第二章核酸化学

1、第三章第三章 核酸化学核酸化学核酸的概念和重要性核酸的概念和重要性核酸的组成成分核酸的组成成分dna的结构的结构dna和基因组和基因组rna的结构和功能的结构和功能核酸的性质核酸的性质核酸的序列测定核酸的序列测定第一节第一节 核酸的概念和重要性核酸的概念和重要性（一）核酸的概念（一）核酸的概念1、发现、发现 1869年，miescher（米歇尔）从细胞核中分离出“核素” 。miescher是瑞士的青年科学家（外科医生），从外科绷带上的脓细胞的细胞核中分离出一种有机物质，含磷酸之高超过了当时发现的有机化合物，并且具有很强的酸性。根据这种物质的来源是细胞核，当时称为“核素” （nuclein）。

2、1889年，altman（ 米歇尔的学生）制备了这种物质，并证明这种有机物质是含磷的酸，所以成为核酸核酸（nucleic acid）。2、概念、概念 定义为从生物体内分离出来的一类含磷的酸性物质。（二）类型和分布（二）类型和分布 1、类型、类型 193040年，kossel & levene等确定核酸的的组分： 2、分布、分布 所有生物细胞内都含有这两类物质。病毒有所有生物细胞内都含有这两类物质。病毒有dna病毒和 rna病毒。 dna主要分布在真核细胞核内，细胞质有少量细胞器中有，原核细胞在细胞的中心； rna主要在细胞质内，细胞核内有少量。核酸脱氧核糖核酸（deoxyribonuc

3、leic acid，dna）核糖核酸（ribonucleic acid，rna）（三）重要性（三）重要性 1、核酸是生物体最基本的成分之一，是生命活动的重要物质基础。 2、是作为遗传的物质基础，具有储存和 传递遗传信息的功能。 （一）元素组成（一）元素组成 根据化学元素分析可知：核酸主要含有c、h、o、n、p五种大量元素，其中磷的含量比较恒定，平均为9-10%。 因此，可以通过测定生物样品中的磷的含量，来粗略地估计核酸的含量。第二节第二节 核酸的组成成分核酸的组成成分（二）核酸的化合物组成（二）核酸的化合物组成核酸 nucleic acid核苷酸 nucleotide核苷 nucleoside

4、磷酸 phosphate嘌呤碱 purine base 或 嘧啶碱 pyrimidine base（碱基 base）核糖 ribose 或 脱氧核糖脱氧核糖 deoxyribose （戊糖 amyl sugar）（一）核糖和脱氧核糖（一）核糖和脱氧核糖ohoh2cohohoh12ohoh2cohoh12-d-2-核糖-d-2-脱氧核糖o核糖 + h +糠醛甲基间苯二酚fecl3绿色产物绿色产物脱氧核糖 + h+ -羟基-酮戊醛二苯胺蓝色产物蓝色产物rna和和dna定性、定量测定定性、定量测定（二）嘌呤碱和嘧啶碱（二）嘌呤碱和嘧啶碱nnnnhhhhnnnnhhhh123 456789嘌呤nh2腺

5、嘌呤 adenine（a）nnnnhhhhoh2n鸟嘌呤 guanine（g）nnhhhh嘧啶123456nnhhhhnh2oh胞嘧啶 cytosine（c）nnhhhhoohh尿嘧啶 uracil（u）nnhhhhoohhch3胸腺嘧啶 thymine（t）nnoohhh酮式hnnoohhh酮式hhh烯醇式（三）核苷（三）核苷ohoh2cohohoh12345核 糖nnnnhhhh9腺嘌呤胸 苷ohoh2cohohoh12345核 糖ohoh2cohoh12345核 糖nnoohhh尿嘧啶h1尿苷ncoonhhh51oh假尿苷（）（四）核苷酸（四）核苷酸ohoh2cohohoh12345核

6、糖nnnnhhhh9腺嘌呤胸 苷po-oo胸苷-5-磷酸ampop o-ooadpatpp o-oo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在体内能量代谢中的作用：atp能量“货币”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第二信使第二信使campoho-o och2 to=po-35ohoho-o och2 go=po-35oho och2ohoh ao=poo-35351pppohatgpgptpaohpg-t-apgta第1、2节小结 核酸类型 核酸元素组成、核苷酸组成 核酸基本单位-核苷酸 1.1.构

7、成核酸的基本单位是什么？构成核酸的基本单位是什么？核苷酸核苷酸 2.2.核酸分哪两类？它们在化学组成上有哪些不同点？核酸分哪两类？它们在化学组成上有哪些不同点？dnadna；rnarna 不同点列表对比如下：不同点列表对比如下：商丘师范学院生命科学系/李淑萍教授核糖组分核糖组分脱氧脱氧核糖核糖核糖核糖碱基组分碱基组分a、g、c、ta、g、c、u核苷酸组成核苷酸组成damp dcmp dgmp dtmpamp cmpgmp ump商丘师范学院生命科学系/李淑萍教授 指指dnadna分子中各脱氧核苷酸残基的排列顺分子中各脱氧核苷酸残基的排列顺序（或序（或序列序列）叫）叫dnadna的一级结构。的一

8、级结构。商丘师范学院生命科学系/李淑萍教授一、一、dnadna一级结构一级结构1.1.概念概念(1)(1)简略式简略式(2)(2)字母式字母式 5-5-p pg-g-p pc-c-p pt-t-p pa-3a-3(3)(3)线条式线条式 5 35 3 g c t a g c t a商丘师范学院生命科学系/李淑萍教授一、一、dnadna一级结构一级结构1.1.概念概念2.2.表示方法表示方法(1)(1)测定方法测定方法 与测定肽链的氨基酸顺序相似与测定肽链的氨基酸顺序相似(2)(2)测定重要性测定重要性 dnadna是重要的遗传物质，是重要的遗传物质，dnadna所携带的遗传所携带的遗传信息都储

9、存在核酸自身的一级结构之中。信息都储存在核酸自身的一级结构之中。(3)(3)测定概况测定概况 19771977年年sangersanger首次测定噬菌体首次测定噬菌体x174x174单链单链dnadna全部核苷酸顺序，共全部核苷酸顺序，共53865386个核苷酸。个核苷酸。 19901990年年1010月美国政府启动测定人类染色体月美国政府启动测定人类染色体dnadna的全部核苷酸序列的全部核苷酸序列“人类基因组人类基因组计划计划”。商丘师范学院生命科学系/李淑萍教授一、一、dnadna一级结构一级结构1.1.概念概念2.2.表示方法表示方法3.3.测定测定美国白宫美国白宫 20002000年

10、年6 6月月2626日日1010点点1010分分宣布人宣布人: :美国总统克林顿美国总统克林顿放映时间放映时间:24:24商丘师范学院生命科学系/李淑萍教授一、一、dnadna一级结构一级结构1.1.概念概念2.2.表示方法表示方法3.3.测定测定人类基因组计划大事记人类基因组计划大事记1990.101990.10美国政府启动美国政府启动1998.101998.10美国科学杂志美国科学杂志 1999.3 1999.3 韦尔科姆基金会韦尔科姆基金会1999.9 1999.9 中国加入中国加入1999.12.11999.12.1首次测定首次测定2000.6.262000.6.26公布人类基因组工作

11、草图公布人类基因组工作草图参与国家参与国家: :美国、英国、日本、中国、德国、美国、英国、日本、中国、德国、法国。法国。放映时间放映时间:155:155商丘师范学院生命科学系/李淑萍教授一、一、dnadna一级结构一级结构1.1.概念概念2.2.表示方法表示方法3.3.测定测定我国核酸序列公共数据库于我国核酸序列公共数据库于20002000年年7 7月月3 3日上午日上午9 9时正时正式上网开始接受注册登记式上网开始接受注册登记 中科院上海生命科学研究院副院长赵国屏研究员主中科院上海生命科学研究院副院长赵国屏研究员主持生物信息中心网络开通仪式和学术报告持生物信息中心网络开通仪式和学术报告商丘师

12、范学院生命科学系/李淑萍教授一、一、dnadna一级结构一级结构1.1.概念概念2.2.表示方法表示方法3.3.测定测定 watson( (沃森沃森) )和和crik( (克里克克里克) )两人联名两人联名在在19531953年年4 4月月2525日的英国日的英国naturenature杂志杂志上发上发表了表了核酸的分子结构核酸的分子结构一文一文, ,提出了提出了dnadna双螺旋结构模型。双螺旋结构模型。商丘师范学院生命科学系/李淑萍教授一、一、dnadna一级结构一级结构1.1.概念概念2.2.表示方法表示方法3.3.测定测定二、二、dnadna二级结构二级结构1.1.模型提出模型提出 (

13、1)1950(1)1950年年, ,chargaff的的生化分析生化分析结果。结果。a=t；g=c商丘师范学院生命科学系/李淑萍教授一、一、dnadna一级结构一级结构1.1.概念概念2.2.表示方法表示方法3.3.测定测定二、二、dnadna二级结构二级结构1.1.模型提出模型提出2.2.理论依据理论依据 (1)1950(1)1950年年, ,chargaff的的生化分析生化分析结果。结果。a=t；g=c (2)1952(2)1952年年, ,franklin,wilkins拍摄拍摄dnadna纤维纤维的的x x射线衍射图谱。射线衍射图谱。商丘师范学院生命科学系/李淑萍教授一、一、dnadn

14、a一级结构一级结构1.1.概念概念2.2.表示方法表示方法3.3.测定测定二、二、dnadna二级结构二级结构1.1.模型提出模型提出2.2.理论依据理论依据 (1)1950(1)1950年年, ,chargaff的的生化分析生化分析结果。结果。a=t；g=c (2)1952(2)1952年年, ,franklin,wilkins拍摄拍摄dnadna纤维纤维的的x x射线衍射图谱。射线衍射图谱。 (3)(3)根据根据griffith对四种碱基的物理化学数对四种碱基的物理化学数据的计算结果。据的计算结果。 19621962年诺贝尔奖年诺贝尔奖商丘师范学院生命科学系/李淑萍教授一、一、dnadna

15、一级结构一级结构1.1.概念概念2.2.表示方法表示方法3.3.测定测定二、二、dnadna二级结构二级结构1.1.模型提出模型提出2.2.理论依据理论依据 (1)(1)由两条方向相反的多核苷酸链互相平行由两条方向相反的多核苷酸链互相平行地绕同一轴向右螺旋成的双螺旋结构。地绕同一轴向右螺旋成的双螺旋结构。商丘师范学院生命科学系/李淑萍教授一、一、dnadna一级结构一级结构1.1.概念概念2.2.表示方法表示方法3.3.测定测定二、二、dnadna二级结构二级结构1.1.模型提出模型提出2.2.理论依据理论依据3.3.结构特征结构特征 (2)(2)两条链之间靠氢键相连。碱基之间的两条链之间靠氢

16、键相连。碱基之间的配对规律是：配对规律是：a a与与t t配对，配对，2 2个氢键；个氢键； g g与与c c配对，配对，3 3个氢键。个氢键。 商丘师范学院生命科学系/李淑萍教授一、一、dnadna一级结构一级结构1.1.概念概念2.2.表示方法表示方法3.3.测定测定二、二、dnadna二级结构二级结构1.1.模型提出模型提出2.2.理论依据理论依据3.3.结构特征结构特征 (3)(3)具有大沟和小沟。具有大沟和小沟。商丘师范学院生命科学系/李淑萍教授一、一、dnadna一级结构一级结构1.1.概念概念2.2.表示方法表示方法3.3.测定测定二、二、dnadna二级结构二级结构1.1.模型

17、提出模型提出2.2.理论依据理论依据3.3.结构特征结构特征 (4)(4)两条链是互补的。两条链是互补的。 这是双螺旋结构最主要的特征。这是双螺旋结构最主要的特征。商丘师范学院生命科学系/李淑萍教授 53 g c t a t a g c c g a a t 3 5 c g a t a t c g g c t t a一、一、dnadna一级结构一级结构1.1.概念概念2.2.表示方法表示方法3.3.测定测定二、二、dnadna二级结构二级结构1.1.模型提出模型提出2.2.理论依据理论依据3.3.结构特征结构特征 (1)(1)由两条方向相反的多核苷酸链互相平由两条方向相反的多核苷酸链互相平行地绕

18、同一轴向右螺旋成的双螺旋结构。行地绕同一轴向右螺旋成的双螺旋结构。 (2)(2)两条链之间靠氢键相连。碱基之间的两条链之间靠氢键相连。碱基之间的配对规律是：配对规律是：a a与与t t配对，配对，2 2个氢键；个氢键；g g与与c c配对，配对，3 3个氢键。个氢键。 (3)(3)具有大沟和小沟。具有大沟和小沟。 (4)(4)两条链是互补的。这是双螺旋结构最两条链是互补的。这是双螺旋结构最主要的特征。主要的特征。 模型重要意义，揭示了模型重要意义，揭示了dnadna的结构奥秘；的结构奥秘；商丘师范学院生命科学系/李淑萍教授一、一、dnadna一级结构一级结构1.1.概念概念2.2.表示方法表示

19、方法3.3.测定测定二、二、dnadna二级结构二级结构1.1.模型提出模型提出2.2.理论依据理论依据3.3.结构特征结构特征商丘师范学院生命科学系/李淑萍教授一、一、dnadna一级结构一级结构1.1.概念概念2.2.表示方法表示方法3.3.测定测定二、二、dnadna二级结构二级结构1.1.模型提出模型提出2.2.理论依据理论依据3.3.结构特征结构特征4.4.类型类型商丘师范学院生命科学系/李淑萍教授 类型类型旋转旋转方向方向螺旋螺旋直径直径(nm) 螺距螺距(nm)每转碱每转碱基对数基对数目目na盐盐湿度湿度 %碱基对碱基对与水平与水平面倾度面倾度a-dna向右向右2.32.8117

20、520b-dna向右向右2.03.410920c-dna向右向右1.93.19.33666d-dna向右向右2.4386016z-dna向左向左1.84.5127一、一、dnadna一级结构一级结构1.1.概念概念2.2.表示方法表示方法3.3.测定测定二、二、dnadna二级结构二级结构1.1.模型提出模型提出2.2.理论依据理论依据3.3.结构特征结构特征4.4.类型类型 病毒、细菌病毒、细菌dnadna及真核细胞器的及真核细胞器的dnadna商丘师范学院生命科学系/李淑萍教授一、一、dnadna一级结构一级结构1.1.概念概念2.2.表示方法表示方法3.3.测定测定二、二、dnadna二

21、级结构二级结构1.1.模型提出模型提出2.2.理论依据理论依据3.3.结构特征结构特征4.4.类型类型三、三、dnadna三级结构三级结构1.1.超螺旋结构超螺旋结构 核粒结构核粒结构 双链双链dna+dna+组蛋白组蛋白核粒核粒 由核粒构成念珠状结构，进一步盘绕压缩成由核粒构成念珠状结构，进一步盘绕压缩成更高层次的结构。更高层次的结构。 双链双链dnadna核粒核粒螺线管螺线管超螺线管超螺线管染色体染色体商丘师范学院生命科学系/李淑萍教授一、一、dnadna一级结构一级结构1.1.概念概念2.2.表示方法表示方法3.3.测定测定二、二、dnadna二级结构二级结构1.1.模型提出模型提出2.

22、2.理论依据理论依据3.3.结构特征结构特征4.4.类型类型三、三、dnadna三级结构三级结构1.1.超螺旋结构超螺旋结构三维动画演示三维动画演示染色体染色体超螺线管超螺线管螺线管螺线管核粒核粒双链双链dnadna商丘师范学院生命科学系/李淑萍教授一、一、dnadna一级结构一级结构1.1.概念概念2.2.表示方法表示方法3.3.测定测定二、二、dnadna二级结构二级结构1.1.模型提出模型提出2.2.理论依据理论依据3.3.结构特征结构特征4.4.类型类型三、三、dnadna三级结构三级结构1.1.超螺旋结构超螺旋结构2.2.核粒结构核粒结构第四节第四节 dna与基因组织与基因组织dna

23、transcription rna（mrna、trna、rrna）translationprotein基因基因基因基因-是dna片段的核苷酸序列，dna分子中最小的功能单位。结构基因基因组基因组-某生物体所含的全部基因总和；或生物体内遗传信息的集合；或某特定物种细胞内全部dna分子的总和。基因组基因组（一）（一）dna与基因与基因调节基因（二）原核生物基因组的特点（二）原核生物基因组的特点1. 结构简练结构简练。基因组小，dna大部分为结构基因结构基因，每个基因出现频率低。2. 存在转录单元存在转录单元。功能相关基因串联串联在一起，并转录在同一mrna中（多顺多顺反子反子）。3.基因重叠。基因

24、重叠。一个基因完全在另一个基因里或部分重叠。abcdefg（三）真核生物基因组的特点（三）真核生物基因组的特点1.结构复杂结构复杂。基因组大，一条成熟的mrna链只能翻译出一条多肽链2. 有重复序列重复序列；单拷贝单拷贝序列:在整个dna中只出现一次或少数几次，主要为编码蛋白质的结构基因。中度中度重复序列:在dna中可重复几十次到几千次。高度高度重复序列:可重复几百万次特征特征:高度重复序列一般富含a-t或g-c，富含a-t的在密度梯度离心时在离心管中形成的区带比主体dna更靠近管口；富含g-c的更靠近管底，称为卫星卫星dna（satellite dna）富含a-t富含g-c主体dna3. 有

25、断裂基因断裂基因mrna1 872bp内含子（内含子（intron)：基因中不为多肽编码，不在：基因中不为多肽编码，不在mrna中出现。中出现。abcdeg7 700bpf外显子（外显子（exons）：为多肽编码的基因片段。）：为多肽编码的基因片段。：多数基因由于基因中内含子的存在，使基因不连续。例外例外：组蛋白基因组蛋白基因(histongene)和干扰素基因干扰素基因(interferon gene)没有内含子。transcription 4.基因重排基因重排。在生长发育细胞内需要进行dna片段的重排。 例如：免疫球蛋白基因。 5.许多功能相关的基因成套组合构成基因家族基因家族。 类型：简

26、单基因家族-rrna基因 复杂基因家族-组蛋白基因家族 发育调控的复杂多基因家族-珠蛋白基因家族 第五节第五节 rna的结构与功能的结构与功能rna分子是含短的不完全的螺旋区的多核苷酸链。（一）（一）trnatrna约占rna总量的15%，主要作用是转运氨基酸用于合成蛋白质。trna分子量为4s，1965年holley 测定alatrna一级结构，提出三叶草二级结构模型。主要特征主要特征：1.四臂四环；2.氨基酸臂3端有ccaoh的共有结构；3.d环上有二氢尿嘧啶（d）；4.反密码环上的反密码子与mrna相互作用；5.可变环上的核苷酸数目可以变动；6.tc环含有t和；7.含有修饰碱基和不变核苷

27、酸。trna二级结构主要特征二级结构主要特征：1.四臂四环；四臂四环；2.氨基酸臂氨基酸臂3端有端有ccaoh的共有结构；的共有结构；3.d环上有二氢尿嘧啶环上有二氢尿嘧啶（d）；）；4.反密码环上的反密码子反密码环上的反密码子与与mrna相互作用；相互作用；5.可变环上的核苷酸数目可变环上的核苷酸数目可以变动；可以变动；6.tc环含有环含有t和和；7.含有修饰碱基和不变核含有修饰碱基和不变核苷酸。苷酸。trna三级结构：三级结构：倒l型（二）（二）rrna占细胞rna总量的80%，与蛋白质（40%）共同组成核糖体。原原 核核 生生 物物 真真 核核 生生 物物核糖体rrna核糖体rrna70

28、s（30s、50s）16s、5s、23s80s（40s、60s）18s、5s、5.8s、28s rrna二级结构二级结构：雪花状（三）（三）mrna与与hnrna（不均一（不均一rna）mrna约占细胞rna总量的35%，是蛋白质合成的模板。真核生物mrna的前体在核内合成，包括整个基因的内含子和外显子的转录产物，形成分子大小极不均匀的hnrna。（四）（四）snrna（核内小（核内小rna）和和asrna（反义（反义rna）snrna主要存于细胞核中，占细胞rna总量的0.11%，与蛋白质以rnp（核糖核酸蛋白）的形式存在，在hnrna和rrna的加工、细胞分裂和分化、协助细胞内物质运输、构

29、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。 （五）（五）rna的其它功能的其它功能1981年，cech发现rna的催化活性，提出核酶核酶（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，与某写物质的运输与定位有关。第第3、4、5节小结节小结 1.dna的结构-一级、二级 2.rna的结构 3.基因与基因组关系第六节第六节 核酸的性质核酸的性质（一）一般理化性质（一）一般理化性质1.酸碱性：酸碱性：为两性电

30、解质，通常表现为酸性。为两性电解质，通常表现为酸性。2.状态：状态：dna为白色纤维状固体，为白色纤维状固体，rna为白色粉末，不溶于有机溶剂。为白色粉末，不溶于有机溶剂。3.粘度：粘度：dna溶液的粘度极高，而溶液的粘度极高，而rna溶液要小得多。溶液要小得多。4.化学性质：化学性质：rna能在室温条件下被稀碱水解而能在室温条件下被稀碱水解而dna对碱稳定。对碱稳定。5.性质鉴定：性质鉴定：利用核糖和脱氧核糖不同的显色反应鉴定利用核糖和脱氧核糖不同的显色反应鉴定dna与与rna。（二）核酸的紫外吸收性质（二）核酸的紫外吸收性质核酸核酸的碱基具有共扼双键，因而有紫外吸收性质，吸收峰在260nm

31、（蛋白质蛋白质的紫外吸收峰在280nm）。核酸的光吸收值比各核苷酸光吸收值的和少3040%，当核酸变性或降解时光吸收值显著增加（增色效应增色效应），但核酸复性后，光吸收值又回复到原有水平（减色效应减色效应）。00.10.20.30.4220240260280300波长 / nm光吸收（三）核酸结构的稳定性（三）核酸结构的稳定性1.碱基对间的氢键；2.碱基堆积力；3.环境中的正离子。（四）核酸的的变性（四）核酸的的变性变性变性：指双螺旋区氢键断裂，空间结构破坏，形成单链无规线团状，只涉及次级键的破坏。变性因素：物理因素（射线、高温、震荡），化学因素（尿素、变性剂）。dna热变性：热变性：是个突变过程，类似结晶的熔解。将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熔解温度(