生物化学课件5.核酸

上海市精品课程系列----生物化学第五章

核酸第五章核酸5.1

概述5.2

核酸的化学成分5.3脱氧核糖核酸（DNA）的结构5.4核糖核酸（RNA）的结构5.5核酸的理化性质5.6核酸类物质的制备和应用5.1

概述核酸的概念核酸是遗传物质的证明核酸的种类、分布与功能以自学为主5.1

概述核酸的概念是以核苷酸为基本组成单位的生物大分子，携带和传递遗传信息。5.1

概述核酸是遗传物质的证明肺炎球菌转化试验噬菌体侵染细菌试验病毒重建试验S型肺炎球菌R型肺炎球菌肺炎球菌转化试验5.1

概述噬菌体侵染细菌试验5.1

概述烟草花叶病毒M和HR品系的重建试验5.1

概述核酸的种类、分布与功能脱氧核糖核酸（DeoxyribonucleicAcid,DNA)

原核：裸露的DNA分子集中于拟核区和质粒

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）

功能：遗传信息的贮存和携带5.1

概述核糖核酸（RibonucleicAcid,RNA)

原核：细胞质

真核：细胞质（主要）、线粒体、叶绿体、细胞核

功能：参与遗传信息的传递和表达；某些病毒的遗传物质；细胞功能的调控；催化功能；在细胞分化和个体发育中发挥重要作用；在生命起源中可能有重要作用5.2

核酸的化学成分核酸的组成元素组成碳、氢、氧、氮、磷（9-10%）化学组成碱基戊糖核苷核苷酸核酸定量测定的经典方法5.2

核酸的化学成分核

酸

水

解

层

次

图

核苷5.2

核酸的化学成分核苷酸中的碱基均为含氮杂环化合物，它们分别属于嘌呤衍生物和嘧啶衍生物。碱基紫外吸收特性：260nm

碱基之间相互作用：氢键

碱基的化学结构腺嘌呤（A）鸟嘌呤（G）胞嘧啶（C）胸腺嘧啶（T）尿嘧啶（U）5.2

核酸的化学成分5.2

核酸的化学成分稀有碱基：大多是在上述嘌呤或嘧啶碱的不同部位甲基化、羟甲基化或进行其它的化学修饰而形成的衍生物。5.2

核酸的化学成分

b-D-核糖（核糖）

b-D-2-脱氧核糖（脱氧核糖）戊糖1'2'3'4'5'1'2'3'4'5'5.2

核酸的化学成分核苷

脱氧核苷核苷由D-核糖或D-2-脱氧核糖与嘌呤或嘧啶通过糖苷键连接组成的化合物。C/T

糖苷键5.2

核酸的化学成分核苷酸核苷中戊糖的羟基与磷酸以磷酸酯键连接而成为核苷酸，即核苷的磷酸酯，核苷酸是核酸分子的结构单元。糖苷键酯键5’-核苷酸5.2

核酸的化学成分碱基核糖核苷酸脱氧核糖核苷酸腺嘌呤腺嘌呤核糖核苷酸（腺苷酸，AMP）腺嘌呤脱氧核糖核苷酸（脱氧腺苷酸，dAMP）鸟嘌呤鸟嘌呤核糖核苷酸（鸟苷酸，GMP）鸟嘌呤脱氧核糖核苷酸（脱氧鸟苷酸，dGMP）胞嘧啶胞嘧啶核糖核苷酸（胞苷酸，CMP）胞嘧啶脱氧核糖核苷酸（脱氧胞苷酸，dCMP）尿嘧啶尿嘧啶核糖核苷酸（尿苷酸，UMP）胸腺嘧啶胸腺嘧啶脱氧核糖核苷酸（脱氧胸腺苷酸，dTMP）常见核苷酸5.2

核酸的化学成分3’,5’-环化腺苷酸（cAMP）

核苷酸的环化形式

细胞内代谢调节和重要的第二信使5.2

核酸的化学成分多磷酸核苷酸

核苷二/三磷酸

脱氧核苷二/三磷酸二/三磷酸腺苷（腺苷二/三磷酸）酶活性和代谢的调节物质生理储能和供能的主要形式5.2

核酸的化学成分紫外吸收特性：260nm

用于核苷酸的定量检测5.2

核酸的化学成分核苷酸的连接3’,5’-磷酸二酯键5´3´OHOHOH5´3´RNADNA

5.2

核酸的化学成分核酸链的简写式5′pApCpTpTpGpApApCpG3′DNA5′pApCpUpUpGpApApCpG3′RNA5′pACTTGAACG

3′5′pACUUCAACG

3′5′ACTTGAACG

3′

双链DNA3′TGAACTTGC

5′字符式5.2

核酸的化学成分线条式5'-磷酸戊糖3'-OH核苷酸5.3

DNA的结构DNA的一级结构DNA的二级结构DNA的三级结构DNA的特殊结构5.3

DNA的结构DNA的一级结构3’,5’-磷酸二酯键指DNA分子中四种脱氧核苷酸按照一定的排列顺序，通过磷酸二酯键连接形成的多核苷酸。方向性：5’→3’

5’-端：C5’没有和其他核苷酸相连的末端残基，含磷酸，又称5’磷酸端3’-端：C3’没有和其他核苷酸相连的末端残基，含有-OH，又称3’羟基端通常用bp、kb或Mb的数目表示大小生理pH下，核酸是多聚阴离子化合物碱基序列5.3

DNA的结构基因组DNA某些有代表性的生物体基因组大小种类

典型代表碱基对（bp）最简单的微生物

SV40病毒5.0×103

λ噬菌体5.0×104细菌大肠杆菌4.6×106哺乳动物小鼠2.3×109

人3.2×109一般将细胞内遗传信息的携带者染色体所包含的DNA总体称为基因组。5.3

DNA的结构基因DNA分子中不同排列顺序的DNA区段构成特定的功能单位即基因。基因的功能取决于DNA的一级结构。

大肠杆菌基因组上部分基因的排列5.3

DNA的结构DNA的二级结构DNA双螺旋结构的研究背景双螺旋结构模型DNA纤维的X射线衍射图谱分析

碱基理化数据分析

A-T、G-C以氢键配对较合理碱基组分分析（Chargaff规则）不同来源DNA：[A]=

[T]，[G]=

[C]不同物种DNA：A+T/G+C不同A+G=T+C5.3

DNA的结构DNA双螺旋结构模型要点由脱氧核糖和磷酸基通过酯键交替连接而成二条主链相互平行而走向相反形成右手双螺旋构型主链螺旋直径为2nm，形成大沟及小沟相间主链处于螺旋外侧，亲水性5.3

DNA的结构碱基对碱基位于螺旋的内侧，同一平面的碱基在二条主链间形成碱基对（A=T和G

C），以氢键维系。碱基平面取向与螺旋轴垂直。螺距3.4nm，螺旋周期含10碱基对，相邻碱基平面间距0.34nm。5.3

DNA的结构作用力氢键氢键碱基堆积力：在水相中，轴向平行相邻的碱基平面将自发地相互靠近，从而形成碱基堆积，它的实质是疏水相互作用和范德华引力。5.3

DNA的结构DNA双螺旋结构的多态性DNA的分子结构是动态的，在不同的条件下可以有所不同。

A构象

B构象C构象D构象Z构象

5.3

DNA的结构Z构象

左手螺旋

重复单位——二核苷酸

只有一个螺旋沟比较内容B-DNAZ-DNA螺旋手性右旋左旋螺旋周期的核苷酸数目1012螺旋直径20A18A碱基平面的间距3.4A3.7A螺距34A45A相邻碱基对间的转角36A60A轴心与碱基的关系穿过碱基对不穿过碱基对5.3

DNA的结构DNA的三级结构双螺旋DNA进一步扭曲盘绕则形成其三级结构，是一种比双螺旋更高层次的空间构象。超螺旋是DNA三级结构的主要形式。超螺旋按其方向分为正超螺旋和负超螺旋两种负超螺旋：形成超螺旋时旋转方向与DNA双螺旋方向相反，旋转结果使DNA分子内部张力减小，称为松旋效应。在自然条件下共价封闭环状DNA呈负超螺旋结构。正超螺旋：形成超螺旋时的旋转方向与DNA双螺旋方向相同，结果加大了DNA分子内部张力，有紧旋效应。松弛环正超螺旋解链环5.3

DNA的结构DNA超螺旋的特点环状DNA分子双螺旋扭曲而形成麻花状的超螺旋结构。线状DNA分子双螺旋与蛋白质结合后扭曲盘绕而形成螺旋结构。5.3

DNA的结构组蛋白八聚体H1组蛋白核小体属于DNA的三级结构，是构成染色质的基本结构单位。核小体：在真核生物中，双螺旋的DNA分子围绕一蛋白质八聚体进行盘绕形成特殊的串珠状结构。平均每200bpDNA绕八聚体左旋1.75转。5.3

DNA的结构DNA的特殊结构发夹结构十字架结构5.3

DNA的结构回文结构：双链DNA中含有的二个结构相同、方向相反的序列称为反向重复序列，也称为回文结构。5.4

RNA的结构RNA的结构特征RNA的主要类型、结构与功能5.4

RNA的结构RNA的结构特征3’,5’-磷酸二酯键由核苷酸通过3’,5’-磷酸二酯键连接成的无分支的长链大分子，但它只有一条核酸链，呈右手螺旋结构。5.4

RNA的结构种类

RNADNA组成戊糖核糖脱氧核糖碱基A,G,C,U，稀有碱基含量多A,G,C,T磷酸Pi（3’,5’-磷酸二酯键）结构单链，部分碱基互补，局部双螺旋，具有明确的三级结构双链，碱基互补，双螺旋结构分布细胞核（核仁）细胞质（线粒体，核蛋白体，胞液）细胞核（染色质）细胞质（线粒体）生物功能遗传信息表达，反转录，直接参与蛋白质的生物合成遗传的物质基础，负责遗传信息贮存，发布，转录RNA与DNA的比较5.4

RNA的结构RNA的部分碱基互补RNA发夹双螺旋结构5.4

RNA的结构RNA的主要类型、结构与功能类型细胞核和胞液线粒体功能核蛋白体RNA

rRNAmtrRNA核蛋白体组成成分信使RNA

mRNAmtmRNA蛋白质合成模板转运RNA

tRNAmttRNA转运氨基酸不均一核RNA

hnRNA成熟mRNA的前体小核RNA

snRNA参与hnRNA的剪接、转运小胞浆RNA

scRNA/7SRNA蛋白质内质网定位合成的信号识别体的组成成分5.4

RNA的结构mRNA的结构与功能占RNA总量的3-5％，胞内最不稳定的RNA。

原核细胞编码区编码区5’-非编码区3’-非编码区插入序列多顺反子：在原核细胞中，通常是几种不同的mRNA连在一起，相互之间由一段短的不编码蛋白质的间隔序列所隔开。这样的一条mRNA链含有指导合成几种蛋白质的信息。真核细胞5.4

RNA的结构5´非编码区3´非编码区编码区帽子结构为核糖体识别mRNA提供信号，也可增加mRNA的稳定性，免受核酸外切酶降解。单顺反子：真核的基因转录产物，即一条mRNA只含一个翻译起始点和终止点，因而一种基因编码一种多肽链或RNA链，每个基因转录有各自的调节元件。5'帽子m7GpppNpolyA3'尾巴mRNA：作为蛋白质的氨基酸序列合成模板的RNA。

hnRNA：在真核生物中，转录最初生成的RNA，是成熟mRNA的前体。

5.4

RNA的结构5.4

RNA的结构tRNA的结构与功能在蛋白质生物合成过程中起介导作用，即转运氨基酸作用，占总RNA的15%。tRNA的一级结构由70~90核苷酸构成，是3种主要RNA中分子量最小的含有约20多个固定核苷酸成熟的tRNA5’末端被磷酸化，通常为

pG，3’末端序

列是

CCA是含稀有碱基最多的RNA，约10~20%5.4

RNA的结构tRNA的二级结构氨基酸臂DHU环反密码环TyC环额外环三叶草结构

氨基酸臂：其3’端为CCA-OH结构，用来连接活化的氨基酸

二氢尿嘧啶环（DHU环）：由8-12个核苷酸组成，其中含两个二氢尿嘧啶；

反密码子环：环中央的三个碱基构成反密码子

额外环：核苷酸数目不确定，可作为tRNA分类的重要指标

TψC环：由7个核苷酸组成，其中含有保守的TψC序列5.4

RNA的结构tRNA的三级结构倒L形是细胞中含量最多的RNA，占80%以上。参与组成核糖体，作为蛋白质生物合成的场所。5.4

RNA的结构rRNA的结构与功能核糖体的组成5.4

RNA的结构原核细胞和真核细胞的核糖体组成组成原核细胞真核细胞沉降常数近似分子量沉降常数近似分子量核蛋白体70S2.7×10680S4.6×106小亚基30S0.9×10640S1.5×106rRNA16S0.6×10618S0.7×106蛋白质21种0.3×106约30种0.78×106大亚基50S2.0×10660S3.0×106rRNA23S1.2×10628S1.7×106

5.8S4.0×104

5S3.2×1045S3.2×104蛋白质34种0.7×106约50种1.37×1045.4

RNA的结构rRNA的一级结构修饰碱基含量比tRNA少得多，但存在甲基化核苷

5SrRNA为真核和原核细胞共有，含120个核苷酸真核细胞的5.8SrRNA与大肠杆菌23SrRNA5’端160个核苷酸具有同源性。在原核细胞中，rRNA的基因按照16S，23S和5S的顺序串连排列；而真核细胞是按照18S，5.8S和28S的顺序排列（5SrRNA在高等真核生物中单独转录），所以推测23SrRNA的基因在进化过程中演变为5.8S和28S两个基因普遍存在于原核生物的16SrRNA约为1.5kb，其可变区序列的差异可用来对不同菌属、菌种的细菌进行分类鉴定rRNA的二级结构16SrRNA5.4

RNA的结构5SrRNA5.8SrRNA23SrRNA单股rRNA链可自行折叠，形成螺旋区和环区，从而构成不同的结构域。5.4

RNA的结构rRNA在蛋白质合成中的作用16SrRNA的3’末端可与mRNA起始密码AUG前的一段序列（SD序列）直接互补（识别结合mRNA）16SrRNA中另一个特定区域是两个tRNA结合位点（结合tRNA，即A位和P位）核糖体大亚基23SrRNA具有肽酰转移酶活性（转肽酶中心）5.5

核酸的理化性质沉降特性溶液中的核酸在引力场中可以下沉，在超速离心机造成的极大引力场下，核酸分子下沉的速率大大加快。沉降系数：以每单位重力的沉降时间表示，并且通常为1-200×10-13秒范围，10-13这个因子叫做沉降单位S，即1S=10-13秒。大多数蛋白质和核酸的沉降系数在4S和40S之间，核糖体及其亚基在30S和80S之间。氯化铯密度超离心后，不同构象DNA及各种杂质的分布5.5

核酸的理化性质高分子量类别mRNAtRNArRNAE.coli染色体人第13对染色体分子量2.5×104~10623000~30000~1.1×1062.2×1096.4×1010核苷酸数75~300073~93~31006×1061.9×108高粘度DNA的粘度比RNA的大得多。当核酸溶液因受热或在其他因素作用下发生螺旋向线性过渡时，粘度会降低。5.5

核酸的理化性质光学吸收酸碱性质核酸有磷酸基和碱基，因此核酸具有两性电离的性质。但核酸中磷酸基的酸性大于碱基的碱性，其等电点偏酸性。DNA的pI约为4~5，RNA的pI约为2.0~2.5，在pH7~8电泳时泳向正极。

紫外吸收：260nm

旋光性：右旋5.5

核酸的理化性质变性与复性变性：DNA分子由稳定的双螺旋结构松解为无规则线性结构的现象。（一级结构不发生变化！）

理化及生物学性质改变粘度降低溶液旋光性改变增色效应增色效应变性DNA的双链解开，碱基中电子的相互作用更有利于紫外吸收，故而产生紫外吸收作用增强的效应。

5.5

核酸的理化性质DNA的热变性曲线Tm值：热变性使DNA分子双链解开所需温度称为熔解温度，简写Tm。Tm定义为使被测DNA的50%发生变性，即增色效应达到一半的温度。5.5

核酸的理化性质DNA的变性曲线影响Tm值的因素

DNA的均一性越高，Tm的温度范围越小

G-C含量越高，Tm值越大溶液离子强度较高时，Tm值较大5.5

核酸的理化性质复性：变性DNA在适当条件下，二条互补链全部或部分恢复到天然双螺旋结构的现象。5.5

核酸的理化性质影响复性的因素温度和时间

DNA浓度

DNA顺序的复杂性退火5.5

核酸的理化性质不同来源的核酸变性后合并在一处进行复性，这时，只要这些核酸分子的核苷酸序列含有可以形成碱基互补配对的片段，复性也会发生于不同来源的核酸链之间，即形成所谓的杂化双链，这个过程称为杂交。核酸的分子杂交5.5

核酸的理化性质核酸的水解

酸水解：糖苷键和磷酸酯键

碱水解：RNA的磷酸酯键酶水解：核糖核酸酶、脱氧核糖核酸酶、核酸酶S1、核酸内切酶及核酸外切酶等5.6

核酸类物质的制备和应用制备方法

生物材料提取

微生物发酵化学合成以自学为主5.6

核酸类物质的制备和应用核酸的提取和检测核酸提取的原则防止核酸酶的降解（DNase或RNase）：通常加入抑制剂和去激