Chapter 核酸化学的学习资料

Chapter核酸化学的学习资料第1页/共58页第三章

核酸化学NucleicAcidchemistry第2页/共58页核酸是一类重要的生物大分子，担负着生命信息的储存与传递。核酸是现代生物化学、分子生物学的重要研究领域，是基因工程操作的核心分子。核酸概述第3页/共58页第一节核酸是遗传物质的载体一、核酸的研究发现史1868年，F.Miescher从细胞核中分离得到一种含磷量很高酸性物质，即现在被称为核酸的物质。第4页/共58页1928年，F.Griffith的转换转化实验

orand可分离第5页/共58页1952年，Hershey、ChaseT2噬菌体：32P和35S分别标记核酸和蛋白1953年，Watson、CrickDNA双螺旋模型1981年，Cech核酶（Ribozyme）第6页/共58页98％核中（染色体中）真核线粒体（mDNA）核外叶绿体（ctDNA）DNA拟核原核核外：质粒（plasmid）病毒：DNA病毒二、核酸的种类和分布

核酸分为两大类：脱氧核糖核酸deoxyribonucleicacid（DNA）核糖核酸ribonucleicacid（RNA）第7页/共58页RNA主要存在于细胞质中

tRNA(transferRNA)rRNA

(ribosomalRNA)（真核与原核的区别）

mRNA

(messegerRNA)（真核与原核的区别）其它

RNA病毒：SARS、TSV三、分子生物学的中心法则第8页/共58页第二节核酸的基本化学组成核酸核苷酸核苷磷酸碱基戊糖元素组成：CHONP

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）和磷酸的混合物。核酸部分水解则产生核苷和核苷酸。每个核苷分子含一分子碱基和一分子戊糖，一分子核苷酸部分水解后除产生核苷外，还有一分子磷酸。核酸的各种水解产物可用层析或电泳等方法分离鉴定。第9页/共58页

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第10页/共58页二、碱基1.嘌呤碱（Purine

bases）123456978腺嘌呤AdenineA鸟嘌呤guanineG第11页/共58页2.嘧啶碱（Pyrimidine

bases）123456尿嘧啶uracilU胞嘧啶cytosineC胸腺嘧啶thymineTCH3第12页/共58页

核酸中也存在一些不常见的稀有碱基。稀有碱基的种类很多，大部分是上述碱基的甲基化产物。第13页/共58页三、核苷（nucleoside）核苷戊糖+碱基

(糖苷P19)

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)第14页/共58页假尿苷（ψ）次黄苷（肌苷）I黄嘌呤核苷X二氢尿嘧啶核苷DHU取代核苷的表示方式7-甲基鸟苷m7G5OHAdenosineGuanosineCytidineUridine第15页/共58页四、核苷酸（nucleotide）

核苷酸核苷+磷酸

戊糖+碱基+磷酸

HHHHHHHHH第16页/共58页五、核苷酸衍生物1.继续磷酸化AMPADPATP第17页/共58页2.环化磷酸化cAMP

cGMP3.辅酶

NAD、NADP、FAD第18页/共58页六、多聚核苷酸（核酸）多聚核苷酸是通过一个核苷酸的C3’-OH与另一分子核苷酸的5’-磷酸基形成3’,5’-磷酸二酯键相连而成的链状聚合物。5’5’3’3’第19页/共58页第20页/共58页5′-磷酸端（常用5’-P表示）；3′-羟基端（常用3’-OH表示）多聚核苷酸链具有方向性，当表示一个多聚核苷酸链时，必须注明它的方向是5′→3′或是3′→5′。

注意：核苷酸链的方向与二酯键的方向相反多聚核苷酸的表示方式：

1.竖线式：P482

2.文字式：DNARNA5′PdAPdCPdGPdTOH3′5′PAPCPGPUOH′

或5′ACGTGCGT3′5′ACGUAUGU3′

ACGTGCGTACGUAUGU第21页/共58页第三节DNA的结构一、DNA的一级结构脱氧核糖核酸的排列顺序可以用碱基排列顺序表示连接键：3’，5’-磷酸二酯键磷酸与戊糖依次相连形成主链骨架碱基形成侧链多核苷酸链均有5’-末端和3’-末端

DNA的碱基顺序本身就是遗传信息存储的分子形式。生物界物种的多样性即寓于DNA分子中四种核苷酸千变万化的不同排列组合之中。第22页/共58页2.基因与基因组基因（gene）：一段有功能的DNA片段，生物细胞中DNA分子的最小功能单位（交换单位）。

蛋白质（mRNA蛋白质）产物tRNARNArRNA

调节功能：调节基因无产物

作用未知结构基因第23页/共58页基因组（genome）：某生物体（完整单倍体）所含全部遗传物质的总和。包括：核基因组（拟核/核DNA）及核外（质粒DNA）bp（碱基对）

103104105106107108109101010111012人两栖类鱼类藻类酵母细菌E.Coli病毒质粒各种细胞、病毒和细菌质粒中基因组的大小第24页/共58页3.原核生物基因组特点重复序列少，多位编码区多为操纵子形式组织有重叠基因存在

真核生物基因组特点以染色体存在重复序列多基因组计划人类基因组计划（HumanGenomeProject，HGP）：

1990－2002酵母基因组计划（YGP）：1989-1996大肠杆菌（E.Coli）：1997第25页/共58页negativecontrol第26页/共58页二、DNA的二级结构（一）Chargaff规律1950年（1）所有生物的DNA中，A=T，G=C，A+C=G+T，且A+G=C+T。（2）DNA的碱基组成具有种的特异性。（3）DNA碱基组成没有组织和器官的特异性。（4）年龄、营养状况、环境等因素不影响DNA的碱基组成。第27页/共58页(二)DNA的双螺旋模型1953年，J.Watson和F.Crick在前人研究工作的基础上，根据DNA结晶的X-衍射图谱和分子模型，提出了著名的DNA双螺旋结构模型，并对模型的生物学意义作出了科学的解释和预测。在DNA分子中，嘌呤碱基的总数与嘧啶碱基的总数相等。第28页/共58页DNA双螺旋模型要点B型结构

a.两条链反向平行，右手螺旋;b.碱基在内（A＝T，G≡C），碱基平面垂直于螺旋轴,戊糖环在外，平行于螺轴；

c.双螺旋每转一周为10碱基对（bp），上升3.4nm;d.氢键维系两链的结合；

e.碱基自由排列。2.0nm小沟大沟第29页/共58页（1）B-DNA：典型的Watson-Crick双螺旋DNA右手双螺旋每圈螺旋10.4个碱基对螺距：3.22nm（2）

A-DNA右手双螺旋，外形粗短。RNA-RNA、RNA-DNA杂交分子具有这种结构。（3）Z-DNA左手螺旋，外形细长。天然B-DNA的局部区域可以形成Z-DNA。第30页/共58页双螺旋DNA的结构参数类型旋转方向螺旋直径（nm）螺距（nm）每转碱基对数目碱基对间垂直距离（nm）碱基对与水平面倾角A－DNAB－DNAZ－DNA右右左2.552.371.842.533.544.561110120.2550.340.2719º0º9º稳定双螺旋的力

氢键碱基堆积力（疏水相互作用及范德华力）离子键等则：DNA变性剂（热、pH、脲/酰胺、有机溶剂）第31页/共58页

三股螺旋DNAK.Hoogsteen1963通常是一条同型寡核苷酸与寡嘧啶核苷酸-寡嘌呤核苷酸双螺旋的大沟结合：oligo(Py):oligo(Pu)—oligo(Py/Pu)第一股是寡嘧啶，中间是寡嘌呤，第三股可以是寡嘧啶或寡嘌呤第32页/共58页第三股与寡嘌呤之间同向平行，并按Hoogsteen配对。T=A:A,C≡G：C+T=A:TC≡G：G第33页/共58页DNA的存在形式第34页/共58页二、DNA的三级结构DNA三级结构：指DNA双螺旋的进一步扭曲与折叠形成的特定构象，包括三方面内容（P490）

原核双链环状DNA（dcDNA）病毒单链环状DNA（scDNA）单链线性DNA（ssDNA）负超螺旋几个参数：连环数：指双链的互绕数，L（linkingnumber）扭转数：指螺旋圈数，T（twistingnumber）超螺旋数：即缠绕数，W（writhingnumber）

L=T+W拓扑异构酶：I（L0＋1）、II（L0-2）第35页/共58页第36页/共58页真核双链线性DNA（dsDNA）：P495核小体

纤丝

突环

玫瑰花环

螺旋圈

染色体第37页/共58页第38页/共58页第四节RNA的结构与功能一、结构特点碱基组成A、G、C、U（A＝U/G≡C）稀有碱基较多，稳定性较差，易水解多为单链结构，少数局部形成螺旋分子较小分类mRNA（hnRNA核不均一RNA）tRNArRNA（snRNA/asRNA）少数RNA病毒第39页/共58页二、tRNA占RNA总量的15％一种氨基酸对应最少一种tRNA分子量25000左右，大约由70－90个核苷酸组成。分子中含有较多的修饰成分。3‘-末端都具有CpCpAOH的结构。三叶草形（二级结构）：1个臂、4个环第40页/共58页tRNA的三级结构第41页/共58页第42页/共58页三、rRNA占RNA总量的80％原核生物真核生物核糖体rRNA核糖体rRNA30s70s50s16s5s、23s40s80s60s18s(17S)5s、5.8s、28s(26S)第43页/共58页四、mRNA和hnRNA占细胞总RNA的3％～5％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”。P484五、snRNA（smallnucleicRNA核小RNA）

scRNA（smallcytoplasmicRNA）

asRNA（antisenseRNA）第44页/共58页第五节核酸的性质一、一般的理化性质两性解离/一般呈酸性（在中性溶液中带负电荷），可溶于水，不溶于有机溶剂线性大分子（粘度高、抗剪切力差）可用电泳或离子交换（色谱）进行分离室温条件下，DNA在碱液中变性，但不水解，RNA水解加热条件下，D－核糖＋浓盐酸＋苔黑酚绿色

D－2－脱氧核糖＋酸＋二苯胺蓝紫色第45页/共58页二、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DNA和RNA溶液中加入溴化乙锭（EB），在紫外下发出荧光第46页/共58页三、核酸的变性、复性与分子杂交1.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。核酸的一级结构(碱基顺序)保持不变。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（增色效应）变性因素

pH（>11.3或<5.0）变性剂（脲、甲酰胺、甲醛）低离子强度加热第47页/共58页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，通常将加热变性使DNA的双螺旋结构失去一半时的温度称熔解温度或熔点，用Tm表示。一般DNA的Tm值在82-95C之间。DNA的Tm值与分子中的G和C的含量有关，也与DNA的均一性和介质中离子强度有关。G和C的含量高，Tm值高。因而测定Tm值，可反映DNA分子中G,C含量，可通过经验公式计算：（G+C)%=(Tm-69.3)X2.442.热变性和Tm第48页/共58页3.核酸的复性变性核酸的互补链在适当的条件下，重新缔合成为双螺旋结构的过程称为复性。DNA复性后，一系列性质将得到恢复，但是生物活性一般只能得到部分的恢复，具有减色效应。将热变性的DNA骤然冷却至低温时，DNA不可能复性。变性的DNA缓慢冷却时可复性，因此又称为“退火”。退火温度＝Tm－25℃复性影响因素