种水解产物可用层析或电泳等方法分离鉴定。,（1）戊糖,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。,（2）含氮碱基,核酸中的碱基分两类：嘧啶碱和嘌呤碱。1、嘧啶碱 嘧啶碱是母体化合物嘧啶的衍生物。核酸中常见的嘧啶碱有三类：胞嘧啶C、尿嘧啶U及胸腺嘧啶T。其中DNA与RNA两类核酸都含有C ， T则只含于DNA中，但某些tRNA中也发现有极少量的胸腺嘧啶核糖核苷酸， U则只含于RNA中。,2、嘌呤碱 核酸中常见的嘌呤碱有两类： 腺嘌呤A及鸟嘌呤G。嘌呤碱是由母体化合物嘌呤衍生而来的。,3、稀有碱基 除了五类基本的碱基外，核酸中还有一些含量甚少的碱基，统称为稀有碱基。稀有碱基的种类极多，大多数都是甲基化碱基。大分子核酸中的碱基甲基化的过程发生于核酸大分子生物合成以后，是生物细胞识别自体核酸与外源核酸的一种标识，具有抗内源核酸酶水解的作用，它对核酸的生物学功能具有极其重要的意义。核酸中甲基化碱基的含量一般不超过碱基总量的5%。但tRNA中甲基化碱基可高达10%。,2.4.1.2 核苷,核苷是一种糖苷，由戊糖和碱基缩合而成。糖与碱基之间以-糖苷键相连接。核苷的戊糖碳原子标号加撇，碱基碳原子标号不加，以示区别。嘧啶碱基核苷中糖环C1与嘧啶碱N1相连；嘌呤核苷中糖环C1与嘧啶碱N9相连.(图),2.1.4.3 核苷酸,核苷中的戊糖羟基被磷酸酯化形成核苷酸。核酸构件分子为5-单核苷酸，其中组成DNA的是：dAMP、dTMP、dCMP、dGMP;组成RNA的是AMP、UMP、CMP、GMP。（图）核苷酸中核糖有3个自由羟基，可分别与磷酸成酯生成 2，3及5-核糖核苷酸。其中5-核糖核苷酸是构成核酸的基本单元。脱氧核糖有2个自由羟基，所以只能形成两种核苷酸。生物体内游离存在的多是5-核苷酸。用碱水解RNA时可得到2-及3-核糖核苷酸的混合物。,（1）多磷酸核苷核苷酸中可以是1个、2个或3个磷酸基共价键连接在核糖5-羟基上，分别称为某核苷单磷酸（NMP）、某核苷二磷酸（NDP）和某核苷三磷酸（NTP）。其中NDP、NTP为高能分子。,字母N代表四种碱基中的任何一种,ATP是人体内各种生命活动的主要的直接供能者，分子中含有3个磷酸酯键。ATP含有两个高能磷酸酯键(P)，在细胞能量代谢中起能量载体的作用。,（2）辅酶核苷酸核苷酸是许多酶的辅因子的成分,（3）环化核苷酸重要的有3,5-环化腺苷酸(cAMP)及3,5-环化鸟苷酸(cGMP)。它们普遍存在于动、植物及微生物细胞中，含量极微，但具有极重要的生理功能。细胞内环化AMP的合成按下列途径进行：,2.4.2 核酸的分子结构,一个核苷酸分子戊糖的3-羟基和另一个核苷酸分子的戊糖的5-磷酸可脱水缩合，形成3,5-磷酸二酯键。许多核苷酸借助磷酸二酯键相连形成的化合物称为多聚核苷酸。多个核苷酸以3,5-磷酸二酯键连接而成线形大分子，即多聚核苷酸链，它是核酸的基本结构形式。,多聚核苷酸链有方向性，其多核苷酸链的一个末端的戊糖5位带有游离磷酸基的一端称为5末端，戊糖3位带有游离羟基的一端称为3末端。核苷酸顺序（可简称为碱基顺序）一般按53方向书写。,核苷酸序列可用结构式表示，也可用竖线式或更简化的短线式、字母式表示。,图 A竖线式B短线式C和D字母式,2.4.2.1 DNA的分子结构,（1）DNA的碱基组成特点DNA由四种主要的碱基即腺嘌呤、鸟嘌呤、胞嘧啶和胸腺嘧啶组成，此外，也还含有少量稀有碱基。各种生物的DNA的碱基组成具有如下规律： (1)所有DNA中腺嘌呤与胸腺嘧啶的含量(mol)相等，即A=T；鸟嘌呤与胞嘧啶(包括5-甲基胞嘧啶)的含量(mol)相等，即G=C。因此，嘌呤的总数等于嘧啶的总数，即A+G=C+T。(2)DNA的碱基组成具有种的特异性，即不同生物种的DNA具有自己独特的碱基组成。(3)DNA的碱基组成没有组织的特异性，没有器官的特异性，即同一生物体的各种不同器官，不同组织的DNA具有相同的碱基组成。(4)年龄、营养状态、环境的改变不影响DNA的碱基组成。,（2）一级结构DNA是由许多脱氧核糖核苷酸借助磷酸二酯键连接起来的多聚核苷酸。DNA分子中的脱氧核糖核苷酸的排列顺序，称为DNA的一级结构。它是形成二级结构与三级结构的基础。,基因：是染色体上的具有特定功能的一段DNA序列，是一种相对独立的遗传信息基本单位，它编码蛋白质、tRNA或rRNA分子，或者调节这样一段序列的转录。基因组：是一种生物结构建成和生命活动所需遗传信息的总和，即生物体的全套DNA序列。这些信息编码在细胞内的DNA分子中。对真核生物例如人类来说，细胞核内全部染色体分子的总和就是它们的基因组。基因芯片(Gene chip) 又称DNA芯片、DNA微阵列(DNA microarray)，是将大量的DNA片段按预先设计的排列方式固化在载体表面如硅片、玻片上，并以此为探针，在一定的条件下，与样品中待测的靶基因片段杂交，通过检测杂交后的信号，实现对靶基因信息的快速检测。,（3）二级结构DNA的二级结构是核苷酸链内或链之间通过氢键折叠卷曲而成的双螺旋结构即双螺旋结构。Watson 和Crick 两人于1953年提出了DNA分子双螺旋结构模型。,基本要点如下：DNA是由两条反向平行的多核苷酸链绕同一中心轴旋转形成的右手双螺旋。其中一条链的走向为5磷酸基团3羟基方向，另一条链的走向为3羟基5磷酸基团方向。两条由磷酸和脱氧核糖形成的主链骨架位于双螺旋外侧，碱基位于双螺旋内侧。碱基平面与纵轴接近垂直，糖环平面与纵轴接近平行。两条链靠彼此碱基之间的氢键结合在一起，碱基按互补原则进行特异的碱基配对。A和T之间通过2个氢键进行配对（A=T），C和G通过3个氢键进行配对（CG）。碱基之间的这种特异配对关系叫做碱基互补或碱基对原则，也称为Watson-Crick配对。通过碱基互补，DNA双螺旋中一条链实际上是另一条链的互补链。双螺旋平均直径为2.0nm，螺距为3.4nm；每圈螺旋含有10bp（bp:碱基对数，实际上为10.4bp），相邻两个碱基上下间隔0.34nm,夹角为36。遗传信息储存在碱基顺序中，碱基在一条链上的排列顺序不受限制。沿螺旋轴方向观察，双螺旋的表面有两条凹槽，一个宽而深，称为大沟，另一个窄而浅称为小沟。碱基侧面的功能基团朝向大沟，有利于DNA遗传信息传递和表达时功能蛋白质与DNA的特异识别。,维持双螺旋结构稳定性的力：一是互补碱基对之间的氢键二是主要的力，是碱基堆集力 .碱基堆集力是由于芳香族碱基的 电子之间相互作用而引起的，DNA分子中碱基层层堆集，在DNA分子内部形成了一个疏水核心，核心内几乎没有游离的水分子，所以使互补的碱基之间形成氢键。三是磷酸残基上的负电荷与介质中的阳离子之间形成的离子键。,（4）三级结构DNA双螺旋进一步卷曲或折叠形成更加复杂的超螺旋结构，称为DNA的三级结构。超螺旋型DNA具有更为紧密的结构，更高的浮力密度，更高的熔点和更大的S值。当超螺旋型DNA的一条链上出现一个缺口时，超螺旋结构就被松开，而形成开环型结构。,2.4.2.2 RNA的分子结构,RNA 的类型 1、rRNA 约占全部RNA的80%左右，是构成核糖体的骨架。,不论是动物、植物还是微生物细胞内都含有三种主要的RNA，即核糖体RNA(rRNA)，转运RNA(tRNA)，信使RNA(mRNA)。,原核生物（大肠杆菌）核糖体中的rRNA有三类：5S rRNA，16S RNA，23S rRNA。,真核生物（动物细胞）核糖体中的rRNA有三类：5S rRNA，18S RNA，28S rRNA及5.8S rRNA。,2、tRNA 占全部RNA的15%，tRNA的生物功能是在蛋白质生物合成过程中转运氨基酸。细胞内tRNA的种类很多，估计有50多种。每一种氨基酸都有与其相对应的一种或几种tRNA。tRNA是分子最小，但含有稀有碱基最多的RNA。 3、mRNA 它的碱基组成与DNA的十分相当。所以有时把它叫作D-RNA。约占全部RNA的3-5%。mRNA在代谢上很不稳定，是合成蛋白质的模板，每种多肽链都由一种特定的mRNA负责编码。所以细胞内mRNA的种类是很多的，但每一种mRNA的数量却极少。除了这三类主要的RNA以外，细胞内还有一些其它类型的RNA，如核内小分子RNA等。,RNA的碱基组成RNA中所含的四种基本碱基是：腺嘌呤A、鸟嘌呤G、胞嘧啶C和尿嘧啶U。此外还有几十种稀有碱基。RNA的碱基组成，不像DNA那样具有严格的A=T，G=C的规律。tRNA的碱基组成中，腺嘌呤的含量近似于尿嘧啶的含量，鸟嘌呤的含量近似于胞嘧啶的含量。这与tRNA结构中双螺旋结构所占比例较大是一致的。肿瘤病毒RNA是双链结构，其碱基组成有严格的A=U，G=C的关系。,tRNA的结构特点所有的tRNA，不论其来自动物、植物，还是微生物，都具有许多结构上的共同特点： 分子由7090个核苷酸残基组成。沉降常数都在4S左右。碱基组成中有较多的稀有碱基。 3-末端皆为-CCA-OH结构。这是从DNA上转录后在特殊的酶催化下添加上去的。二级结构都呈三叶草形。由氨基酸臂、二氢尿嘧啶环、反密码环、额外环和TC环等五部分组成(图)。,氨基酸臂由7对碱基组成，富含鸟嘌呤，末端为CCA。蛋白质生物合成时，氨基酸活化后，连接于这一末端的腺苷酸上。二氢尿嘧啶环() 由812个核苷酸组成，以具有两个二氢尿嘧啶(核苷酸)分子为其特征，所以称为二氢尿嘧啶环(DHU环)。反密码环() 由812个核苷酸组成。环的中间是反密码子，由三个碱基组成。在遗传信息的翻译过程中起重要作用。次黄嘌呤核苷酸也称肌苷酸()常出现于反密码子中。额外环() 由318个碱基组成。不同的tRNA，这个环的大小很不一样，所以是t RNA分类的重要指标。假尿嘧啶核苷胸腺嘧啶核糖核苷环(TC环)(IV) 由7个核苷酸组成，通过由5对碱基组成的双螺旋区(TC臂)与tRNA的其余部分相连，除个别tRNA外，所有的tRNA中此环必定含有-T-C-碱基序列，所以称为TC环。,tRNA具有倒L形的三级结构，其生物学功能与其三级结构有密切的关系。目前认为氨酰tRNA合成酶是结合于倒L形的侧臂上的。,图 酵母苯丙氨酸tRNA的三级结构,2.4.3核酸的理化性质,一、核酸的粘度 天然DNA分子的长度可以达到几个cm，而分子的直径只有2nm，所以即使是极稀的DNA溶液，也有极大的粘度。RNA的粘度要小得多，当核酸溶液因受热或在其它因素作用时，粘度降低。,二、核酸的紫外吸收,由于核酸的组成成分嘌呤碱及嘧啶碱有强烈的紫外吸收，所以核酸也有强烈的紫外吸收，最大吸收值在260nm处，蛋白质最大吸收值在280nm处。利用这一特性，可以鉴别核酸样品中的蛋白质杂质，还可以对核酸进行定量测定。,三、核酸的酸碱性质,核酸既含磷酸基，又有含氮碱基，能进行酸碱解离，因此有酸碱两性性质和等电点。由于核酸分子中的磷酸是一个中等强度的酸，而碱基呈现弱碱性，所以核酸的等电点比较低。DNA的pI值为4-4.5，RNA为2.0-2.5。 RNA等电点比DNA低的原因是分子中核糖基2-OH通过氢键促进了磷酸基上质子的解离。,四、核酸的变性、复性及杂交,核酸的变性是指核酸的双螺旋结解开，氢键断裂，并不涉及核苷酸间共价键的断裂。,这是一个是跃变过程，伴有A260增加（增色效应）,DNA的功能丧失。温度升高；酸碱度改变、 pH（11.3或5.0）；有机溶剂如甲醛和尿素、甲酰胺等；低离子强度都可引起变性。,Tm：熔解温度（melting temperature）,DNA的变性发生在一个很窄的温度范围内，通常把热变性过程中A260达到最大值一半时的温度称为该DNA的解链温度或熔解温度，用Tm表示。 Tm的大小与DNA分子中（G+C）的百分含量成正相关，测定Tm值可推算核酸碱基组成及判断DNA纯度。,DNA的变性是可逆的。变性DNA在适当的条件下，又可使两条彼此分开的链重新缔合成双螺旋结构，这一过程叫复性。热变性的DNA经缓慢冷却（称退火处理）即可复性。最适宜的复性温度比Tm值约低25，这个温度又叫退火温度。在一定条件下，变性DNA 单链间碱基重新配对恢复双螺旋结构，伴有A260减小（减色效应）,DNA的功能恢复。,不同来源的DNA单链间或单链DNA与RNA之间只要有碱基配对的区域，在复性时可形成局部双螺旋区，称核酸分子杂交（hybridization）DNA-DNA和DNA-RNA的同源序列之间均可进行杂交。,作业与思考题,1.名词解释：碱基互补、DNA变性、DNA增色效应、DNA复性、Tm值2.核酸、核苷酸、核苷三类物质在结构上有何关系？3.DNA与RNA分子组成上有什么差别？4.简述DNA分子双螺旋结构模型的要点。5.试述RNA的种类及其生物学作用。6.已知DNA某片段一条链碱基顺序为5-CCATTCGAGT- 3，求其互补链的碱基顺序并指明方向。,