核酸的化学课件

第三章

核酸的化学核膜染色体丝核孔核基质纤维组蛋白与非组蛋白DNA(2nmdm)核小体(11nmdm)一、核酸的发现和研究简史

1868年，瑞士科学家F.Miescher从细胞核中分离得到一种酸性物质，称为核素。1889年Altman从酵母和动物组织中制备了核酸（nucleicacid）。1930－40年，Kossel&Levene等确定核酸的的组分：DNA和RNA。20世纪20－40年代末，Griffith（英国）和Avery（美国）的“肺炎双球菌转化”实验证明DNA是有机体的遗传物质。1952年，Hershey和Chase利用病毒完成更有说服力的“噬菌体”实验。1953年J.D.Watson和F.Crick提出DNA的双螺旋结构，20世纪自然科学最伟大的成就之一。1990年美国启动人类基因组计划(HGP)1953年J.D.Watson和F.Crick提出DNA的双螺旋结构，20世纪自然科学最伟大的成就之一。一、核酸的发现和研究简史

第一节核酸的分子的化学组成核酸核糖核酸(RNA)脱氧核糖核酸(DNA)90%存在细胞质中，10%存在细胞核中主要存在细胞核一、核酸种类与生物学功能1、种类脱氧核糖核酸（DNA)DNA分子含有生物物种的所有遗传信息，分子量一般都很大；DNA为双链分子，其中大多数是链状结构大分子，也有少部分呈环状结构。真核：细胞核DNA：与组蛋白、非组蛋白形成染色体；细胞器DNA：双链环形，一般裸露原核：裸露的DNA分子集中于核区；核糖核酸（ribonucleicacid,RNA)RNA主要是负责DNA遗传信息的翻译和表达，分子量要比DNA小得，RNA为单链分子。根据RNA的功能，可以分为：snRNA（SmallnuclearRNA）snoRNA（SmallnucleoarRNA）scRNA（SmallcytoplasmicRNA）反义RNA（AntisenseRNA）核酶（Ribozyme）内切核酸酶（RNaseP）1、转移RNA（transferRNA,tRNA)2、核糖体RNA（ribosomalRNA,rRNA)3、信使RNA（messengerRNA,mRNA)4、特殊功能的RNA转化:指受体细胞直接摄取供体细胞的遗传物质（DNA片段），将其同源部分进行碱基配对，组合到自己的基因中，从而获得供体细胞的某些遗传性状，这种变异现象，称为转化。

20世纪20－40年代末，Griffith（英国）和Avery（美国）的“肺炎双球菌转化”实验证明DNA是有机体的遗传物质。DNAR型，无荚膜，不致病温育有荚膜，致病传代传代S型，有荚膜，致病有荚膜，致病有荚膜，致病肺炎双球菌转化实验噬菌体T2感染大肠杆菌实验搅拌破碎器作用离心分离说明噬菌体感染大肠杆菌时仅是DNA进入细菌的细胞，而蛋白质外壳没有进入。（二）RNA功能的多样性1、控制蛋白质的合成2、作用于RNA的转录后加工与修饰3、参与基因表达与细胞功能的调控4、生物催化作用5、遗传信息的加工与进化二、核酸的元素组成组成核酸的基本元素：C、H、O、N、P；其中P的含量比较稳定：DNA平均含磷量为9.9%，RNA为9.4%。通过测定P的含量来推算核酸的含量（定磷法）。任何核酸都含磷酸，所以核酸呈酸性。核苷酸核苷磷酸戊糖（一）核苷酸的组成成分碱基RNADNA1、戊糖RNA:核糖DNA:脱氧核糖2.碱基嘌呤碱嘧啶碱腺嘌呤(A)鸟嘌呤(G)胞嘧啶(C)胸腺嘧啶(T)尿嘧啶(U)1HCHNHCCHCHN23456CNCCCNNNCHHHNH2123456789

嘧啶

嘌呤:DNA特有:RNA特有两者均有OONCHNCHCCHH胞嘧啶（C）两者均有尿嘧啶（U）：

RNA特有胸腺嘧啶（T）DNA特有OCHNCCCHNHCH3OOCC

NCHCHNHNH2

嘧啶1HCHNHCCHCHN234563、磷酸：DNA、RNA均有RNA(AMP)DNA(dAMP)HHOOHOHHO两类核酸的基本化学组成比较碱基戊糖磷酸嘌呤碱嘧啶碱脱氧核糖核糖腺嘌呤(A)鸟嘌呤(G)胞嘧啶(C)胸腺嘧啶(T)腺嘌呤(A)鸟嘌呤(G)胞嘧啶(C)尿嘧啶(U)磷酸磷酸C

N

C

HC

C

C

N

NH

CH

NH2

+

9

核苷：由戊糖和碱基以糖苷键连接而成

核苷＝戊糖＋碱基C

N

C

HC

C

C

N

NH

CH

NH2

腺苷

糖苷键1’1’1’1’9911核苷脱氧腺苷酸dAMP腺苷酸AMP

脱氧鸟苷酸dGMP鸟苷酸GMP

脱氧胞苷酸dCMP胞苷酸CMP

脱氧胸苷酸dTMP尿苷酸UMP

通式：碱基+戊糖+磷酸（三）核苷酸种类

1.核苷酸DNA:dNMPRNA:NMPAMPADPATPAMPADPATP+P+P脱氧二磷酸腺苷酸dADP二磷酸腺苷酸ADP脱氧二磷酸鸟苷酸dGDP二磷酸鸟苷酸GDP脱氧二磷酸胞苷酸dCDP二磷酸胞苷酸CDP脱氧二磷酸胸苷酸dTDP二磷酸尿苷酸UDP

通式：碱基+戊糖+2磷酸2.二磷酸核苷酸DNA:dNDPRNA:NDP脱氧三磷酸腺苷酸dATP三磷酸腺苷酸ATP脱氧三磷酸鸟苷酸dGTP三磷酸鸟苷酸GTP脱氧三磷酸胞苷酸dCTP三磷酸胞苷酸CTP脱氧三磷酸胸苷酸dTTP三磷酸尿苷酸UTP

DNA:dNTPRNA:NTP通式：碱基+戊糖+3磷酸3.三磷酸核苷酸写出下列核苷酸的中文全称dTTP、GDP、dCMP写出下列核苷酸的英文简写脱氧二磷酸腺苷酸三磷酸尿苷酸脱氧鸟苷酸练习1.核酸的基本结构单位是—。2.核苷酸的主要组成是——、——和——.3.两类核酸在细胞中的分布不同，DNA主要位于——中，RNA主要位于——中。5.维持蛋白质分子一级结构的键是——，维持核酸分子一级结构的键是——。6.举出几个含有核苷酸的辅酶：7.举出几个含有核苷酸的高能化合物：8.举出几个含有核苷酸的信号分子：9.写出下列核苷酸的中文全称dTTP、GDP、dCMP10.写出下列核苷酸的英文简写脱氧二磷酸腺苷酸;三磷酸尿苷酸;脱氧鸟苷酸核苷酸碱基、核糖和磷酸细胞核、细胞质HSCoA、NAD+、NADP+、FADATP、GTP、CTP等cAMP，cGMP3’、5’-磷酸二酯键肽键三、体内重要的游离核苷酸核苷酸的衍生物－ATP(腺嘌呤核糖核苷三磷酸)ATP是生物体内分布最广和最重要的一种核苷酸衍生物。各种核苷三磷酸和脱氧核苷三磷酸是体内合成RNA和DNA合成的直接原料。它的结构如下：~~AMPADPATPAMPADPATP1、腺苷三磷酸(ATP)主要功能：提供能量AMPADPATP能量储存能量释放能量储存能量释放2、环苷酸主要功能：细胞内信号传导过程中的重要信息分子。cAMPcGMPcAMPATP催化蛋白激酶A第二节核酸的结构

核酸的结构一级结构空间结构一.核酸的一级结构

定义：由核苷酸按一定的数目、比例和特定的排列顺序，通过3´,5´-磷酸二酯键连接而成的多核苷酸长链。维系键：磷酸二酯键形式：多核苷酸长链（单链）CGA5´3´5’5’3’3’3’,5’磷酸二酯键AARNADNA磷酸二酯键碱基碱基5’末端3’末端5’3’5’3’OHOHpppppATGCAOH5´3´RNA:5´pUGCCA-OH3´多核苷酸链的简写式：DNA:5´dpApTpGpCpA-OH3´

或5´dpATGCA-OH3´线条式缩写字母式缩写ATGCAUGCCA5´→3´DNA的一级结构中碱基顺序即为遗传信息储存的分子形式。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。5´3´TACGT（一）DNA的空间结构DNA的空间结构二级结构三级结构二、核酸的空间结构

DNA的结构一级结构：二级结构：DNA的两条多聚核苷酸链间通过氢键形成的双螺旋结构。三级结构：DNA双链进一步折叠卷曲形成的构象。（二）DNA的二级结构1953年，Watson和Crick根据Chargaff规律和DNANa盐纤维的X光衍射分析提出了DNA的双螺旋结构模型，并对模型的生物学意义作出了科学的解释和预测。★Chargaff规律1950年：p26

DNA的结构课外作业：DNA双螺旋结构的发现过程？★英国生物物理学家Astbury(1898～1961)1938年曾通过X射线结晶衍射图发现DNA分子是多聚核苷酸分子的长链排列。DNA双螺旋结构的发现过程DNANa盐纤维X光衍射★具有非凡才能的英国女科学家Franklin（1920～1958）加盟到威尔金斯小组。她凭着独特的思维，设计了更能从多方面了解物质不同现象的实验方法，如获取在不同温度下的DNA的X射线衍射图。把这些各种局部的结构形状汇总，DNA的衍射图片越来越全面。1952年5月她获得了一张清晰的DNA的X光衍射照片。弗兰克林与威尔金斯提出DNA的结构可能是双螺旋。

1950年，爱尔兰科学家Wilkins（1916～）的研究小组保持DNA纤维的湿润状态且测定DNA在较高温度下的X射线衍射。DNA的X光衍射照片中有明显的几组点组成了十字的一横，提示DNA的整个结构为螺旋形，但证据并不充分。在1953年2月的讨论中，Wilkins出示了Franklin获得的非常清晰的DNA晶体衍射照片。这张照片突然激发了沃森头脑中的思维，DNA链只能是双链的才会显示出这样漂亮而清晰的图。1953年2月28日沃森和克里克重新摆弄出了正确的DNA双螺旋结构。1953年4月25日《自然》杂志发表了沃森与克里克的DNA双螺旋结构假说的不到1000字短文《核酸的分子结构——脱氧核糖核酸的一个结构模型》。DNA双螺旋结构的发现过程

双螺旋结构模型要点：①两条反向平行的多核苷酸链,走向分别为5´→3´和3´→5´；右手螺旋；碱基配对原则：Ａ＝Ｔ、Ｇ≡Ｃ；两链为互补链,

中间形成氢键。5’C

②磷酸与脱氧核糖在外侧，构成ＤＮＡ的骨架。

碱基在双螺旋内侧。

(可变)(不变)不变

可变TACGCGTAATGCTAAGTACTCG碱基配对原则:A＝T,G≡C5´3´5´3´???2.0nm小沟大沟5´ACTGTAACGT

磷酸脱氧核糖

碱基（3）维持DNA双螺旋结构稳定的因素：碱基堆积力：主要因素氢键静电排斥力DNA互补双螺旋结构的意义：

自身复制的功能，通过复制可以合成与其一模一样的DNA分子

。（4）AG2.0nm小沟大沟

DNA二级结构的多型性

（1）B—DNA：典型的Watson-Crick双螺旋DNA，右手双螺旋；（2）A-DNA：右手双螺旋，外形粗短。RNA分子双螺旋区、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。A-、B-、Z-DNA的比较原核生物DNA的高级结构2.DNA的三级结构:超螺旋DNA在真核生物细胞核内的组装Pr+DNA2(H2A、H2B、H3、H4）组蛋白八聚体（核心）DNA盘绕在外核心颗粒H1核小体串联串珠状结构超螺旋染色体（二）RNA的空间结构RNA双链部分、DNA与RNA

间碱基配对原则：

A＝U,G≡

C存在形式:

单股多核苷酸链(主），部分双链（次）5´3´ACGUA1、转运RNA(tRNA)：蛋白质合成时携带活化氨基酸

3、核糖体RNA(rRNA):

与蛋白质结合构成核糖体,

蛋白质合成场所2、信使RNA(mRNA)：蛋白质合成中起模板作用分类

RNA的结构（一）

RNA的一级结构AMP、GMP、CMP、UMP通过3’、5’磷酸二酯键形成线形多聚体。RNA分子中的一级结构见图13－3①

组成RNA的戊糖是核糖②RNA的U替代DNA中的T，此外，RNA中常有一些稀有碱基。③

天然RNA分子都是单链线形分子，只有部分区域是A-型双螺旋结构。（二）tRNA的结构

结构：二级结构是三叶草形

RNA的结构有较多稀有碱基3’末端为…CCA-OH5’末端大多为pG…或pC…氨基酸臂二氢尿嘧啶环反密码环额外环(可变环)TC环（假尿嘧啶环）识别mRNA上密码3’端为-CCA,蛋白质合成时连接活化的氨基酸1、tRNA二级结构:三叶草形DHU环TΨ环N,N二甲基鸟嘌呤N6-异戊烯腺嘌呤双氢尿嘧啶(DHU)4-巯尿嘧啶

稀有碱基

tRNA的三级结构:倒L形在三叶草型二级结构的基础上，突环上未配对的碱基由于整个分子的扭曲而配成对，目前已知的tRNA的三级结构均为倒L型tRNA三级结构－倒L形

tRNA的三级结构:倒L形★tRNA的功能：●转运氨基酸●识别密码子●参与翻译起始●参与DNA的反转录●参与基因表达调控1、tRNA二级结构:三叶草形三级结构－倒L形3’端为-CCA,蛋白质合成时连接活化的氨基酸密码环上有反密码子识别mRNA上密码2、mRNA转录DNA信息，作为蛋白质合成的直接模板

mRNA的结构mRNA是在细胞核及线粒体内产生，然后进入细胞质及核糖体。mRNA约占细胞RNA总量的3~5%，是蛋白质合成的模板。原核生物和真核生物mRNA在结构上有所区别：原核：没有5’帽子和3’polyA结构。真核：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“。

RNA的结构AA…AA5´加帽3´加尾2、mRNA结构特点：

5´有由7－甲基鸟嘌呤核苷酸三磷酸组成的帽状结构

3´有由多聚腺苷酸组成的尾部结构AA…AA5´加帽3´加尾帽子结构7－甲基鸟嘌呤核苷酸三磷酸甲基化鸟苷酸经焦磷酸与mRNA的5’末端核苷酸相连，形成5’，5’－三磷酸连接。rRNA的结构所有生物的核糖体都是由大小不同的两个亚基所组成，大小亚基分别由几种rRNA和数十种蛋白质组成。

RNA的结构

★rRNA的功能：●组成核糖体成分；●催化蛋白质肽键的形成；●参与tRNA与mRNA的结合。

核糖体

rRNA+Pr↓大、小亚基

大亚基：tRNA附着部位小亚基：mRNA附着部位80S60S40S小结DNA:主要的遗传物质，主要存在于细胞核；通过复制传递遗传信息给子代；通常为双链；含脱氧核糖，T为特有成分。RNA:主要在核内合成，主要分布于细胞质；遗传信息表达分子，指导合成蛋白质；通常为单链；含核糖，U为特有成分。第三节核酸的理化性质二、酸碱性：两性解离，一般呈酸性（在中性溶液中带负电荷，可用电泳或离子交换法进行分离一、溶解度：微溶于水，不溶于乙醇、乙醚等有机溶剂大分子，粘度高三、核酸的紫外吸收原因：核酸中有嘌呤与嘧啶碱碱基、核苷、核苷酸和核酸在240~290nm的紫外波段有强烈的光吸收，λmax=260nm三、

核酸的紫外吸收1、

鉴定纯度纯DNA的A260/A280应大于1.8

纯RNA的A260/A280应为2.0。若溶液中含有杂蛋白或苯酚，则A260/A280比值明显降低。2、

含量计算（纯样品）

A260

＝1，相当于：50ug/mL双螺旋DNA

或40ug/mL单链DNA（或RNA）或20ug/mL寡核苷酸四、核酸的变性、复性和杂交概念：加热、酸碱等条件下，核酸双螺旋区的氢键断裂，变成单链，不涉及共价键断裂。

方法：过量酸，碱，加热，变性试剂如尿素、酰胺以及某些有机溶剂如乙醇、丙酮等（一）变性DNA变性的本质是双链间氢键的断裂不涉及磷酸二酯断裂，一级结构完整变性过程(一)变性四、

核酸的变性、复性及杂交

(一)变性★变性因素：

四、

核酸的变性、复性及杂交★变性后的理化性质：二级结构改变，双螺旋区氢键断裂，空间结构破坏，形成单链无规线团状，只涉及次级键的破坏,

260nm紫外吸光度值升高；粘度降低；浮力密度升