生科第二章核酸化学

生科第二章核酸化学第1页，课件共74页，创作于2023年2月核酸的概念和重要性1869年Miescher从细胞核中分离出核素（nuclein）。1889年，Altman制备了核酸（nucleicacid）。1930~40年，Kossel&Levene等确定核酸的的组分：核酸脱氧核糖核酸（deoxyribonucleicacid，DNA）核糖核酸（ribonucleicacid，RNA）“四核苷酸假说”：核酸由四种核苷酸组成的单体构成的，缺乏结构方面的多样性。第2页，课件共74页，创作于2023年2月1944年，Avery等通过细菌转化试验证明DNA是遗传物质，核酸的重要性的得到了公认。1953年，Watson和Crick提出了DNA的双螺旋结构模型，推动了分子生物学的迅猛发展。

第3页，课件共74页，创作于2023年2月(DNA)(RNA)脱氧核糖核酸

核糖核酸95%分布于细胞核，其余分布于核外如线粒体，叶绿体，质粒等。90%分布于细胞质，其余分布于细胞核。携带遗传信息（以基因的形式），决定细胞和个体的基因型(genotype)，最终决定个体不同的形态结构。从DNA转录遗传信息，并指导蛋白质的生物合成。一些小分子RNA有重要的调节功能和催化功能。核酸的分布与功能第4页，课件共74页，创作于2023年2月第5页，课件共74页，创作于2023年2月第6页，课件共74页，创作于2023年2月3.1核酸的组成成分核酸nucleicacid核苷酸nucleotide核苷nucleoside磷酸phosphate嘌呤碱purinebase或嘧啶碱pyrimidinebase（碱基base）核糖ribose或脱氧核糖deoxyribose

（戊糖amylsugar）主要元素组成：C、H、O、N、P(9~11%)。与蛋白质比较，核酸一般不含S，而P的含量较为稳定。

第7页，课件共74页，创作于2023年2月（一）戊糖：核糖和脱氧核糖β-D-核糖β-D-2-脱氧核糖第8页，课件共74页，创作于2023年2月（二）含氮碱：嘌呤碱和嘧啶碱NNNNHHHHNNNNHHHH123456789嘌呤（purine）NH2腺嘌呤adenine（A）NNNNHHHHOH2N鸟嘌呤guanine（G）第9页，课件共74页，创作于2023年2月NNHHHH嘧啶（pyrimidine）123456NNHHHHNH2OH胞嘧啶cytosine（C）NNHHHHOOHH尿嘧啶uracil（U）NNHHHHOOHHCH3胸腺嘧啶thymine（T）第10页，课件共74页，创作于2023年2月NNOOHHH酮式HNNOOHHH酮式HHH烯醇式在核酸中存在少量经过化学修饰的碱基，由于含量很少，称为微量碱基或稀有碱基。第11页，课件共74页，创作于2023年2月第12页，课件共74页，创作于2023年2月OHOH2COHOHOH1′2′3′4′5′核糖NNNNHHHH9腺嘌呤核苷（三）核苷（nucleoside）第13页，课件共74页，创作于2023年2月OHOH2COHOHOH1′2′3′4′5′核糖OHOH2COHOH1′2′3′4′5′核糖NNOOHHH尿嘧啶H1尿苷NCOONHHH51OH假尿苷（ψ）第14页，课件共74页，创作于2023年2月核苷nucleoside糖与碱基之间的C-N键，称为C-N糖苷键。AdenosineGuanosineCytidineUridine第15页，课件共74页，创作于2023年2月取代核苷的表示方式取代基团用英文小写字母表示，碱基取代基团的符号写在核苷单字符的左下角，核糖取代基团的符号写在核苷单字符的右下角，取代基团的位置写在取代基团符号的右上角，数字写在右下角。7-甲基鸟苷m7G5-甲基脱氧胞苷m5dC核苷的表示方法

核糖核苷：A,G,U,C

脱氧核苷：dA,dG,dT,dC修饰核苷的表示符号假尿苷（ψ）次黄苷（肌苷）I

黄嘌呤核苷X

二氢尿嘧啶核苷D第16页，课件共74页，创作于2023年2月（四）核苷酸（nucleotide）

核苷酸=核苷+磷酸

=戊糖+碱基+磷酸核苷酸的表示方法:AMP、GMP、dCMP、dTMPpA、Cp第17页，课件共74页，创作于2023年2月第18页，课件共74页，创作于2023年2月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。在体内能量代谢中的作用：ATP——能量“货币”，生物系统化学能的储藏和利用。UTP——参加糖的互相转化与合成。CTP——参加磷脂的合成。GTP——参加蛋白质和嘌呤的合成。AMP是一些辅酶的结构成分，如NAD+、NADP+

、FAD激素的第二信使——cAMP第19页，课件共74页，创作于2023年2月cAMPcAMP(3’,5’-环化腺苷酸)的主要功能是作为细胞的第二信使。cAMP的环状磷酯键是一个高能键。在pH7.4，cAMP和cGMP的水解能约为43.9KJ/mol，比ATP水解能高得多。第20页，课件共74页，创作于2023年2月3.2核酸的一级结构（primarystructure）碱基序列（basesequence)即为DNA的一级结构。通常碱基序列由DNA链的5

→3方向写。n个核苷酸组成的DNA链中可能有的不同序列总数为4n。一级结构-----核酸分子中核苷酸的排列顺序及连接方式。核苷酸的排列顺序代表了遗传信息。第21页，课件共74页，创作于2023年2月2、核苷酸的连接方式：3,5磷酸二酯键1、核酸的基本结构单位：核苷酸末端：5

端（常用5

-P）、3端（3

-OH）多核苷酸链具有方向性：5端→3端(由左至右)3、表示方法：结构式、线条式、文字缩写核苷酸的连接方式

多核苷酸长链：一个核苷酸的3

-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。第22页，课件共74页，创作于2023年2月pGpCp↓CpApGpC↓pCpA第23页，课件共74页，创作于2023年2月3.3DNA的二级结构（doublehelixmodel）第24页，课件共74页，创作于2023年2月1.双螺旋结构模型的实验依据（1）X射线衍射数据不同来源的DNA纤维具有相似的X射线衍射图谱。（2）关于碱基成对的证据碱基组成规则（Chargaff规则）

[A]=[T]，[G]=[C]；[A]+[G]=[T]+[C][A]=

[T]；[G]

[C]（3）电位滴定行为电位滴定证明，嘌呤与嘧啶的可解离基团由氢键连接。

第25页，课件共74页，创作于2023年2月2.DNA双螺旋结构模型要点1.两条多核苷酸链反向平行，两条糖-磷酸主链围绕同一中心轴成右手螺旋。螺旋表面形成大沟(majorgroove)与小沟(minorgroove)。2.碱基处于螺旋的内侧，遵循碱基互补原则：[A]=

[T]；[G]

[C]。đ=2nm。3.成对碱基大致处于同一平面，与螺旋轴垂直；糖环平面与螺旋轴平行，磷酸基位于糖环的外侧；螺距：10bp(basepair)—3.4nm—0.34nm（碱基堆积力）。4.多数DNA属双链结构DNA（dsDNA），某些病毒的DNA是单链DNA（ssDNA）。5.主链化学键受碱基配对因素的影响旋转受到限制，呈较伸展的结构，但也有一定柔韧性，形成不同的构象类型。第26页，课件共74页，创作于2023年2月第27页，课件共74页，创作于2023年2月3.DNA二级结构的其他类型B-DNA：92%相对湿度，接近细胞内的DNA构象，与Watson和Crick提出的模型相似。A-DNA：75%相对湿度，与溶液中DNA-RNA杂交分子的构象相似，推测转录时发生B→A。其碱基平面倾斜20°，螺距与每一转碱基对数目都有变化。Z-DNA：主链呈锯齿型左向盘绕，直径约1.8nm，螺距4.5nm，每一转含12个bp，只有小沟。B-DNA与Z-DNA的相互转换可能和基因的调控有关。C-DNA：44~46%相对湿度，螺距3.09nm，每转螺旋9.33个碱基对，碱基对倾斜6°。可能是特定条件下B-DNA和A-DNA的转化中间物。D-DNA：60%相对湿度，DNA中A、T序列交替的区域。每个螺旋含8个bp，螺距2.43nm，碱基平面倾斜16°。第28页，课件共74页，创作于2023年2月DNAdoublehelix类型

helixtypebp/turnDverticalrise/bpdirectionA112.30.255右

B102.00.34右

Z121.80.37左第29页，课件共74页，创作于2023年2月3.4DNA的高级结构（tertiarystructure）一段双螺旋在螺旋均已形成的情况下，双链环不发生进一步扭曲，称松弛环形DNA。若将线形DNA的螺旋先拧松两周再连接成环时，解链部分形成突环称解链环型DNA。DNA双螺旋进一步扭曲成超螺旋构成三级结构。1.环状DNA的超螺旋结构第30页，课件共74页，创作于2023年2月超螺旋：由于某种原因，双链环状DNA（dcDNA）分子中产生了额外的张力，从而进一步扭曲形成双螺旋的再螺旋。扭曲张力使突环有形成双螺旋的趋势。两条链之间的扭曲引起双链环向右手方向的扭曲，使之形成右手超螺旋，又称负超螺旋(negativesupercoil)。第31页，课件共74页，创作于2023年2月螺旋和超螺旋电话线螺旋超螺旋第32页，课件共74页，创作于2023年2月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第33页，课件共74页，创作于2023年2月第34页，课件共74页，创作于2023年2月2.真核生物染色体的结构DNA以负超螺旋缠绕在组蛋白上，形成核粒(核小体)

，核粒由DNA链连在一起形成念珠状结构。组蛋白核心：H2B,H2A,H3,H4。H1组蛋白在核小体之间。第35页，课件共74页，创作于2023年2月DNA的存在形式第36页，课件共74页，创作于2023年2月染色体包装------多级螺旋模型压缩倍数76405（8400）

DNA→核小体→螺线管→超螺线管→染色单体

2nm10nm30(10)nm400nm2~10μm

一级包装二级包装三级包装四级包装

第37页，课件共74页，创作于2023年2月3.5DNA与基因组DNATranscriptionRNA（mRNA、tRNA、rRNA）TranslationProtein基因基因（gene）：一段有功能的DNA片段，DNA分子中最小的功能单位。结构基因：为RNA或蛋白质编码的基因。调节基因：只有调节功能，而并不转录生成RNA的片断。（一）DNA与基因的概念基因组（genome）：某生物体所含全部遗传物质的总和。第38页，课件共74页，创作于2023年2月（二）病毒和细菌基因组的特点1.DNA大部分为结构基因，每个基因出现频率低。2.功能相关基因串联在一起，并转录在同一mRNA中。3.有基因重叠现象。（三）真核生物基因组的特点1.有重复序列单拷贝序列：在整个DNA中出现频率低，主要为编码蛋白质的结构基因。中度重复序列：在DNA中可重复几十次到几千次。tRNA、rRNA高度重复序列：可重复几百万次第39页，课件共74页，创作于2023年2月2.有断裂基因（splitgene）：基因中存在内含子。mRNA1872bp内含子（intron)：基因中不编码的序列。ABCDEG7700bpF外显子（exons）：基因中编码的序列。。transcription第40页，课件共74页，创作于2023年2月RNA是单链分子，因此在RNA分子中，嘌呤的总数不一定等于嘧啶的总数。RNA分子中，部分区域也能形成双螺旋结构，不能形成双螺旋的部分，则形成单链突环。3.6RNA的结构与功能RNA分子是含短的不完全的螺旋区的多核苷酸链。mRNA（messengerRNA）:指导蛋白质合成。rRNA（ribosoalRNA）

：与蛋白质结合构成核糖体（ribosome）。tRNA（transferRNA）

：将AA转运到核糖体的特定部位用于Pro合成。第41页，课件共74页，创作于2023年2月第42页，课件共74页，创作于2023年2月（一）tRNAtRNA约占RNA总量的15%，由核内形成并迅速加工后进入细胞质。功能：转运AA到核糖体mRNA的相应位置，用于合成蛋白质。1965年Holley测定AlatRNA一级结构，提出tRNA的三叶草二级结构模型。第43页，课件共74页，创作于2023年2月氨基酸臂可变环主要特征：1.由四臂四环组成；2.氨基酸臂：3′端有CCAOH的共同结构，接受活化的AA；3.D环和D臂：含有D；4.反密码子环和反密码子臂：反密码子环上的反密码子与mRNA相互作用；5.可变环上的核苷酸数目可以变动；6.TψC环：识别核蛋白体（核糖体）7.含有修饰碱基和不变核苷酸。tRNA的二级结构——三叶草形（cloverleafpattern）第44页，课件共74页，创作于2023年2月二氢尿嘧啶(DHU)假尿嘧苷()次黄嘌呤(I)反密码子（anticodon）：反密码环中部的三个碱基可以与mRNA的三联体密码形成碱基互补配对，解读遗传密码，称为反密码子。I常出现于反密码子中。第45页，课件共74页，创作于2023年2月tRNA的三级结构——倒“L”型分子的右上端是氨基酸臂，下端是反密码子环。D环和TψC环的未配对碱基在空间形成新的氢键配对关系，位于L的转角处。氨基酸臂和TψC臂同轴排列，形成连续双螺旋；反密码子臂和D臂沿同轴排列。第46页，课件共74页，创作于2023年2月（二）rRNA

占细胞RNA总量的80%，与蛋白质（40%）共同组成核糖体。原核生物

真核生物核糖体rRNA核糖体rRNA70S（30S、50S）16S5S、23S80S（40S、60S）18S5S,5.8S,28S

功能:组成核蛋白体，作为蛋白质合成的场所。

结构特点：单链，多环多臂结构，其自身折叠形成的构象决定了核糖体亚基的形态。第47页，课件共74页，创作于2023年2月（三）mRNA与hnRNAmRNA约占细胞RNA总量的3~5%，是蛋白质合成的模板。真核生物mRNA的前体在核内合成，形成分子大小极不均匀的hnRNA。DNAmRNA蛋白转录翻译原核细胞细胞质细胞核DNA内含子外显子转录转录后剪接转运mRNAhnRNA翻译蛋白真核细胞第48页，课件共74页，创作于2023年2月（四）snRNA（核内小RNA）和asRNA（反义RNA）snRNA主要存于细胞核中，在hnRNA和rRNA的加工、细胞分裂和分化、协助细胞内物质运输、构成染色质等方面有重要作用。asRNA可通过互补序列与特定的mRNA结合，抑制mRNA的翻译，还可抑制DNA的复制和转录。第49页，课件共74页，创作于2023年2月RNA的其它功能1981年，Cech发现RNA的催化活性，提出核酶（ribozyme）。大部分核酶参加RNA的加工和成熟，也有催化C-N键的合成。23SrRNA具肽酰转移酶活性。RNA在DNA复制、转录、翻译中均有一定的调控作用，与某些物质的运输与定位有关。第50页，课件共74页，创作于2023年2月3.7核酸的性质（一）一般理化性质（二）紫外吸收性质（三）核酸结构的稳定性（四）核酸的的变性（五）核酸的复性（退火）（六）核酸的分子杂交第51页，课件共74页，创作于2023年2月（一）一般理化性质

为两性电解质，通常表现为酸性。

DNA为白色纤维状固体，RNA为白色粉末，不溶于有机溶剂。

DNA溶液的粘度极高，DNA>RNA

。可被酸、碱或酶不同程度水解，进行分离。RNA能在室温条件下被稀碱水解而DNA对碱稳定。利用核糖和脱氧核糖不同的显色反应鉴定DNA与RNA。核糖+H+糠醛甲基间苯二酚FeCl3绿色产物Δ脱氧核糖+H+

Δω-羟基-γ-酮戊醛二苯胺蓝色产物第52页，课件共74页，创作于2023年2月嘌呤碱和嘧啶碱分子中都含有共轭双键体系，在紫外区有吸收（260nm左右）。（二）核酸的紫外吸收性质第53页，课件共74页，创作于2023年2月核酸的光吸收值比各核苷酸光吸收值的和少30~40%;核酸变性后，紫外吸收值显著增加（增色效应hyperochromiceffect

）;核酸复性后，光吸收值又回复到原有水平（减色效应（hypochromiceffect））。2202402602800.10.20.30.4波长（nm）光吸收1231.天然DNA2.变性DNA3.核苷酸总吸收值第54页，课件共74页，创作于2023年2月（1）碱基对间的氢键（较弱）：环间碱基对形成的氢键是稳定RNA的三级结构的重要因素。（2）碱基堆积力（basestackingforce)：由芳香族碱基π电子间的相互作用引起的，能形成疏水核心，对维持核酸的空间结构起主要作用；（3）环境中的正离子（如Na+、K+和Mg2+）

：与磷酸基团结合，消除双链间的静电斥力。氢键维持双链横向稳定性，碱基堆积力维持双链纵向稳定性。（三）核酸结构的稳定性第55页，课件共74页，创作于2023年2月（四）核酸的的变性（denaturation）定义：指双螺旋区氢键断裂，空间结构破坏，形成单链无规线团状的过程。变性只涉及次级键的破坏。第56页，课件共74页，创作于2023年2月变性方法：pH（>11.3或<5.0）过量酸，碱，加热，变性试剂如尿素、酰胺、甲醛以及某些有机溶剂如乙醇、丙酮等；低离子强度。变性后特征：OD260增高；粘度下降；浮力密度升高；生物活性部分或全部丧失。增色效应（hyperochromiceffect）：DNA变性时其溶液OD260增高的现象。

第57页，课件共74页，创作于2023年2月

当DNA的稀盐溶液加热到80-100℃时，双螺旋结构即发生解体，两条链彼此分开，形成无规线团。8090100100%50%OD260（254）

Tm

变性温度范围①②③℃热变性和Tm熔解温度（meltingtemperature,Tm）：DNA热变性过程中，紫外吸收的增加量达到最大增量一半时的温度称熔解温度（解链温度、变性温度）。第58页，课件共74页，创作于2023年2月影响Tm的因素：（1）G-C对含量：GC含量越高，Tm越大

（G+C）%=（Tm—69.3）×2.44（2）溶液的离子强度低，Tm低。（3）高pH下碱基广泛去质子而丧失形成氢键的能力。（4）变性剂如甲酰胺、尿素、甲醛等破坏氢键，妨碍碱基堆积，使Tm下降。第59页，课件共74页，创作于2023年2月（五）核酸的复性（退火）(renaturation)（1）单链片段浓度（2）单链片段的大小（3）片段内重复序列的多少（4）溶液离子强度的大小定义:变性核酸的互补链在适当条件下重新缔合成双螺旋的过程。变性核酸复性时需缓慢冷却，故又称退火(annealing)。影响复性速度的因素：第60页，课件共74页，创作于2023年2月（六）分子杂交(hybridization)定义：在退火条件下，不同来源的DNA互补区形成氢键，或DNA单链和RNA链的互补区形成DNA-RNA杂合双链的过程。探针：用放射性同位素或荧光标记的DNA或RNA片段。原位杂交技术：直接用探针与菌落或组织细胞中的核酸杂交。Southern印迹法：将电泳分离后的DNA片段从凝胶转移到硝酸纤维素膜上，再进行杂交。Northern印迹法：将电泳分离后的RNA吸印到纤维素膜上再进行分子杂交。第61页，课件共74页，创作于2023年2月核酸探针（nucleicacidprobe）:能特异性的探测带某一特定序列的DNA或RNA分子的标记核酸分子。第62页，课件共74页，创作于2023年2月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63页，课件共74页，创作于2023年2月第64页，课件共74页，创作于2023年2月3.8核酸的序列测定目前多采用Sanger酶法（双脱氧链终止法）和焦磷酸测序技术。OHOH2CHHOH1′2′3′4′5′核糖NNNNHHHH9腺嘌呤ddATPPPP第65页，课件共74页，创作于2023年2月第66页，课件共74页，创作于2023年2月（1）核酸的分子组成：嘌呤、嘧啶和核苷酸的化学结构与缩写符号。碱基的配对规律。（2）核酸的分子结构：戊糖与嘌呤、嘧啶以及磷酸的连接方式；核苷酸链的连接方式。一级结构：3,5磷酸二酯键；5ˊ端→3ˊ端；RNA类型及结构和功能特点；二级结构特点：DNA双螺旋；tRNA“三叶草”；三级结构特点：DNA超螺旋结构；tRNA“倒L”结构；（3）比较核酸分子的组成和结构上的特点及其生物功能。（4）核酸的理化性质：紫外吸收，DNA变性、复性，分子杂交。重要名词：

denaturation；renaturation；meltingtemperature（Tm）；hyperochromiceffect；annealing；hybridization重点第67页，课件共74页，创作于2023年2月问答题1、某DNA样品含腺嘌呤15.1%（按摩尔碱基计），计算其余碱基的百分含量。

2、DNA双螺旋结构是什么时候，由谁提出来的？试述其结构模型。3、DNA双螺旋结构有些什么基本特点？这些特点能解释哪些最重要的生命现象？4、tRNA的结构有何特点？有何功能？5、DNA和RNA的结构有何异同？6、简述核酸研究的进展，在生命科学中有何重大意义？6、计算（1）分子量为3105的双股DNA分子的长度；（2）这种DNA一分子占有的体积；（3）这种DNA一分子占有的螺旋圈数。（一个互补的脱氧核苷酸残基对的平均分子量为618）