生物化学第一章核酸的结构与功能

1、第一节第一节 核酸是遗传物质的载体核酸是遗传物质的载体 第二节第二节 核酸的基本化学组成核酸的基本化学组成 第三节第三节 DNADNA的结构的结构 第四节第四节 RNARNA的结构与功能的结构与功能 第五节第五节 核酸的性质核酸的性质 l核酸是一类重要的生物大分子，担负着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。生命信息的储存与传递。 l核酸是现代生物化学、分子生物学的重核酸是现代生物化学、分子生物学的重 要研究领域，是基因工程操作的核心分要研究领域，是基因工程操作的核心分 子。子。 核酸概述核酸概述 一、核酸的研究发现史一、核酸的研究发现史 l18681868年，年，F. M

2、iescherF. Miescher从细胞核中分离得从细胞核中分离得 到一种酸性物质，即现在被称为核酸的到一种酸性物质，即现在被称为核酸的 物质。物质。 or and 可分离可分离 l19521952年，年， HexsheyHexshey、Chase TChase T2 2噬菌噬菌 体（捣碎器实验）体（捣碎器实验） l19531953年，年，WatsonWatson、Crick DNACrick DNA双螺双螺 旋模型旋模型 l核酶（核酶（RibozymeRibozyme） 98 98核中（染色体中）核中（染色体中） 真核真核 线粒体（线粒体（mDNAmDNA） 核外核外 叶绿体（叶绿体（ct

3、DNActDNA） DNA DNA 拟核或类核拟核或类核 原核原核 核外：质粒（核外：质粒（plasmidplasmid） 病毒：病毒：DNADNA病毒病毒 核酸的种类和分布核酸的种类和分布 核酸分为两大类：核酸分为两大类： 脱氧核糖核酸脱氧核糖核酸 Deoxyribonucleic Acid Deoxyribonucleic Acid （DNADNA） 核糖核酸核糖核酸 Ribonucleic AcidRibonucleic Acid（RNARNA） RNARNA主要存在于细胞质中主要存在于细胞质中 l tRNA l rRNA l mRNA l 其它其它 l RNA病毒：病毒：SARS 三、

4、分子生物学的中心法则 核酸核酸核苷酸核苷酸 核苷核苷 磷酸磷酸 碱基碱基 戊糖戊糖 元素组成：元素组成： C H O N P C H O N P 核酸完全水解产生嘌呤和嘧啶等碱性物质、戊糖（核糖或 脱氧核糖）和磷酸的混合物。每个核苷分子含一分子碱基和 一分子戊糖，一分子核苷酸部分水解后除产生核苷外，还有 一分子磷酸。核酸的各种水解产物可用层析或电泳等方法分 离鉴定。 组成核酸的戊糖有两种。组成核酸的戊糖有两种。DNA所含的糖为所含的糖为 - D-2-脱氧核糖；脱氧核糖；RNA所含的糖则为所含的糖则为-D-核糖。核糖。 O H H OH H OH OH H HOCH2 HOCH2 O H H O

5、H H H OH H D-核糖D-2-脱氧核糖 N N N H N NH2 l腺嘌呤腺嘌呤Adenine NH N N H N O NH2 l鸟嘌呤鸟嘌呤guanine 尿嘧啶尿嘧啶 uracil NH N H O O N N H NH2 O 胞嘧啶胞嘧啶 cytosine NH N H O O 胸腺嘧啶胸腺嘧啶 thymine 核酸中也存在一些不常见的稀有碱基。稀有碱核酸中也存在一些不常见的稀有碱基。稀有碱 基的种类很多，大部分是上述碱基的甲基化产物。基的种类很多，大部分是上述碱基的甲基化产物。 核苷核苷 戊糖戊糖+ +碱基碱基 糖与碱基之间的糖与碱基之间的C-NC-N键，称为键，称为C-N

6、C-N糖苷键糖苷键 (OH) (OH) 胞嘧啶核苷尿嘧啶核苷鸟嘌呤核苷腺嘌呤核苷 N N OH HO N N NH2 HO N N OH H2N N N N N N N NH2 O H H OH H OH H HOCH2 HOCH2 O H H OH H OH H O H H OH H OH H HOCH2 O H H OH H OH H HOCH2 次黄苷（肌苷）次黄苷（肌苷）I 黄嘌呤核苷黄嘌呤核苷 X 二氢尿嘧啶核苷二氢尿嘧啶核苷 DHU 2-O-甲基腺苷甲基腺苷Am 取代核苷的表示方式 5-甲基鸟苷 m5G OH Adenosine Guanosine Cytidine Uridine

7、 核苷酸核苷酸 核苷核苷+ +磷酸磷酸 戊糖戊糖+ +碱基碱基+ +磷酸磷酸 H H H H H H H H H l1. 1. 继续磷酸化继续磷酸化 O-P O O- N N N N NH2 O H H OH H OH H OCH2O-P O O- O-P O O- 三磷酸腺苷 (ATP) AMP ADP ATP l cAMP l cGMP 4. 4. 辅酶辅酶 NADNAD( (辅酶辅酶I I，烟酰胺腺嘌呤二核苷酸，烟酰胺腺嘌呤二核苷酸) )、NADPNADP (辅辅 酶酶II，烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸，烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸) 、FMNFMN（黄素单核（黄素单核 苷酸）、苷酸）、FADF

8、AD（黄素腺嘌呤二核苷酸）、（黄素腺嘌呤二核苷酸）、CoASHCoASH（辅酶（辅酶A A） IMP GMP l多聚核苷酸是通过一个核苷酸的多聚核苷酸是通过一个核苷酸的C C3 3-OH -OH 与另一分子核苷与另一分子核苷 酸的酸的5 5- -磷酸基形成磷酸基形成3 3,5,5- -磷酸二酯键相连而成的链状聚磷酸二酯键相连而成的链状聚 合物。合物。 5 5 3 3 l 5-5-磷酸端（常用磷酸端（常用5 5-P-P表示）；表示）；3-3-羟基端（常用羟基端（常用3 3-OH-OH表示）表示） l 多聚核苷酸链具有方向性，当表示一个多聚核苷酸链时，必须多聚核苷酸链具有方向性，当表示一个多聚核苷

9、酸链时，必须 注明它的方向是注明它的方向是5353或是或是3535。 DNA RNA 5PdAPdCPdGPdTOH 3 5PAPCPGPUOH 或5ACGTGCGT 3 5ACGUAUGU 3 ACGTGCGT ACGUAUGU T 53 OH U 53 OH OH OH OH OH 一级结构一级结构 DNADNA的碱基顺序本身就是遗传信息存储的分子形式。的碱基顺序本身就是遗传信息存储的分子形式。 生物界物种的多样性即寓于生物界物种的多样性即寓于DNADNA分子中四种核苷酸千变万分子中四种核苷酸千变万 化的不同排列组合之中。化的不同排列组合之中。 核酸的序列测定核酸的序列测定 1. 双脱氧链

10、终止法双脱氧链终止法 （Sanger酶法）酶法） 2. Gilbert化学降解法化学降解法 2. 基因与基因组基因与基因组 基因（基因（genegene）：一段有功能的：一段有功能的DNADNA片段，生物细胞中片段，生物细胞中DNADNA 分子的最小功能单位（交换单位）。分子的最小功能单位（交换单位）。 蛋白质（蛋白质（mRNA mRNA 蛋白质）蛋白质） 产物产物 tRNA tRNA RNA RNA rRNA rRNA 调节功能：调节基因调节功能：调节基因 无产物无产物 作用未知作用未知 结构基因结构基因 基因组（基因组（genomegenome）：某生物体（完整单倍体）所含全部遗：某生物体

11、（完整单倍体）所含全部遗 传物质的总和。传物质的总和。 包括：核基因组（拟核包括：核基因组（拟核/ /核核DNADNA）及核外（质粒）及核外（质粒/ /质体质体DNADNA） bp bp（碱基对（碱基对） 103 104 105 106 107 108 109 1010 1011 1012 人人 两栖两栖 类类 鱼类鱼类 藻类藻类 酵母酵母 细菌细菌 E.ColE.Col i i 病毒病毒 质粒质粒 各种细胞、病毒和细菌质粒中基因组的大小各种细胞、病毒和细菌质粒中基因组的大小 3. 原核生物基因组特点原核生物基因组特点 l 重复序列少，多位编码区重复序列少，多位编码区 l 多为操纵子形式组织多

12、为操纵子形式组织 l 有重叠基因存在有重叠基因存在 4. 真核生物基因组特点真核生物基因组特点 l 以染色体存在以染色体存在 l 重复序列多重复序列多 基因组计划基因组计划 人类基因组计划（人类基因组计划（Human Genome Project， HGP ） 酵母基因组计划酵母基因组计划 （YGP） 大肠杆菌（大肠杆菌（E.Coli） 二、二、DNA的二级结构的二级结构 DNA的双螺旋模型的双螺旋模型 l19531953年，年，J. WatsonJ. Watson和和F. F. Crick Crick 在前人研究工作在前人研究工作 的基础上，根据的基础上，根据DNADNA结晶结晶 的的X-X

13、-衍射图谱和分子模衍射图谱和分子模 型，提出了著名的型，提出了著名的DNADNA双双 螺旋结构模型，并对模螺旋结构模型，并对模 型的生物学意义作出了型的生物学意义作出了 科学的解释和预测。科学的解释和预测。 l在在DNADNA分子中，嘌呤碱基分子中，嘌呤碱基 的总数与嘧啶碱基的总的总数与嘧啶碱基的总 数相等。数相等。 DNA双螺旋模型要点双螺旋模型要点 B型结构型结构 两条链反向平行，右手螺旋两条链反向平行，右手螺旋 碱基在内（碱基在内（AT，GC）碱）碱 基平面垂直于螺旋轴基平面垂直于螺旋轴 戊糖在外，双螺旋每转一周戊糖在外，双螺旋每转一周 为为10碱基对（碱基对（bp） A型结构型结构 碱

14、基平面倾斜碱基平面倾斜20，螺旋变粗，螺旋变粗 变短，螺距变短，螺距23nm。 Z型结构型结构 左手螺旋，只有小沟左手螺旋，只有小沟 2.0 nm 小小 沟沟 大大 沟沟 双螺旋双螺旋DNADNA的结构参数的结构参数 类型旋转方向螺旋直径 （nm） 螺距 （nm） 每转碱基 对数目 碱基对间垂直 距离（nm） 碱基对与水 平面倾角 ADNA BDNA ZDNA 右 右 左 2.3 2.0 1.8 2.8 3.4 4.5 11 10 12 0.255 0.34 0.27 20 0 7 双螺旋稳定的力双螺旋稳定的力 氢键氢键 碱基堆积力（疏水相互作用及范德华力）碱基堆积力（疏水相互作用及范德华力）

15、 离子键等离子键等 则则:DNA变性剂（热、变性剂（热、pH、脲、脲/酰胺、有机溶剂）酰胺、有机溶剂） DNA的三链结构可能 与基因表达调控有关。 第三股链的存在可能阻 碍了一些调控蛋白或 RNA聚合酶与DNA的 结合。 lDNA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） 真核真核 双链线性双链线性DNA（dsDNA） 第四节第四节 RNARNA的结构与功能的结构与功能 一、结构特点一、结构特点 1. 碱基组成碱基组成 A、G、C、U （AU/GC） 稀有碱稀有碱 基较多，稳定性较差，易水解基较

16、多，稳定性较差，易水解 2. 多为单链结构，少数局部形成螺旋多为单链结构，少数局部形成螺旋 3. 分子较小分子较小 4. 分类分类 l mRNA（hnRNA 核不均一核不均一RNA） l tRNA l rRNA （snRNA/asRNA） l 少数少数RNA病毒病毒 二、二、tRNA 占占RNA总量的总量的15 一种氨基酸对应最少一种一种氨基酸对应最少一种RNA l分子量分子量25000左右，大约由左右，大约由70 90个核苷酸组成，沉降系数个核苷酸组成，沉降系数 为为4S左右。左右。 l分子中含有较多的修饰成分。分子中含有较多的修饰成分。 l3-末端都具有末端都具有CpCpAOH的结的结 构

17、。构。 tRNA的三级结构的三级结构 占占RNARNA总量的总量的8080 原核生物真核生物 核糖体rRNA核糖体rRNA 30s 70s 50s 16s 5s 、23s 40s 80s 50s 18s 5s、5.8s、28s 四、四、mRNA和和hnRNA 占细胞总占细胞总RNA的的35 l真核细胞真核细胞mRNAmRNA的的3 3- -末端有一段长达末端有一段长达200200个核苷酸左右个核苷酸左右 的聚腺苷酸的聚腺苷酸( (polyA)polyA)，称为称为 “尾结构尾结构” ，5 5 - -末端末端 有一个甲基化的鸟苷酸，称为有一个甲基化的鸟苷酸，称为” 帽结构帽结构“ 。 五、五、s

18、nRNA （small nucleic RNA 小核小核RNA） scRNA （small cytoplasmic RNA） asRNA （antisense RNA） 帽子结构和3PolyA都有抗核酸外切酶 降解的作用。另外5帽子结构可能与蛋白质合 成的正确起始作用及协助核糖体与mRNA相结 合有关。 第五节第五节 核酸的性质核酸的性质 一、一般的理化性质一、一般的理化性质 l 两性解离两性解离 / 一般呈酸性（在中性溶液中带负电荷），微一般呈酸性（在中性溶液中带负电荷），微 溶于水，不溶于有机溶剂溶于水，不溶于有机溶剂 l线性大分子（粘度高。抗剪切力差）线性大分子（粘度高。抗剪切力差） l

19、可用电泳或离子交换（色谱）进行分离可用电泳或离子交换（色谱）进行分离 l室温条件下，室温条件下，DNA在碱中变性，但不水解，在碱中变性，但不水解，RNA水解水解 l加热条件下，加热条件下，D核糖浓盐酸苔黑酚核糖浓盐酸苔黑酚 绿色绿色 D2脱氧核糖酸二苯胺脱氧核糖酸二苯胺 蓝紫色蓝紫色 二、核酸的紫外吸收特性二、核酸的紫外吸收特性 l在核酸分子中，由于嘌呤碱在核酸分子中，由于嘌呤碱 和嘧啶碱具有共轭双键体系，和嘧啶碱具有共轭双键体系， 因而具有独特的紫外线吸收因而具有独特的紫外线吸收 光谱，一般在光谱，一般在260nm260nm左右有左右有 最大吸收峰，可以作为核酸最大吸收峰，可以作为核酸 及其

20、组份定性和定量测定的及其组份定性和定量测定的 依据。依据。 l以以A A260 260/A /A280 280进行定性、定量 进行定性、定量 lDNADNA和和RNARNA溶液中加入溴化乙溶液中加入溴化乙 锭（锭（EBEB），在紫外下发出荧），在紫外下发出荧 光光 l核酸的光吸收值常比其各核苷酸核酸的光吸收值常比其各核苷酸 成分的光吸收值之和少成分的光吸收值之和少3030一一4040 。这是在有规律的双螺旋结构。这是在有规律的双螺旋结构 中碱基紧密地堆积在一起造成的。中碱基紧密地堆积在一起造成的。 这种现象叫做这种现象叫做DNADNA的减色效应。的减色效应。 1. 1. 变性变性 l稳定核酸双

21、螺旋次级键断裂，空间结构破坏，变成单链稳定核酸双螺旋次级键断裂，空间结构破坏，变成单链 结构的过程。核酸的一级结构结构的过程。核酸的一级结构( (碱基顺序碱基顺序) )保持不变。保持不变。 l变性表征变性表征 生物活性部分丧失、粘度下降、浮力密度升高、紫外吸生物活性部分丧失、粘度下降、浮力密度升高、紫外吸 收增加（收增加（增色效应：增色效应：260nm260nm紫紫 外吸收值升高）外吸收值升高） l变性因素变性因素 pHpH（11.311.3或或5.05.0） 变性剂（脲、甲酰胺、甲醛）变性剂（脲、甲酰胺、甲醛） 低离子强度低离子强度 加热加热 lDNADNA的变性过程的变性过程是突变性的，它

22、在很窄的温度区间内完成。因是突变性的，它在很窄的温度区间内完成。因 此，通常将紫外吸收的量达最大量一半时的温度称熔解温度，此，通常将紫外吸收的量达最大量一半时的温度称熔解温度， 用用T Tm m表示。表示。 l一般一般DNADNA的的T Tm m值在值在70-8570-85 C C之间。之间。DNADNA的的T Tm m值与分子中的值与分子中的G G和和C C的的 含量有关。含量有关。 lG G和和C C的含量高，的含量高，T Tm m值高。因而测定值高。因而测定TmTm值，可反映值，可反映DNADNA分子中分子中G, G, C C含量，可通过经验公式计算：（含量，可通过经验公式计算：（G+C

23、)%=(Tm-69.3)G+C)%=(Tm-69.3)2.442.44 2. 热变性和热变性和Tm 3. 核酸的复性核酸的复性 l变性核酸的互补链在适当的条件下，重新缔合成为双变性核酸的互补链在适当的条件下，重新缔合成为双 螺旋结构的过程称为螺旋结构的过程称为复性复性。 lDNADNA复性后，一系列性质将得到恢复，但是生物活性一复性后，一系列性质将得到恢复，但是生物活性一 般只能得到部分的恢复，具有般只能得到部分的恢复，具有减色效应减色效应。 l将热变性的将热变性的DNADNA骤然冷却至低温时，骤然冷却至低温时，DNADNA不可能复性。不可能复性。 变性的变性的DNADNA缓慢冷却时可复性，因

24、此又称为缓慢冷却时可复性，因此又称为“退火退火”。 退火温度退火温度T Tm m2525 l复性影响因素复性影响因素 片段浓度片段浓度/ /片段大小片段大小/ /片段复杂性（重复序列数目）片段复杂性（重复序列数目）/ / 溶液离子强度溶液离子强度 4.4.分子杂交分子杂交 lDNADNA单链与在某些区域有互补序列的异源单链与在某些区域有互补序列的异源DNADNA单链单链 或或RNARNA链形成双螺旋结构的过程。这样形成的新链形成双螺旋结构的过程。这样形成的新 分子称为分子称为杂交杂交DNADNA分子分子。 l核酸的杂交在分子生物学和遗传学的研究中具有核酸的杂交在分子生物学和遗传学的研究中具有

25、重要意义。重要意义。 lSouthern Southern 杂交（杂交（Southern boltingSouthern bolting） lNorthern Northern 杂交（杂交（Northern boltingNorthern bolting） lWestern Western 杂交杂交 （Western boltingWestern bolting） l核酸是遗传物质载体的证明和研究历史核酸是遗传物质载体的证明和研究历史 l核酸的化学结构：戊糖、碱基（核酸的化学结构：戊糖、碱基（A A、T T、G G、C C、U U），）， 核苷、核苷酸及其衍生物的结构特点（原子编号）核苷、核苷

26、酸及其衍生物的结构特点（原子编号） lDNADNA的结构：一级结构（核酸序列及其表示、基因的结构：一级结构（核酸序列及其表示、基因 及基因组、序列测定）、二级结构（及基因组、序列测定）、二级结构（ WatsonWatson CrickCrick双螺旋模型、双螺旋模型、Z ZDNADNA）、结构维持的化学键）、结构维持的化学键 lRNARNA结构与功能：碱基组成特点、结构与功能：碱基组成特点、RNARNA的种类结构及的种类结构及 功能功能 l核酸的性质：酸碱性、变性与复性、分子杂交核酸的性质：酸碱性、变性与复性、分子杂交 习 题 1、比较DNA、RNA在化学组成上、分子结构上、生物学功能上的特 点。 2、 DNA双螺旋结构模型的要点有哪些？此模型如何能恰当地解释 DNA的生物学功能？ 3、RNA有哪些主要类型？比较其结构与功能。 4、从两种不同细菌提取得DNA样品，其腺嘌呤核苷酸分别占其碱基 总数的32%和17%，计算这两种不同来源DNA四种核苷酸的相对 百分组成。两种细菌中有一种是从温泉（64）中分离出来的， 该细菌DNA具有何碱基组成？为什么？ 5、解释下列名词： 增色效