生物化学 核酸

生物化学核酸第1页/共90页本章主要内容第一节核酸的种类、分布和化学组成

第二节核酸的分子结构

第三节核酸的理化性质及其应用

第2页/共90页教学目标1．掌握DNA和RNA在组分、结构和功能上的差异。2．了解核酸的结构和它们的性质、功能的关系。3．认识核酸在生物科学上的重要性和实践意义。第3页/共90页

1869年，瑞士外科医生Miescher从伤口绷带的脓细胞核中分离出酸性很强的物质，称为核质（nuclein)。

1944年，Avery通过肺炎双球菌转化实验证实了DNA是遗传的物质基础。

1953年，Watson和Crick提出DNA的双螺旋结构模型，从此，核酸的研究成了生命科学中最活跃的领域之一。

第一节核酸的种类、分布和化学组成第4页/共90页核酸与蛋白质一样，是一切生物机体不可缺少的组成部分。核酸是生命遗传信息的携带者和传递者，它不仅对于生命的延续，生物物种遗传特性的保持，生长发育，细胞分化等起着重要的作用，而且与生物变异，如肿瘤、遗传病、代谢病等也密切相关。因此，核酸是现代生物化学、分子生物学和医学研究的重要基础之一。第5页/共90页一、核酸的生物学功能第6页/共90页染色体是DNA的载体①DNA可通过复制遗传给下一代DNA是主要的生物遗传物质人体23对染色体,分别来自于父母，复制后的染色体第7页/共90页生物染色体的有丝分裂(无性繁殖)、减数分裂(有性繁殖)

高等动植物是一次有性繁殖和无数次无性繁殖的结合.实质上是DNA的复制、遗传及表达。第8页/共90页②DNA的组成差异决定了细胞中所有蛋白质、RNA的结构特征子代利用遗传下来的DNA可以制造与父代相同的RNA、蛋白质，故种瓜得瓜、种豆得豆。③多细胞的DNA控制了细胞分化、个体形成乃至个体的生老病死。任何一个多细胞生物的体细胞都含有完全相同的DNA。提问：为什么人体各组织器官的细胞形状各异、功能不同？答案：不同细胞不同部分DNA发挥了作用（即表达）,其余DNA休眠。第9页/共90页Clone—克隆，人工操作下的细胞无性繁殖过程。当给予合适的条件时，任何一种体细胞都能变化为一个完整的个体——体细胞克隆技术；白绵羊的体细胞核黑

绵羊的去核卵细胞细胞质植入山羊子宫？多莉（1997.7.23）第10页/共90页克隆人提问：为什么要克隆人？答案：主要是采集器官，进行器官移植；由于不同个体器官移植时存在免疫排斥现象；还可以复制死去的亲人。动物克隆的目的保持优良种性的牲畜性能不发生退化；拯救濒危生物；第11页/共90页克隆人的方法1.提供卵细胞、体细胞第12页/共90页2.卵细胞去核并与体细胞融合3.代理母亲受孕第13页/共90页4.克隆婴儿的诞生95个畸形、流产儿

+5个早衰的克隆人第14页/共90页为什么各国政府均反对克隆人呢？1.可预见的大量的畸形儿、流产儿

2.从未有过的伦理危机，动摇社会的根基家庭观、权利义务观一旦流行开来，“父将不父，母将不母，子将不子”但大势所趋，第一个克隆人将在一、两年内诞生——这就是科学的两面性（“福祸相依”）第15页/共90页二、核酸的种类和分布细胞质中细胞核内主要分布RNADNA简称核糖核酸脱氧核糖核酸名称遗传信息的载体主要功能在蛋白质的合成中起重要作用第16页/共90页信使核糖核酸messengerribonucleicacidmRNA含量最少转运核糖核酸transferribonucleicacidtRNA分子最小种类最多，修饰成分最多核糖体核糖核酸ribosomeribonucleicacidrRNA含量最多第17页/共90页第二节核酸的化学组成①元素组成：C、H、O、N、P等②基本单位：核苷酸核苷酸分子含N碱基磷酸五碳糖核苷第18页/共90页核酸的组成核酸核苷酸磷酸核苷戊糖碱基水解核糖脱氧核糖嘌呤嘧啶

腺嘌呤鸟嘌呤胞嘧啶尿嘧啶胸腺嘧啶第19页/共90页核酸代表戊糖，对DNA而言为脱氧核糖，对RNA而言为核糖；

代表碱基

代表磷酸基核苷酸第20页/共90页1.戊糖核糖脱氧核糖第21页/共90页嘌呤腺嘌呤（A）鸟嘌呤（G）7NHN9NNNHO215843262.碱基嘌呤A、G第22页/共90页嘧啶

C、U、T尿嘧啶(U)51NHOON2346胞嘧啶ON1NH23456NH2胸腺嘧啶(T)CH3

第23页/共90页RNADNA尿嘧啶U胸腺嘧啶T胞嘧啶C鸟嘌呤G腺嘌呤A

第24页/共90页稀有碱基主要存在于RNA甲基化、氢化、硫化

——基本碱基的修饰产物第25页/共90页3.核苷=戊糖+碱基嘌呤环上的N-9嘧啶环上的N-1腺嘌呤核苷（腺苷）OHOHOHOCH21’2’3’4’5’NNNN123456789CH2胞嘧啶脱氧核苷戊糖的C-1’。糖苷键第26页/共90页假尿嘧啶核苷（Ψ）OHOHOHOCH21’2’3’4’5’1NHOON23456

糖环与尿嘧啶环不是以N-C键相连，而是以C-C键相连——tRNA分子中特有的核苷稀有核苷第27页/共90页4.核苷酸=核苷+磷酸5ˊ-核苷酸2ˊ

—3ˊ—POOCONNNNNH22’3’4’OOHOHH21’5’HO第28页/共90页核苷酸结构简式pN

2′–核苷酸3′–核苷酸5′–核苷酸Np

第29页/共90页H2OH2O碱基磷酸戊糖核苷键酯键HO第30页/共90页八种核苷酸M/单，D/二，T/三；P-磷酸DNA在单/二/三前加脱氧两字

如AMP称腺苷一磷酸(或腺苷酸）

dAMP称为脱氧腺苷一磷酸（脱氧腺苷酸）第31页/共90页嘌呤——次黄嘌呤、1-甲基次黄嘌呤、

N2、N2-二甲基鸟嘌呤。嘧啶——5-甲基胞嘧啶、5-羟甲基胞嘧啶、二氢尿嘧啶、4-巯尿嘧啶

都是基本碱基的化学修饰型稀有核苷酸第32页/共90页甲基化修饰：“m”（methy-）修饰基团在碱基上：

—写在碱基左边修饰基团在核糖上：

—写在碱基右边右下脚：修饰基团数目右上脚：修饰位置

m3

G2,2,7第33页/共90页ATP5′1′焦磷酸5.核苷酸衍生物第34页/共90页环状核苷酸（cAMP）

3’5’cAMP在细胞内起传递细胞外信号的作用，被称为“第二信使”。第35页/共90页第三节核酸的分子结构DNA分子是由核苷酸单体通过3’,5’-磷酸二酯键聚合而成的多核苷酸长链。包括dAMP、dGMP、dCMP、dTMP。

一级结构是指其脱氧核苷酸的排列顺序。一、DNA的分子结构（一）DNA的一级结构第36页/共90页核酸链的表示方式//////OHHNHCH2HH2345//////OHHNHCH2HH2345//////OHHNHOHH2345OPOOO--OOPOOHCH2OOPOOOOPOO3’,5’-磷酸二酯键5’-Pi3’-OH1、字母式：ACGU2、线条式3、结构式脱氧核糖第37页/共90页（二）DNA的二级结构1953年，J.Watson和F.Crick

在前人研究工作的基础上，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。第38页/共90页1.DNA的二级结构提出的依据Chargaff碱基等比规则

A=T,G=C;A+G=T+C戊糖环与DNA分子纵轴平行，而碱基平面与轴垂直。腺嘌呤胸腺嘧啶鸟嘌呤胞嘧啶X-射线衍射对DNA纤维的研究第39页/共90页3′

5′

3′

5′1、DNA的双链绕同一轴反向平行形成右手双螺旋，并形成大沟和小沟。2.DNA的双螺旋模型2、双螺旋直径2nm，每周10个碱基对，上升3.4nm，两个核苷酸之间的夹角36°2nm3.4nm小沟大沟第40页/共90页4、两条链上的碱基遵循互补配对原则：其中A=T,G≡C，A+G=T+C3、碱基位于螺旋内侧，碱基平面与纵轴垂直，碱基之间的堆积距离为0.34nm。戊糖-磷酸骨架位于双螺旋的外侧，通过3’，5’磷酸二酯键连接，糖环与纵轴平行。平面图第41页/共90页3.DNA的双螺旋结构稳定性稳定的作用力？

碱基堆积力

氢键

离子键不稳定的作用力？静电斥力

碱基分子内能第42页/共90页4.DNA的双螺旋结构的多态性Z型DNA左旋、细长

A型DNA短、左旋B型相对湿度92%时的DNA纤维第43页/共90页DNA的类型类型结晶状态螺距碱基距离每圈旋转

(nm)(nm)bp数方向A相对湿度75%2.80.25611右手

DNA钠盐B相对湿度92%3.40.3410右手

DNA钠盐C相对湿度66%3.10.3329.3右手

DNA锂盐Zd(GCGCGC)4.440.3712左手第44页/共90页5.三链螺旋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的大沟结合：oligo(Py):oligo(Pu)—oligo(Py/Pu)第45页/共90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配对第46页/共90页（三）、DNA的三级结构

DNA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的相互作用单链与二级结构单元间的相互作用

DNA的拓扑特征

超螺旋是DNA三级结构的主要形式。第47页/共90页MOV:PBC\A0267501\supercoilingofDNA第48页/共90页A.真核细胞染色体的DNA念珠状三级结构第49页/共90页DNA的存在形式第50页/共90页B.

原核生物以及真核生物细胞器环状DNA的超螺旋三级结构叶绿体中含有环状DNA线粒体中含有环状DNA细菌等原核生物质粒染色体第51页/共90页固定负超螺旋（右手拓扑结构）反之，则为正超螺旋自然界通常为负超螺旋。DNA形成三级结构及染色体的意义何在？压缩分子空间人体每个体细胞DNA长2m,细胞直径0.1mm,细胞核0.05mm环状DNA右旋第52页/共90页DNA与RNA分子组成的比较磷酸

核糖C，UA，GRNA磷酸脱氧核糖C，TA，GDNA磷酸

戊糖嘧啶嘌呤链数双链单链二、RNA的分子结构

一级结构是指其核糖核苷酸的排列顺序。第53页/共90页一级结构特点：约由73－93个核苷酸组成分子中含有较多的修饰成分（10-20%）3‘-末端都具有－CCA－OH的结构（一）tRNA第54页/共90页tRNA是单链分子，其二级结构由部分双螺旋结构和环状突起构成三叶草叶形①氨基酸臂：由7对bp组成，富含G，末端为CCA，接受活化AA②二氢尿嘧啶环（D环）

由8－12个核苷酸组成③反密码环：识别密码子④额外环：大小是tRNA分类的重要指标⑤假尿嘧啶核苷-胸腺嘧啶核苷环（TΨC环）tRNA的二级结构第55页/共90页tRNA的三叶草型二级结构123叶子反密码子环

反密码子载运氨基酸臂稀有碱基D环TψC环额外环四环四臂第56页/共90页tRNA的三级结构第57页/共90页tRNA的三级结构：倒“L”形第58页/共90页（二）rRNA*rRNA的种类（根据沉降系数）真核生物5SrRNA28SrRNA5.8SrRNA18SrRNA原核生物5SrRNA23SrRNA16SrRNA第59页/共90页第60页/共90页（三）mRNA①5´末端帽子结构：m7GpppNmP②3´末端有多聚腺苷酸尾巴结构(polyA)

③单顺反子（一条mRNA链上有一个编码区）（1）真核细胞mRNA第61页/共90页5′帽子密码子3′polyAm7Gppp-AUGGUG……………UAAAAAA…AA5′端非翻译区编码区3′非翻译区真核生物mRNA的共价结构第62页/共90页帽子结构第63页/共90页帽子结构：识别翻译起始

polyA：维持mRNA的稳定性功能第64页/共90页原核生物mRNA为多顺反子，无修饰碱基。多顺反子mRNA(polycistronicmRNA)：一条mRNA链上有多个编码区（2）原核细胞mRNA第65页/共90页第3节核酸的理化性质及其应用

一、一般性质

二、核酸的紫外吸收性质三、核酸和核苷酸的两性性质

四、核酸的变性

五、分子杂交六、核酸的显色反应

第66页/共90页一、核酸的一般性质1、分子量大，两性电解质，通常表现为酸性；2、DNA为白色纤维状固体；RNA为白色粉末状固体；3、溶解性：均微溶于水；不溶于一般有机溶剂，在70%乙醇中沉淀；4、粘度：DNA粘度大，而RNA粘度小5、DNA对碱稳定，而RNA被稀碱水解。第67页/共90页二、核酸的紫外吸收性质

碱基具有共轭双键，因此具有紫外吸收性质，其吸收高峰接近260nm。

DNA紫外吸收光谱：1．天然DNA;2.变性DNA;3．核苷酸中吸收值吸光度波长（nm）第68页/共90页OD260的应用：1.DNA或RNA的定量OD260=1.0相当于50μg/ml双链DNA40μg/ml单链DNA（或RNA）

20μg/ml寡核苷酸2.判断核酸样品的纯度DNA纯品:OD260/OD280=1.8RNA纯品:OD260/OD280=2.0含杂蛋白及苯酚，降低3.判断DNA是否变性在DNA的变性过程中，光吸收值增大（增色效应）在DNA的复性过程中，光吸收值减小（减色效应）第69页/共90页三、核酸的变性、复性和分子杂交

核酸变性指核酸双螺旋区碱基对间的氢键断裂，空间结构破坏，形成单链无规则线团状态的过程。

核酸变性后，260nm的紫外吸收值明显增加，称增色效应。

加热DNA的稀盐溶液，达到一定温度(80～100℃)后，核酸即发生热变性。热变性是核酸的重要性质。

热变性DNA缓慢冷却的过程，称退火。第70页/共90页降解：核苷酸骨架上3’，5’-磷酸二酯键的断裂DNA变性的本质是双链间氢键的断裂第71页/共90页指增色效应达50%时的温度一般DNATm值在85-90C之间Tm：DNA变性时，OD260达到最大值的50%时的温度称为DNA的解链温度或融解温度(Tm)。大小与G+C含量成正比。第72页/共90页均一性高，变性的温度范围越窄。Tm值大小与下列因素有关：（1）DNA的均一性：

第73页/共90页测定Tm，可推知G-C含量。G-C%=（Tm-69.3）×2.44（2）G－C含量：第74页/共90页不易用稀电解质保存DNA（3）介质中的离子强度：第75页/共90页(二)复性（renaturation）变性DNA在适当的条件下，两条彼此分开的单链重新缔合成双螺旋——复性。第76页/共90页DNA复性第77页/共90页复性的程度、速率与复性条件有关：热变性DNA骤然冷却（淬火）不可能复性将变性DNA缓慢冷却（退火）可以复性热变性的DNA经缓慢冷却后即可复性，这一过程称为退火(annealing)。分子量越大复性越难；浓度越大，复性越容易；第78页/共90页

在退火条件下，不同来源的DNA形成双链，或DNA单链和RNA链形成DNA-RNA杂合双链的过程称分子杂交。(二)分子杂交（Hybridization)第79页/共90页第80页/共90页DNA-DNA杂交双链分子变性复性不同来源的DNA分子第81页/共90页核酸的分子杂交RNADNA热变性复性分子杂交DNA-RNA杂交链第82页/共90页

Southern杂交

Northern杂交

Western杂交第83页/共90页四、核酸和核苷酸的两性性质（自学）

核酸和核苷酸分子中既含有酸性的磷酸基团又含有碱性的碱基，因此是两性电解质，在一定pH条件下可解离带电荷而进行电泳。第84页/共90页五、核酸的显色反应（自学）3.二苯胺反应用于测DNA的含量，产物呈蓝色。1.