新版生物化学核酸生物化学

本章主要内容

核苷酸

DNA

RNA

核酸性质

新版生物化学核酸生物化学第1页认识核酸在生命科学上主要性搞清碱基、核苷、核苷酸和核酸分子结构上关系掌握核酸化学本质及DNA和RNA在组分、结构和功效上差异认识核酸结构与其性质与功效之间关系。学习要求新版生物化学核酸生物化学第2页1869年F.Miescher首先从伤员绷带脓细胞中分离得到称为“核素”核酸1944年O.N.Avery经过转化试验证实DNA是主要遗传物质1953年J.D.Watson和F.H.C.Crick提出DNA双螺旋结构模型1958年Crick提出遗传信息传递中心法则1970年,建立DNA重组技术1980年后,分子生物学、分子遗传学等学科突飞猛进发展，提出并完成HGP.核酸化学发展过程新版生物化学核酸生物化学第3页

一、概述

概念

核酸(nucleicacid)是由碱基（嘌呤和嘧啶）、戊糖和磷酸组成高分子物质，是生物体基本组成。种类：

DNA（脱氧核糖核酸）RNA（核糖核酸）新版生物化学核酸生物化学第4页

“四核苷酸假说”：核酸由四种核苷酸组成单体组成，缺乏结构方面多样性,不大可能有主要生理功效。1944年，Avery等人肺炎双球菌转化试验证实核酸是生命遗传基础物质。

1952年，Hershey和ChaseT2噬菌体侵染试验彻底证实遗传物质是核酸，而不是蛋白质。新版生物化学核酸生物化学第5页1928年，英国S型肺炎球菌：有荚膜，菌落表面光滑R型肺炎球菌：没有荚膜，菌落表面粗糙

著名肺炎球菌试验

结果说明？新版生物化学核酸生物化学第6页结果说明：加热杀死S型肺炎球菌中一定有某种特殊生物分子或遗传物质，能够使无害R型肺炎球菌转化为有害S型肺炎球菌这种生物分子或遗传物质是什么呢？

著名肺炎球菌试验

纽约洛克非勒研究所Avery从加热杀死S型肺炎球菌将蛋白质、核酸、多糖、脂类分离出来，分别加入到无害R型肺炎球菌中，结果发觉，惟独只有核酸能够使无害R型肺炎球菌转化为有害S型肺炎球菌。1944年结论：DNA是生命遗传物质新版生物化学核酸生物化学第7页侵染DNA注射进细胞蛋白质外壳DNA噬菌体大肠杆菌噬菌体侵染试验新版生物化学核酸生物化学第8页新版生物化学核酸生物化学第9页分布：

DNA：主要在细胞核中，是染色体主要成份。另外在线粒体、叶绿体.

RNA：主要在细胞质中，另外在线粒体、细胞核——核仁；新版生物化学核酸生物化学第10页二、核酸组成成份

核酸是一个线形多聚核苷酸(polynucleotide),其基本结构单位是核苷酸(nucleotide)。戊糖

碱基磷酸

核苷核苷酸核酸

新版生物化学核酸生物化学第11页核苷酸基

本结构新版生物化学核酸生物化学第12页（一）核酸中戊糖D-核糖（D-ribose）D-脱氧核糖（D-deoxyribose）核酸据此分类：脱氧核糖——DNA；核糖——RNA；核酸中戊糖均为β-D-型核苷酸新版生物化学核酸生物化学第13页从两类核酸水解产物可看到它们组成差异?新版生物化学核酸生物化学第14页（二）碱基尿嘧啶胸腺嘧啶胞嘧啶核酸中碱基分两类：1、嘧啶碱(pyrimidine)：是嘧啶衍生物。新版生物化学核酸生物化学第15页NNHHHH嘧啶123456NNHHHHNH2OH胞嘧啶Cytosine（C）NNHHHHOOHH尿嘧啶uracil（U）NNHHHHOOHHCH3胸腺嘧啶thymine（T）新版生物化学核酸生物化学第16页2、嘌呤碱(purine)：由嘌呤衍生而来。新版生物化学核酸生物化学第17页NNNNHHHHNNNNHHHH123456789嘌呤NH2腺嘌呤adenine（A）NNNNHHHHOH2N鸟嘌呤guanine（G）新版生物化学核酸生物化学第18页3、稀有碱基：

一些修饰碱基，因含量甚少而称之。大多为甲基化碱基，多在tRNA中。

新版生物化学核酸生物化学第19页（三）核苷：

(nucleoside)

核苷：戊糖与碱基缩合而成，并以糖苷键相连接。糖苷键：

二者连接是C-N键，称N-糖苷键。新版生物化学核酸生物化学第20页OHOH2COHOHOH1′2′3′4′5′核糖NNNNHHHH9腺嘌呤腺苷新版生物化学核酸生物化学第21页OHOH2COHOHOH1′2′3′4′5′核糖OHOH2COHOH1′2′3′4′5′核糖NNOOHHH尿嘧啶H1尿苷NCOONHHH51OH假尿苷（ψ）新版生物化学核酸生物化学第22页核苷表示：核苷：A、G、C、U脱氧核苷：dA,dG,dC,dT修饰核苷：如5-甲基脱氧胞嘧啶：m5dC。新版生物化学核酸生物化学第23页脱氧核糖核酸和核糖核酸异同对比RNADNA组成戊糖核糖脱氧核糖碱基A,G,CA,G,CUT磷酸Pi(磷酸二酯键)Pi(磷酸二酯键)结构单链，部分碱基互补，局部双螺旋，三叶草形等双链，碱基互补，双螺旋形分布细胞核(核仁)，细胞质(线粒体、核蛋白体、胞液)细胞核(染色质)细胞质(线粒体)生物功效遗传信息表示，反转录，直接参加蛋白质生物合成遗传物质基础，负责遗传信息贮存，公布，转录新版生物化学核酸生物化学第24页（四）核苷酸(nucleotide，nt)1、种类：1）按酯化位点：可在核糖2’-,3’-,5’-；2）按核糖类型：

核苷酸、脱氧核苷酸核苷中戊糖羟基被磷酸酯化，即为核苷酸。新版生物化学核酸生物化学第25页2、结构：新版生物化学核酸生物化学第26页3、表示：与一个磷酸结合——MP：(d)AMP、(d)GMP、(d)CMP、(d)TMP、UMP与二个磷酸结合——DP：如：ADP与三个磷酸结合——TP：如：ATP

核苷酸新版生物化学核酸生物化学第27页4、特殊核苷酸：环核苷酸：核糖3’-,5’-成环。

cAMP、cGMP功效：第二信使，激素、一些药品、神经递质经过其发挥生理作用。核苷酸新版生物化学核酸生物化学第28页核苷酸衍生物

环化磷酸化cAMPcGMP新版生物化学核酸生物化学第29页核苷酸衍生物

5’-IMP

5’-肌苷酸(5’-次黄嘌呤核苷酸)5’-GMP新版生物化学核酸生物化学第30页（五）核苷酸连接方式1、3’-,5’磷酸二酯键将核苷酸连接成核酸大分子。一、核苷酸新版生物化学核酸生物化学第31页2、核酸一级结构：

多核苷酸链中各核苷酸残基排列次序。新版生物化学核酸生物化学第32页OHO-OO—CH2TO=P—O-3′5′OHOHO-OO—CH2GO=P—O-3′5′OHOO—CH2OHOHAO=P—OO-3′5′3′5′1′PPPOHATGpGpTpAOHpG-T-ApGTA1）一级结构表示方法如上：新版生物化学核酸生物化学第33页2）读向：

碱基序列从左到右表示5’——3’，由3’-,5’磷酸二酯键连接。若两链反向平行，则需注明每条链走向。如：

5’A-T-G-C-C-T-G-A3’

3’T-A-C-G-G-A-C-T5’核苷酸新版生物化学核酸生物化学第34页三、DNA（一）DNA一级结构：

由数量庞大4种脱氧核苷酸经过3’-,5’磷酸二酯键连接成直线形或环形多聚体。新版生物化学核酸生物化学第35页（二）DNA双螺旋二级结构1、双螺旋结构模型建立依据：1）chargaff对DNA碱基组成定量分析,提出碱基配对标准：A=T，G≡C2）依据对DNA纤维和晶体x-衍射分析。3）电位滴定证实。A=T，G≡C

DNA新版生物化学核酸生物化学第36页双螺旋中碱基对（basepair,bp)新版生物化学核酸生物化学第37页2.双螺旋结构特点:(Watson-Crick模型）1）形成：两条链反向平行；DNA一条链为另一条链互补链右手螺旋。DNA新版生物化学核酸生物化学第38页2）结构：

A、核糖-磷酸以3’-,5’磷酸二酯键连接成骨架；碱基在内；A=T，G≡C

B、大沟、小沟。DNA新版生物化学核酸生物化学第39页3）尺寸：DNAA、直径：2nm；B、碱基距离：0.34nm；C、一周10个核苷酸；D、螺距：3.4nm。新版生物化学核酸生物化学第40页4）双螺旋稳定性：A、依靠碱基堆积力B、氢键C、离子键新版生物化学核酸生物化学第41页3、二级结构构象类型：DNAB-DNAA-DNAZ-DNA新版生物化学核酸生物化学第42页B-DNA与A-DNA新版生物化学核酸生物化学第43页几个DNA钠盐特点：B-DNA：生理状态下多为此种；92%相对湿度A-DNA：右手螺旋；75%相对湿度；生理状态

下多见dsRNA、DNA-RNAZ-DNA：人工合成、左手螺旋；嘧啶、嘌呤交

替；有m5dC；与基因表示调控相关；另外，还发觉有C、D、E等型。新版生物化学核酸生物化学第44页(三）DNA三级结构DNA双螺旋深入扭曲即成三级结构。

天然DNA有双链DNA（dsDNA），

有病毒为单链DNA（ssDNA）

在dsDNA中：

线形分子（大多数）

环状分子（dcDNA）：质粒、

DNA新版生物化学核酸生物化学第45页1、超螺旋结构特点：可将长链压缩在一较小体内；密度大；凝胶电泳中移动速度快。DNA新版生物化学核酸生物化学第46页新版生物化学核酸生物化学第47页回文结构中单链可形成发夹结构特殊DNA结构上页

下页

章首

节首新版生物化学核酸生物化学第48页双链回文结构可形成十字架结构特殊DNA结构上页

下页

章首

节首新版生物化学核酸生物化学第49页DNA其它结构

DNA三股螺旋概念是在1957年提出来，当初有些人发觉，人工合成一条右手螺旋多聚物(A)n与另两条右手螺旋多聚物(T)n形成三股螺旋结构，这是分子间三股螺旋。今后有些人研究证实，聚dA链首先与一条聚dT链互补形成双螺旋，然后，在高盐条件下，另一条dT链再同双螺旋形成三股螺旋结构。双螺旋结构经过Watson-Crick氢键稳定而三股螺旋是经过Hoogsteen氢键稳定。

DNA三股螺旋结构新版生物化学核酸生物化学第50页新版生物化学核酸生物化学第51页2、核小体中

扭曲方式在真核细胞染色质中，DNA双螺旋分子盘绕在组蛋白上形成核小体。许多核小体由DNA连成念珠状结构，再盘绕压缩成高层次结构———染色体。DNA新版生物化学核酸生物化学第52页真核生物：DNA和蛋白质组装成染色体，染色体基本单位是核小体。

核小体深入旋转折叠形成棒状染色体，快要1m长DNA分子容纳于直径只有数微米细胞核中。新版生物化学核酸生物化学第53页新版生物化学核酸生物化学第54页1、DNA是遗传信息载体半保留复制确保了亲代性状传到子代，确保了亲代与子代相同性。DNA（四）DNA功效新版生物化学核酸生物化学第55页2、DNA是变异物质基础变异是生物进化基础。变异发生：1）DNA复制时犯错；2）理化原因等引发碱基改变或缺失，使DNA碱基序列改变，从而发生性状变异。DNA新版生物化学核酸生物化学第56页四、RNA（一）RNA结构组成：4种核苷酸，有稀有碱基；连接：同DNA形成：普通以DNA为模板合成，有例外。结构：单链线形分子，局部区域有双螺旋。新版生物化学核酸生物化学第57页（二）RNA类型三种：

信使RNA（messengerRNA,mRNA)

核糖体RNA(ribosomelRNA,rRNA)

转运RNA(transferRNA,tRNA)RNA新版生物化学核酸生物化学第58页三种RNA功效mRNA是遗传信息携带者。在细胞核中转录DNA上遗传信息，再进入细胞质，蛋白质合成模板。tRNA起识别密码子和携带对应氨基酸作用。rRNA和蛋白质共同组成复合体就是核糖体，核糖体是蛋白质合成场所。新版生物化学核酸生物化学第59页新版生物化学核酸生物化学第60页1、tRNA约占全部RNA15%；由70-90个核苷酸组成许各种类；沉降系数4S。RNA新版生物化学核酸生物化学第61页1）tRNA结构：一级结构多已清楚，含较多稀有碱基；二级结构为三叶草有：aa臂、二氢嘧啶环、

反密码环、可变环、TΨ环RNA新版生物化学核酸生物化学第62页主要特征：1.四臂四环；2.氨基酸臂3′端有CCAOH共有结构；3.D环上有二氢尿嘧啶（D）；4.反密码环上反密码子与mRNA相互作用；5.可变环上核苷酸数目能够变动；6.TψC环含有T和ψ；7.含有修饰碱基和不变核苷酸。新版生物化学核酸生物化学第63页tRNA三级结构为倒L型新版生物化学核酸生物化学第64页A、在pr合成中转运aa；B、在pr合成起始、DNA反转录合成及其它代谢调整中起作用。2）tRNA功效：新版生物化学核酸生物化学第65页2、mRNA和hnRNA1）合成：

以DNA为模板(核内)

合成hnRNA（含内含子和外显子）

加工

成熟mRNA

入细胞质

蛋白质合成RNA新版生物化学核酸生物化学第66页合成mRNA新版生物化学核酸生物化学第67页切除内含子新版生物化学核酸生物化学第68页2)mRNA结构特点：3‘末端有polyA结构：与mRNA从核入质相关。5‘末端有帽子结构：G被甲基化，此可能与pro合成起始相关。新版生物化学核酸生物化学第69页3)功效：是蛋白质合成模板新版生物化学核酸生物化学第70页3、rRNA1)占RNA总量80%，是组成核糖体骨架。2)核糖体功效：

pr合成部位.3）结构：分大、小亚基一、二级结构多已确定，但功效不清。RNA新版生物化学核酸生物化学第71页原核细胞：70S核糖体；真核细胞：80S核糖体；新版生物化学核酸生物化学第72页核糖体RNA自我剪切1983年在四膜虫中发觉RNA有催化功效新版生物化学核酸生物化学第73页4、RNA功效1）在DNA复制、转录、翻译中起主要调控作用；2）有催化作用；3）可作为遗传物质（如逆转录病毒）。RNA新版生物化学核酸生物化学第74页新版生物化学核酸生物化学第75页五、核酸性质（一）普通理化性质为两性电解质，通常表现为酸性。DNA为白色纤维状固体，RNA为白色粉末，微溶于水，不溶于普通有机溶剂。DNA溶液粘度极高，而RNA溶液要小得多。核酸在离心力作用下，能够从溶液中沉降下来，其沉降速度与核酸大小和密度相关。新版生物化学核酸生物化学第76页核酸溶解性质DNA和RNA都微溶于水，不溶于乙醇、氯仿等有机溶剂。DNP溶于高浓度盐溶液中，而RNP溶于低浓度盐溶液。，利用这一性质可分离DNA和RNA。新版生物化学核酸生物化学第77页

0.14摩尔法:分离DNA蛋白(DNP)和RNA(RNP)蛋白(RNP)方法DNA蛋白:在0.14mol/LNaCl溶液中溶解度最低.RNA蛋白:在0.14mol/LNaCl溶液中溶解度较大.水解性：可被酸、碱或酶水解，DNA比RNA对稀碱稳定。新版生物化学核酸生物化学第78页核酸分子中磷酸二酯键可在酸、碱性和酶条件下水解切断,结果是多核苷酸链被打断,核酸被降解.

酸解酸能够使DNA和RNA降解，酸对核酸作用因酸浓度、温度和作用时间不一样而不一样。新版生物化学核酸生物化学第79页碱解

DNA和RNA对碱耐受程度有很大差异。比如，在0.1mol/LNaOH溶液中，RNA几乎能够完全水解，生成2′-或3′-磷酸核苷；DNA在一样条件下则不受影响。这种水解性能上差异，与RNA核糖基上2′-OH参加作用有很大关系。在RNA水解时，2′-OH首先进攻磷酸基，在断开磷酯键同时形成环状磷酸二酯，再在碱作用形成水解产物。DNA在稀碱作用下，只会发生变性，不会发生磷酸二酯键水解。新版生物化学核酸生物化学第80页酶水解1、依据底物分类DNase、RNase；单链核酸酶、双链核酸酶、杂合双链核酸酶2、依据催化部位分类：外切核酸酶和内切核酸酶外切酶：5´端→3´端或3´端→5´端核酸外切酶。内切酶：限制性核酸内切酶和非限制性核酸内切酶。限制性核酸内切酶(restrictionendonucleases)：能够识别DNA分子特定核苷酸序列，并在识别位点或其周围断开DNA双链一类核酸酶新版生物化学核酸生物化学第81页DNA限制性内切酶细菌限制-修饰系统：限制性核酸内切酶（限制酶）特异性强，可在DNA特异位点切开；

新版生物化学核酸生物化学第82页新版生物化学核酸生物化学第83页细菌碱基修饰：概念：在DNA特定短碱基序列上产生某专一性修饰，使得内切酶无法识别而不能断裂。如：修饰甲基化酶。新版生物化学核酸生物化学第84页参加DNA修复及RNA合成后剪接等主要基因复制和基因表示过程负责去除多出、结构和功效异常核酸，同时也能够去除侵入细胞外源性核酸在消化液中降解食物中核酸以利吸收体外重组DNA技术中主要工具酶生物体内核酸酶负责细胞内外催化核酸降解新版生物化学核酸生物化学第85页颜色反应：1）核糖与浓盐酸和苔黑酚(甲基间苯二酚)共热呈绿色，在670nm处可测RNA；2）2-脱氧核糖与酸和二苯胺共热呈蓝紫色，在595nm处可测DNA。二种反应可作定性试验，定量试验灵敏度低、准确性差，但快、简便。核酸性质新版生物化学核酸生物化学第86页1、一个单链DNA和一个单链RNA分子量相同，试述能够用几个方法将它们区分开？新版生物化学核酸生物化学第87页2.转食品基因安全吗？新版生物化学核酸生物化学第88页转基因有两派反对派：反对派道理在于转基因抗病抗虫功效来自于毒蛋白基因，虫吃了是要死，人吃了怎么办？赞成派：昆虫死亡是因为气孔闭塞了，但这跟人消化道完全是两码事。”中间派：人民不是小白鼠新版生物化学核酸生物化学第89页（二）紫外吸收性质

碱基具共轭双键强烈吸收260-290nm波段紫外光，最大吸收峰在260nm附近。应用：1、不一样核苷酸有不一样吸收特征，可用紫外分光光度计进行定性、定量测定。

1OD相当于：50μg/mlDNA40μg/mlRNA

核酸性质新版生物化学核酸生物化学第90页2、确定所提取核酸是否纯品。

1）DNA：OD260/OD280≈1.8纯品

2）RNA：OD260/OD280≈2.0纯品

在纯化DNA时,通惯用A260/A280=1.8-2.0作为纯度标准,若大于此值,表示有RNA污染;若小于此值,则有pro或酚污染.核酸性质新版生物化学核酸生物化学第91页（三）核酸结构稳定性1、碱基堆积力：双螺旋内部碱基形成疏水区；2、碱基间氢键：3、磷酸基与介质中阳离子形成离子键核酸性质新版生物化学核酸生物化学第92页（四）核酸变性1、变性概念1）现象：双螺旋DNA和具双螺旋区RNA氢键断裂，空间结构被破坏，形成单链无规则线团状过程。核酸性质新版生物化学核酸生物化学第93页2）结果：A、增色效应：260nm紫外吸收增加；B、粘度下降；C、生物学性能部分或全部丧失。3）引发变性原因：温度、pH、尿素、甲醛等。核酸性质新版生物化学核酸生物化学第94页增色效应DNA变性后，因为双螺旋解体，藏于螺旋内部碱基暴露出来，使DNAA260值升高，这种现象称为增色效应。变性DNA天然DNA新版生物化学核酸生物化学第95页2、热变性与TmTm：在热变性中，紫外吸收增加量达最大增量二分之一温度，称该DNA熔解温度（meltingtemperature,Tm);又称热解链温度。(G+C)%=(Tm

-69.3)*2.44核酸性质新版生物化学核酸生物化学第96页3、影响Tm原因：1）G-C含量：Tm与G-C含量成正比。2）介质中离子强度：离子强度低，Tm低，在纯水中,DNA在室温下即可变性。3）溶液pH.4)变性剂核酸性质新版生物化学核酸生物化学第97页（五）核酸复性概念：变性DNA在适当条件下（迟缓降温），可使两条彼此分开链重新缔合成双螺旋结构过程。

复性后，许多物化性质可得到恢复，

生物学活性部分恢复。影响原因：温度、DNA片段大小、DNA浓度、碱基重复序列多少、离子浓度。核酸性质新版生物化学核酸生物化学第98页DNA变性与复性新版生物化学核酸生物化学第99页减色效应当变性DNA经复性又重新形成双螺旋结构时，其溶液A260值减小，最多可减小至变性前A260值，这种现象称为减色效应。新版生物化学核酸生物化学第100页六、分子生物学技术（一）分子杂交与探针技术1、概念：

1）分子杂交（hybrization):在退火条件下，不一样起源DNA互补区形成氢键，或DNA单链和RNA链互补区形成DNA-RNA杂合双链过程。DNA-DNA：DNA-RNA:分子生物学技术新版生物化学核酸生物化学第101页核酸杂交新版生物化学核酸生物化学第102页2)探针（probe)用放射性同位素或荧光标识DNA或RNA片段.

确诊病人细胞中提取DNA；病毒DNA；肿瘤组织提取DNA。分子生物学技术新版生物化学核酸生物化学第103页3）Southern印迹法分子生物学技术用于检测DNA方法：如图新版生物化学核酸生物化学第104页Northern印迹法：用于检测RNANorthern印迹法：将电泳分离后RNA吸印到纤维素膜上再进行分子杂交。新版生物化学核酸生物化学第105页4）聚合酶链式反应（polymeerasechainreaction,PCR)新版生物化学核酸生物化学第106页

聚合酶链式反应（PCR）每一轮聚合酶链式反应可使目标基因片段增加一倍30轮循环可取得——230（1.07×109)个基因片段新版生物化学核酸生物化学第107页应用：广泛用于克隆、测序、产生特异突变、医学诊疗和法医.新版生物化学核酸生物化学第108页核酸分子核苷酸序列分析是以纯品核酸为材料，经水解，测定核苷酸组成及百分比。先以外切酶确定5’-或3’-末端核苷酸，再以内切酶将核酸链分为若干寡核苷酸段，分段测定核苷酸组成、百分比和序列。最终将核苷酸序列各寡核苷酸重合，确定整个核酸分子核苷酸序列。(五)核酸序列分析新版生物化学核酸生物化学第109页酶底物作用部位作用产物外切酶磷酸二酯酶DNA，RNA5’端，5’连接处3’核苷酸3’端，3’连接处5’核苷酸内切酶脱氧核糖核酸酶IDNA3’连接处3’-羟核苷酸为3’末端寡核苷酸及剩下部分脱氧核糖核酸酶II5’连接处3’-核苷酸为3’末端寡核苷酸及剩下部分核糖核酸酶T1RNA5’连接处碱基是G3’-鸟苷酸为3’末端寡核苷酸及剩下部分核糖核酸酶I5’连接处碱基是Pyr3’-嘧啶类核苷酸为3’末端寡核苷酸及剩下部分核苷酸序列分析中断裂磷酸二酯键用酶新版生物化学核酸生物化学第110页DNA酶法测序1977年sanger创造末端终止法测定DNA序列。依据sanger测序法，现在已经有各种DNA自动测序仪，DNA测序速度大大加紧HGP得以提前完成新版生物化学核酸生物化学第111页DNA酶法测序新版生物化学核酸生物化学第112页DNA酶法测序平行进行四组反应，每组反应均使用相同模板，相同引物以及四种脱氧核苷酸；并在四组反应中各加入适量四种之一双脱氧核苷酸，使其随机地接入DNA链中，使链合成终止，产生对应四组含有特定长度、不一样长短DNA链。这四组DNA链再经过聚丙烯酸胺凝胶电泳按链长短分离开，经过放射自显影显示区带，就能够直接读出被测DNA核苷酸序列,以下列图所表示：新版生物化学核酸生物化学第113页DNA酶