核酸化学专题知识讲座

核酸化学专题知识讲座核酸化学专题知识讲座第1页

第一节

核酸主要性(ImportantanceofNucleicAcids)Whatarenucleicacids?Nucleicacidsareakindofveryimportantbiomacromolecule.Theyexistinallorganism(includingvirus).

核酸化学专题知识讲座第2页Theyplayveryimportantroleduringorganismlivingactivatesuchas:growthdevelopmentreproducingheredityvariation.SoitcanalsosaythatthereisnolifewithoutnucleicAcids.核酸化学专题知识讲座第3页核酸化学研究史：（1）1869年Miescher,博士论文工作中测定淋巴细胞蛋白质组成时,发觉了不溶于稀酸和盐溶液沉淀物,并在全部细胞核里都找到了此物质,故命名“核质(Nuclein)”,即今天咱们所说脱氧核糖核蛋白，其中脱氧核糖核酸含量为30%。核酸化学专题知识讲座第4页（2）1889年Altman等人又从酵母和动物细胞核中得到了不含蛋白质核酸，并提议将“核质”更名为“核酸”,因为已经认识到“核质”乃“核酸”与蛋白质复合体。（3）1944年,O.T.Avery等人经过细菌转化试验证实核酸是遗传物质。当前，核酸研究已成为生物学研究中最活跃一个领域，是最主要生物大分子。核酸化学专题知识讲座第5页第二节核酸分类及其在细胞内分布（Classificationanddistribution

ofnucleicacid）一、核酸分类Nucleicacidsaregroupedintotwotypesnucleicacid：核酸化学专题知识讲座第6页（一）脱氧核糖核酸（deoxyribonucleicacid,DNA)（二）核糖核酸（ribonucleicacid,RNA)1、转移RNA（transferRNA,tRNA)2、核糖体RNA（ribosomalRNA,rRNA)3、信使RNA（mesengerRNA,mRNA)核酸化学专题知识讲座第7页4、特殊功效RNA:SmallnuclearRNA,snRNASmallnucleoarRNA,snoRNASmallcytoplasmicRNA,scRNAAntisenseRNARibozymeRNaseP核酸化学专题知识讲座第8页二、核酸分布Ineukaryotes，DNAmainlyexistinnucleus（morethan98%）；mitochondriaandchloroplastsrespectivelyhavetheirownDNA.Inprokaryotes，DNAexistinnucleoid（拟核区）.Everyprokaryoticcellonlycontainonechromsome（染色质），whichisdouble-strandcircularDNAmolecule.核酸化学专题知识讲座第9页Inaddition，ItalsocontainplasmidDNA（质粒DNA）Virusesconsitnucleicacid（DNAorRNA）coatedwithprotein（calledcapsid，病毒衣壳）.RNAmainlyexistinthecytosol（90%），theother10%innucleus.核酸化学专题知识讲座第10页三、核酸功效（一）DNA是主要遗传物质1944，O.Avery肺炎双球菌转化试验1952，A.DHershey和M.Chase噬菌体感染试验核酸化学专题知识讲座第11页核酸化学专题知识讲座第12页（二）RNA功效多样性1、参加蛋白质合成2、RNA转录后加工与修饰3、参加基因表示调控4、生物催化作用核酸化学专题知识讲座第13页第三节核酸结构核酸化学专题知识讲座第14页核酸（nucleicacid)核苷酸(nucleotide)

磷酸(phosphoricacid)核苷(nucleoside)

戊糖(pentose)碱基(base)一、核酸化学组成核酸化学专题知识讲座第15页

两类核酸基础化学组成RNA：D-核糖，A、G、C、U碱基DNA：D-2-脱氧核糖，A、G、C、T碱基核酸化学专题知识讲座第16页（一）

碱基1.嘧啶碱：尿嘧啶胞嘧啶胸腺嘧啶2.

嘌呤碱：腺嘌呤鸟嘌呤

嘌呤衍生物：

3.核酸中修饰碱基：100余种，多数是甲基化产物核酸化学专题知识讲座第17页核酸化学专题知识讲座第18页StructureofTandC

核酸化学专题知识讲座第19页StructureofAandG

核酸化学专题知识讲座第20页核酸化学专题知识讲座第21页核酸化学专题知识讲座第22页（二）

核苷与脱氧核苷

核酸化学专题知识讲座第23页嘧啶碱：C1—N1，嘌呤碱：C1—N9。核酸中核苷与脱氧核苷均为β-型碱基平面与核糖平面相互垂直核酸化学专题知识讲座第24页2、核酸中稀有核苷稀有碱基稀有糖苷键：假尿嘧啶核苷（ψ）P481甲基化核糖核酸化学专题知识讲座第25页（三）

核苷酸核苷中戊糖C2

、C3、C5羟基被磷酸酯化核酸化学专题知识讲座第26页1.Bases,Nucleosides,andNucleotidesCytosine,Cytidine,CytidinemonophosphateCMPUracil,Uridine,UridinemonophosphateUMPThymine,Thymidine,ThymidinemonophosphateAMPAdenine,Adenosine,AdenosinemonophosphateAMPGuanine,Guanosine,GuanosinemonophosphateGMP核酸化学专题知识讲座第27页2、

细胞内游离核苷酸及其衍生物①核苷5’-多磷酸化合物ATP、GTP、CTP、在能量代谢和物质代谢及调控中起主要作用。②环核苷酸3’,5’-cAMP，3’,5’-cGMP信号分子，cAMP调整细胞糖代谢、脂代谢。核酸化学专题知识讲座第28页核酸化学专题知识讲座第29页核酸化学专题知识讲座第30页二、

DNA结构一级结构：脱氧核苷酸分子间连接方式及排列次序。二级结构：DNA两条多聚核苷酸链间经过氢键形成双螺旋结构。三级结构：DNA双链深入折叠卷曲形成构象。核酸化学专题知识讲座第31页（一）

DNA一级结构蛇毒磷酸二酯酶水解DNA（RNA）得5’-核苷酸牛脾磷酸二酯酶水解DNA（RNA）得3’-核苷酸P482图13-1磷酸二酯酶对核酸水解作用DNA是dAMP、dGMP、dCMP、dTMP经过3’、5’-磷酸二酯键连接起来线形或环形多聚体。

P483图13-2DNA中多核苷酸一个片段及缩写符号

核酸化学专题知识讲座第32页写法：5’→3’：5’-pApCpTpG-3’，或5’…ACTG…3’核酸化学专题知识讲座第33页（二）

DNA二级结构1953年，Watson和Crick依据Chargaff规律和DNANa盐纤维X光衍射分析提出了DNA双螺旋结构模型。核酸化学专题知识讲座第34页

PhotobyA.C.BarringtonBrown,courtesyofColdSpringHarborLaboratoryArchives.

1962FrancisCrick,JamesWatson,andMauriceWilkinsreceivetheNobelPrizefordeterminingthemolecularstructureofDNA.核酸化学专题知识讲座第35页Chargaff规律1950年全部生物DNA中，A=T，G=C且A+G=C+T。b.DNA碱基组成含有种特异性。c.DNA碱基组成没有组织和器官特异性。d.年纪、营养情况、环境等原因不影响DNA碱基组成。核酸化学专题知识讲座第36页StructureofDNADoubleHelix

核酸化学专题知识讲座第37页1、

Watson-Crick双螺旋结构模型(B-DNA)（1）DNA分子为两条多核苷酸链以相同螺旋轴为中心，盘绕成右旋、反向平行双螺旋.（2）磷酸和戊糖组成骨架位于螺旋外侧，碱基位于螺旋内侧，而且按照碱基互补标准，碱基之间经过氢键形成碱基对，A-T间形成二个氢键、G-C间形成三个氢键.（3）双螺旋直径是2nm，每10个碱基对旋转一周，螺距为3.4nm，全部碱基平面都与中心轴垂直.（4）维持双螺旋力是碱基堆积力和氢键.核酸化学专题知识讲座第38页3.4nm（~1.2nm,~0.85nm）（~0.6nm,~0.75nm）DoublehelixRight-handed10basepairs/turn3.4nm

/turnDiameter:ca.2.0nm核酸化学专题知识讲座第39页★磷酸与脱氧核糖彼此经过3‘、5‘-磷酸二酯键相连接，组成DNA分子骨架。★磷酸与脱氧核糖在双螺旋外侧，嘌呤与嘧啶碱位于双螺旋内侧。核酸化学专题知识讲座第40页★碱基平面与纵轴垂直，糖环平面与纵轴平行★两条核苷酸链之间依靠碱基间氢链结合在一起。★螺圈之间主要靠碱基平面间堆积力维持核酸化学专题知识讲座第41页★每圈螺旋10.4nt，碱基堆积距0.34nm，双螺旋平均直径2nm，★大沟：宽1.2nm，深0.85nm，★小沟：宽0.6nm，深0.75nm核酸化学专题知识讲座第42页核酸化学专题知识讲座第43页2、稳定双螺旋结构原因①碱基堆积力形成疏水环境（主要原因）。②碱基配正确氢键。GC含量越多，越稳定。③磷酸基上负电荷与介质中阳离子或组蛋白正离子之间形成离子键，中和了磷酸基上负电荷间斥力，有利于DNA稳定。④碱基处于双螺旋内部疏水环境中，可免受水溶性活性小分子攻击。核酸化学专题知识讲座第44页3、

DNA二级结构多型性P489表13-6A-、B-、Z-DNA比较相对湿度92%：B—DNA相对湿度75%：A—DNA。

核酸化学专题知识讲座第45页（1）

B—DNA：经典Watson-Crick双螺旋DNA右手双螺旋每圈螺旋10.4个碱基对螺距：3.32nm（2）

A-DNA右手双螺旋，外形粗短。RNA-RNA、RNA-DNA杂交分子含有这种结构。（3）Z-DNA左手螺旋，外形细长。天然B-DNA局部区域能够形成Z-DNA。核酸化学专题知识讲座第46页核酸化学专题知识讲座第47页（4）

三股螺旋DNA

K.Hoogsteen1963通常是一条同型寡核苷酸与寡嘧啶核苷酸-寡嘌呤核苷酸双螺旋大沟结合：oligo(Py):oligo(Pu)—oligo(Py/Pu)核酸化学专题知识讲座第48页第一股是寡嘧啶，中间是寡嘌呤，第三股能够是寡嘧啶或寡嘌呤核酸化学专题知识讲座第49页T=A:A,C≡G：C+T=A:TC≡G：G第三股与寡嘌呤之间同向平行，并按Hoogsteen配对核酸化学专题知识讲座第50页核酸化学专题知识讲座第51页DNA三股螺旋结构常出现在DNA复制、转录、重组起始位点或调整位点，如开启子区。第三股链存在可能使一些调控蛋白或RNA聚合酶等难以与该区段结合，从而阻遏相关遗传信息表示。核酸化学专题知识讲座第52页(三）

DNA三级结构DNA在双螺旋基础上经过扭曲和折叠形成构象★超螺旋是DNA三级结构主要形式核酸化学专题知识讲座第53页1、

环状DNA三种经典构象P491图13-12（1）、

松弛环形DNA线形DNA直接环化（2）、

解链环形DNA线形DNA拧松后再环化（3）、

正超螺旋与负超螺旋DNA核酸化学专题知识讲座第54页核酸化学专题知识讲座第55页2、三种环形DNA拓扑学特征核酸化学专题知识讲座第56页①连环数（linkingnumber,L）DNA双螺旋中，一条链以右手螺旋绕另一条链缠绕次数②扭转数（twistingnumber,T）DNA分子中Watson-Crick螺旋数目，以T表示③超螺旋数（缠绕数,writhingnumber,W）连环数（L）缠绕数（T）扭曲数W松驰环25250解链环23230超螺旋2325-2L=T+W核酸化学专题知识讲座第57页负超螺旋DNA是因为两条链缠绕不足引发（L），很易解链，易于参加DNA复制、重组和转录等核酸化学专题知识讲座第58页3、真核生物染色体结构染色质、染色体常染色质、异染色质永久性异染色质、功效性异染色质核小体（nucleosome):146bp,组蛋白：H2A、H2B、H3、H4P495图13-17真核生物染色体DNA组装层次核酸化学专题知识讲座第59页MOV：MCB4.0\threedimensionalpackingofnuclearchromosomes核酸化学专题知识讲座第60页三、

RNA结构核酸化学专题知识讲座第61页（一）

RNA一级结构P483AMP、GMP、CMP、UMP经过3’、5’磷酸二酯键形成线形多聚体。

核酸化学专题知识讲座第62页①

组成RNA戊糖是核糖②

RNAU替换DNA中T，另外，RNA中常有一些稀有碱基。③

天然RNA分子都是单链线形分子，只有个别区域是A-型双螺旋结构。核酸化学专题知识讲座第63页TransferRNASmallpolynucleotidechains-73to94residueseachSeveralbasesusuallymethylatedmethylatedEacha.a.hasatleastoneuniquetRNAwhichcarriesthea.a.totheribosome3'-terminalsequenceisalwaysCCA-a.a.AminoacyltRNAmoleculesarethesubstratesofproteinsynthesis核酸化学专题知识讲座第64页假尿嘧啶核苷二氢尿嘧啶核苷胸腺嘧啶核糖核苷4-硫尿核苷次黄嘌呤核苷1-甲基鸟苷N-6-异戊烷腺苷核酸化学专题知识讲座第65页二级结构：三叶草型氨基酸臂二氢尿嘧啶环反密码环额外环TC环（假尿嘧啶环）三级结构：倒L形（酵母tRNAphe)核酸化学专题知识讲座第66页核酸化学专题知识讲座第67页tRNA功效：转运氨基酸识别密码子参加翻译起始参加DNA反转录参加基因表示调控核酸化学专题知识讲座第68页（三）

mRNA结构原核：多顺反子（polycistronicmRNA)真核：单顺反子，断裂基因（splitedgene)核酸化学专题知识讲座第69页EukaryoticmRNADNAistranscribedtoproduceheterogeneousnuclearRNA（hnRNA核内不均一RNA）mixedintronsandexonswithpolyAintron-interveningsequenceexon-codingsequencepolyAtail-stability?SplicingproducesfinalmRNAwithoutintrons核酸化学专题知识讲座第70页

5’-帽子：m7G5’-ppp5’-Nm（

Nm）p-O型：m7G5’-ppp5’-Np-I：m7G5’-ppp5’-Nmp-Np-II:m7G5’-ppp5’-Nmp-Nmp-Np-甲基鸟苷5’，5’-三磷酸核酸化学专题知识讲座第71页（四）

rRNA结构细菌：16SrRNA、5SrRNA、23SrRNA组成30S转录单位真核：18SrRNA、5.8SrRNA，28SrRNA组成45S转录单位，5SrRNA单独转录。核酸化学专题知识讲座第72页Ribosomesareabout2/3RNA,1/3proteinrRNAservesasascaffoldforribosomalproteins23SrRNAinE.coliisthepeptidyltransferase!核酸化学专题知识讲座第73页核酸化学专题知识讲座第74页大肠杆菌5SrRNA结构P498图13-2016S、5SrRNA结构核酸化学专题知识讲座第75页

rRNA功效：组成核糖体催化肽键形成转移酶活性存在于

23SrRNA上参加tRNA与mRNA结合核酸化学专题知识讲座第76页第三节

核酸物理化学性质核酸化学专题知识讲座第77页一、核酸水解（一）酸水解对酸敏感性：糖苷键＞磷酸酯键嘌呤糖苷键＞嘧啶糖苷键利用酸水解能够研究核酸碱基组成核酸化学专题知识讲座第78页（二）

碱水解RNA磷酸酯键对碱敏感室温，0.3~1mol/LKOH，24h，可将RNA完全水解。DNA抗碱水解生理意义：DNA更稳定，遗传信息。RNA是DNA信使，完成任务后快速降解。核酸化学专题知识讲座第79页（三）

酶水解非特异磷酸二酯酶：蛇毒磷酸二酯酶水解DNA（RNA）得5’-核苷酸牛脾磷酸二酯酶水解DNA（RNA）得3’-核苷酸特异磷酸二酯酶：核酸酶核酸化学专题知识讲座第80页1、核酸酶分类底物专一性：核糖核酸酶RNase

脱氧核糖核酸酶DNase作用方式：核酸外切酶（exonuclease)、核酸内切酶(endonuclease)单链核酸酶、双链核酸酶、杂链核酸酶磷酸二酯键断裂方式：5’-（寡）核苷酸3’-（寡）核苷酸核酸化学专题知识讲座第81页2、RNAaseRNaseH作用于DNA-RNA中RNA链牛胰核糖核酸酶（pancreaticribonuclease),RNaseI最适pH：7.0-8.2产物：以3’-嘧啶核苷酸结尾寡核苷酸，高度专一内切酶RNaseT1耐热、耐酸产物：以3’-鸟苷酸结尾寡核苷酸，专一性更高RNaseT2产物：以3’-腺苷酸结尾寡核苷酸核酸化学专题知识讲座第82页3、DNase核酸酶S1作用于单链DNA个别牛胰核糖核酸酶，DNaseI切断双链或单链DNA产物：以5’-磷酸为末端寡核苷酸核酸化学专题知识讲座第83页5、DNA限制性内切酶(RestrictionEnzymes)

在细菌中发觉，主要降解外源DNA。含有严格碱基序列专一性核酸化学专题知识讲座第84页Bacteriahavelearnedto"restrict"thepossibilityofattackfromforeignDNAbymeansof"restrictionenzymes"TypeIIandIIIrestrictionenzymescleaveDNAchainsatselectedsitesEnzymesmayrecognize4,6ormorebasesinselectingsitesforcleavageAnenzymethatrecognizesa6-basesequenceisa"six-cutter"核酸化学专题知识讲座第85页二、

核酸酸碱性质

磷酸和碱基均能发生两性解离。DNA等电点4—4.5RNA等电点2—2.5核酸化学专题知识讲座第86页三、

核酸紫外吸收碱基、核苷、核苷酸和核酸在240~290nm紫外波段有强烈光吸收，λmax=260nm核酸化学专题知识讲座第87页1、

判定纯度纯DNAA260/A280应为1.8（1.65-1.85）纯RNAA260/A280应为2.0。若溶液中含有杂蛋白或苯酚，则A260/A280比值显著降低。2、

含量计算

A值为1相当于：50ug/mL双螺旋DNA

或：40ug/mL单链DNA（或RNA）或：20ug/mL寡核苷酸核酸化学专题知识讲座第88页四、

核酸变性、复性及杂交(Denaturation、RenaturationandHybridization)

核酸化学专题知识讲座第89页(一)

DNA变性(DenaturationofDNA)核酸双螺旋区氢键断裂，变成单链，不包括共价键断裂。核酸化学专题知识讲座第90页DenaturationofDNADouble-strandedDNAA-TrichregionsdenaturefirstCooperativeunwindingoftheDNAstrandsStrandseparationandformationofsingle-strandedrandomcoilsExtremesinpHorhightemperature核酸化学专题知识讲座第91页

变性原因：热变性酸碱变性（pH小于4或大于11）变性剂（尿素、盐酸胍、甲醛）

变性后理化性质：260nm吸收值升高。粘度降低，浮力密度升高。二级结构改变，个别失活。核酸化学专题知识讲座第92页增色效应与减色效应增色效应：在DNA变性过程中，摩尔吸光系数增大减色效应：在DNA复性过程中，摩尔吸光系数减小。DNA变性是暴发式，变性作用发生在一个很窄温度范围内。核酸化学专题知识讲座第93页1、熔解温度（Tm）：DNA双螺旋结构失去二分之一时对应温度。DNATm普通在82—95℃之间核酸化学专题知识讲座第94页2、影响DNATm值原因①DNA均一性。均一性高，变性温度范围越窄，据此可分析DNA均一性。核酸化学专题知识讲座第95页②G-C含量与Tm值成正比。测定Tm，可推知G-C含量。G-C%=（Tm-69.3）×2.44核酸化学专题知识讲座第96页③介质中离子强度离子强度高，Tm高。核酸化学专题知识讲座第97页(二)

复性(Renaturation)变性DNA在适当（普通低于Tm20—25℃）条件下，两条链重新缔合成双螺旋结构。核酸化学专题知识讲座第98页DNAreassociation(renaturation)Double-strandedDNADenatured,single-strandedDNASlower,rate-limiting,second-orderprocessoffindingcomplementarysequencestonucleatebase-pairingFaster,zipperingreactiontoformlongmoleculesofdouble-strandedDNA核酸化学专题知识讲座第99页热变性DNA在迟缓冷却时能够复性，快速冷却不能复性。DNA片段越大，复性越慢；DNA浓度越大，复性越快。复性速度可用Co·t衡量Co为变性DNA原始浓度mol·L-1，t为时间，以秒表示。核酸化学专题知识讲座第100页P352图5-22，不一样DNA复性动力学曲线。核酸化学专题知识讲座第101页●Cot1/2表示复性二分之一Cot值。●依据复性动力学能够测定基因组大小和重复序列拷贝数核酸化学专题知识讲座第102页(三)

核酸杂交核酸化学专题知识讲座第103页加热双链DNA单链DNA杂交杂化双链在DNA复性过程中,双链分子再形成既能够发生在序列完全互补核酸分子之间,也能够发生在碱基序列个别互补不一样DNA之间或DNA与RNA之间,这种现象称为分子杂交。核酸化学专题知识讲座第104页核酸杂交能够是DNA-DNA，也能够是DNA-RNA杂交。

不一样起源，含有大致相同互补碱基次序核酸片段称为同源次序。利用核酸分子杂交，能够确定或寻找不一样物种中含有同源次序DNA或RNA片段。

核酸化学专题知识讲座第105页第四节

核酸研究技术核酸化学专题知识讲座第106页一、

核酸分离纯化和定量尽可能保持其天然状态，预防降解和变性。条件温和，预