生物化学课件ppt（生物工程类）之第五章核酸化学

5核酸化学 核酸 Nucleicacid 是一种线性大分子 包括脱氧核糖核酸 DNA 和核糖核酸 RNA 由相应核苷酸 nucleotide 聚合而成多聚核苷酸 polynucleotide 核苷酸由碱基 Base 糖 Sugar 和磷酸 Phosphate 所组成 5 1核苷酸是DNA和RNA的构件分子5 2DNA分子中贮存着遗传信息5 3DNA的碱基组成是有规律的5 4DNA二级结构是一个双螺旋结构5 5DNA双螺旋可以以几种不同类型的构象存在5 6环状双螺旋DNA可形成超螺旋 DNA的三级结构 5 7真核细胞核内DNA被包装形成染色质 主要内容 5 8细胞中含有几种类型的RNA5 9某些RNA具有稳定的二级结构5 10在体外双链DNA和RNA可以变性和复性5 11不同来源的核酸可以形成杂化体5 12核酸酶催化核酸的磷酸二酯键水解5 13限制性内切酶在特殊部位催化双螺旋DNA水解 核苷酸由三部分组成 一个弱碱性的含氮化合物 称为碱基 一个五碳糖 戊糖 和一个磷酸基团 含氮碱基是嘧啶和嘌呤 戊糖为核糖 D 呋喃核糖 或脱氧核糖 2 脱氧 D 呋喃核糖 这两种糖的嘧啶或嘌呤的N 糖苷称为核苷 核苷酸是核苷的磷酸酯 含有核糖的核苷酸称为核糖核苷酸 而含有脱氧核糖的核苷酸称为脱氧核糖核苷酸 5 1核苷酸是DNA和RNA的构件分子 核苷酸含有两类碱基在核苷酸中发现的所有碱基或是嘧啶的衍生物 或是嘌呤的衍生物 两种类型的碱基都是不饱和的 即都含有共轭双键 这一特性使得环呈平面 也说明它们具有吸收紫外光的能力 max 260nm 嘧啶的衍生物 嘌呤的衍生物 核苷每一个杂环碱存在着两种互变异构形式 腺嘌呤和胞嘧啶既可以以氨的形式存在也可以以亚胺的形式存在 鸟嘌呤 胸腺嘧啶和尿嘧啶可以以酮式存在 也可以以醇式存在 在大多数细胞的内部 氨式和酮式占优势 是最稳定的 一些合成的嘌呤和嘧啶具有临床应用价值 它们可以取代某些酶活性部位中的天然嘧啶和嘌呤底物 例如5 氟尿嘧啶和6 巯基嘌呤就常用于治疗某些类型的癌症 5 氟尿嘧啶相应的核苷酸类似于胸苷酸 是一种潜在的胸苷酸合成酶的抑制剂 胸苷酸合成酶是DNA合成所必需的酶 核苷是核糖或脱氧核糖的N 苷在每一种核苷中 糖都是通过糖的异头碳和嘧啶的N 1或嘌呤的N 9之间形成的 N 糖苷键与碱基连接的 核糖中的碳原子的编号都带有 以区别于碱基中的原子编号 核糖核苷 脱氧核糖核苷 半酮缩醇 变旋现象的产生 单糖的醛基或酮基 象醛或酮一样 可与 自身的 醇 羟基 反应形成分子内的半缩醛或半缩酮结构 图 于是原来的醛基 或酮基 碳原子变成了一个新的不对称碳原子 其上的羟基可以左右调换位置 这种变化的结果导致变旋现象的产生和比旋的改变 图示 糖类 异构体 异头物是指在羰基 carbonyl 碳原子上的构型彼此不同的单糖同分异构体形式 如图 D glucose的 和 型即是一对异头物 它们是非对映异构体 异头物 anomer 核苷酸是核苷的磷酸酯核苷酸是核苷的磷酸酯 核苷含有3个可以被磷酸酯化的羟基 2 3 和5 而脱氧核苷含有2个这样的羟基 3 和5 磷酰基通常都是连接在5 羟基的氧原子上 因此不作特别指定时 提到一个核苷酸指的都是5 磷酸酯 例如腺苷的5 单磷酸酯就称之腺苷一磷酸 AMP 也可简称之腺苷酸 同样 脱氧胞苷的5 磷酸酯可以称之脱氧胞苷一磷酸 dCMP 简称之脱氧胞苷酸 胸腺嘧啶的脱氧核苷的5 磷酸酯常称之胸苷酸 但有时为了避免混淆 也称之脱氧胸苷酸 下图给出了出现在DNA和RNA中的主要的脱氧核糖核苷酸和核糖核苷酸 它们都是相应核苷的5 磷酸酯 核苷酸由于含有嘧啶和嘌呤碱基 所以在260nm附近都有紫外吸收 核苷一磷酸可以进一步磷酸化 形成核苷二磷酸和核苷三磷酸 下图给出了腺苷一磷酸 AMP 腺苷二磷酸 ADP 和腺苷三磷酸 ATP 的结构 ATP在腺苷酸环化酶的作用下可以生成3 5 环腺苷酸 cAMP 同样GTP在鸟苷酸环化酶催化下也可生成3 5 环鸟苷酸 cGMP 通常把激素称之第一信使 把cAMP 或cGMP 称之第二信使 核酸中核苷酸是通过3 5 磷酸二酯键连接的交替的戊糖和磷酸基团形成多核苷酸链的共价骨架 连接在戊糖单位上的碱基给出了核酸序列上的变化 聚合酶催化细胞中的RNA和DNA的合成 核苷三磷酸ATP GTP CTP UTP是RNA合成的底物 或称原料 而dATP dGTP dCTP和dTTP是DNA合成的底物 或称原料 聚合酶通过催化一个核苷酸的3 OH与另一个核苷酸的5 磷酸之间形成3 5 磷酸二酯键将核苷单磷酸加到生长的多核苷酸链上 下图给出了DNA分子的延长反应 由核糖核苷酸聚合形成的多核苷酸链是核糖核酸 RNA 由脱氧核糖核苷酸聚合的多核苷酸链是脱氧核糖核酸 DNA 聚合酶 核酸的一级结构是通过3 5 磷酸二酯键连接的核苷酸序列 DNA和RNA的生物合成都是按照5 3 方向进行的 没有特别指定时 核苷酸序列都是按照5 3 方向读写 右图DNA片段可缩写为pdApdTpdGpdCpdA可以简写为ATGCA 磷酸二酯键 1944年O T Avery等人通过实验证明DNA是一个携带遗传信息的分子 几年之后 A Hershy和M Chase通过噬菌体感染实验也证实DNA是遗传物质 A 肺炎球菌的转化实验肺炎病菌有二种 一种是光滑型肺炎双球菌 有荚膜 菌落光滑且有毒 这种菌通常外包有一层黏性发光的多糖荚膜 它是细菌致病性的必要成分 引起肺炎 另一种是粗糙型肺炎双球菌 无荚膜 菌落粗糙且无毒 下图给出了O T Avery等人具体的肺炎球菌的转化实验过程 5 2DNA分子中贮存着遗传信息 a 将光滑型肺炎双球菌注入小鼠体内 使小鼠致死 b 将粗糙型肺炎双球菌注入小鼠体内 对小鼠无害 c 将光滑型肺炎双球菌加热杀死后 再注入小鼠体内 对小鼠无害 d 将加热杀死的光滑型肺炎双球菌与粗糙型肺炎双球菌一起注入小鼠体内 小鼠死掉 e 从加热杀死的光滑型肺炎双球菌中提取DNA 并尽可能将混在DNA中的蛋白质除去 然后将DNA与粗糙型肺炎双球菌混合后 再注入小鼠体内 小鼠死掉 B 噬菌体感染实验用32P标记噬菌体DNA 使标记的噬菌体感染大肠杆菌 经短期保温后 噬菌体就附着在细菌上 然后用搅拌器 10000转 分 搅拌几分钟 使噬菌体与大肠杆菌分开 再用高速离心机使细菌沉淀 分析沉淀和上清中的放射性 用35S标记噬菌体的蛋白质外壳 进行同样的验证实验 结果大多数噬菌体的DNA存在于细菌中 而外壳留在上清中 但是被感染的细菌内部出现了奇迹 随着被感染的细菌的培养 有的细菌破裂 释放出很多噬菌体来 这说明用于复制的遗传信息是通过病毒DNA 而不是通过病毒蛋白质导入细菌内的 32P标记噬菌体DNA 35S标记噬菌体外壳 Chargaff观察到来自不同种属的DNA的4种碱基组成不同 例如来自人 猪 羊 牛 细菌和酵母菌的DNA的碱基的数量和相对比例很不相同 即DNA的碱基组成具有种属的特异性 但来自同一种属不同组织的DNA样品具有相同的碱基组成 即碱基组成没有组织和器官的特异性 对于一个给定种属的DNA碱基组成不会随有机体的年龄 营养状态和环境变化而改变 Chargaff得出的一个最重要的碱基定量关系是不管种属如何不同 但在所有的DNA中 腺嘌呤残基摩尔数等于胸腺嘧啶残基摩尔数 即 A T 而鸟嘌呤残基摩尔数等于胞嘧啶残基摩尔数 即 G C 表5 2 从这些关系中可以得出 嘌呤残基的总摩尔数等于嘧啶残基的总摩尔数 即A G T C 5 3DNA的碱基组成是有规律的 DNA中碱基组成的这些定量关系 也称为Chargaff法则 后来又被其他的研究者证实 碱基之间的这些定量关系对于建立DNA的三维结构以及遗传信息是如何编码在DNA中一代一代传下去是一个关键 5 2不同来源的DNA的碱基组成 摩尔百分比 和碱基比例 肺炎球菌的转化实验以及噬菌体感染实验使科学家们相信DNA是遗传物质 但遗传信息是如何贮存在DNA分子中的呢 当时摆在研究者面前的问题就是建立一个DNA分子的三维模型 该模型要能够解释Chargaff法则 以及遗传规律等问题 提出DNA双螺旋模型的是年仅25岁的沃森和35岁的克里克 但不要忘记富兰克林以及查格夫等人的贡献 正是由于富兰克林拍摄的DNAX 射线衍射图成就了沃森和克里克 1962年沃森 克里克和威尔森三人获得了诺贝尔医学和生理学奖 5 4DNA二级结构是一个双螺旋结构 DNA半保留复制 亲本DNA 复制的子链 1951年Franklin和Wilkins利用X 射线衍射方法分析了DNA的晶体 得到了DNAX 射线衍射图 从衍射图推测出DNA的结构是一个螺旋结构 螺旋沿着螺旋的长轴有两个周期性 第一个周期出现在0 34nm 第二个周期出现在3 4nm 这对于确定DNA的结构是至关重要的线索 DNA晶体X 射线衍射图 二 DNA的二级结构 1 定义 DNA的二级结构指DNA的双螺旋结构 1953年 J Watson和F Crick在前人研究工作的基础上 根据DNA纤维和DNA结晶的X 衍射图谱分析及DNA碱基组成的定量分析以及DNA中碱基的物化数据测定 提出了著名的DNA双螺旋结构模型 并对模型的生物学意义作出了科学的解释和预测 2 DNA双螺旋结构的特点 二 DNA的二级结构 1 DNA分子由两条多聚脱氧核糖核苷酸链 简称DNA单链 组成 两条链沿着同一根轴平行盘绕 形成右手双螺旋结构 螺旋中的两条链方向相反 即其中一条链的方向为5 3 而另一条链的方向为3 5 螺旋结构上有大沟和小沟 注 在这些沟内 碱基对的边缘是暴露给溶剂的 所以能够与特定的碱基对相互作用的分子可以通过这些沟去识别碱基对 而不必将螺旋破坏 这对于可以与DNA结合并 读出 特殊序列的蛋白质是特别重要的 2 嘌呤碱和嘧啶碱基位于螺旋的内侧 磷酸和脱氧核糖基位于螺旋外侧 彼此以3 5 磷酸二酯键连接 形成DNA分子的骨架 碱基环平面与螺旋轴垂直 糖基环平面与碱基环平面成90 角 2 DNA双螺旋结构的要点 3 螺旋横截面的直径约为2nm 每条链相邻两个碱基平面之间的距离为0 34nm 相邻核苷酸的夹角为36 沿螺旋的长轴每一转含有10个碱基对 其螺距为3 4nm 即螺旋旋转一圈 高度为3 4nm 2 DNA双螺旋结构的要点 2 DNA双螺旋结构的要点 4 双螺旋内部的碱基按规则配对 碱基的相互结合具有严格的配对规律 即腺嘌呤 A 与胸腺嘧啶 T 结合 鸟嘌呤 G 与胞嘧啶 C 结合 这种配对关系 称为碱基互补 A和T之间形成两个氢键 G与C之间形成三个氢键 双螺旋的两条链是互补关系 直径2 0nm 螺距3 4nm 含10个碱基对 大沟2 2nm 小沟1 2nm 3 DNA双螺旋结构提出的生物学意义 第一次阐述了遗传信息的储存方式及DNA复制的机理 以准确的语言回答了DNA是如何成为遗传物质的 大大推动了分子生物学和分子遗传学的发展 被誉为20世纪最伟大的发现之一 4 DNA双螺旋的稳定因素 DNA双螺旋结构在生理条件下是很稳定的 维持这种稳定性的主要因素包括 两条DNA链之间碱基配对形成的氢键和碱基堆积力 另外 存在于DNA分子中的一些弱键在维持双螺旋结构的稳定性上也起一定的作用 即磷酸基团上的负电荷与介质中的阳离子间形成的离子键及范德华力 改变介质条件和环境温度 将影响双螺旋的稳定性 G和C之间形成三个氢键 A和T之间形成二个氢键 双螺旋结构模型提供了DNA复制的机理 解释了遗传物质自我复制的机制 模型是两条链 而且碱基互补 复制之前 氢键断裂 两条链彼此分开 每条链都作为一个模板复制出一条新的互补链 这样就得到了两对链 解决了一个基本的生物学问题 遗传复制中样板的分子基础 亲本链 子链 子链 在Watson和Crick的DNA双螺旋模型公布之后 通过对合成的已知序列的寡核苷酸的X 射线晶体衍射图的研究发现 存在着B型 A型和Z型DNA B DNA和A DNA都是右手双螺旋结构 而Z DNA是左手双螺旋结构 B DNA A DNA和Z DNA双螺旋结构特点 5 5DNA双螺旋存在几种不同类型的构象 ts DNA 三股螺旋 在分子内或分子间形成 分子内形成时需要低pH下胞嘧啶质子化 故称H DNA Hoogsteen配对 Py Pu Py Py Pu Pu和Py Pu rPy H DNA存在于基因调控区和其他重要区域 故显示出具有重要的生物学意义 一 定义 DNA的三级结构指DNA分子 双螺旋 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 单链与二级结构单元间的相互作用以及DNA的拓扑特征 超螺旋是DNA三级结构的一种类型 超螺旋即DNA双螺旋的螺旋 5 6双螺旋DNA可形成超螺旋 DNA的三级结构 用两手分别捏住线性DNA分子的两端 捻动其中的一端或两端同时向相反的方向捻动 当向右捻动时 即沿右手螺旋方向捻动 等于紧旋 所谓的 上劲 处于这样状态的DNA分子相对于它的松弛状态是一种超过原有旋转状态的状态 所以称为过旋 当将处于松弛状态 B构型 的双螺旋向左捻动时 即沿右手螺旋相反方向捻动 等于解旋 所谓的 卸劲 处于这样状态的DNA分子相对于它的松弛状态是一种没有达到原有旋转状态的状态 所以称之欠旋 当将线性过旋或欠旋的双螺旋DNA连接形成一个环时 都会自动形成额外的超螺旋来抵消过旋或欠旋造成的应力 目的是维持B构象 过旋DNA会自动形成额外左手螺旋 而欠旋形成额外右手螺旋 称为负超螺旋 向左捻 向右捻 松弛型 正超螺旋 负超螺旋 二 环状DNA的拓扑学特征 1 链环数 linkingnumber 链环数指在双螺旋DNA中 一条链以右手螺旋绕另一条链缠绕的次数 以L表示 扭转数是指DNA分子中Watson Crick的螺旋数 以T表示 2 扭转数 缠绕数 twistingnumber 3 超螺旋数 writhingnumber 以W表示 所以 L T W 请看下面的例子 DNA分子具有相同的结构 但L值不同 所以称它们为拓扑异构体 拓扑异构酶能够催化它们之间的转换 DNA负超螺旋易于解链 在DNA复制 重组和转录等过程中都需要两条链解开 所以负超螺旋利于这些功能的实施 解链环形L 23T 23W 0 松弛形L 25T 25W 0 负超螺旋L 23T 25W 2 4 比连环差 比连环差以 表示 用它表示DNA的超螺旋程度 L L0 L0L0表示松弛环形DNA的L值 如在上述超螺旋中 L 23 L0 25所以 0 08 可以视为DNA的超螺旋密度 天然DNA的超螺旋密度一般在 0 03到 0 09 负号表示超螺旋周为左手螺旋 5 7DNA与蛋白质复合物的结构 生物体内的核酸通常与蛋白质结合形成复合物 以核蛋白的形式存在 DNA分子十分巨大 将它组装在有限的空间内 需要高度组织 用压缩比来表示 即 DNA分子长度与组装后特定结构长度之比称为压缩比 1 病毒 病毒颗粒主要由蛋白质和核酸 脂质 糖类 组成 动物病毒主要为DNA病毒 植物病毒主要为RNA病毒 核酸是遗传物质 而蛋白质与病毒宿主的专一性有关 同时可以保护核酸免受损伤 2 细菌的拟核细菌基因组为双链环状DNA 与碱性蛋白和少量RNA结合 形成突环结构 其DNA分子的长度大约是其菌体长度的1000倍 所以细菌DNA在细胞内紧密缠绕形成致密的小体 称为拟核 nucleoid 染色质的主要蛋白质成分通称为组蛋白 大多数真核细胞中都含有H1 H2A H2B H3和H45种组蛋白 当染色质用低离子强度的溶液处理时 染色质去折叠后电子显微镜照片象是一条线上穿了许多 珠 子一样 珠子 是DNA 组蛋白的复合体 称为核小体 而 线 是双螺旋DNA 每个核小体是由各2分子的H2A H2B H3和H4的八聚体和大约200个DNA碱基对组成 DNA大约缠绕1 75圈 有146个DNA的碱基对处于与组蛋白复合体紧密结合的状态 形成一个核小体核心颗粒 核心颗粒之间的 线 称之连接DNA 大约有54个碱基对长 第5个组蛋白H1既与连接DNA结合 又和核小体核心颗粒结合 真核生物的染色体 真核细胞核内DNA被包装形成染色质 H2A H2B H3和H4形成八聚体 组蛋白和DNA形成核小体 真核生物的染色质丝 组蛋白八聚体 H2AH2BH3H4各2个分子 从DNA到染色质丝 DNA压缩了近100倍 若从DNA到最后凝缩成染色体 DNA压缩了近万倍 螺旋管 与伸展开的B DNA长度相比 DNA包装成核小体后 长度被压缩了10倍 串珠状的核小体核心颗粒本身可以卷曲成一个螺旋管状 产生一种称之30nm纤维结构 纤维结构可以形成大的环 在一个大的染色体上大约存在着多达2000个环 环可以附着在RNA 蛋白质的支架 Scaffold 上 象是被固定一样 可以形成超螺旋 超螺旋还可形成附加的额外的超螺旋 使得DNA一步一步地被压缩 见P495图13 17真核生物染色体DNA组装不同层次的结构 DNA双链以左手螺旋缠绕在组蛋白形成的八聚体核心上即核小体念珠状结构核小体链进一步盘绕 折叠形成染色质丝组成突环玫瑰花结螺线圈由螺线圈组装成染色单体 真核生物的染色体的组装过程 染色体的结构组装过程 核小体 nucleosome 由146bpDNA围绕8个组蛋白分子 H2A H2B H3 H4个2个 绕1 圈 H1结合在连接区 每个核小体大致包含200bpDNA 总结 染色体的结构组装过程 由6个核小体念珠绕成30nm纤维 fiber 总结 染色体的结构组装过程 再扭曲成突环 loop 约75000bp 总结 染色体的结构组装过程 形成 玫瑰 花结 rosette 每1花结包括6个突环 在此基础上 由30个花结绕成螺管 coil 最后形成染色单体 chromatid 染色体 总结 显微镜下辨聪愚 妇产医院遗传室见闻 在放大1000倍的显微镜头下 染色体是一团淡紫色的乱 线头 长不过1厘米 短的没有芝麻大 医务人员将 线头 一根一根地 择 出来 从第1号到第23号 一对一对地配整齐 然后检查染色体有无异常 别小看这些乱 线头 似的染色体 不要说少一根 就是有一根短点 长点 或呆错了地方都有可能出现意想不倒的结果 例如产下先天痴呆或无眼 无耳 无肛门等各种各样的先天畸形的傻孩子 怪孩子 所以孕妇一般都要进行产前检查 如果发现染色体异常 就建议孕妇终止妊娠 1 核糖体核糖核酸 rRNA rRNA是核糖体的组成成分 核糖体是细胞内蛋白质和RNA的复合体 是蛋白质合成的场所 rRNA是细胞内最丰富的一类RNA 大约占细胞总RNA的80 核糖体含有大约60 RNA 40 蛋白质 整个核糖体是由一大一小两个亚基组成的 大肠杆菌核糖体 70S 高等动物核糖体 80S 30S亚基50S亚基40S亚基60S亚基16SRNA23SRNA18SRNA28SRNA21种蛋白质5SRNA30种蛋白质5 8SRNA34种蛋白质5SRNA40种蛋白质 5 8细胞中含有几种类型的RNA 2 信使核糖核酸 mRNA mRNA编码蛋白质中的氨基酸序列 mRNA是作为一个 信使 它载有来自DNA的信息 然后进入蛋白质合成场所 核糖体 作为蛋白质合成的模板指导蛋白质的合成 mRNA约占细胞总RNA的3 一般来说 mRNA是细胞内最不稳定的一类RNA 3 转移核糖核酸 tRNA tRNA的主要功能是在蛋白质生物合成的过程中 起着转运氨基酸的作用 tRNA载有激活的氨基酸 并运到核糖体 将氨基酸掺入到生长着的肽链中 tRNA约占细胞总RNA的15 一般是由73个 95个核苷酸组成 其中含有许多修饰的碱基 4 小分子核糖核酸 snRNA 这一类小分子RNA存在于所有的细胞中 其中的一些RNA具有催化活性 或是与蛋白质一同起着催化作用 说明这些RNA具有酶的功能 许多小分子RNA都参与RNA合成后的修饰 加工过程 T Cech和S Altman从四膜虫中提取了一种RNA 它具有切割并重新组合自身主结构的功能 他们二人获得1989年诺贝尔化学奖 根据RNA的一些理化性质和x 射线分析 大多数天然的RNA分子是以一条单链形式存在的 但有些单链多核苷酸可以自身发生回折 在互补的碱基对之间形成双螺旋区 碱基配对规则是A U G C 这样的结构称为发卡式 或茎 环结构 RNA的双螺旋区的结构类似于A DNA的结构 CCUAUG CC CU AA UGA5 ACUCUCACUA 3 5 9某些RNA具有稳定的二级结构 tRNA的高级结构 1 tRNA的二级结构tRNA的二级结构大都呈 三叶草 形状 在结构上具有某些共同之处 一般可将其分为四臂四环 包括氨基酸接受臂 反密码 环 臂 二氢尿嘧啶 环 臂 T C 环 臂和可变环 除了氨基酸接受区外 其余每个区均含有一个突环和一个臂 1 氨基酸接受区包含有tRNA的3 末端和5 末端 3 末端的最后3个核苷酸残基都是CCA A为腺苷酸 氨基酸可与其成酯 该区在蛋白质合成中起携带氨基酸的作用 2 反密码区与氨基酸接受区相对 一般环中含有7个核苷酸残基 臂中含有5对碱基 其中环中正中的3个核苷酸残基称为反密码子 3 二氢尿嘧啶区该区含有二氢尿嘧啶 环由8 12个核苷酸组成 臂由3 4对碱基组成 4 T C区该区与二氢尿嘧啶区相对 假尿嘧啶核苷 胸腺嘧啶核糖核苷环 T C 由7个核苷酸组成 通过由5对碱基组成的双螺旋区 T C臂 与tRNA的其余部分相连 除个别例外 几乎所有tBNA在此环中都含有T C 5 可变区位于反密码区与T C区之间 不同的tRNA该区变化较大 一般有3 18个核苷酸组成 假尿苷 胸腺嘧啶核糖核苷 稀有核苷 tRNA 2 tRNA的三级结构 在三叶草型二级结构的基础上 突环上未配对的碱基由于整个分子的扭曲而配成对 目前已知的tRNA的三级结构均为倒L形 一个DNA双螺旋可以彻底地解链 分离成两条互补的单链 这一现象称为DNA变性 变性只发生在体外 慢慢地升高DNA溶液的温度 随着温度的升高 碱基对之间的氢键被破坏 越来越多的碱基对被拆开 当DNA的溶液被加热到一定温度以上时 双链DNA结构被破坏 最后双链完全分开 形成两个单链 变性分开的两条单链可以重新形成双螺旋DNA 这是变性的可逆过程 称为复性 5 10在体外双链DNA和RNA可以变性和复性 核酸复性时 紫外吸收降低 由于核酸复性而引起紫外吸收降低的现象 称为减色效应 由于核酸变性而引起紫外吸收增加的现象 称之增色效应 在260nm波长的单链DNA的吸收要比双链DNA的吸收高12 40 这是因为双链DNA中堆积的碱基对之间相互作用降低了吸收 由于核酸变性而引起紫外吸收增加的现象 称之增色效应 吸收值变化对DNA溶液温度的曲线称之DNA融解曲线 由双螺旋到变性状态之间的陡变区反映了双螺旋DNA中堆积的 形成氢键的碱基对的破坏程度 陡变区中点对应的温度称为熔点 Tm 在熔点处 有一半的双链DNA变成了单链DNA 有机溶剂 如乙醇可以降低DNA的Tm 因为有机溶剂可以降低分子内部的疏水相互作用强度 一些离液剂 如尿素 盐酸胍和甲酰胺也可以降低双螺旋DNA的稳定性 测定可以根据下面公式计算出DNA的碱基组成 G C Tm 69 3 2 44 核酸中碱基组成对熔点温度的影响 各种细菌的DNA熔点温度 Tm 与其G C碱基对的关系 酵母 将从人和小鼠细胞分离出的双螺旋DNA分别通过加热使它们完全变性 然后混合在一起 于65 下保持数小时 小鼠DNA链与对应的互补的小鼠DNA链重新形成小鼠双链DNA 同样人DNA链也与互补的人DNA链退火 重新形成人的双链DNA 然而在退火时 一些小鼠DNA链却与人DNA链结合在一起形成了杂化的双螺旋DNA 这表明不同生物在进化上有某些联系 在多数情况下 这些能形成杂化体的DNA编码的蛋白质或RNA可能具有相似的序列 同源性 生物之间的进化关系越接近 它们的DNA之间的杂化就越广泛 除了DNA之间可以形成杂化体之外 DNA与RNA之间只要是存在着互补碱基对也能形成杂化的双螺旋DNA RNA 8 11不同来源的核酸可以形成杂化体 完全变性的样品1DNA 完全变性的样品2DNA 样品1双螺旋 样品2双螺旋 杂化双螺旋 混合并冷却 催化核酸中磷酸二酯键的水解的酶统称为核酸酶 核糖核酸酶只作用于RNA 而脱氧核糖核酸酶只作用于DNA 但有些核酸酶既催化RNA水解 也催化DNA水解 象蛋白酶一样 核酸酶可以根据酶作用的部位不同分为外切核酸酶和内切核酸酶 外切核酸酶水解磷酸二酯键后从多核苷酸链的末端释放核苷酸残基 而内切酶可以在多核苷酸链内的不同位置水解磷酸二酯键 水解时 既可以在3 5 磷酸二酯键的3 酯键处 A 也可以在5 酯键处 B 切断磷酸二酯键 一种类型的水解可以产生5 单磷酸和一个3 羟基 而另一种水解方式可以产生3 单磷酸和5 羟基 书中列出了一些常用的来自不同生物的核酸酶以及它们作用的底物和生成的产物 5 12核酸酶催化核酸的磷酸二酯键水解 核酸酶酶切位点 限制性内切酶是一类重要的作用于DNA的内切酶 限制性内切酶术语来自一种现象 即某些细菌可以通过特异地破坏侵入的病毒DNA来阻止嗜菌体的感染 这样的细菌称之限制性宿主 因为它们可以限制外源DNA的表达 限制性宿主可以合成核酸酶 该酶可在特殊的序列区降解外源DNA 但宿主细胞本身的DNA并不受该核酸酶的作用 这是因为宿主DNA可被内切酶识别的特殊部位的某些碱基已经被甲基化了 内切酶不能催化已修饰底物的水解 所以任何进入宿主细胞的 在酶识别的特殊部位没有甲基化的DNA都会受到限制性内切酶的切割 5 13限制性内切酶在特殊部位催化双螺旋DNA水解 限制性内切酶识别特殊的DNA序列 酶切位点 酶切位点 对称轴 平末端 粘性末端 要点归纳 1 核酸是由构件分子核苷酸组成的线性聚合物 分为脱氧核糖核酸 DNA 和核糖核酸 RNA 每一个核苷酸都是由一个戊糖 对于DNA是2 脱氧核糖 对于RNA是核糖 通过 N 糖苷键与一个杂环碱基 嘌呤或嘧啶 连接组成的 糖的5 C位通过酯键连接一个磷酸基团 2 每一个核苷酸的磷酸基团通过与相邻的另一个核苷酸的3 羟基形成的酯键将各个核苷酸连接起来形成聚核苷酸和核酸 由于一个磷酸分别在两个核苷酸的3 和5 位都形成了酯键 所以连接两个核苷酸的含有两个酯键的桥梁称之为磷酸二酯键 核酸酶可以在3 或5 位水解二酯键 3 嘌呤碱基腺嘌呤和鸟嘌呤既出现在DNA中 也出现在RNA中 出现在DNA中的嘧啶碱基是胞嘧啶和胸腺嘧啶 而出现在RNA中的主要是胞嘧啶和尿嘧啶 但RNA中还存在少量的稀有碱基 如假尿嘧啶 二氢尿嘧啶等 4 核苷酸是核苷的磷酸酯 去掉磷酸基团后剩下的部分称之为核苷 如果核苷5 端磷酸化 根据连接的磷酸基团的数目可以形成核苷一磷酸 通常说的核苷酸 如AMP GMP等 核苷二磷酸 如ADP GDP等 或核苷三磷酸 如ATP GTP等 5 在核苷5 端磷酸化形成一