第一专题 生物大分子的结构与功能

第一专题生物大分子的结构与功能第一页，共一百五十六页，编辑于2023年，星期四第一章核酸的结构和功能

StructureandFunctionofNucleicAcid第二页，共一百五十六页，编辑于2023年，星期四

目录第一节核酸的种类、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四节核酸的制备、测定及研究技术第三页，共一百五十六页，编辑于2023年，星期四核酸(nucleicacid)

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。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子。第四页，共一百五十六页，编辑于2023年，星期四

核酸的发现和研究工作进展1868年FridrichMiescher从脓细胞中提取“核素”

1944年Avery等人证实DNA是遗传物质1953年Watson和Crick提出DNA双螺旋结构模型1966年Nirenberg发现遗传密码1975年Temin和Baltimore发现逆转录酶;Sanger建立DNA测序方法1981年T.Cech发现了核酶1985年Mullis发明PCR技术1990年美国启动人类基因组计划(HGP)

1999年中国获准加入人类基因组计划2001年美、英等国完成人类基因组计划基本框架第五页，共一百五十六页，编辑于2023年，星期四第一节核酸的种类、分布和化学组成一、核酸的生物学功能二、核酸的种类和分布三、核酸的化学组成第六页，共一百五十六页，编辑于2023年，星期四一、核酸的生物学功能orand肺炎球菌转化实验第七页，共一百五十六页，编辑于2023年，星期四蛋白质翻译转录逆转录复制复制DNARNA生物学的中心法则第八页，共一百五十六页，编辑于2023年，星期四二、核酸的种类及分布(DNA)(RNA)脱氧核糖核酸

核糖核酸RNA主要存在于细胞质中，约占90%，少量存在于细胞核。RNA有三种：信使RNA（mRNA），占总RNA

5%。核糖体RNA

（rRNA），占总RNA

80%。转移RNA（

tRNA），占总RNA

10-15%。真核98%核中（染色体中）核外线粒体（mDNA）叶绿体（ctDNA）原核拟核核外：质粒（plasmid）病毒：DNA病毒第九页，共一百五十六页，编辑于2023年，星期四三、核酸的化学组成核酸核苷酸核苷磷酸碱基戊糖元素组成：CHONPA、G、C、U（RNA)A、G、C、T(DNA)核糖（RNA）脱氧核糖（DNA）第十页，共一百五十六页，编辑于2023年，星期四两类核酸的基本化学组成DNARNA嘌呤碱腺嘌呤鸟嘌呤腺嘌呤鸟嘌呤嘧啶碱胞嘧啶胸腺嘧啶胞嘧啶尿嘧啶戊糖D-2-脱氧核糖D-核糖酸磷酸磷酸第十一页，共一百五十六页，编辑于2023年，星期四（一）戊糖组成核酸的戊糖有两种。DNA所含的糖为D-2-脱氧核糖；RNA所含的糖则为D-核糖。RiboseDeoxyribose第十二页，共一百五十六页，编辑于2023年，星期四(二）碱基1.嘌呤（Purine）123456978腺嘌呤AdenineA鸟嘌呤guanineG第十三页，共一百五十六页，编辑于2023年，星期四2.嘧啶（Pyrimidine）123456尿嘧啶uracilU胞嘧啶cytosineC胸腺嘧啶thymineTCH3第十四页，共一百五十六页，编辑于2023年，星期四

稀有碱基除上述5种基本的碱基外，核酸中还有一些含量甚少的碱基，通常称为稀有碱基。稀有碱基的种类很多，大部分是上述碱基的甲基化产物。N,N-二甲基腺嘌呤：m2666A第十五页，共一百五十六页，编辑于2023年，星期四（三）核苷核苷戊糖+碱基糖与碱基之间的C-N键，称为C-N糖苷键1’2’3’4’5’(OH)1’2’3’4’5’(OH)第十六页，共一百五十六页，编辑于2023年，星期四AdenosineGuanosineCytidineUridine核酸中的各种核苷第十七页，共一百五十六页，编辑于2023年，星期四几种稀有核苷假尿嘧啶核苷（）二氢尿嘧啶核苷（DHU）2-O-甲基腺苷(Am)CH3CH3H3CHH5HH′6A）（m2N,N-二甲基腺嘌呤66第十八页，共一百五十六页，编辑于2023年，星期四（四）核苷酸腺嘌呤核苷酸（AMP）

Adenosinemonophosphate脱氧腺嘌呤核苷酸（dAMP）

Deoxyadenosinemonophosphate鸟嘌呤核苷酸（GMP）胞嘧啶核苷酸（CMP）尿嘧啶核苷酸（UMP）脱氧鸟嘌呤核苷酸（dGMP）脱氧胞嘧啶核苷酸（dCMP）脱氧胸腺嘧啶核苷酸（dTMP）OHH第十九页，共一百五十六页，编辑于2023年，星期四PPPPPPPP腺嘌呤核苷酸（AMP）鸟嘌呤核苷酸（GMP）尿嘧啶核苷酸（UMP）胞嘧啶核苷酸（CMP）脱氧腺嘌呤核苷酸（dAMP）脱氧鸟嘌呤核苷酸（dGMP）脱氧胸腺嘧啶核苷酸（dTMP）脱氧胞嘧啶核苷酸（dCMP）第二十页，共一百五十六页，编辑于2023年，星期四（五）细胞内游离核苷酸及其衍生物多磷酸核苷酸环化核苷酸辅酶类核苷酸第二十一页，共一百五十六页，编辑于2023年，星期四AMPADPATP

1.多磷酸核苷酸第二十二页，共一百五十六页，编辑于2023年，星期四2.环化核苷酸OPOOHOA(G)OOOHCH2HHHHcAMP(cGMP)的结构

第二十三页，共一百五十六页，编辑于2023年，星期四3.辅酶类核苷酸NADP+NAD+第二十四页，共一百五十六页，编辑于2023年，星期四VitB2FMNAMPFAD第二十五页，共一百五十六页，编辑于2023年，星期四第二节核酸的分子结构

一、DNA的分子结构二、RNA的分子结构第二十六页，共一百五十六页，编辑于2023年，星期四一、DNA的分子结构（一）DNA一级结构（二）DNA碱基组成的Chargaff规则（三）DNA的二级结构（四）DNA的三级结构第二十七页，共一百五十六页，编辑于2023年，星期四（一）DNA一级结构

DNA的一级结构是由数量极其庞大的四种脱氧核苷酸，dAMP,dGMP,dCMP,dTMP通过3′5′-磷酸二酯键连接起来的线形或环形多核苷酸链。

DNA分子中核苷酸的排列顺序叫做DNA的一级结构，简称为碱基序列。一级结构的走向规定为5´→3´。不同的DNA分子具有不同的核苷酸排列顺序，因此携带有不同的遗传信息第二十八页，共一百五十六页，编辑于2023年，星期四55333-5磷酸二酯键核酸分子中核苷酸之间的共价键第二十九页，共一百五十六页，编辑于2023年，星期四一级结构表示法：结构式，线条式，字母式5´3´结构式5pApTpCpGpCpT-OH3

字母式ATP5PCPGPCPTPOH3线条式第三十页，共一百五十六页，编辑于2023年，星期四（二）DNA碱基组成的Chargaff规则Chargaff首先注意到DNA碱基组成的某些规律性，在１９５０年总结出DNA碱基组成的规律：1.同一生物的不同组织的DNA碱基组成相同；2.同一种生物DNA碱基组成不随生物体的年龄、营养状态或者环境变化而改变；3.几乎所有的DNA，无论种属来源如何，其腺嘌呤摩尔含量与胸腺嘧啶摩尔含量相同［A］=［T］，鸟嘌呤摩尔含量与胞嘧啶摩尔含量相同［G］=［C］，总的嘌呤摩尔含量与总的嘧啶摩尔含量相同［A］＋［G］=［C］＋［T］。4.不同生物来源的DNA碱基组成不同，表现在A＋T/G＋C比值的不同。这些结果后来为DNA的双螺旋结构模型提供了一个有力的佐证。第三十一页，共一百五十六页，编辑于2023年，星期四（三）DNA二级结构——双螺旋结构第三十二页，共一百五十六页，编辑于2023年，星期四1.DNA双螺旋结构的研究背景碱基组成分析Chargaff规则：[A]=

[T][G]

[C]

碱基的理化数据分析A-T、G-C以氢键配对较合理DNA纤维的X-光衍射图谱分析第三十三页，共一百五十六页，编辑于2023年，星期四2.DNA双螺旋结构模型要点

（Watson,Crick,1953）（1）DNA分子由两条反向平行的多核苷酸链构成双螺旋结构。两条链围绕同一个“中心轴”形成右手螺旋，螺旋表面有一条大沟和一条小沟。（2）嘌呤碱和嘧啶碱层叠于螺旋内侧，碱基平面与纵轴垂直，碱基之间的堆积距离为0.34nm。磷酸与脱氧核糖在外侧，彼此之间通过磷酸二酯键连接，形成DNA的骨架。糖环平面与中轴平行。第三十四页，共一百五十六页，编辑于2023年，星期四2.DNA双螺旋结构模型要点

（Watson,Crick,1953）（3）双螺旋的直径为2nm，顺轴方向每隔0.34nm有一个核苷酸,两个核苷酸之间的夹角为36º，因此，沿中心轴每旋转一周有10个核苷酸。（4）一条多核苷酸链上的嘌呤碱基与另一条链上的嘧啶碱基以氢键相连，匹配成对，配对的原则是A=

T之间形成二个氢键，GC之间形成三个氢键。因此，DNA的一条链为另一条链的互补链。第三十五页，共一百五十六页，编辑于2023年，星期四碱基的配对

AT

CG第三十六页，共一百五十六页，编辑于2023年，星期四3.DNA双螺旋结构的稳定因素

氢键碱基堆集力带负电荷的磷酸基与带正电荷的阳离子形成离子键第三十七页，共一百五十六页，编辑于2023年，星期四4.DNA双螺旋结构的多态性Z-DNAB-DNAA-DNA三种DNA双螺旋构象比较ABZ外型粗短适中细长螺旋方向右手右手左手螺旋直径2.3nm2.0nm1.8nm螺距2.8nm3.4nm4.5nm碱基夹角33º

36º

60º每圈碱基数111012碱基对间垂直距离0.255nm0.34nm0.37nm碱基对倾角20º

0º

7º

大沟很窄很深很宽较深平坦小沟很宽、浅窄、深较窄很深第三十八页，共一百五十六页，编辑于2023年，星期四5.三链DNADNA三链间的碱基配对T-A-TC-G-CDNA分子内的三链结构多聚嘌呤多聚嘧啶

DNA分子内的三链结构第三十九页，共一百五十六页，编辑于2023年，星期四（四）DNA的三级结构DNA双螺旋进一步扭曲成三级结构。第四十页，共一百五十六页，编辑于2023年，星期四1.DNA的超螺旋结构某些小病毒、细菌的质粒、噬菌体、真核生物线粒体和叶绿体以及某些细菌染色体中的DNA为双链环形，其三级结构为麻花状超螺旋形式。第四十一页，共一百五十六页，编辑于2023年，星期四L=25,T=25,W=0松弛环形1152010523L=23,T=23,W=0解链环形15101520231510152025L=23,T=25,W=–2负超螺旋121482316131510152023右手旋转拧松两周后的线形DNADNA超螺旋的形成超螺旋的拓扑学公式：L=T+W第四十二页，共一百五十六页，编辑于2023年，星期四超螺旋状态的定量描述

公式1：L=T+WL——连环数，DNA双螺旋中一条链以右手螺旋绕另一条链缠绕的次数。T——DNA分子中的螺旋数W——超螺旋周数或扭曲数公式2：λ=（L-L0）/L0λ——超螺旋度L0——松驰态DNA连环数如上述超螺旋DNA的L=23

L0=25，λ=-0.08L=25,T=25,W=0松弛环形1152010523L=23,T=25,W=–2负超螺旋12148231613第四十三页，共一百五十六页，编辑于2023年，星期四DNA超螺旋结构整体或局部的拓扑学变化及其调控对于DNA复制和RNA转录过程具有关键作用。

DNA超螺旋结构形成的意义第四十四页，共一百五十六页，编辑于2023年，星期四2.DNA在真核生物细胞核内的组装真核生物染色体由DNA和蛋白质构成，其基本单位是

核小体(nucleosome)。核小体的组成DNA：约200bp组蛋白：H1H2A，H2BH3H4各2分子第四十五页，共一百五十六页，编辑于2023年，星期四核小体的直径10-11nm，DNA分子在组蛋白核心外面缠绕约1.8圈，有大约160bp。连接核小体的DNA片段约为32-34bp第四十六页，共一百五十六页，编辑于2023年，星期四核小体盘绕及染色质示意图第四十七页，共一百五十六页，编辑于2023年，星期四二、RNA的分子结构（一）RNA一级结构和类别（二）tRNA的分子结构（三）rRNA的分子结构（四）mRNA的分子结构第四十八页，共一百五十六页，编辑于2023年，星期四（一）RNA的类别和一级结构

信使RNA（messengerRNA，mRNA）：在蛋白质合成中起模板作用；核糖体RNA（ribosoalRNA，rRNA）：与蛋白质结合构成核糖体（ribosome）,核糖体是蛋白质合成的场所；转移RNA（transforRNA，tRNA）：在蛋白质合成时起着携带活化氨基酸的作用。第四十九页，共一百五十六页，编辑于2023年，星期四

RNA分子中各核苷之间的连接方式（3´-5´磷酸二酯键）和排列顺序叫做RNA的一级结构OHOHOH5´3´

RNA与DNA的差异

DNARNA糖脱氧核糖核糖碱基AGCTAGCU

不含稀有碱基含稀有碱基第五十页，共一百五十六页，编辑于2023年，星期四（二)tRNA的分子结构二级结构特征：

单链三叶草叶形四臂四环三级结构特征：

在二级结构基础上进一步折叠扭曲形成倒L型第五十一页，共一百五十六页，编辑于2023年，星期四tRNA的二级结构

——三叶草形DHU环IGC反密码子反密码环氨基酸臂可变环TψC环CCA3´5´氨基酸臂DHU环反密码环额外环TΨC环第五十二页，共一百五十六页，编辑于2023年，星期四tRNA的三级结构

——倒L形

第五十三页，共一百五十六页，编辑于2023年，星期四*真核生物5SrRNA28SrRNA5.8SrRNA18SrRNA原核生物5SrRNA23SrRNA16SrRNArRNA的种类（根据沉降系数）（三）rRNA的分子结构第五十四页，共一百五十六页，编辑于2023年，星期四

结构特征：单链，螺旋化程度较tRNA低

与蛋白质组成核糖体后方能发挥其功能5S

RNA的二级结构第五十五页，共一百五十六页，编辑于2023年，星期四（四）mRNA的分子结构hnRNA内含子(intron)mRNA*mRNA成熟过程

外显子(exon)第五十六页，共一百五十六页，编辑于2023年，星期四*mRNA结构特点：1.大多数真核mRNA的5´末端均在转录后加上一个7-甲基鸟苷，同时第一个核苷酸的C´2也是甲基化，形成帽子结构：m7GpppNm-。2.大多数真核mRNA的3´末端有一个多聚腺苷酸(polyA)结构，称为多聚A尾。第五十七页，共一百五十六页，编辑于2023年，星期四帽子结构帽子结构帽子结构OCH3︳第五十八页，共一百五十六页，编辑于2023年，星期四mRNA由核内向胞质的转移mRNA的稳定性翻译起始的调控帽子结构和多聚A尾的功能第五十九页，共一百五十六页，编辑于2023年，星期四*mRNA的功能把DNA所携带的遗传信息，按碱基互补配对原则，抄录并传送至核糖体，用以决定其合成蛋白质的氨基酸排列顺序。DNAmRNA蛋白转录翻译原核细胞

细胞质细胞核DNA内含子外显子转录转录后剪接转运mRNAhnRNA翻译蛋白真核细胞

第六十页，共一百五十六页，编辑于2023年，星期四其他小分子RNA除了上述三种RNA外，细胞的不同部位存在的许多其他种类的小分子RNA，统称为非mRNA小RNA(smallnon-messengerRNAs,snmRNAs)。

snmRNAs第六十一页，共一百五十六页，编辑于2023年，星期四第三节核酸的理化性质及其应用一、核酸的一般性质二、核酸的紫外吸收性质三、核酸的变性、复性和分子杂交第六十二页，共一百五十六页，编辑于2023年，星期四一、核酸的一般性质1、性状：DNA为白色纤维状固体，RNA为白色粉末。2、粘性：核酸的水溶液粘度很大，DNA分子粘度大于RNA。核酸变性后，粘度下降。第六十三页，共一百五十六页，编辑于2023年，星期四3、溶解性：RNA和DNA都是极性的化合物，两者都微溶于水，不溶于乙醇、乙醚、氯仿等有机溶剂。它们的钠盐易溶于水。

核酸的提取？第六十四页，共一百五十六页，编辑于2023年，星期四4、核酸的酸碱性质

核酸的磷酸基具有酸性，碱基具有碱性，因此，核酸具有两性电离的性质。但核酸中磷酸基的酸性大于碱基的碱性，其等电点偏酸性。DNA的pI约为4～5，RNA的pI约为2.0～2.5，在pH7～8电泳时泳向正极。

第六十五页，共一百五十六页，编辑于2023年，星期四二、核酸的紫外吸收性质1、光吸收：

紫外吸收波段：240－290nm最大吸收峰：260nm2、变性后的光学性质：（1）增色效应：

与天然DNA相比，变性DNA因其双螺旋结构破坏，使碱基充分外露，因此，紫外吸收增加，这种现象叫增色效应。（2）减色效应：

若变性DNA复性形成双螺旋结构后，其紫外吸收降低，这种现象叫减色效应。第六十六页，共一百五十六页，编辑于2023年，星期四DNA的紫外吸收光谱天然DNA变性DNA核苷酸总吸收值1232202402602800.10.20.30.4波长（nm）光吸收123第六十七页，共一百五十六页，编辑于2023年，星期四OD260的应用

1.DNA或RNA的定量RNA浓度（ug/mL）=OD2600.022XLX稀释倍数DNA浓度（ug/mL）=0.02XLOD260X稀释倍数式中：OD260为260nm波长处光密度值；L为比色杯的光程，一般为1cm；0.022为每毫升溶液含1微克RNA的光密度；0.02为每毫升溶液内含1微克DNA钠盐时的光密度。第六十八页，共一百五十六页，编辑于2023年，星期四2.判断核酸样品的纯度DNA纯品:OD260/OD280=1.8RNA纯品:OD260/OD280=2.0第六十九页，共一百五十六页，编辑于2023年，星期四三、核酸的变性、复性和分子杂交（一）变性（二）复性（三）核酸的分子杂交第七十页，共一百五十六页，编辑于2023年，星期四(一）变性1、DNA变性的概念：指DNA分子中的双螺旋结构解链为无规则线性结构的现象。2、DNA变性的本质：维持双螺旋稳定性的氢键断裂，碱基间的堆积力遭到破坏，但不涉及到其一级结构的改变。3、导致DNA变性的因素：凡能破坏双螺旋稳定性的因素，如加热、极端的pH、有机试剂甲醇、乙醇、尿素及甲醛等，均可引起核酸分子变性第七十一页，共一百五十六页，编辑于2023年，星期四DNA的变性过程加热部分双螺旋解开无规则线团链内碱基配对第七十二页，共一百五十六页，编辑于2023年，星期四4、变性后其它理化性质变化：OD260增高 粘度下降比旋度下降 浮力密度升高酸碱滴定曲线改变 生物活性丧失第七十三页，共一百五十六页，编辑于2023年，星期四Tm：熔解温度DNA的变性发生在一个很窄的温度范围内，通常把热变性过程中光吸收达到最大吸收一半时的温度称为该DNA的熔点或熔解温度，用Tm表示。

DNA的Tm值一般在70℃～

85℃之间。某些DNA的Tm值60801001.01.41.2100%A260t\0CTmTmTm123第七十四页，共一百五十六页，编辑于2023年，星期四DNA的Tm值与下列的因素有关：1、DNA的均一性:均一性愈高的样品，熔解过程的温度范围愈小。2、G-C的含量：

（G-C）%=（tm-69.3）x2.443、介质离子强度：介质离子强度较低，DNA的tm也低。第七十五页，共一百五十六页，编辑于2023年，星期四（二）复性DNA复性(renaturation)：变性DNA在适当条件下，又可使两条彼此分开的链重新缔合成为双螺旋结构，这一现象称为复性。热变性的DNA经缓慢冷却后即可复性，这一过程称为退火(annealing)。第七十六页，共一百五十六页，编辑于2023年，星期四第七十七页，共一百五十六页，编辑于2023年，星期四（三）分子杂交当两条不同来源的DNA链或DNA链与RNA链之间存在互补顺序时，在复性时可发生碱基互补配对形成局部双螺旋区，称分子杂交

Southern杂交（Southernbolting）Northern杂交（Northernbolting）Western杂交（Westernbolting）第七十八页，共一百五十六页，编辑于2023年，星期四分子杂交的原理示意图第七十九页，共一百五十六页，编辑于2023年，星期四核酸杂交技术是目前研究核酸结构、功能常用手段之一。用来检验核酸的缺失、插入；制备特定的探针（probe）通过杂交技术可进行基因的检测和定位研究。第八十页，共一百五十六页，编辑于2023年，星期四核酸杂交及其应用示意图Ⅰ.变性、复性和杂交粗细线分别代表不同DNA。A是杂化双链

Ⅱ.突变体的鉴别。B代表天然DNA；C是B的缺失突变体；虚线框内是已缺失的部分；D是显示从天然DNA链鼓出小泡Ⅲ.粗线代表探针粗线上的X表示放射性标记第八十一页，共一百五十六页，编辑于2023年，星期四Southern印迹法DNA分子限制片段限制性酶切割琼脂糖电泳转移至硝酸纤维素膜上与放射性标记DNA探针杂交放射自显影带有DNA片段的凝胶凝胶滤膜用缓冲液转移DNA吸附有DNA片段的膜第八十二页，共一百五十六页，编辑于2023年，星期四第八十三页，共一百五十六页，编辑于2023年，星期四第四节核酸的制备、测定及研究技术一、核酸制备的一般原则

二、核酸的制备三、核酸的测定方法四、核酸的研究技术第八十四页，共一百五十六页，编辑于2023年，星期四一、核酸制备的一般原则

因为遗传信息全部贮存在核酸的一级结构中，故完整的一级结构是保证核酸结构与功能研究的基础。第八十五页，共一百五十六页，编辑于2023年，星期四（一）核酸制备时应遵循两个原则：保证核酸一级结构的完整性；排除其它分子的污染。

第八十六页，共一百五十六页，编辑于2023年，星期四（二）核酸的纯度要求

①核酸样品中不应存在对酶有抑制作用的有机溶剂和过高浓度的金属离子；②其它生物大分子如蛋白质、多糖和脂类分子的污染应降低到最低程度；③排除其它核酸分子的污染，如提取DNA分子时，应去除RNA，反之亦然。第八十七页，共一百五十六页，编辑于2023年，星期四（三）核酸制备的注意事项

①尽量简化操作步骤，缩短提取过程，以减少各种有害因素对核酸的破坏；②减少化学物质对核酸的降解(避免过酸、过碱对核酸链中磷酸二酯键的破坏)；③防止核酸的生物降解。细胞内或外来的各种核酸酶水解核酸链中的磷酸二酯键，直接破坏核酸的一级结构。其中DNA酶需要二价阳离子Mg2+，Ca2+的激活，因此使用金属离子螯合剂，如EDTA或柠檬酸盐等基本上可以抑制DNA酶的活性。而RNA酶不但分布广泛、极易污染样品，而且耐高温、耐酸碱、不易失活，所以生物降解是RNA提取过程中的主要危害因素；

第八十八页，共一百五十六页，编辑于2023年，星期四④

减少物理因素对核酸的降解，物理降解因素主要是机械剪切力，其次是高温。

机械剪切力包括强力高速的溶液振荡、搅拌，细胞突然置于低渗液中；DNA样品的反复冻融等。这些操作细节在实验操作中应加倍注意。机械剪切作用的主要危害对象是大分子量的线性DNA分子，如真核细胞的染色体DNA等。高温，如长时间煮沸，除水沸腾带来的剪切力外，高温本身对核酸分子中的某些化合键也有破坏作用。核酸提取过程中常规操作温度为0～4℃以降低核酸酶的活性从而减少对核酸的生物降解。第八十九页，共一百五十六页，编辑于2023年，星期四I.材料准备II.破碎细胞或包膜－内容物释放III.核酸分离、纯化IV.沉淀或吸附核酸，并去除杂质

V.核酸溶解在适量缓冲液或水中破碎细胞提取纯化二、核酸的制备第九十页，共一百五十六页，编辑于2023年，星期四(一）核酸制备的一般方法和原理1、核酸酶的抑制和抑制剂

降低温度，改变pH及盐的浓度，都利于对核酸酶活性的抑制，但均不如利用核酸酶抑制剂更有利，当然，几个条件并用更好。对于DNA，抑制DNase活力很容易，但防止机械张力拉断则更重要。对于RNA，因分子较小，不易被机械张力拉断，但抑制RNase活力较难，故在RNA提取中设法抑制RNase更重要。第九十一页，共一百五十六页，编辑于2023年，星期四DNase抑制

①加入少量金属离子螯合剂，如0.01mol/LEDTA或柠檬酸钠，DNase基本可以全部失活。②去垢剂、蛋白变性剂及DNase抑制剂也可使DNase失活。第九十二页，共一百五十六页，编辑于2023年，星期四RNase抑制

①操作要带手套②所有器皿要严格消毒③试剂处理④低温操作⑤在分离过程中要加入一定的RNase抑制剂第九十三页，共一百五十六页，编辑于2023年，星期四2、核酸制备中常用的去垢剂

核酸本身带负电荷，结合带正电荷的蛋白质。用于核酸提取的去垢剂，一般都是阴离子去垢剂，去垢剂的作用：1．溶解膜蛋白及脂肪，使细胞膜破裂；2．溶解核糖体上面的蛋白质，使其解聚，将核酸释放出来；3．对RNase、DNase有一定的抑制作用。如：SDS、脱氧胆酸钠、4-氨基水杨酸钠、萘-1.5-二磺酸钠、三异丙基萘磺酸钠第九十四页，共一百五十六页，编辑于2023年，星期四3、核酸制备中常用的蛋白质变性剂蛋白质变性剂的作用：（1）使蛋白质变性、沉淀，从核酸提取液中分离除去，以防造成蛋白污染。（2）使蛋白质变性，故可使核糖体解聚释放出核酸。（3）某些蛋白质变性剂也有抑制RNase活性和破裂细胞的作用。如：苯酚、氯仿、盐酸胍、DEPC第九十五页，共一百五十六页，编辑于2023年，星期四4、核酸提取的一般过程

（1）破碎细胞

微生物：溶菌酶、SDS裂解。高等植物：捣碎器破碎、液氮研磨。

动物：液氮处理后用匀浆器破碎。

细胞器DNA：首先纯化细胞器。

以上处理时均要同时加入核酸酶抑制剂第九十六页，共一百五十六页，编辑于2023年，星期四（2）抽提核酸除去杂质

a．首先使脱氧核糖核蛋白、核糖体、病毒的核蛋白与其它成分分离；b．使核酸与蛋白质分离；c．除去脂类；d．多糖的除去。第九十七页，共一百五十六页，编辑于2023年，星期四（3）核酸的纯化

根据所需核酸的性质和特点除去其它核酸污染,并除去提取过程中的系列试剂(盐、有机溶剂等）杂质，最后得到均一的核酸样品。第九十八页，共一百五十六页，编辑于2023年，星期四（4）核酸质量的鉴定DNA纯品:OD260/OD280=1.8RNA纯品:OD260/OD280=2.0a.应用OD260：b.琼脂糖凝胶电泳第九十九页，共一百五十六页，编辑于2023年，星期四（5）核酸样品的保存

核酸保存的主要条件是温度和介质

温度：-70℃是长期保存的良好温度，为一次性保存。-20℃保存。

保存介质：

TE缓冲溶液(最常用)10mmol/LTris-ClpH8.01mmol/LEDTApH8.0第一百页，共一百五十六页，编辑于2023年，星期四（二）注意事项

——材料准备①最好使用新鲜材料，低温保存的样品材料不要反复冻融②组培细胞培养时间不能过长，否则会造成DNA降解③含病毒的液体材料DNA含量较少，提取前先富集第一百零一页，共一百五十六页，编辑于2023年，星期四（二）注意事项

——细胞裂解①材料应适量，过多会影响裂解，导致DNA量少，纯度低②针对不同材料，选择适当的裂解预处理方式：植物材料－－液氮研磨动物组织－－匀浆或液氮研磨组培细胞－－蛋白酶K细菌－－溶菌酶破壁酵母－－破壁酶或玻璃珠第一百零二页，共一百五十六页，编辑于2023年，星期四（二）注意事项

——核酸分离、纯化①采用吸附材料吸附的方式分离DNA时，应提供相应的缓冲体系②采用有机（酚/氯仿）抽提时应充分混匀，但动作要轻柔③离心分离两相时，应保证一定的转速和时间④针对不同材料的特点，在提取过程中辅以相应的去杂质的方法第一百零三页，共一百五十六页，编辑于2023年，星期四（二）注意事项

——核酸沉淀、溶解①当沉淀时间有限时，用预冷的乙醇或异丙醇沉淀，沉淀会更充分②沉淀时加入1/10体积的NaAc（pH5.2，3M），有利于充分沉淀③沉淀后应用70％的乙醇洗涤，以除去盐离子等④晾干DNA，让乙醇充分挥发（不要过分干燥）⑤若长期储存建议使用TE缓冲液溶解TE中的EDTA能螯和Mg2+或Mn2+离子，抑制DNasepH值为8.0，可防止DNA发生酸解

第一百零四页，共一百五十六页，编辑于2023年，星期四（三）DNA提取常见问题问题一：DNA样品不纯，抑制后续酶切和PCR反应。原因DNA中含有蛋白、多糖、多酚类杂质DNA在溶解前，有酒精残留，酒精抑制后续酶解反应DNA中残留有金属离子对策重新纯化DNA，去除蛋白、多糖、多酚等杂质重新沉淀DNA，让酒精充分挥发增加70％乙醇洗涤的次数（2-3次）第一百零五页，共一百五十六页，编辑于2023年，星期四（三）DNA提取常见问题问题二：DNA降解

原因材料不新鲜或反复冻融未很好抑制内源核酸酶的活性提取过程操作过于剧烈，DNA被机械打断外源核酸酶污染反复冻融对策尽量取新鲜材料，低温保存材料避免反复冻融液氮研磨或匀浆组织后，应在解冻前加入裂解缓冲液在提取内源核酸酶含量丰富的材料的DNA时，可增加裂解液中螯合剂含量细胞裂解后的后续操作应尽量轻柔所有试剂用无菌水配制，耗材经高温灭菌将DNA分装保存于缓冲液中，避免反复冻融第一百零六页，共一百五十六页，编辑于2023年，星期四（三）DNA提取常见问题问题三：DNA提取量少

原因实验材料不佳或量少破壁或裂解不充分沉淀不完全洗涤时DNA丢失对策尽量选用新鲜（幼嫩）的材料动植物要匀浆研磨充分；细菌、酵母裂解前先用生物酶或机械方式破壁高温裂解时，时间适当延长（对于动物细胞、细菌可增加PK的用量）低温沉淀，延长沉淀时间洗涤时，最好用枪头将洗涤液吸出，勿倾倒第一百零七页，共一百五十六页，编辑于2023年，星期四三、核酸的测定方法第一百零八页，共一百五十六页，编辑于2023年，星期四RNA浓度（ug/mL）=OD2600.022XLX稀释倍数DNA浓度（ug/mL）=0.02XLOD260X稀释倍数式中：OD260为260nm波长处光密度值；L为比色杯的光程，一般为1cm；0.022为每毫升溶液含1微克RNA的光密度；0.02为每毫升溶液内含1微克DNA钠盐时的光密度。1、紫外吸收法第一百零九页，共一百五十六页，编辑于2023年，星期四2、定糖法

RNA的测定：RNA分子中所含的核糖经浓硫酸或浓盐酸作用脱水生成糠醛，糠醛可与3，5-二羟甲苯（苔黑酚或地衣酚）反应生成绿色化合物，该化合物可在670-680nm波长下进行比色测定。DNA的测定：DNA分子中的脱氧核糖在冰醋酸或浓硫酸存在下可与二苯胺反应生成兰色化合物，该化合物可在595-620nm波长下进行比色测定。第一百一十页，共一百五十六页，编辑于2023年，星期四3、定磷法

RNA和DNA中都含有磷酸，可以进行磷的测定。纯的核酸中含磷量在9.5%左右，因此，测出核酸中的磷含量就可计算核酸的含量。测定时先将核酸用强酸消化成无机磷酸，后者与定磷试剂中的钼酸反应生成磷钼酸，在经过还原作用而生成蓝色的复合物，最后在650-660nm进行比色测定。第一百一十一页，共一百五十六页，编辑于2023年，星期四四．核酸研究技术

（一）核酸的沉降特性

溶液中的核酸在引力场中可以下沉。在超速离心机造成的强大的离心力场中，核酸分子下沉的速度大大加快。核酸的超速离心用于：第一百一十二页，共一百五十六页，编辑于2023年，星期四1、测定核酸的浮力密度；2、测定溶液中核酸的构象，核酸经染料—氯化铯密度梯度离心以后，在离心管里，沉降的速度由大到小依次为：超螺旋DNA、闭环质粒DNA、开环及线型DNA，若样品中含有蛋白质，蛋白质沉降速度最小。3、核酸的制备。第一百一十三页，共一百五十六页，编辑于2023年，星期四第一百一十四页，共一百五十六页，编辑于2023年，星期四第一百一十五页，共一百五十六页，编辑于2023年，星期四（二）核酸的凝胶电泳

凝胶电泳是当前核酸研究中最常用的方法，有琼脂糖凝胶电泳、聚丙烯酰胺凝胶电泳。第一百一十六页，共一百五十六页，编辑于2023年，星期四第一百一十七页，共一百五十六页，编辑于2023年，星期四水平板电泳第一百一十八页，共一百五十六页，编辑于2023年，星期四（三）核酸的序列测定第一百一十九页，共一百五十六页，编辑于2023年，星期四DNA测序的基本战略：

设法产生带标记的不同长度的成套DNA片段，各带有标记的片段起点相同、终点不同。通过PAGE电泳，能够将相差一个核苷酸的DNA片段分开，放射自显影后，根据长短排列，根据特定末端碱基的DNA片段就可读出待测DNA的碱基序列。

第一百二十页，共一百五十六页，编辑于2023年，星期四1.Sanger双脱氧链终止法(酶法测序）

DNA的合成总是从5′端向3′端进行的。DNA的合成需要模板以及相应的引物链。DNA的合成过程中，在合成的DNA链的3′末端，依据碱基配对的原则，通过生成新的3′,5′－磷酸二酯键，产生短的DNA链。具体测序工作中，平行进行四组反应，每组反应均使用相同的模板，相同的引物以及四种脱氧核苷酸；并在四组反应中各加入适量的四种之一的双脱氧核苷酸，使其随机地接入DNA链中，使链合成终止，产生相应的四组具有特定长度的、不同长短的DNA链。这四组DNA链再经过聚丙烯酸胺凝胶电泳按链的长短分离开，经过放射自显影显示区带，就可以直接读出被测DNA的核苷酸序列,如下图所示：第一百二十一页，共一百五十六页，编辑于2023年，星期四模板CCGGTAGCAACT3´5´引物5´GG3´酶反应dATPdCTPdGTPdTTP+ddATPdATPdCTPdGTPdTTP+ddCTPdATPdCTPdGTPdTTP+ddGTPdATPdCTPdGTPdTTP+ddTTPGGCCAGGCCATCGTTGAGGCGGCCGGCCATCGGCCATCGGGCCATCGTTGGGCCATGGCCATCGTGGCCATCGTTACGT电泳方向GGCCATCGTTGAGGCCATCGTTGGGCCATCGTTGGCCATCGTGGCCATCGGGCCATCGGCCATGGCCAGGCCGGC读出模板互补序列AGTTGCTACC3´5´读出模板序列TCAACGATGG5´3´酶法序列分析的原理第一百二十二页，共一百五十六页，编辑于2023年，星期四第一百二十三页，共一百五十六页，编辑于2023年，星期四DNA的测序仪示意图computeranalysis成象透镜聚焦透镜高灵敏度相机旋光镜/棱镜组件样品槽凝胶中DNA移动方向输入光学系统激光器第一百二十四页，共一百五十六页，编辑于2023年，星期四第一百二十五页，共一百五十六页，编辑于2023年，星期四2.化学法（Maxam和Gilbert）

这一方法的基本步骤为:(1)先将DNA的末端之一进行标记(通常为放射性同位素32P；(2)在多组互相独立的化学反应中分别进行特定碱基的化学修饰；(3)在修饰碱基位置化学法断开DNA链；(4)聚丙烯酰胺凝胶电泳将DNA链按长短分开；(5)根据放射自显影显示区带，直接读出DNA的核苷酸序列,如下图所示：

第一百二十六页，共一百五十六页，编辑于2023年，星期四DNA的化学测序示意图

反应试剂G反应：硫酸二甲酯G+A反应：甲酸T+C反应：肼C反应：NaCl+肼第一百二十七页，共一百五十六页，编辑于2023年，星期四1、G反应：用硫酸二甲酯（DMS）使鸟嘌呤上的N7原子甲基化。甲基化的鸟嘌呤与脱氧戊糖之间的糖苷键在中性环境中加热而断裂，鸟嘌呤碱基脱落，多核苷酸骨架在鸟嘌呤处发生断裂。2、G+A反应：用甲酸使A和G嘌呤环上的N原子质子化，从而使其糖苷键变得不稳定，再用哌啶使嘌呤脱落。3、T+C反应：用肼使T和C的嘧啶环断裂，再用哌啶除去碱基。4、C反应：当有NaCl存在时，只有C与肼发生反应，T不发生反应。断裂的C可用哌啶除去。第一百二十八页，共一百五十六页，编辑于2023年，星期四3、测序技术进展

同位素标记到荧光标记,平板电泳到毛细管电泳

同位素标记平板电泳单色荧光标记平板电泳多色荧光标记毛细管电泳

ACGTACGT测序图谱TA

TTGCATTGTC

TGCATTGT

CT第一百二十九页，共一百五十六页，编辑于2023年，星期四PCR是模拟体内DNA复制条件，应用DNA聚合酶反应，特异性扩增某一DNA片段的技术。体外程序化的DNA合成技术。（四）聚合酶链反应（polymerasechainreaction,PCR）第一百三十页，共一百五十六页，编辑于2023年，星期四5Primer15Primer2Cycle2Cycle1555555TemplateDNA555555551、基本工作原理第一百三十一页，共一百五十六页，编辑于2023年，星期四Cycle3555555555555555525～30次循环后，模板DNA的含量可以扩大100万倍以上。第一百三十二页，共一百五十六页，编辑于2023年，星期四第一百三十三页，共一百五十六页，编辑于2023年，星期四2、PCR反应体系引物（primer）酶（TaqDNApolymerase）dNTP（dATP,dGTP,dCTP,dTTP）模板（template）Mg2+（magnesium）第一百三十四页，共一百五十六页，编辑于2023年，星期四PCR影响因素引物的长度、碱基组成和浓度、模板的浓度、镁离子的浓度、退火温度、延伸时间及循环周期数。第一百三十五页，共一百五十六页，编辑于2023年，星期四⑴引物设计

对整个PCR扩增体系，引物的设计占有十分重要的地位。PCR效率和特异性取决于两个方面。一是引物与模板的特异结合，二是多聚酶对引物的有效延伸。引物设计的总原则就是提高扩增的效率和特异性。第一百三十六页，共一百五十六页，编辑于2023年，星期四引物设计的一般原则：①引物长度以15-25为宜。引物过短时会使特异性降低，过长时则成本增加，且也会降低特异性。②引物碱基尽可能随机分布，避免出现嘌呤、嘧啶堆积现象。引物G+C含量宜在45%-55%。③引物内部不应形成二级结构，两个引物之间尤其在3´末端不应有互补链存在。第一百三十七页，共一百五十六页，编辑于2023年，星期四④引物的碱基顺序不应与非扩增区域有同源性。要求在引物设计时采用计算机进行辅助检索分析。⑤引物3´末端碱基：要求3´末端与模板DNA一定要配对。3´末端的末位碱基最好选T、C、G，而不选A。⑥引物5´末端碱基：没有严格的限制，只要与模板DNA结合的引物长度足够，其5´末端碱基可以不与模板DNA匹配而呈游离状态。第一百三十八页，共一百五十六页，编辑于2023年，星期四引物浓度

一般为10-100pmol/L，引物浓度偏高会引起错配和非特异性产物扩增，且可增加引物之间形成二聚体的机率，这两者还由于竞争使用酶，dNTP和引物，这一切均会使DNA合成产率