第三章 核酸化学

1第三章核酸化学2主要内容细胞内的遗传物质（核酸的分布和分类）核酸的化学组成核酸的分子结构核酸的性质核酸的分离纯化核酸的定量测定3DNA(DeoxyribonucleicAcid

)是主要的遗传物质：储存遗传信息，将遗传信息传递给子代，物理和化学性质稳定，有遗传变异的能力。RNA(RibonucleicAcid

)也是遗传物质：如RNA病毒一、细胞内的遗传物质4核酸脱氧核糖核酸（DNA）tRNAmRNArRNA蛋白质合成核糖核酸（RNA）5核酸的分布DNA：细胞核（98%）、线粒体、叶绿体RNA：细胞质

rRNA：核仁中合成，占总RNA的80%

tRNA：核内合成，占总RNA的15%

mRNA：核内合成，占总RNA的5%

hnRNA:核不均一RNA

snRNA:核内小RNA

snoRNA:核仁小分子RNA6核酸核苷酸核苷磷酸碱基戊糖嘌呤碱嘧啶碱核糖(RNA)脱氧核糖(DNA)二、核酸的化学组成7碱基嘌呤嘧啶8稀有碱基（修饰碱基）少数修饰核苷用单字符号如D、ψ、I9戊糖10核苷11糖苷键12核苷酸13常见的核苷酸及其缩写符号14多磷酸核苷酸NMPNDP和NDP（ddNXP）都具有重要的生理功能15常见核苷酸及缩写核糖核苷酸（RNA）脱氧核糖核苷酸（DNA）核苷一磷酸核苷二磷酸核苷三磷酸脱氧核苷一磷酸脱氧核苷二磷酸脱氧核苷三磷酸Adenosinemonophosphate(AMP)Adenosinediphosphate(ADP)Adenosinetriphosphate(ATP)Deoxyadenosinemonophosphate(dAMP)Deoxyadenosinediphosphate(dADP)Deoxyadenosinetriphosphate(dATP)Guanosinemonophosphate(GMP)Guanosinediphosphate(GDP)Guanosinetriphosphate(GTP)Deoxyguanosinemonophosphate(dGMP)Deoxyguanosinediphosphate(dGDP)Deoxyguanosine(dGTP)Cytidinemonophosphate(CMP)Cytidinediphosphate(CDP)Cytidinetriphosphate(CTP)Deoxycytidinemonophosphate(dCMP)Deoxycytidinediphosphate(dCDP)Deoxycytidinetriphosphate(dCTP)Uridinemonophosphate(UMP)Uridinediphosphate(UDP)Uridinetriphosphate(UTP)Deoxyuridinemonophosphate(dTMP)Deoxyuridinediphosphate(dTDP)Deoxyuridinetriphosphate(dTTP)16特殊的核苷酸高能磷酸键水解时释放出的能量为7.3Kcal/mol，而普通磷酸酯键为2Kcal/mol173`，5`-环化腺苷酸重要的环化核苷酸，普遍存在于动、植物和微生物细胞中，含量极小，但具有极重要的生理功能，具有放大激素信号的作用。183`，5`-环化鸟甘酸cGMP具有缩小激素信号的作用。cAMP与cGMP都被称为第二信使。19三、核酸的分子结构DNA的分子结构DNA的一级结构DNA的二级结构RNA的分子结构DNA的三级结构mRNA的结构tRNA的结构rRNA的结构20键型：3`，5`-磷酸二酯键；方向：由5`-末端到3`-末端、

一级结构指组成核酸的各核苷酸之间连键性质及核苷酸排列的顺序。核酸是由数量极其庞大的四种核苷酸以3`，5`-磷酸二酯键彼此连接起来的直线形分子核酸的一级结构21一级结构的文字式缩写pTpGpCpApGpGpTpT或pT-G-C-A-G-G-T-TTGCAGGTTAAAGG它的互补链:ACGTCCAATTTCC(误)CCTTTAACCTGCA(正)3’-ACGTCCAATTTCC-5’(正)22DNA的空间结构

1953年Watson和Crick提出了著名的DNA双螺旋结构模型1962年，Watson和Crick与Wilkins共享诺贝尔生理医学奖23A.Chargaff规律嘌呤与嘧啶的摩尔数相等：A=T；G=C；A+G=C+TDNA的碱基组成具有种的特异性，但没有组织的特异性年龄、营养状态、环境的改变不影响DNA的碱基组成DNA双螺旋结构提出的三个根据24B.X射线衍射分析1952年M.WilkinsDNANa盐的X-衍射图片1921-195825两条多聚核苷酸链组成螺旋直径碱基的朝向碱基的相关基团所形成的键长和键角碱基配对规则C.DNA分子密度及碱基的物理和化学数据26DNA双螺旋结构模型的主要内容螺旋的性质：由两条反向平行的多核苷酸链围绕同一中心轴盘绕而成的右手双螺旋

基团的分布：脱氧核糖和磷酸通过3`，5`-磷酸二酯键连接成螺旋链的骨架，碱基处于螺旋内侧，而磷酸及戊糖位于外侧。碱基的平面与螺旋轴相垂直，糖平面与碱基平面几乎成直角27

3.螺旋参数：螺旋的直径为2nm，相邻碱基在螺旋轴上间距0.34nm，旋转夹角为36°，每10对核苷酸形成螺旋的一圈，螺距为3.4nm。沿着走向，磷酸、戊糖骨架形成深浅不同的凹陷，即大沟和小沟。284.碱基配对：碱基配对严格按照互补原则即A与T配对2个氢键，G与C配对形成3个氢键，两条链借碱基之间的氢键和碱基堆积牢固地连为一体。29维持DNA双螺旋结构的作用力碱基对间的氢键碱基堆积力﹡环境中的阳离子30DNA双螺旋结构的多态性因DNA含水量不同31DNA双链线状双链环状单链线状：动物病毒如：微小病毒（parvoviruse)

单链环状：噬菌体φX174真核细胞染色体DNA噬菌体T2，T5，T7，λ，P22

E.Coli染色体DNA线粒体DNA叶绿体DNA多瘤病毒DNA，病毒SV40DNA噬菌体λ和φX174的复制型32单链核酸形成的二级结构

发夹结构：单股核酸链自身回折

配对产生的反平行的双螺旋结构三股或四链的DNA结构（复制或转录过程）超螺旋拓扑结构DNA的高级结构33DNA的高级结构DNA的超螺旋（三级）结构是指在二级结构的基础上DNA双螺旋的进一步卷曲。类型：开链环状、闭链环状、超螺旋结构34DNA超螺旋的形成及拓扑学性质正超螺旋使螺旋变紧，负超螺旋使螺旋变松连环数L：DNA两条链相互缠绕交叉的总次数盘绕数T：DNA分子中双螺旋的周数超螺旋周数W：在双螺旋基础上，一条螺旋和另一条双螺旋的缠绕次数参数关系：L=T+W35真核生物的染色体及其组装真核生物的染色体染色体和染色质常染色质异染色质染色体中的组蛋白

H1，H2A，H2B，H3，H4组蛋白富含碱性的赖氨酸和精氨酸核小体：由DNA和组蛋白形成的染色质基本结构单位。每个核小体由147bp的DNA缠绕组蛋白八聚体近两圈形成。36螺线管脚手架蛋白37RNA的分子结构

除tRNA外，细胞内的RNA几乎全部与蛋白形成复合物的形式RNA分子结构的特点：多以单链形式存在；单链RNA分子内在某些区域局部回折，形成短的双螺旋区，进而形成三级结构；没有参与配对的区域形成突环；38两个基本概念单顺反子：每种mRNA分子只编码一种蛋白质的信息，只能作为一种蛋白质的翻译模板。如：真核细胞mRNA多顺反子：一个mRNA分子含有几种蛋白质的信息，可以编码几种蛋白质。如原核生物mRNA。信使RNA（mRNA）的结构39信使RNA（mRNA）的结构真核细胞mRNA分子结构特点：大多数真核细胞mRNA在3`-末端有一段长约200个残基的多聚腺苷酸（PolyA）真核细胞mRNA的5`-末端有特殊的帽子结构，称为“帽子（Cap）”：m7GpppNmAA….AA~200ntPolyA3`-端5`-端帽子结构非编码区非编码区编码区40转移RNA（tRNA）tRNA共同点：分子量较小（76nt）；有较多稀有碱基（5%~20%）tRNA的3`-末端，皆为CCA；5`末端多数为pG，也有pC；tRNA的二级结构都呈三叶草形。有“四环和四臂”结构

6.三级结构为倒L型。41tRNA二级结构具有四环四臂结构tRNA的三级结构倒L形t氨基酸臂（环），二氢尿嘧啶环(臂），又称D环(臂），反密码环(臂），TψC环(臂），额外环42核糖体RNA结构核糖体二级RNA结构复杂，并常处于动态变化中；

rRNA在细胞内与多种小分子蛋白结合成核糖体颗粒

43核内小RNA(snRNA),70-300nt，负责基因转录产物的加工，5’也有帽子结构核仁小分子RNA:参与rRNA前提的加工非编码RNA:可能是调控RNA44四、核酸的性质核酸的一般性质化学水解核酸的紫外吸收性质核酸的变性、复性和分子杂交45核酸的一般性质核酸及核苷酸都是两性电解质核酸不溶于一般的有机溶剂，但可溶于乙醇的水溶液核酸有较大的粘度46核酸的化学水解酸解：温和条件和稀酸短时处理，DNA和RNA都不降解，提高作用条件可脱嘌呤，浓酸可脱嘧啶碱解：

RNA稀碱条件下易水解成2’和3’核苷酸，中间产物为2’,3’环核苷酸

DNA稀碱条件下稳定，不会发生水解，但可以解开螺旋而变性据此性质可从RNA制备2’和3’核苷酸47核酸的紫外吸收性质最大吸收峰：260nm减色效应：大分子的DNA在260nm的消光值，比DNA分子中的各个碱基260nm处的消光值总和小得多，这种现象称减色效应。A260/A280=？48核酸的变性、复性和分子杂交变性：在一些理化因素的作用下，核酸中碱基间氢键断裂，双螺旋解开，变成无规则线团的现象

引起变性的主要因素：

@温度升高而引起的变性叫热变性；@酸碱度的改变引起的变性叫酸碱变性；

@有机溶剂也可以引起核酸变性增色效应：核酸变性时，在260nm的消光值显著增加的现象49解链温度（Tm）：通常指增色效应达到最高值的一半时的温度。退火温度50与DNA的Tm值有关的因素DNA的均一性G-C含量G-C%=(Tm-69.3)×2.44介质中的离子强度51DNA的复性与分子杂交复性：热变性的DNA，在缓慢冷却后，分开的双链又可恢复为双螺旋结构的过程。影响复性的因素：离子强度温度DNA的大小DNA的浓度52核酸的分子杂交

热变性后的DNA片段，在进行复性时并不能完全回复到原来的结构状态，这是因为各片段之间只要有一定数量的碱基彼此互补，不必全部碱基互补，就可以重新形成双螺旋结构，这就是分子杂交技术的基础。53Southern凝胶转移杂交技术54五.核酸的分离纯化1.分离纯化的一般原则总的要求：去除蛋白质等各种杂质，保持核酸不发生变性或降解，最终得到完整而具有天然生物活性的核酸制品。注意事项：（1）避免高温、强酸和强碱等变性因素，在低温（0－4度）和pH5－9的条件操作。（2）在制备DNA时要避免机械力的剪切