第九章核酸的化学

1、2.0 nm小小沟沟大大沟沟第九章第九章 核酸的化学核酸的化学教学目的与要求：教学目的与要求：1.掌握核酸的基本组成单位及其连接方掌握核酸的基本组成单位及其连接方式。式。2.掌握掌握DNA与与RNA的结构与理化性质。的结构与理化性质。3.熟悉熟悉DNA及及RNA的功能，基因组。的功能，基因组。4.了解了解DNA变性及其应用。变性及其应用。教学内容：教学内容：1. 核酸的分类及其在细胞内的分布核酸的分类及其在细胞内的分布 2. 核酸的化学组成核酸的化学组成 3. DNA的分子结构的分子结构 4. RNA的分子结构的分子结构 5. 核酸的理化性质核酸的理化性质l本章重点：核酸的化学组成本章重点：核

2、酸的化学组成 DNA与与RNA的分子结构的分子结构l本章难点：本章难点：DNA结构、结构、RNA结构结构 核酸（核酸（Nucleic acid）同蛋白质一样，也是重要的生物大分子，）同蛋白质一样，也是重要的生物大分子，是生物体的基本组成物质。与蛋白质不同的是，核酸是生命遗传是生物体的基本组成物质。与蛋白质不同的是，核酸是生命遗传的物质基础，是遗传信息的载体，而蛋白质是生命的体现形式。的物质基础，是遗传信息的载体，而蛋白质是生命的体现形式。 在所有的生物大分子聚合物中，核酸占据了一个非常独特的在所有的生物大分子聚合物中，核酸占据了一个非常独特的地位：地位：核酸本身参与了生物体内的许多重要反应核酸

3、本身参与了生物体内的许多重要反应在核酸分子中以遗传密码的形式含有生物体内所有的遗传信息：在核酸分子中以遗传密码的形式含有生物体内所有的遗传信息： 忠实的实现从母代细胞向子代细胞中的传递忠实的实现从母代细胞向子代细胞中的传递 指导生物体内蛋白质的合成指导生物体内蛋白质的合成 有能力为适应遗传的进化而发生适当的突变有能力为适应遗传的进化而发生适当的突变米歇尔米歇尔(Friedrich Miescher，18441895 )瑞士科学家瑞士科学家,1868发现核素发现核素(Nuclein)：脱氧：脱氧核糖核蛋白核糖核蛋白l英国细菌学家英国细菌学家FGriffith（18771941）于）于1928 年

4、年发现当他对老鼠同时注射活的发现当他对老鼠同时注射活的R（粗糙）型无毒肺炎（粗糙）型无毒肺炎球菌以及加热杀死的球菌以及加热杀死的S（光滑）型（光滑）型 有毒肺炎球菌时，有毒肺炎球菌时，很多老鼠不久即死亡，它们的血液中含有活的很多老鼠不久即死亡，它们的血液中含有活的S型细型细菌。这一发现表菌。这一发现表 明活的无毒明活的无毒R型细菌从死去的有毒型细菌从死去的有毒S型菌得到了一些什么东西从而使无毒的型菌得到了一些什么东西从而使无毒的R型转化成有型转化成有 毒的毒的S型肺炎球菌。后来认为某些遗传信息被型肺炎球菌。后来认为某些遗传信息被“转化转化因子因子”转移了。转移了。 l艾弗里艾弗里(Osward

5、 Avery)等人等人(1944)从从S型细菌中分别型细菌中分别抽提出抽提出DNA、蛋白质和荚膜物质，并把每一种成分同、蛋白质和荚膜物质，并把每一种成分同活的活的R型细菌混合，悬浮在合成培养液中。结果发现型细菌混合，悬浮在合成培养液中。结果发现只有只有DNA组分能够把组分能够把R型细菌转变成型细菌转变成S型细菌。而且型细菌。而且DNA的纯度越高，这种转化的效率也越高。这说明，的纯度越高，这种转化的效率也越高。这说明，一种基因型细胞的一种基因型细胞的DNA进入另一种基因型的细胞后，进入另一种基因型的细胞后，可引起稳定的遗传变异。可引起稳定的遗传变异。 大量的实验证明：大量的实验证明： 任何有机体

6、，包括病毒、细菌、动植物等，都无一任何有机体，包括病毒、细菌、动植物等，都无一例外的含有核酸。例外的含有核酸。 核酸在生物体的个体发育、生长、繁殖、遗传和核酸在生物体的个体发育、生长、繁殖、遗传和变异等生物过程中起着极为重要的作用。变异等生物过程中起着极为重要的作用。概括而言概括而言核酸是生物的遗传物质，它是控制生物性状的最根本核酸是生物的遗传物质，它是控制生物性状的最根本原因所在，在核酸中存储着大量的遗传信息。原因所在，在核酸中存储着大量的遗传信息。核酸的分类和分布核酸的分类和分布 核酸分为两大类：核酸分为两大类：l 脱氧核糖核酸脱氧核糖核酸 Deoxyribonucleic Acid （D

7、NA）l 核糖核酸核糖核酸 Ribonucleic Acid（RNA） 98 98核中（染色体中）核中（染色体中） 真核真核 线粒体（线粒体（mDNAmDNA） 核外核外 叶绿体（叶绿体（ctDNActDNA）DNA DNA 拟核拟核 原核原核 核外：质粒（核外：质粒（plasmidplasmid） 病毒：病毒：DNADNA病毒病毒 RNA主要存在于细胞质中主要存在于细胞质中 l tRNA (转运核糖核酸转运核糖核酸Transfer RNA)l rRNA (核蛋白体核糖核酸核蛋白体核糖核酸Ribosomal RNA)l mRNA (信使核糖核酸信使核糖核酸Messenger RNA)l 其它其

8、它 核内异质核内异质RNA（heterogeneous nuclear RNA，hnRNA） 核内小核内小RNA（small nuclear RNA，snRNA）l RNA病毒：病毒：SARS遗传物质遗传物质核酸的功能核酸的功能DNARNAmRNAtRNArRNA是遗传信息的载体是遗传信息的载体是构成细胞核内染色质（体）的重要组成部分是构成细胞核内染色质（体）的重要组成部分蛋白质的生物合成蛋白质的生物合成能同游离在细胞中的对应氨基酸结合，并将这种活化的能同游离在细胞中的对应氨基酸结合，并将这种活化的氨基酸运载到蛋白质合成的场所氨基酸运载到蛋白质合成的场所核蛋白体核蛋白体连同一些蛋白质共同构成了

9、核蛋白体的大小两个亚基连同一些蛋白质共同构成了核蛋白体的大小两个亚基能够将存在于能够将存在于DNA上的遗传信息忠实的从细胞核中上的遗传信息忠实的从细胞核中带到细胞质中，并以带到细胞质中，并以mRNA为模板来指导蛋白质的为模板来指导蛋白质的生物合成生物合成hnRNA：某些：某些mRNA的前体分子的前体分子snRNA：可参与：可参与RNA分子的拼接等过程分子的拼接等过程第二节 核酸的化学组成一、组成核酸的基本化学成分元素组成：元素组成： C H O N C H O N P P 蛋白质蛋白质 N 16%核核 酸酸 P 9%，不含不含S 核酸完全水解产生嘌呤和嘧啶等碱性物质、戊糖（核糖或脱氧核糖）和磷

10、酸的混合物。核酸部分水解则产生核苷酸。一分子核苷酸部分水解后除产生核苷外，还有一分子磷酸。每个核苷分子含一分子碱基和一分子戊糖，核酸的各种水解产物可用层析或电泳等方法分离鉴定。核酸核酸核苷酸核苷酸核苷核苷磷酸磷酸碱基碱基戊糖戊糖嘌呤碱嘌呤碱嘧啶碱嘧啶碱核糖核糖脱氧核糖脱氧核糖（一）戊糖（一）戊糖 组成核酸的戊糖有两种。组成核酸的戊糖有两种。DNA所含的糖为所含的糖为 -D-2-脱氧核糖；脱氧核糖；RNA所含的糖则为所含的糖则为-D-核糖。核糖。OHHOHHOHOHHHOCH2HOCH2OHHOHHHOHHD-核糖D-2-脱氧核糖二、组成核酸的基本单位-核苷酸（戊糖、碱基、磷酸）NNNHNNH2

11、lA 腺嘌呤腺嘌呤AdenineNHNNHNONH2lG 鸟嘌呤鸟嘌呤guanine嘌呤碱和嘧啶碱嘌呤碱和嘧啶碱尿嘧啶尿嘧啶uracilNHNHOONNHNH2O胞嘧啶胞嘧啶cytosineH3C植物植物DNA中有相当量的中有相当量的5-甲基胞嘧啶。甲基胞嘧啶。一些大肠杆菌噬菌体核酸中，一些大肠杆菌噬菌体核酸中，5-羟甲基胞嘧啶代替了胞嘧啶。羟甲基胞嘧啶代替了胞嘧啶。DNA:A T G CRNA:A U G C稀有碱基：种类极多，大多数是甲基化碱基。大多存在于稀有碱基：种类极多，大多数是甲基化碱基。大多存在于RNA分子中，分子中，特别是特别是tRNA分子中。虽然数量极少，但在遗传信息的传递过程

12、中起着重分子中。虽然数量极少，但在遗传信息的传递过程中起着重要的作用。要的作用。（三）核苷核苷核苷 戊糖戊糖+ +碱基碱基 糖与碱基之间的糖与碱基之间的C-NC-N键，称为键，称为C-NC-N糖苷键糖苷键胞嘧啶核苷尿嘧啶核苷鸟嘌呤核苷腺嘌呤核苷NNOHHONNNH2HONNOHH2NNNNNNNNH2OHHOHHOHHHOCH2HOCH2OHHOHHOHHOHHOHHOHHHOCH2OHHOHHOHHHOCH2Adenosine Guanosine Cytidine Uridine（四）碱基-戊糖-磷酸间的化学键核苷酸 戊糖+碱基+磷酸（五）核苷酸衍生物（五）核苷酸衍生物 1. 继续磷酸化继续

13、磷酸化O-POO-NNNNNH2OHHOHHOHHOCH2O-POO-O-POO-三磷酸腺苷 (ATP)AMPADPATP三磷酸腺苷三磷酸腺苷 2.2.环化磷酸化环化磷酸化l cAMPl cGMP3 ，5 5 - -环化腺苷酸环化腺苷酸3 ，5 5 - -环化鸟苷酸环化鸟苷酸3. 3. 肌苷酸及鸟苷酸肌苷酸及鸟苷酸( (强力味精强力味精) )IMP GMP三、核酸中核苷酸的连接方式三、核酸中核苷酸的连接方式 核苷酸核苷酸的连接方式的连接方式是通过一个核苷酸的是通过一个核苷酸的C3-OH 与与另一分子核苷酸的另一分子核苷酸的5-磷酸基形成磷酸基形成3,5-磷酸二酯磷酸二酯键键相连而成的链状聚合物

14、。相连而成的链状聚合物。5533第三节第三节 DNA的结构的结构一级结构一级结构3,53,5- -磷酸二酯键相连磷酸二酯键相连 书写方式：书写方式： 55末端置于左边，末端置于左边， 33末端置于右边，从左向右方向书末端置于右边，从左向右方向书写。有线条式、文字式、省略式和结构式写。有线条式、文字式、省略式和结构式T53OH U53OH OH OH OH OH DNA RNApApCpTpGpG pACTGGdACTGG 5ACTGG3通过对通过对DNADNA的碱基组成的定量测定，发现有如下规律的碱基组成的定量测定，发现有如下规律： A=T G=C A+G=T+C DNA的碱基组成具有种的特异

15、性，即不同生的碱基组成具有种的特异性，即不同生物种的物种的DNA具有自己独特的碱基组成。具有自己独特的碱基组成。 DNA的碱基组成没有组织器官的特异性，即的碱基组成没有组织器官的特异性，即同一生物的各种组织器官的同一生物的各种组织器官的DNA具有基本相具有基本相同的碱基组成。同的碱基组成。 年龄、营养状态、环境的改变不影响年龄、营养状态、环境的改变不影响DNA的的碱基组成。碱基组成。DNA双螺旋结构建立的实验依据双螺旋结构建立的实验依据人类基因组计划（人类基因组计划（Human genome project）：）： 由美国于由美国于1987年启动，中国于年启动，中国于1999年年9月积极参加到

16、这项研究计划中月积极参加到这项研究计划中的，承担其中的，承担其中1%的任务，即人类的任务，即人类3号染色体短臂上约号染色体短臂上约3000万个碱基对万个碱基对的的测序测序任务。中国因此成为参加这项研究计划的唯一的发展中国家。任务。中国因此成为参加这项研究计划的唯一的发展中国家。2000年年6月月26日人类基因组工作草图完成。日人类基因组工作草图完成。 20 20世纪世纪5050年代初，英国科学家威尔金斯等用年代初，英国科学家威尔金斯等用X X射线衍射技术对射线衍射技术对DNADNA结构潜心研究了结构潜心研究了3 3年，意年，意识到识到DNADNA是一种螺旋结构。女物理学家富兰克林在是一种螺旋结

17、构。女物理学家富兰克林在19511951年底拍到了一张十分清晰的年底拍到了一张十分清晰的DNADNA的的X X射射线衍射照片。线衍射照片。19521952年，美国化学家鲍林发表了关于年，美国化学家鲍林发表了关于DNADNA三链模型的研究报告，这种模型被称为三链模型的研究报告，这种模型被称为螺旋。螺旋。沃森与威尔金斯、富兰克林等讨论了鲍林的模型。威尔金斯出示了富兰克林在一年前拍下的沃森与威尔金斯、富兰克林等讨论了鲍林的模型。威尔金斯出示了富兰克林在一年前拍下的DNAXDNAX射线衍射照片，沃森看出了射线衍射照片，沃森看出了DNADNA的内部是一种螺旋形的结构，他立即产生了一种新概念：的内部是一种

18、螺旋形的结构，他立即产生了一种新概念：DNADNA不是三链结构而应该是双链结构。他们继续循着这个思路深入探讨，极力将有关这方面的不是三链结构而应该是双链结构。他们继续循着这个思路深入探讨，极力将有关这方面的研究成果集中起来。根据各方面对研究成果集中起来。根据各方面对DNADNA研究的信息和自己的研究和分析，沃森和克里克得出一研究的信息和自己的研究和分析，沃森和克里克得出一个共识：个共识：DNADNA是一种双链螺旋结构。这真是一个激动人心的发现！沃森和克里克立即行动，马是一种双链螺旋结构。这真是一个激动人心的发现！沃森和克里克立即行动，马上在实验室中联手开始搭建上在实验室中联手开始搭建DNADN

19、A双螺旋模型。双螺旋模型。从从19531953年年2 2月月2222日起开始奋战，他们夜以继日，日起开始奋战，他们夜以继日，废寝忘食，终于在废寝忘食，终于在3 3月月7 7日，将他们想像中的美丽无比的日，将他们想像中的美丽无比的DNADNA模型搭建成功了。模型搭建成功了。沃森、克里克的这个模型正确地反映出沃森、克里克的这个模型正确地反映出DNADNA的分子结构。此后，遗传学的历史和生物学的的分子结构。此后，遗传学的历史和生物学的历史都从细胞阶段进入了分子阶段。历史都从细胞阶段进入了分子阶段。由于沃森、克里克和威尔金斯在由于沃森、克里克和威尔金斯在DNADNA分子研究方面的卓越贡献，他们分享分子

20、研究方面的卓越贡献，他们分享19621962年的诺贝尔年的诺贝尔生理医学奖。生理医学奖。 沃森沃森 Watson, James Dewey 美国生物学家美国生物学家 克里克克里克 Crick, Francis Harry Compton 英国生物物理学家英国生物物理学家二、二、DNADNA的二级结构的二级结构（一）提出（一）提出DNA双螺旋结构模型的主要依据双螺旋结构模型的主要依据：1. 同一种属，不同组织的同一种属，不同组织的DNA分子具有相同的碱基组成；分子具有相同的碱基组成；2. 不同种属间的不同种属间的DNA分子具有不同的碱基组成；分子具有不同的碱基组成；3. 对于给定种属的对于给定种

21、属的DNA分子，其碱基组成不随年龄、营分子，其碱基组成不随年龄、营养状态或环境的变化而改变；养状态或环境的变化而改变；4. 无论何种无论何种DNA分子，其碱基组成都存在这样的关系：分子，其碱基组成都存在这样的关系：A=T，G=C，也可以写为，也可以写为A+G=T+C；5. DNA晶体结构的晶体结构的X-射线衍射照片表明，沿射线衍射照片表明，沿DNA纤维的纤维的长轴存在着长轴存在着0.34nm和和3.4nm两个周期性的变化两个周期性的变化 由于当时还不可能获得由于当时还不可能获得DNA分子结晶，分子结晶，Watson和和Crick所用的资料来自在湿度为所用的资料来自在湿度为92%时所得到的时所得

22、到的DNA钠钠盐纤维。这种盐纤维。这种DNA被称为被称为B型型DNA。（二）（二）B-DNA双螺旋模型要点双螺旋模型要点1 1、双螺旋是由两条反向平行的多核苷酸链构成，两条、双螺旋是由两条反向平行的多核苷酸链构成，两条链绕同一链绕同一“中心轴中心轴”旋转成右手双螺旋。旋转成右手双螺旋。2 2、两条主链是通过脱氧核糖与磷酸基相间连接构成的，、两条主链是通过脱氧核糖与磷酸基相间连接构成的，位于双螺旋的外侧。沿螺旋轴间观察，双螺旋表面形成位于双螺旋的外侧。沿螺旋轴间观察，双螺旋表面形成一大、一小两个凹下去的槽，称为大沟一大、一小两个凹下去的槽，称为大沟( (Major groove) ) 和小沟和小

23、沟( (Minor groove) )。3 3、位于双螺旋内侧的碱基可以与对侧的碱基形成氢键，、位于双螺旋内侧的碱基可以与对侧的碱基形成氢键，与配对，形成两个氢键，与配对，形成两个氢键，与与配对，形成三个氢配对，形成三个氢键（键（碱基互补配对原则碱基互补配对原则）。）。、DNA双螺旋的直径是双螺旋的直径是nm ，每个碱基对形成一个，每个碱基对形成一个平面，两个碱基对平面之间的距离为平面，两个碱基对平面之间的距离为0.340.34nm。螺旋每旋。螺旋每旋转一周为转一周为1010个碱基对，距离为个碱基对，距离为3.43.4nm. .5 5、稳定、稳定DNA结构的主要因素是碱基堆积力。由于碱基结构的

24、主要因素是碱基堆积力。由于碱基是疏水性的，这种非极性碱基纵向堆积成有次序的螺旋是疏水性的，这种非极性碱基纵向堆积成有次序的螺旋时，在碱基原子之间发生相互吸引产生静电引力或范德时，在碱基原子之间发生相互吸引产生静电引力或范德华力等，从而使螺旋结构稳定。华力等，从而使螺旋结构稳定。2.0 nm小小沟沟大大沟沟交替出现的脱氧核糖与带负电的磷酸彼此通过交替出现的脱氧核糖与带负电的磷酸彼此通过3,5-磷酸磷酸二酯键相连接，位于双螺旋的外侧，构成二酯键相连接，位于双螺旋的外侧，构成DNA分子的骨分子的骨架，形成较深的大沟（宽度为架，形成较深的大沟（宽度为1.2nm，深度为，深度为0.85nm）；）；而疏水

25、的碱基，嘌呤与嘧啶则堆积在双螺旋链的内侧，而疏水的碱基，嘌呤与嘧啶则堆积在双螺旋链的内侧，形成小沟（宽度为形成小沟（宽度为0.6nm，深度为，深度为0.75nm）；）；碱基平面与纵轴垂直，糖环的平面则与纵轴平行；碱基平面与纵轴垂直，糖环的平面则与纵轴平行；(三三) DNA结构的多态性结构的多态性B- DNA双螺旋双螺旋A- DNA双螺旋双螺旋Z- DNA双螺旋双螺旋C-DNA双螺旋双螺旋A- DNA双螺旋双螺旋 - -B- DNA双螺旋双螺旋 - -B- DNA双螺旋双螺旋C-DNA双螺旋双螺旋D- DNA双螺旋双螺旋E- DNA双螺旋双螺旋DNA的结构是动态的的结构是动态的：B型双螺旋型双螺

26、旋：以在生理盐溶液中抽出的：以在生理盐溶液中抽出的DNA 纤维在纤维在92%相对湿度相对湿度下进行下进行X-射线衍射图谱为依据进行推测的；射线衍射图谱为依据进行推测的；A型双螺旋型双螺旋：以钾或铯作为离子，相对湿度为：以钾或铯作为离子，相对湿度为75%时，时，DNA分子分子的的X-射线衍射图给出的是射线衍射图给出的是A构象。构象。A-DNA每个螺旋含每个螺旋含11个碱基对，而且变成个碱基对，而且变成A-DNA后，大沟变窄、后，大沟变窄、变深，小沟变宽、变浅。变深，小沟变宽、变浅。大沟小沟是大沟小沟是DNA行驶功能时蛋白质的识别位点，所以由行驶功能时蛋白质的识别位点，所以由B-DNA变为变为A-

27、DNA后，蛋白质对后，蛋白质对DNA分子的识别也发生了相应变化。分子的识别也发生了相应变化。双螺旋双螺旋DNA的结构参数的结构参数类型类型旋转方向旋转方向螺旋直径螺旋直径（nm）螺距螺距（nm）每转碱基每转碱基对数目对数目碱基对间垂直碱基对间垂直距离（距离（nm）碱基对与水碱基对与水平面倾角平面倾角ADNABDNAZDNA右右右右左左2.02.31.82.83.44.51110120.2550.340.272007一般来说，一般来说，AT丰富的丰富的DNA片段常呈片段常呈B-DNA。采用乙醇沉淀法纯化采用乙醇沉淀法纯化DNA时，整个过程中，大部分时，整个过程中，大部分DNA由由B-DNA经过经

28、过C-DNA，最终变构为，最终变构为A-DNA。三、三、DNA的三级结构的三级结构DNA双螺旋的进一步扭曲构成三级结构，即双螺旋的进一步扭曲构成三级结构，即超螺旋（正、负超螺旋超螺旋（正、负超螺旋）结构。结构。线粒体线粒体DNA，病毒，病毒DNA和细菌质粒和细菌质粒DNA都是环形都是环形DNA，天然的环形，天然的环形可以进一步扭曲称麻花状超螺旋结构。可以进一步扭曲称麻花状超螺旋结构。 原核原核 双链环状双链环状DNA（dcDNA） 病毒病毒 单链环状单链环状DNA（scDNA） 单链线性单链线性DNA（ssDNA） 真核真核 双链线性双链线性DNA（dsDNA）DNA的存在形式的存在形式真核生

29、物中，真核生物中，DNA与组蛋白八聚体形成核小体结构时，存在着负超螺旋。研究发现，与组蛋白八聚体形成核小体结构时，存在着负超螺旋。研究发现，所有的所有的DNA超螺旋都是由超螺旋都是由DNA拓扑异构酶产生的。真核生物拓扑异构酶产生的。真核生物DNA分子较大，由于分子较大，由于DNA分子形成有层次的超螺旋而以一种高度压缩的核酸组蛋白形式，即染色体形式存分子形成有层次的超螺旋而以一种高度压缩的核酸组蛋白形式，即染色体形式存在，所以一个十分小的核便可容纳一个或多个相当大的在，所以一个十分小的核便可容纳一个或多个相当大的DNA分子。分子。DNA超螺旋结构与功能的关系还不是很清楚，可能与复制及转录有关。超

30、螺旋结构与功能的关系还不是很清楚，可能与复制及转录有关。四、四、DNA与基因组与基因组 基因（基因（gene）：一段有功能的）：一段有功能的DNA片段，生物细片段，生物细胞中胞中DNA分子的最小功能单位（交换单位）。分子的最小功能单位（交换单位）。 蛋白质（蛋白质（mRNA mRNA 蛋白质）蛋白质）产物产物 tRNAtRNA RNA RNA rRNA rRNA 调节功能：调节功能：调节基因调节基因无产物无产物 作用未知作用未知结构基因结构基因基因组（基因组（genome）：某生物体（完整单倍体）所含全部遗传物）：某生物体（完整单倍体）所含全部遗传物质的总和。质的总和。包括：核基因组（拟核包括

31、：核基因组（拟核/核核DNA）及核外（质粒）及核外（质粒/质体质体DNA） （( (碱基对碱基对bpbp） 103 104 105 106 107 108 109 1010 1011 1012人人两栖两栖类类鱼类鱼类藻类藻类酵母酵母细菌细菌E.ColE.Coli i病毒病毒质粒质粒各种细胞、病毒和细菌质粒中基因组的大小各种细胞、病毒和细菌质粒中基因组的大小(一一)真核生物基因组结构特点真核生物基因组结构特点1.真核生物基因组真核生物基因组DNA与蛋白质结合形成染色体与蛋白质结合形成染色体,储存于细胞核内储存于细胞核内,体细胞体细胞内的基因组是双份的（除配子细胞外）内的基因组是双份的（除配子细胞

32、外）,即有两份同源的基因组即有两份同源的基因组2.真核细胞基因转录产物为单顺反子真核细胞基因转录产物为单顺反子,即一个结构基因即一个结构基因 转录生成一个转录生成一个mRNA分子分子.3.基因组中存在着大量的重复序列基因组中存在着大量的重复序列,即在整个即在整个DNA中有许多重复出现的核中有许多重复出现的核苷酸顺序苷酸顺序,重复序列可长可短。重复序列可长可短。 卫星卫星DNA(satellite DNA)是一类是一类高度重复序列高度重复序列 DNA在介质氯化铯中在介质氯化铯中作密度梯度离心，离心速度可以高达每分钟几万转；此时作密度梯度离心，离心速度可以高达每分钟几万转；此时DNA分子将按分子将

33、按其大小分布在离心管内不同密度的氯化铯介质中，小的分子处于上层，其大小分布在离心管内不同密度的氯化铯介质中，小的分子处于上层，大的分子处于下层；从离心管外看，不同层面的大的分子处于下层；从离心管外看，不同层面的DNA形成了不同的条带。形成了不同的条带。根据荧光强度的分析，可以看到在一条主带以外还有一个或多个小的卫根据荧光强度的分析，可以看到在一条主带以外还有一个或多个小的卫星带。这些在卫星带中的星带。这些在卫星带中的DNA即被称为卫星即被称为卫星DNA，这种，这种DNA的的GC含量含量一般少于主带中的一般少于主带中的DNA，浮力密度也低。，浮力密度也低。 卫星DNA按其重复单元的核苷酸的多少，

34、可以分为两类。一类是小卫星DNA(minisatellite DNA)，由几百个核苷酸对的单元重复组成。另一类是微卫星DNA(microsatellite DNA)，由2个到20个左右的核苷酸对的单元重复成百上千次所组成 Alu序列是灵长类基因组内的特有的含量丰富的中度重复序列,由300bp的短序列所组成,在单倍体基因组中有30万50万份拷贝,其间隔平均为5kb.到目前为止,对于Alu序列的功能了解的还不多,据推测可能与基因转录的调节,hnRNA的加工以及DNA复制的启动有关.目前已发现众多的疾病与Alu序列在基因组内的插入和不等同源重组有关。 4、基因组中不编码的区域多于编码区域。、基因组中

35、不编码的区域多于编码区域。5、基因是不连续的，即以断裂基因的形式、基因是不连续的，即以断裂基因的形式存在。在真核生物结构基因的内部存在许多存在。在真核生物结构基因的内部存在许多不编码蛋白质的间隔序列，称内含子不编码蛋白质的间隔序列，称内含子（intron）,编码区则称为外显子（编码区则称为外显子（exon）.6、基因组远大于原核生物的基因组，具有、基因组远大于原核生物的基因组，具有许多复制起始点，而每个复制子的长度较小。许多复制起始点，而每个复制子的长度较小。（二）原核生物基因组结构特点（二）原核生物基因组结构特点1. 基因组较小，没有核膜，且形式多样。基因组较小，没有核膜，且形式多样。2.

36、功能相关的结构基因功能相关的结构基因 常常串连在一起，并转常常串连在一起，并转录在同一个录在同一个mRNA分子中，称为多顺反子。分子中，称为多顺反子。3. DNA分子绝大部分用于编码蛋白质，不编码分子绝大部分用于编码蛋白质，不编码部分（间隔区）通常包含控制基因表达的核部分（间隔区）通常包含控制基因表达的核苷酸序列。苷酸序列。4. 基因重叠是病毒基因组的结构特点，即一段基因重叠是病毒基因组的结构特点，即一段DNA片段能够编码两种甚至三种蛋白质分子。片段能够编码两种甚至三种蛋白质分子。5. 除真核细胞病毒外，基因是连续的，即不含除真核细胞病毒外，基因是连续的，即不含内含子。内含子。第四节第四节 R

37、NA的分子结构的分子结构一、一、RNA的类型的类型mRNA（hnRNA 核不均一核不均一RNA）tRNA rRNA snRNARNA：遗传信息的传递者：遗传信息的传递者(一一)信使信使RNA信使信使RNA1.占细胞占细胞RNA 总量总量5%2.以以DNA模板合成模板合成RNA3.以以mRNA为模板合成蛋白质为模板合成蛋白质4.原核生物中原核生物中mRNA寿命很短寿命很短,真核细胞真核细胞mRNA寿命较长寿命较长 5.真核生物有真核生物有5-帽子结构和帽子结构和3端多聚端多聚A尾巴尾巴6. mRNA从从5末端到末端到3 末端结构依次末端结构依次5-帽子结构帽子结构, 5末端非编码区末端非编码区,

38、编码区编码区,3-末端非编码区末端非编码区, 多聚多聚A尾巴尾巴polyA尾一般由数十个至一百几十个腺苷酸连接而成。随着尾一般由数十个至一百几十个腺苷酸连接而成。随着mRNA存在时间的延续，这段存在时间的延续，这段polyA尾巴慢慢变短。尾巴慢慢变短。原核生物的原核生物的mRNA没有这种首尾结构。没有这种首尾结构。帽子结构常分三种类型帽子结构常分三种类型:m7G5ppp5N(帽子帽子0) m7G5ppp5Nm(帽子帽子1)m7G5ppp5N1mpN2m(帽子帽子2)核糖体核糖体RNA1.占细胞占细胞RNA总量总量80%，是细胞质中核蛋白，是细胞质中核蛋白体的组成成分。体的组成成分。2.核蛋白体

39、：直径核蛋白体：直径1020m颗粒颗粒3.rRNA占核糖体的占核糖体的60%，其余为蛋白质。，其余为蛋白质。4.在细胞核内合成，分泌到核外在细胞核内合成，分泌到核外 5.是蛋白质合成的场所是蛋白质合成的场所在蛋白质合成过程中，在蛋白质合成过程中，mRNA只有结合到核蛋白体上后，只有结合到核蛋白体上后，才能起到模板作用。多个核蛋白体结合在才能起到模板作用。多个核蛋白体结合在mRNA链上，就链上，就成为多聚核蛋白体的复合物。成为多聚核蛋白体的复合物。转运转运RNA1.占细胞占细胞RNA总量的总量的15%，游离状态存在于细胞质中，游离状态存在于细胞质中，分子量低分子量低2.特异携带氨基酸和特异识别特

40、异携带氨基酸和特异识别mRNA三联密码子，在蛋三联密码子，在蛋白质合成时携带一定的氨基酸，把氨基酸转运到核蛋白白质合成时携带一定的氨基酸，把氨基酸转运到核蛋白体的体的mRNA上。上。3.tRNA 3 末端三个碱基为末端三个碱基为CCA序列，与其所特异的氨基酸序列，与其所特异的氨基酸结合的部位结合的部位发挥功能必不可少的发挥功能必不可少的4.核糖分子上的核糖分子上的2 -或或 3 -上的羟基与氨基酸羧基脱水形成酯上的羟基与氨基酸羧基脱水形成酯键而实现键而实现tRNA与氨基酸分子的相连接，形成与氨基酸分子的相连接，形成氨基酰氨基酰-tRNA，实现对氨基酸的转运。实现对氨基酸的转运。二、二、RNA的

41、一级结构的一级结构RNA与与DNA相似，也是无分支的大分子。相似，也是无分支的大分子。RNA是由许多的核糖核苷酸按照一定的方式、数量和顺序排是由许多的核糖核苷酸按照一定的方式、数量和顺序排列，通过列，通过3 ，5 5 - -磷酸二酯键相互连接而形成的多聚核苷酸链。磷酸二酯键相互连接而形成的多聚核苷酸链。尽管尽管RNARNA分子中核糖环上分子中核糖环上2 2号碳原子上存在着游离的羟基，号碳原子上存在着游离的羟基，但它并不与磷酸形成酯键（但它并不与磷酸形成酯键（P24P24）。）。 用牛脾磷酸二酯酶降解天然用牛脾磷酸二酯酶降解天然RNARNA时，降解产物中只有时，降解产物中只有3 3 - -核核苷

42、酸而无苷酸而无2 2 -核苷酸就支持了上述结论。核苷酸就支持了上述结论。同同DNA相比，相比，RNA结构有以下不同点：结构有以下不同点：天然天然RNA分子都是单链分子。分子都是单链分子。戊糖是戊糖是 -D-D-核糖，而核糖，而DNA是是-D-2-脱氧核糖脱氧核糖RNA四种碱基是四种碱基是A、U、G、C ，另个含较多稀有碱基，另个含较多稀有碱基，而而DNA中主要含有中主要含有A、G、T、C原核生物原核生物5端没有帽子结构和端没有帽子结构和3端端polyA尾巴（此结构尾巴（此结构与与mRNA的半寿期及其由细胞核向细胞质转移有的半寿期及其由细胞核向细胞质转移有关）关）所有的所有的tRNA其其3端的三

43、个碱基都是端的三个碱基都是-CCA-OH序列序列三、三、RNARNA的二级结构的二级结构1 一种氨基酸对应最少一种一种氨基酸对应最少一种tRNAtRNA, ,2 2 与氨基酸结合后，称某氨基酰与氨基酸结合后，称某氨基酰tRNA（丙氨酰丙氨酰tRNA Ala）3 分子量分子量25000左右，大约由左右，大约由7393个核个核苷酸组成，沉降系数为苷酸组成，沉降系数为4S左右。左右。4 分子中含有较多的修饰成分。分子中含有较多的修饰成分。5 3-末端都具有末端都具有CpCpAOH的结构。的结构。 RNA的二级结构、三级结构的二级结构、三级结构 1. 氨基酸臂氨基酸臂氨基酸臂是结合氨基酸的部位，由氨基

44、酸臂是结合氨基酸的部位，由3 端和端和5 端附近的端附近的7个碱基对形成的个碱基对形成的双螺旋区，其双螺旋区，其3 端的端的-CCA-OH不参与碱基互补配对，以游离的单链形式存在。与该不参与碱基互补配对，以游离的单链形式存在。与该tRNA对应的氨基酸的羟基通过与对应的氨基酸的羟基通过与3 端腺苷酸中端腺苷酸中2 -或或3 -羟基间脱水形成酯键而结合羟基间脱水形成酯键而结合在在tRNA上；上；2. 2. 反密码子环反密码子环 反密码子环由反密码子环由7 7个核苷酸组成，环的中间是由三个核苷酸组成的反密个核苷酸组成，环的中间是由三个核苷酸组成的反密码子，不同的码子，不同的tRNAtRNA该环上的反

45、密码子不同。这个特殊的三联体核酸恰好能与该环上的反密码子不同。这个特殊的三联体核酸恰好能与mRNAmRNA上其所对应的密码子反向互补配对；上其所对应的密码子反向互补配对；3. 3. 二氢尿嘧啶环二氢尿嘧啶环 D D环由环由812812个核苷酸组成，其中含有稀有碱基二氢尿嘧啶，故得个核苷酸组成，其中含有稀有碱基二氢尿嘧啶，故得名，有人认为此环可能和识别氨基酰名，有人认为此环可能和识别氨基酰-tRNA-tRNA合成酶有关，但尚无确切的证据；合成酶有关，但尚无确切的证据；4. 4. 胸腺假尿苷胞苷环胸腺假尿苷胞苷环 TTCC环环 是由是由7 7个不形成碱基对的核苷酸组成的小环，接在由个不形成碱基对的

46、核苷酸组成的小环，接在由5 5个碱基对组成的螺旋区的一端，其间含有个碱基对组成的螺旋区的一端，其间含有RNARNA中很少见的碱基胸腺嘧啶（中很少见的碱基胸腺嘧啶（T T），另），另外还含有稀有碱基假尿嘧啶，此环可能为外还含有稀有碱基假尿嘧啶，此环可能为tRNAtRNA与核蛋白体结合所必需；与核蛋白体结合所必需；5. 5. 额外环额外环 由由318318个核苷酸组成，此环并不是所有个核苷酸组成，此环并不是所有tRNAtRNA中都有的部分，而且，不同中都有的部分，而且，不同的的tRNAtRNA中的这部分大小差异很大，此环中含有的稀有碱基较多。中的这部分大小差异很大，此环中含有的稀有碱基较多。所有的

47、所有的RNARNA分子中都存在着或多或少的双螺旋结构和突环结构，只是不向分子中都存在着或多或少的双螺旋结构和突环结构，只是不向tRNAtRNA分分子二级结构这样具有典型代表性。子二级结构这样具有典型代表性。tRNA的三级结构的三级结构四、四、RNARNA的三级结构的三级结构酵母苯丙氨酸酵母苯丙氨酸-tRNA的三级结构模型的三级结构模型第五节 核酸的理化性质一、一般的理化性质一、一般的理化性质l 两性解离两性解离 / 一般呈酸性（在中性溶液中带负电荷），微一般呈酸性（在中性溶液中带负电荷），微 溶于水，不溶于有机溶剂溶于水，不溶于有机溶剂l线性大分子（粘度高。抗剪切力差）线性大分子（粘度高。抗剪

48、切力差）l可用电泳或离子交换（色谱）进行分离可用电泳或离子交换（色谱）进行分离l室温条件下，室温条件下，DNA在碱中变性，但不水解，在碱中变性，但不水解，RNA水解水解l加热条件下，加热条件下，D核糖浓盐酸苔黑酚核糖浓盐酸苔黑酚 绿色绿色 D2脱氧核糖酸二苯胺脱氧核糖酸二苯胺 蓝紫色蓝紫色二、核酸的紫外吸收特性二、核酸的紫外吸收特性 在核酸分子中，由于嘌呤碱和嘧啶碱具有共轭双键体系，因而具有独特的紫外线吸收光谱，一般在260nm左右有最大吸收峰，可以作为核酸及其组份定性和定量测定的依据。 以A260/A280进行定性、定量（1.45 OD2800.74OD260=蛋白浓度(mg/ml)） DN

49、A和RNA溶液中加入溴化乙锭（EB），在紫外下发出荧光三、核酸的变性、复性与分子杂交三、核酸的变性、复性与分子杂交1. 变性变性稳定核酸双螺旋次级键断裂，空间结构破坏，变成单链结构的过程。稳定核酸双螺旋次级键断裂，空间结构破坏，变成单链结构的过程。核酸的的一级结构核酸的的一级结构(碱基顺序碱基顺序)保持不变。保持不变。变性表征变性表征 生物活性部分丧失、粘度下降、浮力密度升高、紫外吸收增加生物活性部分丧失、粘度下降、浮力密度升高、紫外吸收增加（增色效应）（增色效应）变性因素变性因素 pH（11.3或或5.0） 变性剂（脲、甲酰胺、甲醛）变性剂（脲、甲酰胺、甲醛） 低离子强度低离子强度 加热加热2. 热变性和热变性和Tm DNADNA的变性过程的变性过程是突变性的，它在很窄的温度区间内完是突变性的，它在很窄的温度区间内完成。因此，通常将紫外吸收的增加量达最大量一半时成。因此，通常将紫外吸收的增加量达最大量一半时的温度称熔解温度，用的温度称熔解温度，用T Tm m表示表示。 一般一般DNADNA的的T Tm m值在值在70-8570-85 C C之间。之间。DNADNA的的T Tm m值与分子中的值与分子中的G G和和C C的含量有关。的含量有关。 G G和和C C的