第二章 核酸教材

第一部分生物大分子第二章核酸1868

F.

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（nuclein,后称为核酸nucleicacid）（细胞核化学创始人和DNA发现者）1944

Avery

等通过肺炎球菌转化试验证明DNA是遗传物质。1952

Hershey-Chase噬菌体标记实验。1953

Watson和Crick提出DNA结构的双螺旋模型。1958

Crick提出遗传信息传递的中心法则。1973

Boyer,Cohen首次DNA重组成功。1976DNASequencing(序列分析）。1991HumanGeneProject（人类基因组计划）。核酸的发展简史光滑型细胞（有毒）粗糙型细胞（无毒）破碎细胞DNAase降解后的DNA粗糙型细胞接受光滑型DNA只有粗糙型大多数仍为粗糙型少数光滑型细胞被转化SSRRR+DNA1944年Avery细菌转化实验1952年，美国Hershey-Chase噬菌体浸染细菌的实验。第二章核酸

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掌握内容讲授

本章要点回顾

本章习题本章内容简介本章主要介绍了核酸的结构与功能、重要的理化性质。重点掌握:DNA和RNA在组分、结构和功能上的差异；核酸的紫外吸收、变性、复性与杂交。掌握内容讲授2.1

核酸的结构与功能2.2DNA的结构与功能2.3RNA的结构与功能2.4

核酸重要理化性质2.1核酸的结构与功能脱氧核糖核酸（DNA—Deoxyribonucleicacid)、核糖核酸（RNA—Ribonucleicacid)P含量平均，在DNA中9.9%；在RNA中9.4%核酸的结构单元是核苷酸2.1.1核苷酸的组成

碱基、戊糖、核苷、核苷酸2.1.2核苷酸的衍生物核酸nucleicacid核苷酸nucleotide核苷nucleoside磷酸phosphate嘌呤碱purinebase

嘧啶碱pyrimidinebase（碱基base）核糖ribose

脱氧核糖deoxyribose

（戊糖amylsugar）(结构单元)NNNNHHHHNNNNHHHH123456789嘌呤NH2腺嘌呤adenine（A）NNNNHHHHOH2N鸟嘌呤guanine（G）基本碱基（嘌呤碱基和嘧啶碱基）、稀有/修饰碱基NNHHHH嘧啶123456NNHHHHNH2OH胞嘧啶cytosine（C）NNHHHHOOHH尿嘧啶uracil（U）NNHHHHOOHHCH3胸腺嘧啶thymine（T）二氢尿嘧啶（DHU/D）

核酸中也存在一些不常见的稀有碱基,大部分是上述碱基的甲基化或羟甲基化或加氢还原的产物戊糖：核糖和脱氧核糖OHOH2COHOHOH12OHOH2COHHOH12β-D-2-核糖β-D-2-脱氧核糖H核糖+H+糠醛甲基间苯二酚FeCl3绿色产物Δ脱氧核糖+H+

Δω-羟基-γ-酮戊醛二苯胺蓝色产物RNA和DNA定性、定量测定

两类核酸的基本成分区别核苷：戊糖+碱基；核糖核苷和脱氧核糖核苷糖与碱基之间的C-N键，称为C-N糖苷键(脱氧)腺苷、(脱氧)胞苷、(脱氧)鸟苷、尿苷、(脱氧)胸苷1’2’3’4’5’(OH)1’2’3’4’5’(OH)核苷戊糖的C1′与嘧啶碱的N1连接成的糖苷键戊糖的C1′与嘌呤碱的N9连接成的糖苷键OO（N=A、G、C、U、T）HH(O)H1´2´NOHCH2HH5´4´3´PO-OOO-核苷酸(核苷的磷酸酯,核酸的基本组成单位)核苷分子中戊糖环上的羟基磷酸化

多为5´—（脱氧）核糖核苷酸

（脱氧）腺苷酸、（脱氧）鸟苷酸……PPPPPPPP常见（脱氧）核苷酸的结构和命名鸟嘌呤核苷酸（GMP）尿嘧啶核苷酸（UMP）胞嘧啶核苷酸（CMP）腺嘌呤核苷酸（AMP）脱氧腺嘌呤核苷酸（dAMP）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）

5´-NMP5´-NDP5´-NTPN=A、G、C、U

5´-dNMP5´-dNDP5´-dNTPN=A、G、C、T腺苷酸及其多磷酸化合物

AMP腺苷一磷酸

Adenosine

monophosphate

ADP腺苷二磷酸

Adenosine

diphosphate

ATP腺苷三磷酸

Adenosine

triphosphate1.继续磷酸化——多磷酸核苷作为合成原料:各种核苷三磷酸(ATP、GTP、CTP、UTP）是体内合成RNA的直接原料；各种脱氧核苷三磷酸（dATP、dGTP、dCTP、dTTP）是体内合成DNA直接原料多磷酸核苷酸具有重要生物学作用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作为辅酶组成成分：NAD+、NADP+、FAD、FMN、HSCoA是核酸的衍生物，在物质和能量代谢中起重要作用参与新陈代谢2.环化磷酸化

cAMP

cGMP第二信使—cAMP(3′5′—环化腺苷酸)由ATP在腺苷酸环化酶催化形成；其拮抗物为cGMP(3′5′—环化鸟苷酸)；共同在细胞的生长发育中起重要调节作用。碱基、核苷、核苷酸的概念和关系

NitrogenousbasePentosesugarHOCH2HOHDoxyribose(inDNA)HOCH2HOOHRibose(inRNA)PhosphatePyrimidinesCytosineThymineUracilCUTPurinesAdenineGuanineAG核苷核苷酸糖苷键5′—磷酸酯键核酸的生物功能：核酸是生物体遗传变异的物质基础，DNA是大多数生物体的遗传物质。RNA主要参与蛋白质的生物合成。RNA功能具有多样性，还有：RNA的转录后加工与修饰、参与基因表达的调控、催化作用如核酶、遗传信息的加工、病毒RNA或类病毒是遗传信息的载体等。DNA是主要的遗传物质(1):原核生物:没有细胞核,它的DNA存在于一个叫“类核/拟核”的结构中。在某些细菌具有以质粒形式存在的DNA。质粒：plasmid，指染色体外基因，能自主复制，并给出附加的性状。(2)：真核生物：不同种的生物细胞的DNA含量相差很大，但同种生物细胞的DNA含量总是相同的；DNA在细胞核内呈高度卷曲的双股螺旋线性分子，与组蛋白结合形成染色体；线粒体和叶绿体也含有DNA，但不与组蛋白结合，分子也较小。(3)：原核生物染色体DNA，质粒DNA，真核生物细胞器DNA都是环状双链DNA；真核生物染色体DNA是线形双链DNA，末端具有高度重复序列形成的端粒结构。除少数病毒（RNA病毒）以RNA作为遗传物质外，多数有机体的遗传物质是DNA。RNA在蛋白质的

生物合成中起重要作用基因功能的表达是以蛋白质的形式体现出来的。大量的实验证明：RNA在蛋白质生物合成中起着重要作用，即RNA的核心功能是：遗传信息由DNA到蛋白质的中间传递体。2.2DNA的结构与功能2.2.1DNA的分子组成2.2.2DNA的分子结构与功能㈠、

DNA的一级结构㈡、

DNA的二级结构㈢、

DNA的三级结构㈣、

DNA与蛋白质复合物的结构

——染色体2.2DNA的结构与功能DNA的基本组成单位是脱氧核苷酸主要有dAMP、dGMP、dCMP、dTMPDNA的碱基组成特点：A=T；G=C；A+G=T+C；具有种的特异性，没有器官和组织的特异性5’5’3’3’DNA一级结构：核苷酸的排列顺序。每个核苷酸戊糖上3′-OH和相邻核苷酸戊糖上5′-磷酸形成3′，5′

---磷酸二酯键相连成长链结构式5′-磷酸端（常用5′-P表示）；3′-羟基端（常用3′-OH表示）核苷酸链具有方向性，当表示一个核苷酸链时，必须注明它的方向，一般是5′→3′。DNA一级结构的概念、特点与功能：概念：脱氧核苷酸（碱基）在分子中的排列顺序DNA分子一级结构特点A:DNA是没有分支的多核苷酸长链，各脱氧核苷酸之间以3′5′—磷酸二酯键相连B：相间排列的戊糖和磷酸构成脱氧核糖核酸大分子的主链，而其碱基则可看成是侧链基团；HHH5´3´OHC:天然DNA分子长链的两端，总是有一个核糖带有自由的5′-磷酸，而另一端的核糖带有自由的3′-OH。DNA的方向就是从5′端到3′端；D:DNA分子的核糖的2′位上没有自由羟基,这DNA作为主要遗传物质极其稳定的根本原因，特别是对于碱的抵抗力DNA分子一级结构的意义:不仅在于它的碱基排列可通过转录以密码子的方式蕴藏了遗传信息,而且还决定了DNA的二级结构和空间结构。生物界物种的多样性即寓于DNA分子中四种核苷酸千变万化的不同排列组合之中。Watson

和Crick

于1953年提出了DNA双螺旋结构模型，说明了DNA的二级结构。（即B型DNA）双螺旋结构的结构特点（1）主链：脱氧核糖和磷酸基通过3′5′—磷酸二酯键连接成为螺旋的主链骨架，二条主链以反平行方式组成右手螺旋；主链处于螺旋外侧，这是由核糖和磷酸的亲水性所决定的；核糖平面与螺旋轴平行，碱基处于螺旋的内侧

(2)直径与螺距:螺旋的直径为2nm；螺距（双螺旋链中的任意一条链绕轴一周所升降的距离）为3.4nm,其中包含10个核苷酸,因此同一条链上相邻碱基之间的轴向距离(碱基堆积距离)0.34nm,相对于螺旋轴移动36°.2.0nm（3）碱基对：由于双螺旋结构要求有一个正常的螺旋形式，就必须按碱基互补的原则进行碱基配对；嘌呤环和嘧啶环上的氨基和酮基是亲水的，两条链配对的碱基之间能够形成氢键；而嘌呤环和嘧啶环本身都是疏水的，因而同一条链中的相邻碱基能够形成一种堆积力；这两种力的协同作用就维持了双螺旋结构的稳定性(4)大沟小沟:两条主链和碱基并不充满双螺旋的空间,其表面形成两条凹槽,一条宽而深为大沟；一条狭而浅为小沟。特别是大沟,对于Pr识别DNA双螺旋结构上的特定信息是非常重要的。因为只有在沟内，Pr才能“感觉”到不同碱基顺序，而在双螺旋的表面全是相同的磷酸和脱氧核糖的骨架，是没有什么信息可言的2.0nm小沟大沟AB

Z外型粗短适中细长螺旋方向右手右手

左手螺旋直径2.55nm2nm1.84nm螺距0.23nm0.34nm0.38nm碱基夹角32.70

34.6060.00每圈碱基数1110.412轴心与碱基对关系2.46nm3.32nm4.56nm碱基倾角190

10

90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DNA双螺旋的构象类型DNA的三级结构——超螺旋1）超螺旋是指双螺旋进一步扭曲或再螺旋的构象。2）正超螺旋（变紧，过旋）和负超螺旋（变松，欠旋）。3）人类46条染色体的

DNA总长可达1.7-2.0m，经过螺旋化压缩，实际总长只有200nm。真核生物的基因一般分布在若干条染色体上DNA与组蛋白结合成染色体组蛋白是真核生物染色体的基本结构蛋白，富含带正电荷的Arg和Lys等碱性氨基酸，pI一般在10.0以上，属碱性蛋白质，可以和酸性的DNA紧密结合，而且一般不要求特殊的核苷酸序列核小体——染色体的基本结构单位DNA压缩的基本原则是在螺旋上形成螺旋，再形成螺旋组蛋白与DNA的结合真核生物染色体DNA组装的不同层次的结构DNA核小体链纤丝突环玫瑰花结螺旋圈染色体2.3RNA的结构与功能2.3.1RNA的分子组成和种类2.3.2RNA的分子结构㈠、

RNA的一级结构㈡、

RNA的二级结构㈢、

RNA的三级结构㈣、

mRNA㈤、

tRNA㈥、

rRNA

㈦、反义RNA2.3RNA的结构与功能RNA的基本组成单位是核苷酸主要有AMP、GMP、CMP、UMP主要种类有mRNA、tRNA、rRNARNA的一级结构:

RNA分子中各核苷酸（碱基）的排列顺序叫做RNA的一级结构OHOHOH5´3´

RNA与DNA的差异

DNA

RNA糖脱氧核糖核糖碱基AGCTAGCU

不含稀有碱基含稀有碱基tRNA二级结构特征

单链三叶草叶形四臂四环酵母tRNA

Ala

的二级结构DHU/D环IGC反密码子反密码子环氨基酸臂可变环/额外环TψC环CCAAla3´5´D臂反密码子臂TψC臂1.氨基酸臂3′端有CCAOH的共有结构,与转运的Aa形成酯键；2.D环有二氢尿嘧啶(D/DHU),氨酰-tRNA合成酶的结合位点；3.反密码子环的反密码子与mRNA相互作用4.可变环上的核苷酸数目可以变动,决定tRNA分子大小；5.TψC环含有T和ψ,与核糖体结合位点；6.含有修饰碱基和不变核苷酸。tRNA三级结构特征：

1:形状象倒写的字母“L”2：Aa臂和TΨC臂沿同一轴排列，形成12bp连续螺旋；在与之垂直的方向，反密码子臂和D臂沿同一轴排列；D环和TΨC环构成倒L的转角，两环间的氢键和碱基堆积力稳定了转角的构象3.氢键使多核苷酸链的某些部分固定在一定的位置。所有的tRNA折叠后形成大小及三维构象相似的三级结构，有利于携带AA的tRNA进入核糖体的特定部位。

mRNA(messengerRNA)信使RNA，占细胞总RNA的5%左右，含量最少，代谢活跃。mRNA在蛋白质的生物合成中起模板作用。它将DNA的遗传信息传递给蛋白质。

原核生物mRNA特征：

先导区+翻译区（多顺反子）+末端序列真核生物mRNA特征：

“帽子”（m7G-5´ppp5´-N-3´p）+单顺反子+“尾巴”（PolyA）原核细胞mRNA的结构特点5´3´顺反子顺反子顺反子插入顺序插入顺序先导区末端顺序真核细胞mRNA的结构特点AAAAAAA-OH5´

“帽子”3´尾巴

PolyA顺反子m7G-5´ppp5´-N-3´ptRNA(transferRNA)转移RNA，是细胞中最小的一种RNA分子，占细胞总RNA的15%左右。是结构研究最清楚的一类RNA。在蛋白质的生物合成中，tRNA起携带、转运氨基酸的作用。rRNA(ribosomeRNA)核糖体RNA，细胞中最主要的RNA，占细胞中总RNA80%左右。原核细胞rRNA中有3种分别是:23SrRNA和5SrRNA(大亚基)、16SrRNA(小亚基);真核细胞rRNA中有4种分别是：28SrRNA和5.8SrRNA和5SrRNA(大亚基)、18SrRNA(小亚基)。它们与核糖体蛋白共同构成核糖体，成为蛋白质合成的场所。

原核生物核糖体组成真核生物核糖体组成ribosome组成：Mg2+

rRNA

PrrRNA的结构特征

与Pr组成核糖体后方能发挥其功能

单链，螺旋化程度较tRNA低，单链RNA自行盘绕形成局部双螺旋的多“茎”多“环”结构，螺旋部分称为“茎”或“臂”，非螺旋部分称为“环”。5srRNA的二级结构反义/调节RNA：碱基序列正好与有义mRNA互补的RNA，单链，其主要调控功能：作为DNA复制的抑制因子，与引物RNA互补结合抑制DNA复制在转录水平上与mRNA5′端互补，阻止RNA的合成转录是与mRNA配对结合形成双链，抑制mRNA作为模板进行翻译2.4核酸的重要理化性质2.4.1

核酸的一般物理性质2.4.2

核酸的两性性质及等电点2.4.3

核酸的水解2.4.4

核酸的紫外吸收2.4.5

核酸的变性、复性与杂交2.4.6

核酸含量的测定DNA为白色纤维状固体，RNA为白色粉末，不溶于有机溶剂DNA溶液的粘度极高，而RNA溶液要小得多RNA在室温条件下被稀碱水解而DNA对碱稳定利用核糖和脱氧核糖不同的显色反应鉴定DNA与RNA。加热条件下，D－核糖＋浓盐酸＋苔黑酚绿色D－2－脱氧核糖＋酸＋二苯胺蓝紫色核酸分子中既有酸性基团（磷酸基）又有弱碱性基团（碱基），具有两性性质磷酸是中等强度的酸，而碱基呈弱碱，所以核酸通常表现为酸性，其等电点比较低核酸分子内的酸性解离和碱性解离相等，本身所带的正电荷与负电荷相等时，该pH即为核酸的pIRNA的等电点比DNA的低，是由于其核糖的2′-OH通过氢键促进了磷酸基上质子的解离核酸在等电点时的溶解度最小核酸的水解:两种戊糖(核糖和脱氧核糖)的C1与嘌呤碱的N9和嘧啶碱的N1可以形成4种糖苷键，即嘌呤核苷、嘌呤脱氧核苷、嘧啶核苷、嘧啶脱氧核苷；磷酸基与两种戊糖分别形成核糖磷酸酯和脱氧核糖磷酸酯；相邻核苷酸通过3′，5′

---磷酸二酯键形成核酸所有这些糖苷键和磷酸酯键都能被酸水解、碱水解和酶水解。1′3′5′糖苷键磷酸酯键磷酸酯键酸水解：糖苷键和磷酸酯键都能被酸水解，但糖苷键比磷酸酯键更易被水解嘌呤碱的糖苷键比嘧啶碱的糖苷键更易被酸水解对酸最不稳定的是嘌呤与脱氧核糖之间的糖苷键碱水解:

RNA的磷酸酯键易被碱水解，产生核苷酸，这是因为RNA的核糖上有2′-OH，在碱作用下形成磷酸三酯，磷酸三酯极不稳定随即水解，产生核苷2′3′-环状磷酸酯，继续水解产生2′-核苷酸和3′-核苷酸。DNA的脱氧核糖无2′-OH，不能形成碱水解的中间产物磷酸三酯，故对碱有一定的抗性酶水解：专一性核酸酶类：专一水解核酸的3′,5′

---磷酸二酯键的磷酸二酯酶称为核酸酶核酸酶：（1）按作用底物专一性分类：A：RNases：作用于核糖核酸B：DNases:作用于脱氧核糖核酸核酸酶：(2):按对底物的作用方式分类:A:核酸内切酶:作用点在多核苷酸链的内部B:核酸外切酶:作用点从多核苷酸链的末端开始，逐个将核苷酸切下——最有应用价值的是——限制性内切酶限制性内切酶：降解外源的DNA，具有严格的碱基序列专一性（4～6bp），交错切割形成粘性末端。常与甲基化酶同时成对地存在，它们具有相同的底物专一性，具有识别相同碱基序列的能力。甲基化酶的甲基供体为S-腺苷Met，甲基受体为DNA上的A与C。当限制性内切酶作用位点上的某一些碱基被甲基化修饰后，限制酶就不能再降解这种DNA了；所以甲基化酶使细菌自身的DNA带上标志，限制性内切酶专用于降解外来入侵的异种DNA。互补双链正读反读一样旋转对称，在轴的两侧序列相同但反向紫外吸收嘌呤碱和嘧啶碱都含有共轭双键体系，在260nm有最高吸收峰；根据A260/A280的比值判断核酸样品的纯度纯DNA：A260/A280≥1.8

纯RNA：A260/A280≥2.0若样品中含有Pr则A260/A280比值明显降低，若样品中含有RNA则A260/A280比值明显升高可作为核酸变性和复性的指标，当核酸变性或降解时光吸收值显著增加(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)。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核酸的光吸收值比各核苷酸光吸收值的和少30~40%，这是在有规律的双螺旋结构中碱基紧密地堆积在一起造成的核酸的的变性:双螺旋区氢键断裂，空间结构破坏，形成单链无规则线团状，其实质为只涉及次级键的破坏，一级结构不变。有增色效应——变性后DNA对260nm