第二章核酸的化学

第二章核酸的化学1第1页，课件共64页，创作于2023年2月细胞的分类

根据生物的进化程度，细胞可以分为两大类：原核细胞和真核细胞第2页，课件共64页，创作于2023年2月1、原核细胞

原核细胞是一类进化程度低，结构最简单的一类细胞。属于原核细胞的有细菌和蓝藻等。原核细胞的结构

原核细胞的特点:原核细胞的外层是细胞壁和细胞膜（质膜），内部为细胞质。细胞质的结构非常简单，没有明显的细胞器（由封闭的生物膜包裹的固体质粒），只有原始的细胞核（无核膜和核仁）和其它一些核糖核蛋白体等。第3页，课件共64页，创作于2023年2月2、真核细胞真核细胞是高等植物和动物的基本组织单位。真核细胞的外层为细胞膜（植物细胞还有一层细胞壁），内部为细胞质。真核细胞的结构细胞质的结构非常复杂，含有许多细胞器，主要有：细胞核、线粒体、核糖核蛋白体、高尔基体和溶酶体等。植物细胞中还含有质体、叶绿体和液泡等。各个细胞器具有不同的生物功能，它们之间的协调运作，使细胞内的代谢和各种生理活动能够有条不紊地进行。第4页，课件共64页，创作于2023年2月一、核酸的研究历史和重要性1869

Miescher从脓细胞的细胞核中分离出了一种含磷酸的有机物，当时称为核素,后称为核酸（nucleicacid）；1944Avery等通过肺炎球菌转化试验证明DNA是遗传物质；1953Watson和Crick提出DNA结构的双螺旋模型；1958Crick提出遗传信息传递的中心法则；70年代建立DNA重组技术；80年代以后分子生物学、分子遗传学等学科突飞猛进发展，实施人类基因组计划（HGP）。第5页，课件共64页，创作于2023年2月

定义：核酸是由许多核苷酸单元按一定顺序连接所组成的多核苷酸。作用：核酸是遗传变异的物质基础，是遗传信息的载体分子生物学的中心法则

遗传信息从DNA传递给RNA，再从RNA传递给蛋白质的转录和翻译的过程，以及遗传信息从DNA传递给DNA的复制过程。二、核酸分类第6页，课件共64页，创作于2023年2月

脱氧核糖核酸(DNA)

核酸分类核糖核酸(RNA)第7页，课件共64页，创作于2023年2月

遗传信息的贮存和携带者，生物的主要遗传物质。在真核细胞中，DNA主要集中在细胞核内，线粒体和叶绿体中均有各自的DNA。原核细胞没有明显的细胞核结构，DNA存在于称为类核的结构区。每个原核细胞只有一个染色体，每个染色体含一个双链环状DNA。脱氧核糖核酸（DNA）第8页，课件共64页，创作于2023年2月核糖核酸（RNA）

主要参与遗传信息的传递和表达过程，细胞内的RNA主要存在于细胞质中，少量存在于细胞核中，病毒中RNA是遗传信息的储存者。发现有些RNA具生物催化作用,RNA为单链分子。第9页，课件共64页，创作于2023年2月二、核酸的组成成分第10页，课件共64页，创作于2023年2月RNA含β－D－核糖DNA含β－D－2－脱氧核糖β

－D－2－O－甲基核糖

1、核糖和脱氧核糖

第11页，课件共64页，创作于2023年2月2、碱基-嘧啶碱和嘌呤碱1）嘧啶碱胞嘧啶C尿嘧啶U胸腺嘧啶T修饰碱第12页，课件共64页，创作于2023年2月腺嘌呤A鸟嘌呤G修饰碱嘌呤2）嘌呤碱

第13页，课件共64页，创作于2023年2月3）碱基的结构特征胞嘧啶C尿嘧啶U胸腺嘧啶T腺嘌呤A鸟嘌呤G

碱基都具有芳香环的结构特征,嘌呤环和嘧啶环均呈平面或接近于平面的结构。第14页，课件共64页，创作于2023年2月

碱基的芳香环与环外基团可以发生酮式—烯醇式或胺式—亚胺式互变异构。第15页，课件共64页，创作于2023年2月DNA：4）核酸碱基组成腺嘌呤(A),鸟嘌呤(G)，胞嘧啶(C)，胸腺嘧啶(T)腺嘌呤(A),鸟嘌呤(G)，胞嘧啶(C)，尿嘧啶(U)RNA:5—甲基尿嘧啶

第16页，课件共64页，创作于2023年2月3、核苷

糖与碱基之间的C-N键，称为C-N糖苷键AGCU191′1′脱氧胸苷（dT;T)假尿苷（φ）第17页，课件共64页，创作于2023年2月4、核苷酸核苷的核糖上的羟基与磷酸酯化

核苷酸的表示：1）各种核酸苷用英文缩写表示，如腺苷酸为AMP,鸟苷酸为GMP。脱氧核苷酸则在英文缩写前加小写d，如dAMP，dGMP等。2）在核苷符号左侧加p表示5′-磷酸酯，pA表示5′-腺苷酸；在核苷符号右侧加p表示3′-磷酸酯，Cp表示3′-胞苷酸。AdTdTMPAMP5′-磷酸化5′-磷酸化第18页，课件共64页，创作于2023年2月5、核苷酸衍生物1)、继续磷酸化第19页，课件共64页，创作于2023年2月特征：（1）连接键：3′,5′-磷酸二酯键；（2）主链：相间排列戊糖、磷酸；（3）碱基在主链的侧链；（4）主链在细胞pH值下带负电荷；2）核苷酸的连接第20页，课件共64页，创作于2023年2月（6）多聚核苷酸链具有方向性，当表示一个多聚核苷酸链时，必须注明它的方向是5′→3′或是3′→5′。（5）5′-磷酸端（常用5′-P表示）；3′-羟基端（常用3′-OH表示）；第21页，课件共64页，创作于2023年2月6、多聚核苷酸的表示方式DNARNA5′PdAPdCPdGPdTOH3′5′PAPCPGPUOH′

或5′ACGTGCGT3′5′ACGUAUGU3′

ACGTGCGTACGUAUGUT5’3’OHU5’3’OHOHOHOHOH核酸的一级结构

第22页，课件共64页，创作于2023年2月三、DNA的结构1、DNA的一级结构DNA由数量庞大的4种脱氧核苷酸通过3′，5′-磷酸二酯键连接而成的。DNA的一级结构是脱氧核苷酸在分子中的排列顺序(序列)。DNA序列测定方法：Sanger双脱氧链终止法和Maxam－GilbertDNA化学降解法。多核苷酸链均有5′

-末端和3′

-末端。DNA的碱基顺序是遗传信息存储的分子形式。生物界物种的多样性寓于DNA分子中四种核苷酸千变万化的不同排列组合之中。5´3´第23页，课件共64页，创作于2023年2月2、DNA的双螺旋二级结构

1）双螺旋结构模型的主要依据

①x—光衍射

发现不同来源的DNA纤维具有相似的x—光衍射图谱。X—光衍射数据说明DNA含有2条或2条以上具有螺旋结构的多核苷酸链，而且沿纤维长轴有0.34nm和3.4nm两个重复的周期性变化。第24页，课件共64页，创作于2023年2月②关于碱基成对的证据DNA中的腺嘌呤(A)和胸腺嘧啶(T)的数目相等，胞嘧啶(C)的数目和鸟嘌呤(G)的数目相等，腺嘌呤(A)和胸腺嘧啶(T)间可以生成两个氢键；而胞嘧啶(C)和鸟嘌呤(G)之间可以允许生成三个氢键。第25页，课件共64页，创作于2023年2月③

电位滴定行为

通过电位确定法证明DNA的磷酸基可以滴定，而嘌呤和嘧啶的氨基一NH2则不能滴定，它们是用氢键连接起来的。第26页，课件共64页，创作于2023年2月2）

双螺旋结构模型的要点

(1)DNA分子是由两条方向相反的平行多核苷酸链构成。

第27页，课件共64页，创作于2023年2月

两条链的糖-磷酸主链都是右手螺旋，有一共同的螺旋轴，螺旋表面有一条大沟和一条小沟。第28页，课件共64页，创作于2023年2月(2)

碱基成对规律

螺旋直径:2nm碱基在主链内侧第29页，课件共64页，创作于2023年2月A=T，T=A第30页，课件共64页，创作于2023年2月第31页，课件共64页，创作于2023年2月糖平面与螺旋轴基本平行，磷酸基连在糖环的外侧。(3)成对碱基大致处于同一平面，该平面与螺旋轴基本垂直。相邻碱基对平面间的距离为0.34nm，使碱基平面间的π电子云可在一定程度上互相交盖，形成碱基堆积力。双螺旋每转一周有10个碱基对，每转的高度(螺距)为3.4nm。DNA分子的大小常用碱基对数(bP)表示，而单链分子的大小则常用碱基数(b)来表示。2.0nm小沟大沟第32页，课件共64页，创作于2023年2月(4）大多数天然DNA属双链结构DNA，某些病毒如φ174和M13的DNA是单链分子DNA。(5)双链DNA分子主链上的化学键受碱基配对等因素影响旋转受到限制，使DNA分子较刚硬，比较伸展的结构。—些化学键亦可在—定范围内旋转，使DNA分子有—定的柔韧性，双螺旋结构可以发生一定的变化而形成不同的类型，亦可进一步扭曲成三级结构。2.0nm小沟大沟第33页，课件共64页，创作于2023年2月B型结构（92%钠盐）两条链反向平行，右手螺旋双螺旋每转一周为10碱基对）A型结构（75%钠盐）碱基平面倾斜20º，螺旋变粗变短，螺距2～3nm。Z型结构左手螺旋，只有小沟DNA双螺旋构象类型第34页，课件共64页，创作于2023年2月A-DNAZ-DNAB-DNAABZ外型粗短适中细长螺旋方向右手右手左手螺旋直径2.55nm2.37nm1.84nm碱基直升0.23nm0.34nm0.38nm每圈碱基数1110.412轴心与碱基对关系2.46nm3.32nm4.56nm碱基倾角1901090糖苷键构象反式反式C、T反式，G顺式大沟很窄很深很宽较深平坦小沟很宽、浅窄、深较窄很深三种DNA双螺旋构象比较第35页，课件共64页，创作于2023年2月3）双螺旋稳定的力氢键碱基堆积力（疏水相互作用及范德华力）离子键等2.0nm小沟大沟第36页，课件共64页，创作于2023年2月4）DNA的双螺旋结构的意义

揭示了DNA作为遗传物质的稳定性特征，最有价值的是确认了碱基配对原则，是DNA复制、转录和反转录的分子基础，亦是遗传信息传递和表达的分子基础。该模型的提出是20世纪生命科学的重大突破之一，它奠定了生物化学和分子生物学乃至整个生命科学飞速发展的基石。2.0nm小沟大沟第37页，课件共64页，创作于2023年2月

在细胞内，由于DNA分子与其它分子（主要是蛋白质）的相互作用，使DNA双螺旋进一步扭曲形成的高级结构，其中，超螺旋是最常见也是研究最多的DNA三级结构。

3、DNA的三级结构第38页，课件共64页，创作于2023年2月四、RNA的结构与功能

RNA的结构一、结构特点碱基组成A、G、C、U（A＝U/G≡C）稀有碱基较多，稳定性较差，易水解多为单链结构，少数局部形成螺旋分子较小分类mRNAtRNArRNA第39页，课件共64页，创作于2023年2月1、tRNA(转移RNA)约占总RNA的10-15%；在蛋白质生物合成中，将相应的氨基酸转运到核糖核蛋白体；每一个氨基酸至少有一个相应的tRNA；tRNA分子的大小很相似，链长一般在73-78个核苷酸之间。第40页，课件共64页，创作于2023年2月1)tRNA的二级结构分子中含有较多的修饰成分。3'-末端都具有CpCpAOH的结构。A＝U/G≡C第41页，课件共64页，创作于2023年2月2）三叶草叶型结构的主要特征氨基酸臂

二氢尿嘧啶区(D臂,D环)反密码区(反密码臂,反密码环)TφC区(TφC臂,TφC环可变区第42页，课件共64页，创作于2023年2月第43页，课件共64页，创作于2023年2月3）tRNA的三级结构

在tRNA的三叶草形二级结构基础上，突环上未配对的碱基因分子结构扭曲而形成配对，形成了tRNA的三级结构，倒L型结构。第44页，课件共64页，创作于2023年2月氨基酸臂和TψC臂沿同一轴排列倒L型结构反密子臂和D臂沿同一轴排列D环和TψC环构成倒L的转角第45页，课件共64页，创作于2023年2月2、rRNA(核糖体RNA)约占全部RNA的80%；核糖核蛋白体的主要组成部分（40%蛋白质和60%rRNA

）；核糖体是蛋白质合成的场所，参与蛋白质的生物合成。rRNA是细胞中含量最多的一类RNA，且分子量比较大，代谢都不活跃，种类仅有几种，原核生物中主要有5SrRNA、16SrRNA和23SrRNA三种，真核生物中主要有5SrRNA、5.8SrRNA、18SrRNA和28SrRNA四种。

第46页，课件共64页，创作于2023年2月3、mRNA(信使RNA)约占总RNA的5%。mRNA碱基顺序，直接为蛋白质的氨基酸编码，并决定蛋白质的氨基酸顺序。不同细胞的mRNA的链长和分子量差异很大功能是将DNA的遗传信息传递到蛋白质合成基地（核糖核蛋白体）。第47页，课件共64页，创作于2023年2月五、核酸的性质

核酸的性质是由其组成成分和结构决定的。核酸的主要组分：碱基、戊糖和磷酸。

核酸的结构特点：相对分子质量大，分子中具有共轭双键、氢键、糖苷键和3′，5′-磷酸二酯键，许多活性基团，如羟基、磷酸基、氨基。第48页，课件共64页，创作于2023年2月1）两性电解质：核酸和核苷酸既有磷酸基，又有碱性基团，是两性电解质，因磷酸的酸性强，常表现为酸性。1、一般性质2）溶解性：一般都微溶于水，不溶于乙醇、乙醚、氯仿等有机溶剂。常用乙醇从溶液中沉淀核酸。

核酸、核苷酸、碱基在水中的溶解度依次减小，但核酸的钠盐比自由酸易溶于水。

RNA和核苷酸、核苷、碱基的纯品都是白色粉末或结晶，DNA为疏松的石棉一样的纤维状结晶。

第49页，课件共64页，创作于2023年2月3）水解

4）分析鉴定D－核糖浓盐酸和苔黑酚(甲基间苯二酚)共热绿色D－2－脱氧核糖酸和二苯胺共热蓝紫色

核酸可被酸、碱或酶水解成为各种组分，用层析、电泳等方法分离，其水解程度因水解条件而异。RNA能在室温条件下被稀碱水解成核苷酸而DNA对碱较稳定。第50页，课件共64页，创作于2023年2月2、核酸的紫外吸收

在核酸分子中，嘌呤碱和嘧啶碱具有共轭双键体系，具有紫外线吸收光谱，一般在260nm左右有最大吸收峰，作为核酸及其组份定性和定量测定的依据。嘌呤嘧啶第51页，课件共64页，创作于2023年2月3、核酸的结构稳定性

1）碱基对间的氢键

2）碱基堆积

3）环境中的正离子

第52页，课件共64页，创作于2023年2月4、核酸的变性1)核酸的变性：核酸双螺旋区的多聚核苷酸链间的氢键断裂，变成单链结构的过程。变性核酸将失去其部分或全部的生物活性。核酸的变性不涉及磷酸二酯键的断裂，它的一级结构(碱基顺序)保持不变。引起核酸变性的因素：温度升高、酸碱度改变、甲醛和尿素等存在均可引起核酸的变性。第53页，课件共64页，创作于2023年2月2）DNA变性分子由具有一定刚性变为无规则线团，溶液的粘度降低，沉降速度增加；（1）DNA变性后的特征藏在里面的碱基全部暴露出来，核酸的紫外吸收值急剧增加;生物活性丧失。第54页，课件共64页，创作于2023年2月（2）热变性和Tm

紫外吸收的增加且达最大增量一半时的温度值称熔解温度(Tm

)。DNA的变性过程是突变性的，在很窄的温度区间内完成。一般DNA的Tm值在70-85C之间第55页，课件共64页，创作于2023年2月（3）影响Tm的因素

①G—C对含量G、C对相对含量愈高、Tm愈高。经验公式为：(G+C)％＝(Tm—69.3)x2.44②溶液的离子强度

离子强度较低的介质中，Tm较低。在纯水中，DNA在室温下即可变性。第56页，课件共64页，创作于2023年2月③溶液的pH

高pH下碱基去质子而丧失形成氢键的能力，pH大于11.3时，DNA完全变性;pH低于5.0时，DNA易脱嘌呤。对单链DNA进行电泳时，常在凝胶中加人NaOH以维持变性状态。④变性剂

甲酰胺、尿素、甲醛等可破坏氢键，妨碍碱基堆积，使Tm下降。对单链DNA进行电泳时常使用上述变性剂。第57页，课件共64页，创作于2023年2月5、核酸的复性1）复性的过程

变性核酸的互补链在适当条件下重新缔合成双螺旋的过程称复性。

将热变性的DNA骤然冷却至低温时，DNA不可能复性。变性的DNA缓慢冷却时可复性，称为“退火”。

较合适的复性温度Tm－25℃

DNA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，具有减色效应。第58页，课件共64页，创作于2023年2月(1)单链片段浓度越高，随