第四章核酸详解

第四章核酸详解演示文稿目前一页\总数八十七页\编于十一点优选第四章核酸目前二页\总数八十七页\编于十一点核质(nuclein)是1868年瑞士的内科医生FriedrichMiescher发现,又称核酸(nucleicacid)1944年Oswald,A.证实是脱氧核糖核酸(deoxyribonucleicacid)，纠正了蛋白质携带遗传信息这一错误认识，确立核酸是遗传物质1953年Watson和Crick的DNA双螺旋结构模型，成为遗传学的分子基础后来又发现核糖核酸(ribonucleicacid)及其在遗传中的作用核酸的发现1990年代的人类基因组计划及人基因测序目前三页\总数八十七页\编于十一点由核酸研究而产生的分子生物学及其基因工程技术已渗透到医药学、农业、化工等领域的各个学科，人类对生命本质的认识进入了一个崭新的天地核酸研究的重要性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。核酸研究是分子生物学的重要领域目前四页\总数八十七页\编于十一点

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）目前五页\总数八十七页\编于十一点第一节核苷酸第二节脱氧核糖核酸（DNA）第三节核糖核酸（RNA）第四节核酸的化学性质和常用的研究方法目前六页\总数八十七页\编于十一点第一节核苷酸核苷核苷酸碱基目前七页\总数八十七页\编于十一点

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。1、戊糖RiboseDeoxyribose一、戊糖和碱基目前八页\总数八十七页\编于十一点2、碱基a.嘌呤（Purine）123456978腺嘌呤AdenineA鸟嘌呤guanineG目前九页\总数八十七页\编于十一点b.嘧啶（Pyrimidine）123456尿嘧啶uracilU胞嘧啶cytosineC胸腺嘧啶thymineT目前十页\总数八十七页\编于十一点

核酸中五种碱基中的酮基和氨基，均位于碱基环中氮原子的邻位，可以发生酮式一烯醇式或氨基-亚氨基之间的结构互变。这种互变异构在基因的突变和生物的进化中具有重要作用。胸腺嘧啶鸟嘌呤

腺嘌呤胞嘧啶尿嘧啶目前十一页\总数八十七页\编于十一点二、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)目前十二页\总数八十七页\编于十一点AdenosineGuanosineCytidineUridine目前十三页\总数八十七页\编于十一点

核苷有核糖核苷和脱氧核糖核苷两类：核苷由碱基和缩合而成，并以糖苷键相连接。糖环上的C1与嘧啶碱的N1或嘌呤碱的N9相连接，这种N-C键称为N-糖苷键核酸分子中的糖苷键均为-糖苷键核苷中的碱基和糖环平面互相垂直目前十四页\总数八十七页\编于十一点三、核苷酸（nucleotide）

核苷酸核苷+磷酸

戊糖+碱基+磷酸HHHHHHHHH目前十五页\总数八十七页\编于十一点核酸DNARNA核酸和蛋白质元素组成上的异同?核酸的元素组成元素有C、H、O、N、P等四、核酸目前十六页\总数八十七页\编于十一点核酸核苷酸磷酸核苷戊糖碱基核酸的组成图示D-核糖(D-ribose)和D-脱氧核糖(D-deoxyribose)，分别存在于核糖核苷酸（RNA）和脱氧核糖核苷酸（DNA）RNA：腺嘧啶尿嘧啶胞嘧啶尿嘧啶DNA：腺嘧啶鸟嘧啶胞嘧啶胸腺嘧啶目前十七页\总数八十七页\编于十一点目前十八页\总数八十七页\编于十一点目前十九页\总数八十七页\编于十一点目前二十页\总数八十七页\编于十一点

第二节脱氧核糖核酸（DNA）目前二十一页\总数八十七页\编于十一点目前二十二页\总数八十七页\编于十一点

一、DNA的碱基组成二、DNA的一级结构三、DNA的空间结构四、环型DNA

五、DNA的生物学功能目前二十三页\总数八十七页\编于十一点一、DNA的碱基组成目前二十四页\总数八十七页\编于十一点不同生物来源的DNA碱基组成不同，表现在A＋T/G＋C

比值的不同；所有DNA中腺嘌呤和胸腺嘧啶的摩尔含量相等，即A=T。同一生物的不同组织的DNA碱基组成相同；一种生物DNA碱基组成不随生物体的年龄、营养状态或者环境变化而改变；几乎所有的DNA，无论种属来源如何，其腺嘌呤摩尔含量与胸腺嘧啶摩尔含量相同(A］=［T)，鸟嘌呤摩尔含量与胞嘧啶摩尔含量相同(G］=［C)，总的嘌呤摩尔含量与总的嘧啶摩尔含量相同(［A＋G］=［C]＋［T)。目前二十五页\总数八十七页\编于十一点G-CBasePairDNA碱基对：A-TBasePair目前二十六页\总数八十七页\编于十一点目前二十七页\总数八十七页\编于十一点AdenineandthymineformanATbasepair,stabilizedbytwohydrogenbonds,whileguanineandcytosineformaGCbasepair,stabilizedbythreehydrogenbonds.Thebasepairsarethe“rungsintheladder”whilethesugar-phosphatesmakeupthebackboneofthehelix.目前二十八页\总数八十七页\编于十一点DNAisnormallyaduplex:itcontainstwopolymerstrandsinanantiparallelarrangement.Attheheartofthisstructurearebasepairs,wherecorrespondingbasesinopposingstrandsareheldtogetherbyhydrogen-bonds.目前二十九页\总数八十七页\编于十一点二、DNA的一级结构

DNA的一级结构是由数量极其庞大的四种脱氧核糖核苷酸通过3’，5’-磷酸二酯键连接起来的直线型或环型多聚体。由于脱氧核糖中C-2’上不含羟基，C-1’又与碱基相连接，所以唯一可以形成的键是3’，5’-磷酸二酯键，所以DNA没有侧链。

目前三十页\总数八十七页\编于十一点DNA中多核苷酸链片段图示目前三十一页\总数八十七页\编于十一点DNAstrandshavedirectionalityandasequenceisreadfromthe5’tothe3’end--5and3beingthepositions(carbonnumber)onthesugarwherethephosphateisattached.The5’-3’strandpairsupwitha3’-5’strandtomaketheantiparalleldoublestrandwithbasepairsontheinside.Thebasesequenceofonestranddefinesthebasesequenceoftheother–ifyouknowthesequenceofonestrand,bycomplementarybasepairing,youcanfigureoutthesequenceoftheotherstrand.目前三十二页\总数八十七页\编于十一点ToformtheDNApolymer,thenucleotideunitsareconnectedbetweenthe3’hydroxylgroup(-OH)ofonenucleotideandthe5’hydroxylgroupofanothernucleotide.Theconnectionsmadebetweennucleotidesarephosphodiesterbonds.EachDNAmoleculehasaspecificsequenceofbasesalongthepolymer.Accordingtoconvention,thesequenceofbasesisreadsothatthe5’endofthephosphodiesterbondistotheleftandthe3’connectionistotheright.Thisisreferredtothe5’=>3’direction.目前三十三页\总数八十七页\编于十一点目前三十四页\总数八十七页\编于十一点三、DNA的空间结构(双螺旋结构模型,doublehelixmodel)1953年，Watson和Crick提出了著名的DNA分子的双螺旋结构模型，揭示了遗传信息是如何储存在DNA分子中，以及遗传性状何以在世代间得以保持。这是生物学发展的重大里程碑。目前三十五页\总数八十七页\编于十一点目前三十六页\总数八十七页\编于十一点AlthoughJamesWatsonandFrancisCrickaremostoftencitedintheelucidationofDNAstructure,someonelessknownplayedaverybigroleinthisdiscovery–RosalindFranklin.ItwasFranklin’sx-raycrystallographydatawhichWatsonandCricktookwithoutpermissionandpublishedwithoutcreditingFranklinthatshowedthedoublehelixnatureofDNA.目前三十七页\总数八十七页\编于十一点目前三十八页\总数八十七页\编于十一点目前三十九页\总数八十七页\编于十一点双螺旋结构的要点：(1)在DNA分子中，两股DNA链围绕一假想的共同轴心形成一右手螺旋结构，双螺旋的螺距（旋转一周10个核苷酸）为3.4nm，直径为2.0nm。目前四十页\总数八十七页\编于十一点(2)链的骨架(backbone)由交替出现的、亲水的脱氧核糖基和磷酸基构成，

位于双螺旋的外侧。(3)碱基位于双螺旋的内侧，两股链中的嘌呤和嘧啶碱基以其疏水的、近

于平面的环形结构彼此密切相近，平面与双螺旋的长轴相垂直。一股

链中的嘌呤碱基与另一股链中位于同一平面的嘧啶碱基之间以氢链相

连，称为碱基互补（basecomplementary）或碱基配对(basepairing)，碱基对层间的距离为0.34nm。碱基互补配对总是出现于腺嘌呤与胸腺

嘧啶之间(A=T)，形成两个氢键；或者出现于鸟嘌呤与胞嘧啶之间(G=C)，形成三个氢键。碱基互补原则具有极其重要的生物学意义，DNA复制、转录、反转录等的分子基础都是碱基互补。目前四十一页\总数八十七页\编于十一点(4a)DNA双螺旋的两股链走向是反平行的，一股链是5′→3′走向，

另一股链是3′→5′走向。目前四十二页\总数八十七页\编于十一点(4b)两股链之间在空间上形成一条大沟(majorgroove)和一条小沟(minorgroove)，这是蛋白质识别DNA的碱基序列，与其发生相互作用的基础。DNA双螺旋的稳定由互补碱基对之间的氢键和碱基对层间的堆积力(basestackingforce)维系。DNA双螺旋中两股链中碱基互补的特点，逻辑地预示了DNA复制过程是先将DNA分子中的两股链分离开，然后以

每一股链为模板(亲本)，通过碱基互补原则合成相应的互补链(复本)，

形成两个完全相同的DNA分子。因为复制得到的每对链中只有一条是

亲链，即保留了一半亲链，将这种复制方式称为DNA的半保留复制

(semiconservativereplication)。后来证明，半保留复制是生物体遗传信

息传递的最基本方式。目前四十三页\总数八十七页\编于十一点Thisimageshowstheclassicdouble-helixstructureofDNA,alsoknownasB-DNA,asDNAcansometimesassumedifferent3-Dstructures.Theredandbluechainsarethesugar-phosphatebackboneoftheDNA,andthebasesareshowningreen.Eachbasehydrogenbondstoitscomplement(AwithT,GwithC)toformaplanarbasepair.Anyothercombinationofbaseswouldsignificantlydistortthisregularstructure.ThemajorgrooveformedbythismoleculeiswheremanyproteinsgetcloseenoughtoDNAtorecognizespecificsequences.目前四十四页\总数八十七页\编于十一点Thisisamoreaccuraterepresentationofwhataproteinwould"see"whentryingtobindtoDNA.Noticehowonlythebases(green)inthemajorgrooveseemaccessible.Unlessyou(asaprotein)canwraparoundtheDNA,youcanonlyrecognizethese4-5basesbeforethebackbonegetsintheway.SomeproteinssolvethisproblembywrappingaroundtheDNA,andfollowingthemajorgroove.OtherssimplylieontheDNAandinteractwithregions10or20basesapart.Imagineplacingyourhandonthescreen.Theheelofyourhandcouldinteractwiththebasesnearthebaseoftheimage,whileyourfingertipscouldinteractwiththenextexposedgrooveatthetop.目前四十五页\总数八十七页\编于十一点ThisshowsashortsegmentofDNArotatingarounditsaxis.Itallowsbettervisualizationofthemajorandminorgrooves.ThemajorgrooveisofgreatimportancebecauseitallowsmanyproteinstorecognizeandbindspecificDNAsequences.目前四十六页\总数八十七页\编于十一点DNA双螺旋是核酸二级结构的重要形式。双螺旋结构理论支配了近代核酸结构功能的研究和发展，是生命科学发展史上的杰出贡献。目前四十七页\总数八十七页\编于十一点DNA类型：目前四十八页\总数八十七页\编于十一点双螺旋稳定的力：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）目前四十九页\总数八十七页\编于十一点StructureofB-DNAStructureofZ-DNA目前五十页\总数八十七页\编于十一点A-、B-和Z-DNA的比较螺旋类型

ABZ

外型粗短适中细长每对碱基之距离0.23nm0.34nm0.38nm

螺旋直径2.55nm2.37nm1.84nm

螺旋方向右手右手左手核苷键构型反式反式C.T反式G顺式每匝螺旋碱基对数目1110.412螺距2.46nm3.32nm4.56nm

碱基对与中心轴之倾角19º1º9º大沟窄，很深宽，深平坦小沟很宽，浅窄，很深很窄，深目前五十一页\总数八十七页\编于十一点二、DNA的三级结构DNA双螺旋的进一步扭曲构成三级结构，负超螺旋原核双链环状DNA（dcDNA）病毒单链环状DNA（scDNA）单链线性DNA（ssDNA）

目前五十二页\总数八十七页\编于十一点目前五十三页\总数八十七页\编于十一点真核双链线性DNA（dsDNA）目前五十四页\总数八十七页\编于十一点DNA核酸的生物学功能:遗传信息的载体目前五十五页\总数八十七页\编于十一点

第三节核糖核酸（RNA）一、RNA的结构二、RNA的类型目前五十六页\总数八十七页\编于十一点一、RNA的结构

DNA是遗传信息的载体，遗传信息的作用通常由蛋白质的功能来实现，但DNA并非蛋白质合成的直接模板，合成蛋白质的模板是RNA。目前五十七页\总数八十七页\编于十一点目前五十八页\总数八十七页\编于十一点RNA的结构：RNA种类繁多，分子量相对较小；一般以单股链存在，但可以有局部二级结构；碱基组成特点是含有尿嘧啶(uridin,U)而不含胸腺嘧啶；碱基配对发生于C和G与U和A之间；

RNA碱基组成之间无一定的比例关系；稀有碱基较多；tRNA还具有明确的三级结构．DNA和RNA的结构差异?目前五十九页\总数八十七页\编于十一点目前六十页\总数八十七页\编于十一点目前六十一页\总数八十七页\编于十一点二、RNA的类型：

动、植物和微生物细胞内都含有三种主要RNA：核糖体RNA（ribosomeRNA，rRNA）转运RNA（transferRNA，tRNA）信使RNA（messengerRNA，mRNA）真核细胞中还有：少量核内小RNA（smallnuclearRNA，snRNA）目前六十二页\总数八十七页\编于十一点＊tRNA约占全部RNA的15%＊分子量较小＊tRNA是细胞内分子量最小的一类核酸，由70～120核苷酸构成＊各种tRNA无论在一级结构上，还是在二、三级结构上均有一些共同特点＊tRNA中含有10%～20%的稀有碱基(rarebases)(一)转运RNA(tRNA)tRNA(transferRNA)是蛋白质合成中的接合器分子

tRNA分子有100多种，各可携带一种（转运）氨基酸，将其转运到核蛋白体上，供蛋白质合成使用每一种氨基酸都有起相应的一种或几种tRNAtRNA在反转录及其它代谢调节中也起作用目前六十三页\总数八十七页\编于十一点目前六十四页\总数八十七页\编于十一点目前六十五页\总数八十七页\编于十一点目前六十六页\总数八十七页\编于十一点目前六十七页\总数八十七页\编于十一点BasepairingcanoccurinRNAasitdoesinDNA,butunlikeDNA,therisnosingle,regularstructureformedbyRNA.RNAsometimesformsdouble-strandedduplexes,butmoreoften,singleRNAchainsfoldbackuponthemselvesandusebasepairingtoproduceuniqueandcomplexstructuresliketheoneabove.Thestructurearisesfromtheformationofintramolecularbasepairswithinasingle-strandedRNAmolecule.目前六十八页\总数八十七页\编于十一点(二)信使RNA(mRNA)与不均一核RNA(hnRNA)

遗传信息从DNA分子抄录到RNA分子中的过程称为转录(transcription)。在真核生物中，最初转录生成的RNA称为不均一核RNA(heterogeneousnuclearRNA,hnRNA)，然而在细胞浆中起作用，作为蛋白质的氨基酸序列合成模板的是mRNA(messengerRNA)。hnRNA是mRNA的未成熟前体。目前六十九页\总数八十七页\编于十一点目前七十页\总数八十七页\编于十一点(三)核蛋白体RNA(rRNA)

核蛋白体RNA(ribosomalRNA)是细胞内含量最多的RNA，约占RNA总量的80%以上，是蛋白质合成机器。核糖体蛋白(ribosmalprotein,rp)有数十种，大多是分子量不大的多肽类。目前七十一页\总数八十七页\编于十一点DNA和RNA的结构比较目前七十二页\总数八十七页\编于十一点生物化学

目前七十三页\总数八十七页\编于十一点生物化学

RNAisgenerallysinglestrandedinsteadofdoublestranded.AboveyouseethatUracilsubstitutesforThymineinRNAandthatthesugarsintheRNAhaveahydroxylgroupwhichislackinginDNA.目前七十四页\总数八十七页\编于十一点一、核酸的紫外吸收二、核酸的沉降特性三、凝胶电泳四、核酸的变性、复性与杂交五、DNA的固相合成六、DNA的限制酶图谱第四节核酸的化学性质和常用的研究方法目前七十五页\总数八十七页\编于十一点一、核酸的紫外吸收在核酸分子中，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），在紫外下发出荧光目前七十六页\总数八十七页\编于十一点二、核酸的沉降特性溶液中的核酸分子在引力场中可以下沉，不同构象的核酸、蛋白质及其它杂质在超离心机的强大引力场中沉降的速率有很大差异，因此可以用超离心法纯化核酸，或将不同构象的核酸进行分离，也可以测定核酸的沉降常数与分子量。应用不同介质组成密度梯度超离心分离核酸的效果较好。RNA：蔗糖梯度；DNA：氯化铯梯度。目前七十七页\总数八十七页\编于十一点生物化学

目前七十八页\总数八十七页\编于十一点三、凝胶电泳琼脂糖（agarose）凝胶电泳电泳的迁移率决定于：1）核酸分子大小（与分子量对数成反比）；2）胶浓度（成反比，常用1%的胶分离DNA）；3）DNA的构象（超螺旋DNA快于线型DNA，开环的最慢）；4）电流（适当的电压差时与电流大小成正比，小于5V/cm）；5）碱基组成；6）温度。聚丙烯酰胺（polyacrylamide）凝胶电泳显色剂：啡啶溴红。目前七十九页\总数八十七页\编于十一点四、核酸的变性、复性与杂交

DNA双螺旋结构模型，不仅与其生物功能有密切关系，还能解释DNA的重要特性---变性与复性，这对于深入了解DNA分子结