第二章 核酸化学

1、 生物与农业工程学院生物与农业工程学院生物生物化学化学第二章第二章Chemistry of nucleic acid核核 酸酸 化化 学学 生物与农业工程学院生物与农业工程学院生物生物化学化学第一节第一节核酸的组成核酸的组成Composition of nucleic acid 戊糖：戊糖：核糖和脱氧核糖核糖和脱氧核糖 碱基：嘌呤碱和嘧啶碱碱基：嘌呤碱和嘧啶碱 磷酸磷酸 核苷核苷 核苷酸核苷酸 生物与农业工程学院生物与农业工程学院生物生物化学化学 核酸分为两大类核酸分为两大类： 即即核糖核酸核糖核酸( (Ribonucleic Acid, RNA)和和脱氧核糖核酸脱氧核糖核酸( (Deoxyr

2、ibonucleic Acid, DNA)，两者都是由元素，两者都是由元素C、H、O、N、P组成的。组成的。1.1. 核酸的元素组成核酸的元素组成The elemental composition of nucleic acid 生物与农业工程学院生物与农业工程学院生物生物化学化学核酸核酸 nucleic acid核苷酸核苷酸 nucleotide核苷核苷 nucleoside磷酸磷酸 phosphate嘌呤碱嘌呤碱 purine base 或或 嘧啶碱嘧啶碱 pyrimidine base（碱基（碱基 base）核糖核糖 ribose 或或 脱氧脱氧核糖核糖 deoxyribose （戊糖（

3、戊糖 amyl sugar）2. 2. 核酸的分子组成核酸的分子组成 生物与农业工程学院生物与农业工程学院生物生物化学化学一、核糖和脱氧核糖一、核糖和脱氧核糖OHOH2COHOHOH12OHOH2COHOH12-D-核糖核糖-D-2-脱氧核糖脱氧核糖ORibose and deoxyribose 生物与农业工程学院生物与农业工程学院生物生物化学化学二、碱基：嘌呤碱二、碱基：嘌呤碱(purine bose)NNNNHHHNNNNHHHH123 456789嘌呤环嘌呤环NH2腺嘌呤腺嘌呤 adenine（A）NNNNHHOH2N鸟嘌呤鸟嘌呤 guanine（G）（1）（2） 生物与农业工程学院生物

4、与农业工程学院生物生物化学化学嘧啶环嘧啶环123456NNHHHHNNHHHHNH2OH胞嘧啶胞嘧啶 Cytosine（C）二、碱基：嘧啶碱二、碱基：嘧啶碱(pyrimidine base)（1） 生物与农业工程学院生物与农业工程学院生物生物化学化学尿嘧啶尿嘧啶 uracil（U）NNHHHOOHHCH3胸腺嘧啶胸腺嘧啶thymine（T）二、碱基：嘧啶碱二、碱基：嘧啶碱（3）（2）NHHOOHN 生物与农业工程学院生物与农业工程学院生物生物化学化学 在某些核酸中在某些核酸中, ,还存在着少量的其它的还存在着少量的其它的修修饰碱基饰碱基, ,称为稀有碱基称为稀有碱基. . 黄嘌呤黄嘌呤HNNH

5、NNHHHHOO次黄嘌呤次黄嘌呤HNNNNHHHHOHNNHHHCH3NH2OH5-甲基胞嘧啶甲基胞嘧啶二、碱基：稀有碱基二、碱基：稀有碱基 生物与农业工程学院生物与农业工程学院生物生物化学化学NNHNHNNOCH3CH3N,NN,N二甲基鸟嘌呤二甲基鸟嘌呤NHNHOOHHHH双氢尿嘧啶双氢尿嘧啶NHNHSO4-4-巯尿嘧啶巯尿嘧啶 在某些核酸中在某些核酸中, ,还存在着少量的其它的修还存在着少量的其它的修饰碱基饰碱基, ,称为稀有碱基称为稀有碱基. . 二、碱基：稀有碱基二、碱基：稀有碱基 生物与农业工程学院生物与农业工程学院生物生物化学化学NNOOHHH酮式酮式HNNOOHHH酮式酮式HH

6、H烯醇式烯醇式 含氧的碱基有烯醇式和酮式两种互变异构含氧的碱基有烯醇式和酮式两种互变异构体体. . 在生理条件下在生理条件下, , 核酸中的碱基以酮式存在核酸中的碱基以酮式存在. .二、碱基：碱基的烯醇式与酮式互变二、碱基：碱基的烯醇式与酮式互变 生物与农业工程学院生物与农业工程学院生物生物化学化学三、磷酸三、磷酸(phosphate) O HO POH | OH 磷磷 酸酸 O HO PO- | OH 磷磷 酸酸 基基 O -O PO- | O- 磷磷 酸酸 基基 解离解离 生物与农业工程学院生物与农业工程学院生物生物化学化学1. 1. 核苷的形成：核苷的形成：OHOH2CHHHbaseHO

7、HOH四、核苷四、核苷(nucleoside)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糖苷键糖苷键由戊糖与碱基以由戊糖与碱基以“C CN”N”糖苷键结合而糖苷键结合而成。成。 生物与农业工程学院生物与农业工程学院生物生物化学化学OHOH2CHHHHOHOHNNNNNH291腺嘌呤核苷腺嘌呤核苷（adenosineadenosine）胞嘧啶脱氧核苷胞嘧啶脱氧核苷（deoxycytidnedeoxycytidne）OHOH2CHHHHOHHN1NONH21 嘌呤碱嘌呤碱N N9 9或嘧啶碱或嘧啶碱N N1 1上的上的H H被戊糖基被戊糖基C C1 1位取代。位取代。2.

8、 2. 戊糖与碱基的连接方式戊糖与碱基的连接方式四、核苷四、核苷(nucleoside) 生物与农业工程学院生物与农业工程学院生物生物化学化学 3、基本核苷的命名与符号、基本核苷的命名与符号（1 1）命名：全名称：某碱基核糖核苷，）命名：全名称：某碱基核糖核苷， 或或“某碱基脱氧核糖核某碱基脱氧核糖核苷苷”。 简称为：某苷，或简称为：某苷，或“脱氧某苷脱氧某苷”。 如腺苷如腺苷 、脱氧腺苷、脱氧腺苷（2）核苷符号：）核苷符号： 据相应碱基而来，对于脱氧核苷则在碱基据相应碱基而来，对于脱氧核苷则在碱基代号前加代号前加“d”。四、核苷四、核苷(nucleoside) 生物与农业工程学院生物与农业工

9、程学院生物生物化学化学 A G C U dA dG dC dT4. DNA 、RNA分别有四种核苷分别有四种核苷 四、核苷四、核苷(nucleoside) 生物与农业工程学院生物与农业工程学院生物生物化学化学OCH2HHOHHOHHHO (pseudouridine)HNNHOO51假尿嘧啶核苷()5.5.稀有核苷（修饰核苷）稀有核苷（修饰核苷）常见的修饰核苷有常见的修饰核苷有: 次黄苷次黄苷(inosime, I) 黄苷（黄苷（xanthosime,X） 二氢尿苷二氢尿苷(dihydrouridine，D） 7甲基鸟苷（甲基鸟苷（m7G） 假尿苷（假尿苷（）等）等。四、核苷四、核苷(nucl

10、eoside) 生物与农业工程学院生物与农业工程学院生物生物化学化学6. 核苷中取代基团的表示方法核苷中取代基团的表示方法（1 1）核苷的碱基）核苷的碱基上的上的H H被取代的表示方法：被取代的表示方法：m2N2取代位置取代位置取代基取代基取代基数目取代基数目某苷某苷甲基甲基m 乙酰基乙酰基ac 氨基氨基n 甲硫基甲硫基ms 羟基羟基o或或h 硫基硫基s 异戊烯基异戊烯基i 羧基羧基c 取代基用下列小写英文字母表示取代基用下列小写英文字母表示 : : 例如：例如：m62A代表代表 N6，N6-二甲基腺苷二甲基腺苷 生物与农业工程学院生物与农业工程学院生物生物化学化学OCH2HHOHHOCH3H

11、HO2-O-甲基腺苷Ade(Am)（2）核苷的糖分子中）核苷的糖分子中-OH基的基的H被取代后的产被取代后的产物的表示方法：物的表示方法：如：如：Am2（到代基写在某苷的后面）（到代基写在某苷的后面）6. 核苷中取代基团的表示方法核苷中取代基团的表示方法 生物与农业工程学院生物与农业工程学院生物生物化学化学1. nucleotide是核苷的磷酸酯是核苷的磷酸酯五、核苷酸（五、核苷酸（nucleotide）AMPHHHHHHdAMP 此外，核苷酸的核糖此外，核苷酸的核糖C2和和C3位二个自由羟基也可位二个自由羟基也可被磷酸酯化；脱氧核糖分子中则只有被磷酸酯化；脱氧核糖分子中则只有C3和和C5位可

12、被酯位可被酯化。但生物体内的核苷酸多为化。但生物体内的核苷酸多为5-核苷酸。核苷酸。 生物与农业工程学院生物与农业工程学院生物生物化学化学 2. 核苷酸的名称核苷酸的名称五、核苷酸（五、核苷酸（nucleotide） 某苷某苷-酯化位酯化位-磷酸；或磷酸；或 酯化位酯化位-某苷酸。某苷酸。 如：腺苷如：腺苷-5-磷酸，或称磷酸，或称 5-腺苷酸腺苷酸因多为因多为5-核苷酸，故略称某核苷酸，如腺苷酸等核苷酸，故略称某核苷酸，如腺苷酸等 用酶水解用酶水解DNA或或RNA时，可得到时，可得到5-核苷酸和核苷酸和3-核苷酸。生物体内存在少量核苷酸。生物体内存在少量2-核苷酸表示方法为：核苷酸表示方法为

13、： pA表示表示5-腺苷酸，腺苷酸，Ap表示表示3-腺苷酸，腺苷酸，Ap2为为2-腺苷酸。腺苷酸。 生物与农业工程学院生物与农业工程学院生物生物化学化学3. 核苷酸的代号核苷酸的代号五、核苷酸（五、核苷酸（nucleotide）DNA和和RNA各有四种基本核苷酸：各有四种基本核苷酸： 构成构成RNA的是：的是： AMP、GMP、CMP、UMP；（NMP） 构成构成DNA的是：的是： dAMP、dGMP、dCMP、dTMP （dNMP） 生物与农业工程学院生物与农业工程学院生物生物化学化学OHOH2COHOHOH12345核核 糖糖NNNNHHHH9腺嘌呤腺嘌呤腺苷腺苷PO-OOAMPOP O-

14、OOADPATPP O-OO4.NMP和和dNMP还与磷酸结合，还与磷酸结合，产生相应的（脱氧）核苷二磷产生相应的（脱氧）核苷二磷酸或（脱氧）核苷三磷酸。酸或（脱氧）核苷三磷酸。五、核苷酸（五、核苷酸（nucleotide） 生物与农业工程学院生物与农业工程学院生物生物化学化学（1）各种核苷三磷酸和脱氧核苷三磷酸是体内合）各种核苷三磷酸和脱氧核苷三磷酸是体内合成成RNA和和DNA的直接原料。的直接原料。（2）参与体内的能量代谢过程：）参与体内的能量代谢过程：ATP能量能量“货币货币”UTP参加糖的互相转化与合成参加糖的互相转化与合成CTP参加磷脂的合成参加磷脂的合成GTP参加蛋白质和嘌呤的合成

15、参加蛋白质和嘌呤的合成（3）第二信使：）第二信使：cAMP、cGMP5. 5. 核苷酸的生物学作用核苷酸的生物学作用五、核苷酸（五、核苷酸（nucleotide）（4）腺苷酸是某些辅酶的结构成分，如）腺苷酸是某些辅酶的结构成分，如NAD+等等（5）核苷多磷酸和寡核苷多磷酸参与代谢调控）核苷多磷酸和寡核苷多磷酸参与代谢调控 生物与农业工程学院生物与农业工程学院生物生物化学化学（6）核苷酸的性质）核苷酸的性质 在在260-290 nm处有光吸收处有光吸收,最大吸收峰为最大吸收峰为260 nm。 各核苷酸的紫外吸收有差异，可鉴定不同的核苷酸；各核苷酸的紫外吸收有差异，可鉴定不同的核苷酸； 两性解离和

16、等电点：两性解离和等电点： 当第一磷酸基和碱基的解离度相同时（第二磷酸当第一磷酸基和碱基的解离度相同时（第二磷酸基尚未解离）的溶液基尚未解离）的溶液pH称为该核苷酸的等电点，称为该核苷酸的等电点， 但但UMP的不能形成兼性离子。的不能形成兼性离子。五、核苷酸（五、核苷酸（nucleotide） 生物与农业工程学院生物与农业工程学院生物生物化学化学 常在常在pH3-5条件下进行电泳。电泳时的移动速度条件下进行电泳。电泳时的移动速度依次为：依次为：UMP GMP AMP CMP 用阳离子交换树脂分离各核苷酸时，以低用阳离子交换树脂分离各核苷酸时，以低pH使使核苷酸带上正电荷。用核苷酸带上正电荷。用

17、pH递增的缓冲液洗脱时，洗递增的缓冲液洗脱时，洗脱顺序为：脱顺序为：UMPGMP CMP AMP； 若为阴离子交换树脂，用若为阴离子交换树脂，用pH递减的缓冲液洗脱递减的缓冲液洗脱时的洗脱顺序则为：时的洗脱顺序则为： UMP AMP CMP G MP五、核苷酸（五、核苷酸（nucleotide）各核苷酸的等电点各核苷酸的等电点UMPCMPAMPGMPpI02.652.31.55 生物与农业工程学院生物与农业工程学院生物生物化学化学第二节第二节 DNA的结构的结构一级结构一级结构二级结构二级结构三级结构三级结构高级结构高级结构 生物与农业工程学院生物与农业工程学院生物生物化学化学一、一、DNA的

18、一级结构的一级结构1. 定义：定义： 因脱氧核苷酸只是碱基不同，所以常被因脱氧核苷酸只是碱基不同，所以常被认为是碱基序列（认为是碱基序列（base sequence)。是指脱氧核苷酸残基的排列顺序，也叫序列。是指脱氧核苷酸残基的排列顺序，也叫序列。 DNA序列是线形的，或环形的序列是线形的，或环形的2. 主键：主键：3-5-磷酸二酯键磷酸二酯键 生物与农业工程学院生物与农业工程学院生物生物化学化学55333. 链的方向性链的方向性：3-端，端，5-端端: 5-3或或3-5。4.4.书写方法书写方法5 pApCpTpGpCpT-OH 3 5 -A C T G C T- 3 一、一、DNA的一级结

19、构的一级结构 生物与农业工程学院生物与农业工程学院生物生物化学化学二、二、DNA的二级结构的二级结构1. 1953年，年，Watson 和和Crick 提出提出了两条由提出提出了两条由DNA单链通过碱基互补配对形成双螺旋结构。单链通过碱基互补配对形成双螺旋结构。 生物与农业工程学院生物与农业工程学院生物生物化学化学2. 双螺旋结构的主要依据双螺旋结构的主要依据 （1）X射线衍射数据；射线衍射数据；Wilkins和和Franklin发现不同来源的发现不同来源的DNA纤维具有相似的纤维具有相似的X射线衍射线衍射图谱，说明射图谱，说明DNA有共同的分子结构，含有有共同的分子结构，含有两条或以上的多核

20、苷酸链。两条或以上的多核苷酸链。 （2）碱基成对的证据：）碱基成对的证据：Chargaff发现发现DNA中中A与与T、C与与G的数目相等。后的数目相等。后Pauling 和和Corey发现发现A与与T生成生成2个氢键、个氢键、C与与G生成生成3个氢键。个氢键。 （3）DNA滴定证据：嘌呤和嘧啶的可解离基滴定证据：嘌呤和嘧啶的可解离基团由氢键连接，不能滴定，磷酸基团可以滴定。团由氢键连接，不能滴定，磷酸基团可以滴定。二、二、DNA的二级结构的二级结构 生物与农业工程学院生物与农业工程学院生物生物化学化学3. 双螺旋结构模型要点双螺旋结构模型要点(1) DNA分子由两条方向相反分子由两条方向相反的

21、单链构成，两条的单链构成，两条DNA单链单链围绕一假想的共同轴心形成围绕一假想的共同轴心形成一右手螺旋结构，两股链之一右手螺旋结构，两股链之间在空间上形成一条大沟和间在空间上形成一条大沟和一条小沟。一条小沟。5335二、二、DNA的二级结构的二级结构 生物与农业工程学院生物与农业工程学院生物生物化学化学(2) 双螺旋的螺距为双螺旋的螺距为3.4nm，含，含10个碱基个碱基对对(base pair, bp)，相邻碱基对平面间相邻碱基对平面间的距离为的距离为0.34 nm。螺旋直径为螺旋直径为2.0nm。二、二、DNA的二级结构的二级结构 生物与农业工程学院生物与农业工程学院生物生物化学化学(3)

22、 链的骨架由交替出链的骨架由交替出现的、亲水的脱氧核现的、亲水的脱氧核糖基和磷酸基构成，糖基和磷酸基构成，位于双螺旋的外侧。位于双螺旋的外侧。碱基位于双螺旋内侧，碱基位于双螺旋内侧，A与与T，G与与C配对，配对，碱基平面几乎与中心碱基平面几乎与中心轴垂直。轴垂直。二、二、DNA的二级结构的二级结构 生物与农业工程学院生物与农业工程学院生物生物化学化学碱基互补配对碱基互补配对 (4) 大多数天然大多数天然DNA属双链结构属双链结构DNA（double strange DNA, dsDNA），某些病毒的），某些病毒的DNA是单是单链分子（链分子（single strange DNA, ssDNA）

23、。）。二、二、DNA的二级结构的二级结构 生物与农业工程学院生物与农业工程学院生物生物化学化学4. DNA双螺旋的构象类型双螺旋的构象类型 当钠盐浓度和相对湿度等改变时，当钠盐浓度和相对湿度等改变时，DNA的构象发生的构象发生改变。改变。 （1）B-DNA：DNA钠盐钠盐在在92%相对湿度时的构象，相对湿度时的构象，接近细胞内的接近细胞内的DNA构象，构象，与与Watson 和和Crick的模的模型相似。型相似。二、二、DNA的二级结构的二级结构 生物与农业工程学院生物与农业工程学院生物生物化学化学（2）A-DNA：DNA钠盐在钠盐在75%相对湿度时的构象，与相对湿度时的构象，与DNA-RNA

24、分子的构象相似，转录时发生分子的构象相似，转录时发生BA的转变。的转变。每转含每转含11bp，螺距，螺距2.8 nm，螺旋直径，螺旋直径2.3 nm二、二、DNA的二级结构的二级结构 生物与农业工程学院生物与农业工程学院生物生物化学化学（3）Z-DNA：人工合成的：人工合成的DNA片段的主链呈锯齿型左片段的主链呈锯齿型左向盘绕，只有小沟，称向盘绕，只有小沟，称Z-DNA。体内高度甲基化的。体内高度甲基化的DNA片段区域是片段区域是Z-DNA构象，与基因调控有关。构象，与基因调控有关。左旋左旋, 锯齿状锯齿状每转含每转含12bp，螺距螺距4.5 nm，螺旋直径螺旋直径1.8 nm二、二、DNA的

25、二级结构的二级结构 生物与农业工程学院生物与农业工程学院生物生物化学化学双螺旋双螺旋DNADNA的类型与结构参数的类型与结构参数类型类型旋转旋转方向方向螺旋螺旋直径直径（nm）螺距螺距（nm）每转碱每转碱基对数基对数目目碱基对间碱基对间垂直距离垂直距离（nm）碱基对碱基对与水平与水平面倾角面倾角ADNABDNAZDNA右右右右左左2.32.01.82.83.44.51110120.2550.340.372007二、二、DNA的二级结构的二级结构 生物与农业工程学院生物与农业工程学院生物生物化学化学5.5.其他形式的二级结构其他形式的二级结构（1 1）回文序列）回文序列( (palindromi

26、c sequence）与发夹结构与发夹结构 单链序列内以对称点为中心，两侧碱基互补的序列区域。单链序列内以对称点为中心，两侧碱基互补的序列区域。该区域的双链该区域的双链DNADNA反转反转1801800 0时，其序列一致，称回文序列。时，其序列一致，称回文序列。 发夹发夹结构结构十字十字结构结构二、二、DNA的二级结构的二级结构 生物与农业工程学院生物与农业工程学院生物生物化学化学（2）镜像重复与三链）镜像重复与三链DNA（三股螺旋）（三股螺旋） 通常仅是一段三链区。通常仅是一段三链区。 按来源分为：分子间三按来源分为：分子间三股螺旋（插入）股螺旋（插入） ，分子内，分子内三股螺旋（双链之一回

27、折）三股螺旋（双链之一回折） 三链区的碱基配对三链区的碱基配对 CG=C CG=G T=A=T T=A=A三股螺旋三股螺旋镜象结构镜象结构二、二、DNA的二级结构的二级结构 生物与农业工程学院生物与农业工程学院生物生物化学化学 如端粒尾部区域富如端粒尾部区域富G的的串联重复序列单链能形成串联重复序列单链能形成G-四联体。其中心有四联体。其中心有4个带负电个带负电荷的羧基氧原子围成的荷的羧基氧原子围成的“口口袋袋”，通过，通过G-四联体的堆积四联体的堆积可以形成分子内或分子间的可以形成分子内或分子间的右手螺旋。右手螺旋。 G-四连体多见于一些在四连体多见于一些在进化上相当保守的基因区域，进化上相

28、当保守的基因区域，可能是作为分子之间相互识可能是作为分子之间相互识别的元件之一。别的元件之一。四链四链DNADNA（3 3）四链）四链DNADNA二、二、DNA的二级结构的二级结构 生物与农业工程学院生物与农业工程学院生物生物化学化学三、三、DNADNA的三级结构的三级结构1 1定义定义：双螺旋：双螺旋DNADNA进一步扭曲盘绕形成的进一步扭曲盘绕形成的结构，超螺旋是结构，超螺旋是DNADNA三级结构的主要形式。三级结构的主要形式。 生物与农业工程学院生物与农业工程学院生物生物化学化学超螺旋超螺旋(supercolis)的种类的种类 正超螺旋：过旋造成正超螺旋：过旋造成 负超螺旋：欠旋造成负超

29、螺旋：欠旋造成三、三、DNADNA的三级结构的三级结构 在双螺旋结构中，每旋转一圈含有在双螺旋结构中，每旋转一圈含有10个碱基对时，个碱基对时，处于能量最低的状态，少于处于能量最低的状态，少于10个个(欠旋欠旋)就会形成负超就会形成负超螺旋螺旋/右手螺旋，多于右手螺旋，多于10个（过旋）为正超螺旋个（过旋）为正超螺旋/左手左手螺旋。螺旋。 生物与农业工程学院生物与农业工程学院生物生物化学化学 原核细胞中的原核细胞中的DNA在在DNA拓扑民构酶拓扑民构酶作用下，由作用下，由ATP提供能量形成的环状提供能量形成的环状DNA负超螺旋负超螺旋，真核细胞中的，真核细胞中的DNA与组蛋白形成的核小体以与组

30、蛋白形成的核小体以正超螺旋正超螺旋结构存在结构存在 三、三、DNADNA的三级结构的三级结构：双螺旋圈数；：双螺旋圈数； W：超螺旋数；：超螺旋数；L：DNA中一条链绕另一条链的总次数中一条链绕另一条链的总次数W=L - T 生物与农业工程学院生物与农业工程学院生物生物化学化学1 1、原核生物、原核生物DNADNA的高级结构的高级结构四、四、DNADNA的高级结构的高级结构 在共价闭环双螺旋基础上进一步扭转盘曲在共价闭环双螺旋基础上进一步扭转盘曲, ,形成超螺旋形成超螺旋(supercoil(supercoil),),体积进一步压缩。体积进一步压缩。 生物与农业工程学院生物与农业工程学院生物生

31、物化学化学 核心颗粒：由组蛋白核心颗粒：由组蛋白H2A，H2B，H3和和H4各两分子构成的各两分子构成的致密八聚体，以及缠绕其上致密八聚体，以及缠绕其上1.75圈长度约圈长度约146bp的的DNA链组成。链组成。 连接区：由连接区：由8114bp的连的连接接DNA和位于连接区和位于连接区DNA上上的组蛋白的组蛋白H1组成。组成。 2. DNA在真核生物细胞核内的组装在真核生物细胞核内的组装四、四、DNADNA的高级结构的高级结构 （1）核小体）核小体(nucleosome) 染色体的基本结构单位，由核心颗粒和连接区组成染色体的基本结构单位，由核心颗粒和连接区组成 生物与农业工程学院生物与农业工

32、程学院生物生物化学化学四、四、DNADNA的高级结构的高级结构 生物与农业工程学院生物与农业工程学院生物生物化学化学（2 2）染色质和染色体）染色质和染色体 多级螺旋模型多级螺旋模型: 压缩倍数压缩倍数 6-7 40 1.2104 1.2104 5 DNA 核小体核小体 螺线管螺线管 微带微带 染色单体染色单体 2nm 11nm 30nm 0.84m 0.84m 一级包装一级包装 二级包装二级包装 三级包装三级包装 四级包装四级包装四、四、DNADNA的高级结构的高级结构 生物与农业工程学院生物与农业工程学院生物生物化学化学第四节第四节DNA与基因组与基因组(DNA and genome) D

33、NA与基因与基因 原核生物基因组的特点原核生物基因组的特点 真核生物基因级的特点真核生物基因级的特点 生物与农业工程学院生物与农业工程学院生物生物化学化学 DNATranscriptionRNATranslationProtein基因基因 基因是基因是DNADNA分子中的特定区段，是最小的功分子中的特定区段，是最小的功能单位。能单位。结构基因结构基因:为为RNA和蛋白质编码的基因和蛋白质编码的基因调节基因调节基因: 有调节功能，不产生有调节功能，不产生RNA一、一、DNADNA与基因与基因间隔序列：不产生间隔序列：不产生RNARNA，也无调节功能，也无调节功能 基因组：某物种所含的全部遗传物质

34、。基因组：某物种所含的全部遗传物质。 DNA 生物与农业工程学院生物与农业工程学院生物生物化学化学二、原核生物基因组的特点二、原核生物基因组的特点（1）基因组较小：）基因组较小： 只有一个双链或单链的、环状或线形的、只有一个双链或单链的、环状或线形的、DNA或或RNA分子，分子，（3）基因是连续的，多构成操纵子）基因是连续的，多构成操纵子（2）DNA大部分为结构基因大部分为结构基因 操纵子：功能相关的基因串联在一起，并转录在操纵子：功能相关的基因串联在一起，并转录在同一同一mRNA中中,受控于共同的调控元件，这种结构称受控于共同的调控元件，这种结构称为操纵子（为操纵子（operon）。）。 生

35、物与农业工程学院生物与农业工程学院生物生物化学化学三、真核生物基因组的特点三、真核生物基因组的特点（1 1）基因组较大，多为线形双链）基因组较大，多为线形双链DNADNA；（2 2）基因是独立的转录单位，无操纵子结构；）基因是独立的转录单位，无操纵子结构；（3 3）除少量的单拷贝序列外，存在大量的重复序列：）除少量的单拷贝序列外，存在大量的重复序列： 分为高、中、低重复序列，：分为高、中、低重复序列，：a.高度重复序列：高度重复序列： 可重复几百万次可重复几百万次b.中度重复序列：中度重复序列：重复几十到几万次重复几十到几万次c. 低度重复序列低度重复序列如，编码细胞骨架蛋白等蛋白如，编码细胞

36、骨架蛋白等蛋白质的基因等，只有数个拷贝。质的基因等，只有数个拷贝。 生物与农业工程学院生物与农业工程学院生物生物化学化学三、真核生物基因组的特点三、真核生物基因组的特点（4 4）基因不连续）基因不连续, ,由内含子和外显子构成由内含子和外显子构成, ,称断裂基因称断裂基因mRNA1 872bpABCDEG7 700bpFtranscription内含子（内含子（intronintron) )是基因中不为多是基因中不为多肽编码，不在肽编码，不在mRNAmRNA中出现的间中出现的间隔序列。隔序列。外显子（外显子（exonsexons）是）是基因内为多肽编码的基因内为多肽编码的基因片段。基因片段。例

37、外：组蛋白基因和干扰素基因没有内含子。例外：组蛋白基因和干扰素基因没有内含子。 生物与农业工程学院生物与农业工程学院生物生物化学化学 位于异染色质，不编码蛋白位于异染色质，不编码蛋白和和RNA，可能与染色体结构的形，可能与染色体结构的形成及基因表达调控有关。一般富成及基因表达调控有关。一般富含含A-T或或G-C，富含，富含A-T的在密度的在密度梯度离心时在离心管中形成的区梯度离心时在离心管中形成的区带比主体带比主体DNA（非重复序列）更（非重复序列）更靠近管口；富含靠近管口；富含G-C的更靠近管的更靠近管底，称为卫星底，称为卫星DNA（satellite DNA）富含富含A-T富含富含G-C主

38、体主体DNA附：真核附：真核DNA中的重复序列中的重复序列a.高度重复序列：高度重复序列： 生物与农业工程学院生物与农业工程学院生物生物化学化学 （1）小卫星）小卫星DNA（minisatellite DNA）：位于常染）：位于常染色体上色体上，15-40bp15-40bp，重复，重复10-110-1万次。拷贝数存在个体差万次。拷贝数存在个体差异，并以孟德尔方式遗传，作为异，并以孟德尔方式遗传，作为DNADNA的指纹图谱常用于的指纹图谱常用于基因定位、亲子鉴定、身份确定等。基因定位、亲子鉴定、身份确定等。 （2）微卫星）微卫星DNA（microsatellite DNA）：又称短）：又称短串联

39、重复序列（串联重复序列（ STR），），1-5bp，重复，重复10-60，有显著，有显著个体差异，用于基因组作图的标记；由于其侧翼序列个体差异，用于基因组作图的标记；由于其侧翼序列高度保守，可用来设计引物和探针。高度保守，可用来设计引物和探针。（3 3）rDNArDNA ：位于核仁组织区。：位于核仁组织区。b.中度重复序列：中度重复序列：附：真核附：真核DNA中的重复序列中的重复序列 生物与农业工程学院生物与农业工程学院生物生物化学化学真核生物与原核生物基因组特点的比较真核生物与原核生物基因组特点的比较真核生物真核生物原核生物原核生物基因组大小基因组大小较大，一般为双链线较大，一般为双链线型，

40、与组蛋白结合成型，与组蛋白结合成染色体处于核内。染色体处于核内。 较小，无核膜包裹，形式多样。较小，无核膜包裹，形式多样。可单链也可双链，可可单链也可双链，可DNA也可也可RNA，可闭环也可线型。，可闭环也可线型。拷贝序列拷贝序列 存在大量重复序列存在大量重复序列 除调控序列外，除调控序列外，DNA大部分是大部分是为蛋白质编码的结构基因，且为蛋白质编码的结构基因，且每个只出现一次或几次。每个只出现一次或几次。基因是否连基因是否连续续 不连续，存在大量的不连续，存在大量的内含子。内含子。 基因是连续的，不含内含子序基因是连续的，不含内含子序列。列。基因是否重基因是否重叠叠一般不重叠一般不重叠基因

41、重叠基因重叠 生物与农业工程学院生物与农业工程学院生物生物化学化学第五节第五节RNA的结构与功能的结构与功能The structure and functin of RNA一、RNA的一级结构 二、一般RNA的空间结构三、tRNA的结构四、rRNA的种类与结构五、mRNA与hnRNA六、其它RNA 生物与农业工程学院生物与农业工程学院生物生物化学化学 RNA的一级结构是指各核苷酸残基在RNA链上的连接顺序。一、一、RNA的一级结构的一级结构 生物与农业工程学院生物与农业工程学院生物生物化学化学二、一般二、一般RNA的空间结构的空间结构 单链单链RNA自身回折自身回折,通过碱基互补配对形成通过碱

42、基互补配对形成部分双螺旋结构，或其它的空间构象；不能配部分双螺旋结构，或其它的空间构象；不能配对的碱基区域则形成突环。对的碱基区域则形成突环。少数病毒少数病毒RNA是双链螺旋是双链螺旋, ,称双链称双链RNA(RNA(dsRNA) ) 双螺旋双螺旋突环突环 生物与农业工程学院生物与农业工程学院生物生物化学化学 tRNA约占RNA总量的15%，种类一般在50种以上，功能是转运氨基酸。分子较小，平均为4S 。 研究表明，tRNA具有共同的二级结构模式：三叶草状结构。三、三、tRNA的结构的结构 生物与农业工程学院生物与农业工程学院生物生物化学化学D环环 接受茎接受茎/ /氨基酸壁氨基酸壁3TC l

43、oopVariable loopanticodon loopD loopanticodoncodon1. tRNA的二级结构的二级结构（1 1）四环四臂结构）四环四臂结构 以以76b 的的tRNA为标准，多于为标准，多于76b的增加的是的增加的是17、20、47位。位。（2 2）氨基酸臂）氨基酸臂 （接受茎）（接受茎） 7bp（5端的端的1-7与与3端的端的67-72） 3-CCA-OH是共是共有结构，能接受活有结构，能接受活化的氨基酸化的氨基酸 生物与农业工程学院生物与农业工程学院生物生物化学化学D环环 接受茎接受茎/ /氨基酸壁氨基酸壁3TC loopVariable loopantico

44、don loopD loopanticodoncodon1. tRNA的二级结构的二级结构（3 3） 二氢尿嘧啶环二氢尿嘧啶环（DHU环环 或或D环）和环）和D臂：臂： D壁：壁：3-4bp（第（第10-25位）；位）；D环：环：8-14b的。因的。因具两个具两个D而得名。而得名。 生物与农业工程学院生物与农业工程学院生物生物化学化学D环环 接受茎接受茎/ /氨基酸壁氨基酸壁3TC loopVariable loopanticodon loopD loopanticodoncodon1. tRNA的二级结构的二级结构（4 4）反密码环）反密码环/ /茎茎Anticodon sterm: 5bp

45、（27-43位）位）Anticodon loop: 7b 其其 生物与农业工程学院生物与农业工程学院生物生物化学化学D环环 接受茎接受茎/ /氨基酸壁氨基酸壁3TC loopVariable loopanticodon loopD loopanticodoncodon1. tRNA的二级结构的二级结构(5)(5)可变环可变环/ /额外环额外环 第第44-48位。多数位。多数tRNA含含4-5b，少数，少数13-21b，数，数目可变，目可变， 生物与农业工程学院生物与农业工程学院生物生物化学化学D环环 接受茎接受茎/ /氨基酸壁氨基酸壁3TC loopVariable loopanticodon

46、 loopD loopanticodoncodon1. tRNA的二级结构的二级结构(6) TC(6) TC环环/ /茎茎 TC臂臂：5bp（49-65位）位）TC环环：7b，因，因含含TC而得名。而得名。 生物与农业工程学院生物与农业工程学院生物生物化学化学 2、tRNA的三级结构的三级结构TC loopD loop 生物与农业工程学院生物与农业工程学院生物生物化学化学 2、tRNA的三级结构的三级结构 生物与农业工程学院生物与农业工程学院生物生物化学化学四、四、rRNA的种类与结构的种类与结构 占细胞占细胞RNA总量的总量的80%，与蛋白质（，与蛋白质（40%）共同）共同组成核糖体（组成核

47、糖体（rRNA占核糖体的占核糖体的60% ）。）。核糖体和所含的核糖体和所含的rRNA rRNA通过分子内氢键形成许多的臂和突环，并自身折叠形成复杂的构象，它决定核糖体亚基的形态。原原 核核 生生 物物 真真 核核 生生 物物核糖体核糖体rRNA核糖体核糖体rRNA70S 30S 50S16S；5S和和23S18S5S、5.8S、28S80S 40S 60S 生物与农业工程学院生物与农业工程学院生物生物化学化学五、五、mRNA与与hnRNA mRNA约占细胞RNA总量的35%，是蛋白质合成的模板。 mRNA一般呈单链，可回折成二级结构，如发夹式。 生物与农业工程学院生物与农业工程学院生物生物化

48、学化学 真核生物mRNA的前体在核内合成，包括整个基因的内含子和外显子的转录产物，形成分子大小极不均匀的hnRNA(heterogeneous nuclear RNA )。即核内不均一RNA； hnRNA被加工为成熟的mRNA后，进入细胞质指导蛋白质的合成。1. 真核生物真核生物mRNA的结构的结构 生物与农业工程学院生物与农业工程学院生物生物化学化学AAAA Anm7GpppAUG GUGUAA5 3 5 帽子结构帽子结构 密码子密码子 3 多聚多聚A尾尾 5 5非编码区非编码区 编码区编码区 33非编码区非编码区1. 真核生物真核生物mRNA的结构的结构 生物与农业工程学院生物与农业工程学

49、院生物生物化学化学2. 原核生物原核生物mRNA的结构的结构 原核生物的基因不含内含子序列，转录产生的mRNA不经过加工直接指导蛋白质的合成。因此， 其转录和翻译在细胞内的同一时间和空间内进行的。 原核mRNA的5非编码区无帽子结构而含有S-D序列，3非编码区无多聚A尾。 生物与农业工程学院生物与农业工程学院生物生物化学化学六、六、 其它其它RNA1. snRNA（small nuclear RNA) 小核RNA主要位于细胞核中，有5种，少数穿梭于核质之间，占细胞RNA总量的0.11%，一般58-300b，多与蛋白质以RNP（核糖核酸蛋白）的形式存在。 其中5-有帽子、分子内含U多的称U-RN

50、A，如：U1和U2等； U-RNA在hnRNA和rRNA的加工中有重要作用；其它的snRNA在细胞分裂和分化、协助细胞内物质运输、构成染色质等方面有重要作用。 生物与农业工程学院生物与农业工程学院生物生物化学化学2. snoRNA（核仁小（核仁小RNA） 核仁小RNA（small nucleolar RNA）分布于核仁组织区，主要参与rRNA前体等的加工与修饰。六、六、 其它其它RNA 生物与农业工程学院生物与农业工程学院生物生物化学化学 1983年在原核生物中发现了反义RNA，asRNA（antisense RNA）可通过互补序列与特定的mRNA结合，抑制mRNA的翻译，还可抑制DNA的复制

51、和转录。随后在真核细胞中也发现了asRNA，并得到了较广泛的应用。3. 反义反义RNA（antisence RNA, asRNA）六、六、 其它其它RNA 生物与农业工程学院生物与农业工程学院生物生物化学化学六、六、 其它其它RNA4. 小干扰小干扰RNA（small interfering RNA, siRNA） siRNA是一类由21-25bp的外源性双链RNA分子。人工合成的或由病毒RNA诱导产生的。由Dicer（RNAase 家族中对双链RNA具有特异性的酶）加工而成，是siRISC的主要成分，能诱导与之互补的目标mRNA的降解沉默 。 生物与农业工程学院生物与农业工程学院生物生物化学

52、化学5. 5. 端粒酶端粒酶RNA（telomerase RNA）六、六、 其它其它RNA 端粒酶由蛋白质和RNA组成，其中的RNA是真核染色体端粒复制的模板。 生物与农业工程学院生物与农业工程学院生物生物化学化学6. 微小微小RNA（microRNA, miRNA）: 由真核基因组由真核基因组DNA非编码区转录产生的长度为非编码区转录产生的长度为22nt左右的单链左右的单链RNA。较长的初级转录物经过一系列。较长的初级转录物经过一系列核酸酶的剪切加工，成为成熟的核酸酶的剪切加工，成为成熟的miRNA，随后组装进，随后组装进RNA诱导的沉默复合体，通过碱基互补配对的方式识诱导的沉默复合体，通过

53、碱基互补配对的方式识别靶别靶mRNA，并根据互补程度的不同指导沉默复合体，并根据互补程度的不同指导沉默复合体降解靶降解靶mRNA或者阻遏靶或者阻遏靶mRNA的翻译等。的翻译等。 miRNA调节发育、病毒防御、造血过程、器官形调节发育、病毒防御、造血过程、器官形成、细胞增殖和凋亡、脂肪代谢等等。成、细胞增殖和凋亡、脂肪代谢等等。 六、六、 其它其它RNA 生物与农业工程学院生物与农业工程学院生物生物化学化学第六节第六节一、一般理化性质二、核酸的紫外吸收性质三、核酸结构的稳定性四、核酸的变性五、核酸的复性六、核酸分子杂交核酸的性质核酸的性质（Properties of nucleic acids）

54、 生物与农业工程学院生物与农业工程学院生物生物化学化学第六节第六节 核酸的性质核酸的性质一、一般理化性质一、一般理化性质3. 是两性电解质。是两性电解质。 由于磷酸基的酸性比碱基的碱性强，故表现为酸性。DNA的pI为4-5，RNA的为2-2.5。1. DNA是白色纤维状固体, RNA是白色粉末, 微溶于水, 不溶于有机溶剂, 常用乙醇沉淀核酸。2. DNA溶液的粘度极高，而RNA溶液要小得多。 生物与农业工程学院生物与农业工程学院生物生物化学化学4. DNA和和RNA都能被酸、碱和酶水解都能被酸、碱和酶水解 碱水解碱水解：RNA能在室温条件下被稀碱水解，产生2-核苷酸和3-核苷酸，而DNA没有

55、2-OH，对碱稳定，常用此性质除去溶液中的RNA杂质。 酸水解：酸水解：因磷酸酯键比糖苷键稳定。所以在对核酸进行部分水解时，很少采用酸水解。一、一般理化性质一、一般理化性质酶水解：酶水解：水解核酸的酶有许多种。分为：RNA酶（酶（RNase）和）和DNA（DNace）内切酶（内切酶（endonuclease）外切酶（）外切酶（exonuclease） 生物与农业工程学院生物与农业工程学院生物生物化学化学实验室中常用的核酸酶实验室中常用的核酸酶RNase:来自牛胰的专一性内切酶，水解产物为3-嘧啶核苷酸和以其结尾的寡核苷酸。 常用的常用的RNase 常用的常用的DNase: DNase (牛胰脱

56、氧核糖核酸酶牛胰脱氧核糖核酸酶)： 水解单链或双 链DNA为4b的以5-磷酸为末端的寡核苷酸 生物与农业工程学院生物与农业工程学院生物生物化学化学5. 利用核糖和脱氧核糖不同的显色反应，可鉴利用核糖和脱氧核糖不同的显色反应，可鉴 定和定量测定定和定量测定DNA与与RNA。D-核糖 + 浓盐酸+甲基间苯二酚（苔黑酚）绿色产物D-2-脱氧核糖 + 浓盐酸+二苯胺蓝紫色产物RNA和和DNA定性、定量测定定性、定量测定一、一般理化性质一、一般理化性质 生物与农业工程学院生物与农业工程学院生物生物化学化学二、核酸的紫外吸收性质二、核酸的紫外吸收性质 核酸的碱基具有共扼双键，在250-290nm范围内有紫

57、外吸收，最大吸收峰为260nm。00.10.20.30.4220240260280300波长 / nm光吸收蛋白质的紫外吸收峰在280nm。1. 核酸的紫外吸收峰核酸的紫外吸收峰 生物与农业工程学院生物与农业工程学院生物生物化学化学 由于双螺旋结构中碱基的堆积降低了其对紫外光的吸收。 当核酸水解成核苷酸时或变性后，紫外吸收值增加30%-40%，这种现象称为增色效应增色效应（helper chromic effect）。 当变性核酸复性后，光吸收值又回复到原来水平，这称为减色效应减色效应。二、核酸的紫外吸收性质二、核酸的紫外吸收性质2. 紫外吸收值的增色效应与减色效应紫外吸收值的增色效应与减色效

58、应 生物与农业工程学院生物与农业工程学院生物生物化学化学 用紫外分光光度计在A260处测定样品的光吸收值，1 mg/ml的DNA样品的吸光度为0.020, RNA则为0.0240。因此：二、核酸的紫外吸收性质二、核酸的紫外吸收性质3. DNA和和RNA的定量的定量DNA浓度（mg/ml）=A2600.020 稀释倍数RNA浓度（mg/ml）=A2600.024 稀释倍数 生物与农业工程学院生物与农业工程学院生物生物化学化学三、核酸结构的稳定性三、核酸结构的稳定性1.氢键氢键： （1）碱基对间的氢键碱基对间的氢键：维持横向稳定 （2）螺旋内氢键螺旋内氢键：维持纵向稳定 （3）外部氢键外部氢键：维持空间结构稳定2.碱基堆积力（碱基堆积力（base stacking force）： 范德华引力范德华引力：DNA或RNA分子中相邻的平面间的碱基电子云间的相互作用罚； 疏水作用力疏水作用力：螺旋内部的碱基的蔬水作用； 二者统称为碱基堆积力碱基堆积力。 生物与农业工程学院生物与农业工程学院生物生物化学化学三、核酸结构的稳定性三、核酸结构的稳定性3. 离子键离子键： 减少双链间的静电斥力： 核酸分子外侧的带负电的磷酸基使核酸带负电而相互排斥，环