核酸和核苷酸

核酸和核苷酸第一页，共七十九页，2022年，8月28日认识核酸在生命科学上的重要性弄清碱基、核苷、核苷酸和核酸分子结构上的关系了解核酸的化学本质及DNA和RNA在组分、结构和功能上的差异认识核酸的结构与其性质与功能之间的关系。学习要求上页

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章首第二页，共七十九页，2022年，8月28日1868年F.Miescher首先从伤员绷带的脓细胞中分离得到称为“核素”的核酸1944年通过转化实验证实DNA是主要的遗传物质1953年J.D.Watson和提出DNA双螺旋结构模型1958Crick提出遗传信息传递的中心法则1970s建立DNA重组技术1980s后分子生物学、分子遗传学等学科突飞猛进发展，提出并完成HGP核酸化学的发展过程上页

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章首第三页，共七十九页，2022年，8月28日一.核酸的概念和重要性二.核酸的化学组成及其基本结构单位核苷酸三.核酸的一级结构及其测定四.DNA的高级结构五.RNA的高级结构六.核酸和核苷酸的理化性质七.核酸的分离提取和纯化本章目录上页

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章首第四页，共七十九页，2022年，8月28日一.核酸的概念和重要性核酸的概念核酸的重要性上页下页

章首第五页，共七十九页，2022年，8月28日核酸的概念核酸是酸性的大分子物质，在活细胞中与碱性蛋白结合，以核蛋白形式存在。核酸分为脱氧核糖核酸(DNA)以及核糖核酸(RNA)两类，DNA所含核苷酸分子数比RNA大得多。

RNA分为三个类型，即核蛋白体RNA(rRNA)、信使RNA(mRNA)和转移RNA(tRNA)，它们都参与蛋白质合成上页

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节首第六页，共七十九页，2022年，8月28日脱氧核糖核酸和核糖核酸异同的对比RNADNA组成戊糖

核糖

脱氧核糖碱基A,G,CA,G,CUT磷酸Pi(磷酸二酯键)Pi(磷酸二酯键)结构单链，部分碱基互补，局部双螺旋，三叶草形等双链，碱基互补，双螺旋形分布细胞核(核仁)，细胞质(线粒体、核蛋白体、胞液)细胞核(染色质)细胞质(线粒体)生物功能遗传信息表达，反转录，直接参与蛋白质的生物合成遗传的物质基础，负责遗传信息贮存，发布，转录上页

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章首

节首第七页，共七十九页，2022年，8月28日DNA和RNA返回第八页，共七十九页，2022年，8月28日DNA是遗传的物质基础，负责遗传信息的贮存和发布，遗传基因就是DNA链上的若干核苷酸所组成的片段。RNA负责遗传信息的表达，直接参与蛋白质生物合成，转录DNA所发布的遗传信息，并将之翻译给蛋白质，使生命机体的生长、发育、繁殖和遗传得以继续进行。核酸的重要性上页

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章首

节首第九页，共七十九页，2022年，8月28日核酸类物质RNA的重要功能RNA种类功能mRNA将信息从基因传递到蛋白质tRNA携带活化氨基酸参与蛋白质生物合成rRNA构成核蛋白体（蛋白质合成场所）SnRNA参与mRNA前体剪接加工M1RNARNaseP的催化单体端粒酶RNA端粒合成的模板引物RNA起始DNA复制TsRNA蛋白质分泌复合物中的一部分返回第十页，共七十九页，2022年，8月28日二.核酸的化学组成

及其基本结构单位核苷酸核酸的化学组成核酸的基本结构单位核苷酸上页

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章首第十一页，共七十九页，2022年，8月28日核酸的化学组成元素组成：C、H、O、N、PP元素的含量较多并且恒定，约占9～11%。核酸在酸、碱或酶作用下会水解成核苷酸，进一步水解可得碱基(嘌呤或嘧啶)，戊糖(核糖或脱氧核糖)和磷酸上页

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节首第十二页，共七十九页，2022年，8月28日

组成核酸的戊糖有两种。DNA所含的糖为β-D-2-脱氧核糖；RNA所含的糖则为β-D-核糖。(一)戊糖RiboseDeoxyribose上页

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节首第十三页，共七十九页，2022年，8月28日(二)碱基(嘌呤和嘧啶）上页

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节首第十四页，共七十九页，2022年，8月28日常见的嘌呤和嘧啶上页

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节首第十五页，共七十九页，2022年，8月28日(三)核苷（nucleoside）核苷戊糖+碱基糖与碱基之间的C-N键，称为C-N糖苷键1’2’3’4’5’(OH)1’2’3’4’5’(OH)上页

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节首嘧啶核苷嘌呤核苷第十六页，共七十九页，2022年，8月28日几种稀有核苷上页

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节首第十七页，共七十九页，2022年，8月28日几种稀有核苷上页

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节首第十八页，共七十九页，2022年，8月28日（四）核苷酸（nucleotide）

核苷酸核苷+磷酸

戊糖+碱基+磷酸

HHHHHHHHH上页

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节首腺苷酸脱氧腺苷酸第十九页，共七十九页，2022年，8月28日（四）核苷酸（nucleotide）

脱氧核苷酸

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节首第二十页，共七十九页，2022年，8月28日（四）核苷酸（nucleotide）

核苷酸

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节首第二十一页，共七十九页，2022年，8月28日（五）核苷酸衍生物

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节首1.继续磷酸化AMPADPATP第二十二页，共七十九页，2022年，8月28日（五）核苷酸衍生物

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节首2.环化磷酸化cAMPcGMP第二十三页，共七十九页，2022年，8月28日3.肌苷酸及鸟苷酸(特鲜味精)4.辅酶

NAD、NADP、FMNIMPGMP上页

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节首第二十四页，共七十九页，2022年，8月28日三.核酸的一级结构及其测定核酸的一级结构核苷酸序列分析上页下页

章首第二十五页，共七十九页，2022年，8月28日核酸的一级结构核酸的一级结构是核酸中各核苷酸化学键连接方式即核苷酸排列顺序。核苷酸通过3’，5’-磷酸二酯键连接起来，以磷酸-糖-磷酸-糖…形成核酸骨架上页

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节首5’5’3’3’第二十六页，共七十九页，2022年，8月28日RNA，DNA一级结构示意图上页

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节首第二十七页，共七十九页，2022年，8月28日核酸的表示方式DNARNA5′PdAPdCPdGPdTOH3′5′PAPCPGPUOH′

或5′ACGTGCGT3′5′ACGUAUGU3′

ACGTGCGTACGUAUGUT5’3’OHU5’3’OHOHOHOHOH若不特别注明，一般规定从5′端书写至3′端上页

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章首

节首第二十八页，共七十九页，2022年，8月28日

核酸分子的核苷酸序列分析是以纯品核酸为材料，经水解，测定核苷酸组成及比例。先以外切酶确定5’-或3’-末端核苷酸，再以内切酶将核酸链分为若干寡核苷酸段，分段测定核苷酸组成、比例和序列。最后将核苷酸序列的各寡核苷酸重叠，确定整个核酸分子的核苷酸序列。核酸序列分析上页下页

章首

节首第二十九页，共七十九页，2022年，8月28日酶底物作用部位作用产物外切酶磷酸二酯酶DNA，

RNA5’端，5’连接处3’核苷酸3’端，3’连接处5’核苷酸内切酶脱氧核糖核酸酶IDNA3’连接处3’-羟核苷酸为3’末端寡核苷酸及剩余部分脱氧核糖核酸酶II5’连接处3’-核苷酸为3’末端寡核苷酸及剩余部分核糖核酸酶T1RNA5’连接处碱基是G3’-鸟苷酸为3’末端寡核苷酸及剩余部分核糖核酸酶I5’连接处碱基是

Pyr3’-嘧啶类核苷酸为3’末端寡核苷酸及剩余部分核苷酸序列分析中断裂磷酸二酯键用酶返回第三十页，共七十九页，2022年，8月28日DNA酶法测序1977年sanger发明末端终止法测定DNA序列根据sanger测序法，现在已经有各种DNA自动测序仪，DNA测序速度大大加快HGP得以提前完成上页

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节首第三十一页，共七十九页，2022年，8月28日DNA酶法测序上页下页

章首

节首第三十二页，共七十九页，2022年，8月28日DNA酶法测序上页下页章首

节首平行进行四组反应，每组反应均使用相同的模板，相同的引物以及四种脱氧核苷酸；并在四组反应中各加入适量的四种之一的双脱氧核苷酸，使其随机地接入DNA链中，使链合成终止，产生相应的四组具有特定长度的、不同长短的DNA链。这四组DNA链再经过聚丙烯酸胺凝胶电泳按链的长短分离开，经过放射自显影显示区带，就可以直接读出被测DNA的核苷酸序列,如下图所示：第三十三页，共七十九页，2022年，8月28日DNA酶法测序上页

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章首

节首第三十四页，共七十九页，2022年，8月28日DNA酶法测序上页

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节首第三十五页，共七十九页，2022年，8月28日四.DNA的高级结构DNA的二级结构DNA的三级结构上页

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章首第三十六页，共七十九页，2022年，8月28日DNA的二级结构DNA的二级结构是双螺旋结构，即两条多聚核苷酸链围绕一个共同轴，相互盘绕在一起构成直径2nm的双螺旋，互补的碱基(A和T互补，G和C互补)通过氢键连接在螺旋内部，碱基平面垂直于右旋的螺旋轴。螺旋结构中两条链走向相反上页下页章首

节首2.0nm小沟大沟第三十七页，共七十九页，2022年，8月28日DNA的二级结构类型上页

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章首

节首B型结构两条链反向平行，右手螺旋碱基在内（A＝T，G≡C）碱基平面垂直于螺旋轴戊糖在外，双螺旋每转一周为10碱基对（bp）A型结构碱基平面倾斜20º，螺旋变粗变短，螺距2～3nm。Z型结构左手螺旋，只有小沟第三十八页，共七十九页，2022年，8月28日返回第三十九页，共七十九页，2022年，8月28日返回第四十页，共七十九页，2022年，8月28日稳定DNA双螺旋结构的三种力量氢键：使四种碱基形成特异配对关系，G-C间可形成3对氢键，A-T之间有两对氢键。疏水相互作用：轴向平行相邻的碱基平面自发地相互靠近，从而使碱基缔合、层层堆积，形成了碱基堆积力，它是使DNA结构稳定的主要力量。离子键：磷酸残基上的负电荷与介质中的正离子，如Na+，K+，Ｍg＋等之间形成的离子键。上页

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章首

节首第四十一页，共七十九页，2022年，8月28日核酸的三级结构指链状核酸分子的空间构型，即其三维空间排列或组合方式。DNA的三级结构上页下页

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节首第四十二页，共七十九页，2022年，8月28日DNA的三级结构主要有以下三种：松弛环形超螺环形开链环形DNA的三级结构上页下页章首

节首第四十三页，共七十九页，2022年，8月28日回文结构与镜像结构特殊DNA的结构上页

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节首第四十四页，共七十九页，2022年，8月28日回文结构中的单链可形成发夹结构特殊DNA的结构上页

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节首第四十五页，共七十九页，2022年，8月28日双链回文结构可形成十字架结构特殊DNA的结构上页

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章首

节首第四十六页，共七十九页，2022年，8月28日DNA和基因组DNA通过自我复制合成出完全相同的分子，从而将遗传信息由亲代传到子代。转录，以DNA为模板合成RNA的过程，碱基配对。mRNA用于指导蛋白质的合成，mRNA的核苷酸的序列决定了蛋白质的氨基酸序列；第四十七页，共七十九页，2022年，8月28日中心法则第四十八页，共七十九页，2022年，8月28日几个基本概念遗传学将DNA分子中最小的功能单位称作基因基因:能够表达和产生基因产物（蛋白质或RNA）的DNA序列。为RNA或蛋白质编码的基因称结构基因DNA中还有一些只有调节功能，而并不转录生成RNA的片断称调节基因。某生物体所含有的全部基因称该生物体的基因组。第四十九页，共七十九页，2022年，8月28日原核生物基因组特点大多为结构基因串联基因基因重叠第五十页，共七十九页，2022年，8月28日真核生物基因组特点重复序列断裂基因第五十一页，共七十九页，2022年，8月28日五.RNA的高级结构RNA的二级结构RNA的三级结构上页

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章首第五十二页，共七十九页，2022年，8月28日RNA的二级结构RNA的二级结构基本上是单股分子，其二级结构比DNA简单的多，但也存在少数碱基配对区域即双螺环结构。

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章首

节首第五十三页，共七十九页，2022年，8月28日（1）占总RNA的15％（2）一种氨基酸对应最少一种RNA（3）分子中含有较多修饰成分（4）3‘-末端都具有CCAOH结构（5）半数碱基可经过自身回折，形成局部双螺旋“茎”结构，其间是单链形成的“环”。绝大多数tRNA经过这样的折叠形成4个茎和4个环组成的特征性三叶草形二级结构。上页

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章首

节首1、tRNA第五十四页，共七十九页，2022年，8月28日占总RNA的80％上页

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章首

节首2、rRNA原核生物真核生物核糖体rRNA核糖体rRNA30s70s50s16s5s、23s40s80s50s18s5s、5.8s、28s5sRNA的二级结构第五十五页，共七十九页，2022年，8月28日占总RNA的3％～5％上页

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节首3、mRNA和hnRNA真核细胞mRNA的3‘-末端有一段长达200个核苷酸左右的聚腺苷酸(polyA)，称为“尾结构”，5’-末端有一个甲基化的鸟苷酸，称为”帽结构“。第五十六页，共七十九页，2022年，8月28日占总RNA的3％～5％上页

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节首3、mRNA和hnRNA原核生物mRNA特征：

先导区+翻译区（多顺反子）+末端序列真核生物mRNA特征：

“帽子”（m7G-5´ppp5´-N-3´p）+单顺反子+“尾巴”（PolyA）第五十七页，共七十九页，2022年，8月28日原核细胞mRNA的结构特点5´3´顺反子顺反子顺反子插入顺序插入顺序先导区末端顺序第五十八页，共七十九页，2022年，8月28日真核细胞mRNA的结构特点AAAAAAA-OH5´

“帽子”PolyA

3´

顺反子m7G-5´ppp-N-3´p第五十九页，共七十九页，2022年，8月28日在tRNA二级结构中未配对的某些并不互补的碱基参与了三级结构中特殊的氢键作用，tRNA链中的核糖-磷酸骨架与某些碱基甚至其他的骨架之间也能产生作用。

RNA的三级结构上页

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节首第六十页，共七十九页，2022年，8月28日六.核酸和核苷酸的理化性质核苷是无色的晶体或粉末，熔点较高。在水中的溶解度嘧啶核苷比嘌呤核苷大，在有机溶剂中一般不溶解。由于戊糖有不对称的C原子，使其具有旋光性。

天然DNA分子长度可达几厘米，而分子直径只有20埃米。这种细丝状的双螺旋结构赋于DNA一系列显著的物理化学特性。由于RNA分子比DNA短`而且小的多,只有部分双螺旋结构区，呈不定形，没有像DNA那样明显的物理、化学特性。上页

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章首第六十一页，共七十九页，2022年，8月28日沉降特性高分子量高粘度紫外吸收酸碱性质变性复性核酸和核苷酸的理化性质上页

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节首第六十二页，共七十九页，2022年，8月28日溶液中的核酸在引力场中可以下沉，在超速离心机造成的极大的引力场下，核酸分子下沉的速率大大加快。应用超速离心技术，可以测定核酸的沉降常数、分子量和构象。测定DNA分子量时，由于它的粘度大，应采用其稀溶液。沉降特性上页

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章首

节首第六十三页，共七十九页，2022年，8月28日目前核酸的分子量用电子显微镜照相，放射自显影凝胶电泳等技术来测定。部分核酸分子量和核苷酸数：类别mRNAtRNArRNA果蝇巨染色体E.Coli染色体人第13对染色体分子量2.5*104~10623000~30000~1.1*1068*10102.2*1096.4*1010核苷酸数75~30073~93~31002.4*1086*1061.9*108高分子量上页

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节首第六十四页，共七十九页，2022年，8月28日DNA的粘度比RNA的大得多。当核酸溶液因受热或在其他因素作用下发生螺旋向线性过渡时，粘度会降低。高粘度上页

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节首第六十五页，共七十九页，2022年，8月28日由于核酸组分嘌呤和嘧啶具有强烈的紫外吸收性能，所以核酸也有强烈的紫外吸收，最大吸收值在260nm处。这可作为核酸及其组份定性和定量测定的依据。紫外吸收上页

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节首第六十六页，共七十九页，2022年，8月28日酸碱性质上页

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核酸的磷酸基具有酸性，碱基具有碱性，因此，核酸具有两性电离的性质。但核酸中磷酸基的酸性大于碱基的碱性，其等电点偏酸性。DNA的pI约为4～5，RNA的pI约为2.0～2.5，在pH7～8电泳时泳向正极。第六十七页，共七十九页，2022年，8月28日在一定物化因素(热、酸、碱作用下)，DNA分子内的氢键断裂，双螺旋结构解开，发生变性。RNA仅局部呈双螺旋结构，其螺旋形结构向线团形结构转化不如DNA明显。核酸降解、变性时，其对紫外吸收增加，这种现象称为增色效应变性DNA在适当条件下(如缓慢冷却)可使两条分开的链重新缔合成双螺旋结构，这过程叫复性。复性过程产生减色效应

变性与复性上页

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章首

节首第六十八页，共七十九页，2022年，8月28日返回第六十九页，共七十九页，2022年，8月28日返回DNA的变性过程是突变性的，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的温度称熔解温度，用Tm表示。一般DNA的Tm值在70-85C之间。DNA的Tm值与分子中的G和C的含量有关，G和C的含量高，Tm值高。可通过经验公式计算：（G+C)%=(Tm-69.3)X2.44第七十页，共七十九页，2022年，8月28日七.核酸的分离提取和纯化DNA的分离RNA的分离核酸含量测定：定磷法紫外线吸收法定糖法核酸的纯化及其要求上页下页

章首第七十一页，共七十九页，2022年，8月28日

核蛋白的提取：真核细胞中DNA常和组蛋白结合以核蛋白形式存在，把真核细胞捣碎后加入0.9%NaCl和0.01M柠檬酸钠溶液，使DNA蛋白质沉淀，而柠檬酸钠是起抑制DNA的降解作用。核酸与蛋白质的分离：利用核蛋白溶于1mol/LNaCl的性质，将其从细胞匀浆中分离出来，用饱和苯酚等溶剂与上述核蛋白共振，冰冻离心。DNA溶于上层水相中，变性蛋白留在酚层内。在水相加入2.5倍体积无水乙醇，将其沉淀出来，再以核酸酶水解以除去RNA。最后借助密度梯度平衡超速离心法或层析柱法，分离DNA。DNA的分离上页

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节首第七十二页，共七十九页，2022年，8月28日DNA的精制：制得的DNA中还含少量蛋白质等杂质，将它溶解在蒸馏水中，加入阴离子去污剂硫酸十二酯钠进一步作用于DNA和蛋白，使蛋白质与核酸分离而沉淀，通过高速离心去掉蛋白质，在上层DNA溶液加入95%乙醇沉淀DNA，经过乙醇重复洗几次，可得DNA精制品。上页下页

章首

节首第七十三