第二章核酸化学

第二章核酸化学第1页，共72页，2023年，2月20日，星期一核酸的结构与功能第一节核酸通论第二节核酸基本构件单位—核苷酸第三节DNA的分子结构第四节RNA的分子结构第五节核酸的某些理化性质及核酸研究常用技术第六节人类基因组计划简介第2页，共72页，2023年，2月20日，星期一第一节核酸通论一、核酸的研究历史和重要性二、核酸的种类和分布三、DNA储存遗传信息的证实第3页，共72页，2023年，2月20日，星期一核酸的研究历史和重要性1869

Miescher从脓细胞的细胞核中分离出了一种含磷酸的有机物，当时称为核素（nuclein）,后称为核酸（nucleicacid）；此后几十年内，弄清了核酸的组成及在细胞中的分布。1944Avery等成功进行肺炎球菌转化试验；1952年Hershey等的实验表明32P-DNA可进入噬菌体内，证明DNA是遗传物质。1953

Watson和Crick建立了DNA结构的双螺旋模型，说明了基因的结构、信息和功能三者间的关系，推动了分子生物学的迅猛发展。1958

Crick提出遗传信息传递的中心法则，

60年代RNA研究取得大发展（操纵子学说，遗传密码，逆转录酶）。第4页，共72页，2023年，2月20日，星期一核酸的研究历史和重要性（续）历史70年代建立DNA重组技术，改变了分子生物学的面貌，并导致生物技术的兴起。80年代RNA研究出现第二次高潮：ribozyme、反义RNA、“RNA世界”假说等等。90年代以后实施人类基因组计划（HGP）,开辟了生命科学新纪元。生命科学进入后基因时代：功能基因组学（functionalgenomics）

蛋白质组学（proteomics）

结构基因组学（structuralgenomics）RNA组学（Rnomics）或核糖核酸组学（ribonomics）第5页，共72页，2023年，2月20日，星期一

核酸分类和分布脱氧核糖核酸（deoxyribonucleicacid,DNA）:遗传信息的贮存和携带者，生物的主要遗传物质。在真核细胞中，DNA主要集中在细胞核内，线粒体和叶绿体中均有各自的DNA。原核细胞没有明显的细胞核结构，DNA存在于称为类核的结构区。每个原核细胞只有一个染色体，每个染色体含一个双链环状DNA。核糖核酸（ribonucleicacid,RNA）：主要参与遗传信息的传递和表达过程，细胞内的RNA主要存在于细胞质中，少量存在于细胞核中，病毒中RNA本身就是遗传信息的储存者。另外在植物中还发现了一类比病毒还小得多的侵染性致病因子称为类病毒，它是不含蛋白质的游离的RNA分子，还发现有些RNA具生物催化作用（ribozyme）。第6页，共72页，2023年，2月20日，星期一肺炎球菌转化实验图解IIIS型细胞（有毒）IIR型细胞（无毒）破碎细胞DNAase降解后的DNAIIR型细胞接受IIIS型DNA只有IIR型大多数仍为IIR型少数IIR型细胞被转化产生IIIS型荚膜S（光滑）SRRR（粗糙）+DNA第7页，共72页，2023年，2月20日，星期一第二节核酸的基本结构单位—核苷酸一、核苷酸的化学组成与命名1、碱基、核苷、核苷酸的概念和关系

2、常见碱基的结构与命名法

3、常见（脱氧）核苷酸的基本结构与命名4、稀有核苷酸5、细胞内游离核苷酸及其衍生物二、核苷酸的生物学功能第8页，共72页，2023年，2月20日，星期一5´-磷酸核苷酸的基本结构OO（N=A、G、C、U、T）HH(O)H1´2´NOHCH2HH5´4´3´PO-OOO-核糖磷酸碱基第9页，共72页，2023年，2月20日，星期一碱基、核苷、核苷酸的概念和关系

NitrogenousbasePentosesugarHOCH2HOHDoxyribose(inDNA)HOCH2HOOHRibose(inRNA)PhosphatePyrimidinesCytosineThymineUracilCUTPurihesAdenineGuanineAG核酸磷酸核苷戊糖碱基第10页，共72页，2023年，2月20日，星期一基本碱基结构和命名嘌呤嘧啶Adenine

(A)Guanine

(G)Cytosine(C)Uracil(U)Thymine(T)第11页，共72页，2023年，2月20日，星期一核苷酸的结构和命名腺嘌呤核苷酸（AMP）

Adenosine

monophosphate脱氧腺嘌呤核苷酸（dAMP）Deoxyadenosine

monophosphate鸟嘌呤核苷酸（GMP）胞嘧啶核苷酸（CMP）尿嘧啶核苷酸（UMP）脱氧鸟嘌呤核苷酸（dGMP）脱氧胞嘧啶核苷酸（dCMP）脱氧胸腺嘧啶核苷酸（dTMP）HOH第12页，共72页，2023年，2月20日，星期一PPPPPPPP常见（脱氧）核苷酸的结构和命名鸟嘌呤核苷酸（GMP）尿嘧啶核苷酸（UMP）胞嘧啶核苷酸（CMP）腺嘌呤核苷酸（AMP）脱氧腺嘌呤核苷酸（dAMP）脱氧鸟嘌呤核苷酸（dGMP）脱氧胞嘧啶核苷酸（dCMP）脱氧胸腺嘧啶核苷酸（dTMP）第13页，共72页，2023年，2月20日，星期一几种稀有核苷假尿苷（）二氢尿嘧啶（DHU）AmCH3CH3H3Cm26GHH5HH第14页，共72页，2023年，2月20日，星期一几种稀有核苷酸假尿苷（）二氢尿嘧啶（DHU）AmCH3CH3H3Cm26GHH5HH第15页，共72页，2023年，2月20日，星期一细胞内游离核苷酸及其衍生物多磷酸核苷酸环核苷酸辅酶类核苷酸。第16页，共72页，2023年，2月20日，星期一

5´-NMP5´-NDP5´-NTPN=A、G、C、U

5´-dNMP5´-dNDP5´-dNTPN=A、G、C、T腺苷酸及其多磷酸化合物

AMPAdenosine

monophosphate

ADPAdenosine

diphosphate

ATPAdenosine

triphosphate第17页，共72页，2023年，2月20日，星期一OPOOHOA(G)OOOHCH2HHHHcAMP(cGMP)的结构

Cyclicadenylie(Guanine)acid第18页，共72页，2023年，2月20日，星期一二、核苷酸的生物学功能作为核酸的单体细胞中的携能物质（如ATP、GTP、CTP、GTP）酶的辅助因子的结构成分（如NAD）细胞通讯的媒介（如cAMP、cGMP）第19页，共72页，2023年，2月20日，星期一

第二节DNA的分子结构

一、核酸分子中的共价键二、DNA一级结构三、DNA碱基组成的Chargaff规则四、DNA的二级结构五、DNA的三级结构六、DNA与蛋白质复合物的结构第20页，共72页，2023年，2月20日，星期一5533核酸分子中核苷酸之间的共价键3-5磷酸二酯键第21页，共72页，2023年，2月20日，星期一二、DNA的一级结构

DNA分子中各脱氧核苷酸之间的连接方式（3´-5´磷酸二酯键）和排列顺序叫做DNA的一级结构，简称为碱基序列。一级结构的走向的规定为5´→3´。不同的DNA分子具有不同的核苷酸排列顺序，因此携带有不同的遗传信息。

一级结构的表示法结构式，线条式，字母式5´3´第22页，共72页，2023年，2月20日，星期一DNA一级结构的表示法5´3´结构式5´3´

p

p

p

pOH3´ACTG1´线条式5´

ACTGCATAGCTCGA3´字母式第23页，共72页，2023年，2月20日，星期一三、DNA碱基组成的Chargaff规则

Chargaff首先注意到DNA碱基组成的某些规律性，在１９５０年总结出DNA碱基组成的规律：

腺嘌呤和胸腺嘧啶的摩尔数相等，即A=T。

鸟嘌呤和胞腺嘧啶的摩尔数也相等，即G=C。

含氨基的碱基总数等于含酮基碱基总数，即

A+C=G+T。嘌呤的总数等于嘧啶的总数，即A+G=C+T。第24页，共72页，2023年，2月20日，星期一DNA、RNA的一级结构

DNA一级结构5´3´OHOHOH5´3´RNA一级结构第25页，共72页，2023年，2月20日，星期一四、DNA的二级结构

（1）DNA的双螺旋结构(Watson-Crick模型)（2）

DNA双螺旋结构特征及意义（3）DNA双螺旋的多态性（4）DNA的三股螺旋（tripkex）第26页，共72页，2023年，2月20日，星期一DNA的双螺旋结构的形成5´3´5´3´5´3´5´3´磷酸核糖碱基T-A碱基对C-G碱基对第27页，共72页，2023年，2月20日，星期一DNA的双螺旋模型特点

a.两条反向平行的多聚核苷酸链沿一个假设的中心轴右旋相互盘绕而形成。

b.磷酸和脱氧核糖单位作为不变的骨架组成位于外侧，作为可变成分的碱基位于内侧，链间碱基按A—T，G—C配对（碱基配对原则，Chargaff定律）

c.螺旋直径2nm，相邻碱基平面垂直距离0.34nm,螺旋结构每隔10个碱基对（basepair,bp）重复一次，间隔为3.4nm第28页，共72页，2023年，2月20日，星期一

氢键碱基堆集力磷酸基上负电荷被胞内组蛋白或正离子中和碱基处于疏水环境中DNA的双螺旋结构稳定因素

第29页，共72页，2023年，2月20日，星期一DNA的双螺旋结构的意义

该模型揭示了DNA作为遗传物质的稳定性特征，最有价值的是确认了碱基配对原则，这是是DNA复制、转录和反转录的分子基础，亦是遗传信息传递和表达的分子基础。该模型的提出是本世纪生命科学的重大突破之一，它奠定了生物化学和分子生物学乃至整个生命科学飞速发展的基石。第30页，共72页，2023年，2月20日，星期一DNA双螺旋的不同构象

第31页，共72页，2023年，2月20日，星期一三种DNA双螺旋构象比较A-DNAZ-DNAB-DNAABZ外型粗短适中细长螺旋方向右手右手左手螺旋直径2.55nm2.37nm1.84nm碱基直升0.23nm0.34nm0.38nm碱基夹角32.7034.6060.00每圈碱基数1110.412轴心与碱基对关系2.46nm3.32nm4.56nm碱基倾角1901090糖苷键构象反式反式C、T反式，G顺式大沟很窄很深很宽较深平坦小沟很宽、浅窄、深较窄很深第32页，共72页，2023年，2月20日，星期一DNA分子内的三链结构多聚嘌呤多聚嘧啶DNA分子间的三链结构DNA三链间的碱基配对T-A-TC-G-C第33页，共72页，2023年，2月20日，星期一五、DNA的三级结构

1．超螺旋DNA（supercoiledDNA）2．拓朴异构酶（topoisomerase）

(1)超螺旋DNA的形成(2)超螺旋状态的定量描述(３)DNA超螺旋结构形成的重要意义

(1)两类拓朴异构酶(2)拓朴异构酶作用机理

DNA的三级结构指双螺旋DNA分子通过扭曲和折叠所形成的特定构象，包括不同二级结构单元间的相互作用、单链和二级结构单元间的相互作用以及DNA的拓扑特征。第34页，共72页，2023年，2月20日，星期一螺旋和超螺旋电话线螺旋超螺旋第35页，共72页，2023年，2月20日，星期一L=25,T=25,W=0松弛环形1152010523L=23,T=23,W=0解链环形15101520231510152025L=23,T=25,W=–2负超螺旋121482316131510152023右手旋转拧松两匝后的线形DNADNA超螺旋的形成超螺旋的拓扑学公式：L=T+W或=+第36页，共72页，2023年，2月20日，星期一超螺旋状态的定量描述

公式1：L=T+WL——连环数（linkingnumber），DNA双螺旋中一条链以右手螺旋与另一条链缠绕的次数。

T——DNA分子中的螺旋数（twistingnumber）W——超螺旋数或缠绕数（writhingnumber）公式2：λ=（L-L0）/L0λ——超螺旋度（degreeofsupercoiling）L0——松驰态DNA连环数L=25,T=25,W=0松弛环形1152010523L=23,T=25,W=–2负超螺旋12148231613第37页，共72页，2023年，2月20日，星期一DNA超螺旋结构形成的意义

使DNA形成高度致密状态从而得以装入核中；推动DNA结构的转化以满足功能上的需要。如负超螺旋分子所受张力会引起互补链分开导致局部变性，利于复制和转录。第38页，共72页，2023年，2月20日，星期一原核生物两类拓扑异构酶

除连环数（L）不同外其他性质均相同的DNA分子称为拓扑异构体（topoisomerase）。DNA拓扑异构酶通过改变DNA的L值而影响其拓扑结构。

拓扑异构酶I通过使DNA的一条链发生断裂和再连接，能使超螺旋DNA转变成松弛型环状DNA，每催化一次可消除一个负超螺旋，即使L增加１，反应无需供给能量。拓扑异构酶II则刚好相反，可使松弛型环状DNA转变成负超螺旋DNA，每催化一次，L减少２，可引入负超螺旋。拓扑异构酶II亦称促旋酶，它可以使DNA的两条链同时断裂和再连接，当它引入超螺旋时需要ATP提供能量。细胞内两类拓扑异构酶的含量受严格的控制，使细胞内DNA保持在一定的超螺旋水平。第39页，共72页，2023年，2月20日，星期一

原核拓扑异构酶I的作用机制连接数=n连接数=n+1穿越断口和使两端连接切割abcd第40页，共72页，2023年，2月20日，星期一

DNA双链重新连接DNA双链穿过DNA的释放重复起始DNA双链断裂拓扑异构酶II的作用机制

第41页，共72页，2023年，2月20日，星期一拓扑异构酶第42页，共72页，2023年，2月20日，星期一

六、DNA与蛋白质复合物的结构

生物体内的核酸通常都与蛋白质结合形成复合物，以核蛋白（nucleoprotein）的形式存在。DNA分子十分巨大，与蛋白质结合后被组装到有限的空间中。１、病毒２、细菌拟核３、真核染色体第43页，共72页，2023年，2月20日，星期一噬菌体T2结构头部颈圈尾部基板尾丝尖钉第44页，共72页，2023年，2月20日，星期一动物病毒切面模式图

被膜（脂蛋白、碳水化合物）衣壳（蛋白质）核酸突起（糖蛋白）病毒粒第45页，共72页，2023年，2月20日，星期一细菌拟核（nucleoid）的突环结构

RNA-蛋白质核心突环由双链DNA结合碱性蛋白质组成平均一个突环含有约40kpDNA第46页，共72页，2023年，2月20日，星期一组蛋白与DNA的结合核小体第47页，共72页，2023年，2月20日，星期一DNA的念珠状结构第48页，共72页，2023年，2月20日，星期一核小体盘绕及染色质示意图第49页，共72页，2023年，2月20日，星期一真核生物染色体DNA组装不同层次的结构

DNA（2nm）核小体链（11nm，每个核小体200bp）纤丝（30nm，每圈6个核小体）突环（150nm，每个突环大约75000bp）玫瑰花结（300nm，6个突环）螺旋圈（700nm，每圈30个玫瑰花）染色体（1400nm，

每个染色体含10个玫瑰花200bp）第50页，共72页，2023年，2月20日，星期一第四节

RNA的分子结构

一、RNA一级结构和类别二、tRNA的分子结构三、rRNA的分子结构四、mRNA的分子结构第51页，共72页，2023年，2月20日，星期一RNA的类别

信使RNA（messengerRNA，mRNA）：在蛋白质合成中起模板作用；核糖体RNA（ribosoalRNA，rRNA）：与蛋白质结合构成核糖体（ribosome）,核糖体是蛋白质合成的场所；转移RNA（transforRNA，tRNA）：在蛋白质合成时起着携带活化氨基酸的作用。第52页，共72页，2023年，2月20日，星期一RNA的一级结构

RNA分子中各核苷之间的连接方式（3´-5´磷酸二酯键）和排列顺序叫做RNA的一级结构OHOHOH5´3´

RNA与DNA的差异

DNA

RNA糖脱氧核糖核糖碱基AGCTAGCU不含稀有碱基含稀有碱基第53页，共72页，2023年，2月20日，星期一tRNA的结构二级结构特征：单链三叶草叶形四臂四环三级结构特征：在二级结构基础上进一步折叠扭曲形成倒L型第54页，共72页，2023年，2月20日，星期一酵母tRNAAla

的二级结构

DHU环IGC反密码子反密码环氨基酸臂可变环TψC环CCAAla3´5´第55页，共72页，2023年，2月20日，星期一tRNA的三级结构第56页，共72页，2023年，2月20日，星期一

rRNA的分子结构特征：单链，螺旋化程度较tRNA低

与蛋白质组成核糖体后方能发挥其功能5sRNA的二级结构第57页，共72页，2023年，2月20日，星期一

mRNA的分子结构原核生物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58页，共72页，2023年，2月20日，星期一原核细胞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59页，共72页，2023年，2月20日，星期一真核细胞mRNA的结构特点AAAAAAA-OH5´“帽子”PolyA

3´

顺反子m7G-5´ppp-N-3´p第60页，共72页，2023年，2月20日，星期一第五节核酸的某些理化性质及

核酸研究常用技术

一、核酸的两性解离性质

二、核酸的紫外吸收（λmax=260nm）三、核酸的变性、复性和分子杂交

四、核酸的熔解温度（Tm）五、核酸的沉降性质第61页，共72页，2023年，2月20日，星期一核苷酸的解离曲线pK1=0.9第一磷酸基pK3=6.2第二磷酸基pK2=3.7含氮环腺嘌呤核苷酸pK1=0.7第一磷酸基pK3=6.1第二磷酸基pK2=3.7含氮环烯醇式羟基鸟嘌呤核苷酸pK1=0.8第一磷酸基pK3=6.3第二磷酸基pK2=4.3含氮环胞嘧啶核苷酸pK1=1.0第一磷酸基pK3=6.4第二磷酸基烯醇式羟基尿嘧啶核苷酸pH离子化程度小牛胸线DNA的滴定曲线pH第62页，共72页，2023年，2月20日，星期一DNA的紫外吸收光谱天然DNA变性DNA核苷酸总吸收值1232202402602800.10.20.30.4波长（nm）光吸收123第63页，共72页，2023年，2月20日，星期一DNA的变性过程加热部分双螺旋解开无规则线团链内碱基配对第64页，共72页，2023年，2月20日，星期一核酸的变性、复性和杂交变性（加热）探针杂交（缓慢冷却）复性（缓慢冷却）

变性：在物理、化学因素影响下，DNA碱基对间的氢键断裂，双螺旋解开，这是一个是跃变过程，伴有A260增加（增色效应）,DNA的功能丧失。复性：在一定条件下，变性DNA单链间碱基重新配对恢复双螺旋结构，伴有A260减小（减色效应）,DNA的功能恢复。第65页，共72页，2023年，2月20日，星期一Southern印迹法DNA分子限制片段限制性酶切割琼脂糖电泳转移至硝酸纤维素膜上与放射性标记DNA探针杂交放射自显影带有DNA片段的凝胶凝胶滤膜用缓冲液转移DNA吸附有DNA片段的膜第66页，共72页，2023年，2月20日，星期一分子杂交的原理示意图

不同来源的DNA单链间或单链DNA与RNA之间只要有碱基配对的区域，在复性时可形成局部双螺旋区，称核酸分子杂交（hybridization）制备特定的探针（pr