第4章 核酸化学.ppt

《第4章 核酸化学.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《第4章 核酸化学.ppt（105页珍藏版）》请在一课资料网上搜索。

1、第 4 章 核酸化学核酸化学n1868年 瑞士科学家米歇尔最早发现核酸。n1953年 美国生物化学家沃森，英国生物学家克里克发现DNA双螺旋结构模型。n1987年 日本生物学家、诺贝尔奖得主利根川进指出：“人类除外伤以外的所有疾病都与基因受损有关。”n1990年10月1日 人类基因组计划正式启动，包括中国在内的6个国家开始破译DNA密码，揭开了人类生命科学的新里程碑。n n19911999年11月 各种核酸营养保健品面世的混乱期，由于有些核酸保健品提取自廉价的调味品甚至化学品，所含DNA的碱基不全，长期使用对身体有危害，各国都制定了对核酸保健产品的规范。n n1999年12月 由日本生命科学研

2、究所（宇住晃治博士）和日本遗传基因营养学研究所（松永政司博士）共同开发出水溶性核酸胶原蛋白饮品，取得日本两项专利，开创了核酸营养健康食品的新纪元，对人类的健康维护和寿命的延长具有划时代意义。James Watson(left)and Francis Crickfor their discoveries concerning the molecular structure of nucleic acids and its significance for information transfer in living material The Nobel Prize in Physiology o

3、r Medicine 1962The Nobel Prize in Physiology or Medicine 1968 for their interpretation of the genetic code and its function in protein synthesis 人类基因组计划人类基因组计划Human Genome ProjectHuman Genome Projectn年月：被誉为生命科学年月：被誉为生命科学“阿波罗登月计划阿波罗登月计划”的的HGPHGP启动。启动。n年月：美国科学家年月：美国科学家克里格克里格 文特文特创建的塞莱拉遗传公司，目创建的塞莱拉遗传公司

4、，目标是投入亿美元，到年绘制出完整的人体基因组图谱，与标是投入亿美元，到年绘制出完整的人体基因组图谱，与国际国际HGPHGP展开竞争。展开竞争。n年月日：国际年月日：国际HGPHGP联合研究小组宣布，他们完整地破译联合研究小组宣布，他们完整地破译出人体第对染色体的遗传密码。出人体第对染色体的遗传密码。n年月日：当时的美国总统克林顿和英国首相布莱尔发年月日：当时的美国总统克林顿和英国首相布莱尔发表联合声明，呼吁将人类基因组研究成果公开，以便世界各国科学家表联合声明，呼吁将人类基因组研究成果公开，以便世界各国科学家都能自由地使用这些成果。都能自由地使用这些成果。n年月：国际年月：国际HGPHGP完

5、成时间预计从原定的年月提前完成时间预计从原定的年月提前至年月。至年月。n年月日：科学家公布人类基因组年月日：科学家公布人类基因组“工作框架图工作框架图”。n年年2 2月：国际月：国际HGP(HGP(美、英、日、德、法和中国美、英、日、德、法和中国)的科学家和美的科学家和美国塞莱拉公司分别宣布完成绘制人类基因组测序草图。分别在国塞莱拉公司分别宣布完成绘制人类基因组测序草图。分别在1515日出日出版的版的NatureNature和和1616日的日的ScienceScience公布。公布。青山衬托之下，是一片金灿灿青山衬托之下，是一片金灿灿的中国水稻梯田。的中国水稻梯田。20022002年年4 4月

6、月5 5日以中国梯田为封面的日以中国梯田为封面的 ScienceScience杂志以杂志以1414页篇幅率先发页篇幅率先发表了一个重大成果表了一个重大成果中国人独中国人独立完成的论文立完成的论文水稻（籼稻）水稻（籼稻）基因组的工作框架序列基因组的工作框架序列，显，显示对中国科学家成就充分肯定。示对中国科学家成就充分肯定。COVER Photograph of the Honghe Hani rice terraces in Yunnan Province,China.In this issue,two separate research groups report draft sequence

7、s of two strains of rice-japonica and indica.In addition,the Editorial,News Focus,Letters,and Perspectives highlight the significance of the rice genome to the worlds population.Image:Liwen Ma and Baoxing Qiu,Beijing Genomics Institute核核 酸酸(nucleic acid)当时是指从细胞核中分离出来的酸性物质。当时是指从细胞核中分离出来的酸性物质。是以核苷酸为基本

8、组成单位的生物大分子，携是以核苷酸为基本组成单位的生物大分子，携带和传递遗传信息。带和传递遗传信息。一、核酸的发现和研究工作进展一、核酸的发现和研究工作进展 n1868年年 Fridrich Miescher从脓细胞中提取从脓细胞中提取“核素核素”n1944年年 Avery等人等人证实证实DNA是遗传物质是遗传物质n1953年年 Watson和和Crick发现发现DNA的双螺旋结构的双螺旋结构n1968年年 Nirenberg发现发现遗传密码遗传密码n1975年年 Temin和和Baltimore发现发现逆转录酶逆转录酶n1981年年 Gilbert和和Sanger建立建立DNA 测序方法测序

9、方法n1985年年 Mullis发明发明PCR 技术技术n1990年年 美国启动美国启动人类基因组计划人类基因组计划(HGP)n1994年年 中国人类基因组计划启动中国人类基因组计划启动n2001年年 美、英等国美、英等国完成人类基因组计划基本框架完成人类基因组计划基本框架 1.1.核糖核酸（核糖核酸（RNARNA）2.2.脱氧核糖核酸（脱氧核糖核酸（DNADNA）二、核酸的分类及分布二、核酸的分类及分布 90%90%以上分布于细胞核，其余分布于核外以上分布于细胞核，其余分布于核外如如线粒体，叶绿体，质粒等。线粒体，叶绿体，质粒等。分布于胞核分布于胞核（10%10%）、胞液、胞液（90%90%

10、）。(deoxyribonucleic acid,DNA)(ribonucleic acid,RNA)脱氧核糖核酸脱氧核糖核酸 核糖核酸核糖核酸存储和传递遗传信息，决定细存储和传递遗传信息，决定细胞和个体的基因型胞和个体的基因型(genotype)。参与细胞内参与细胞内DNA遗传信息的翻遗传信息的翻译和表达。某些病毒译和表达。某些病毒RNA也可也可作为遗传信息的载体。作为遗传信息的载体。(deoxyribonucleic acid,DNA)(ribonucleic acid,RNA)脱氧核糖核酸脱氧核糖核酸 核糖核酸核糖核酸核糖核酸核糖核酸（RNA）：）：按功能不同分为三大类按功能不同分为三大

11、类tRNA 转运转运RNA（1015%）：在蛋白质的生物合成过程中起转运氨基酸）：在蛋白质的生物合成过程中起转运氨基酸到核糖核蛋白体和翻译的作用。到核糖核蛋白体和翻译的作用。tRNA有很多种，已知每一个氨基酸至少有有很多种，已知每一个氨基酸至少有一个相应的一个相应的tRNA，它们在代谢上是稳定的。，它们在代谢上是稳定的。rRNA 核糖体核糖体RNA（80%）：是核糖体的核酸，其结构为单链螺旋，其）：是核糖体的核酸，其结构为单链螺旋，其功用与蛋白质的生物合成有关。功用与蛋白质的生物合成有关。mRNA 信使信使RNA（5%）：为单链结构，不同细胞的）：为单链结构，不同细胞的mRNA的链长和分子的链

12、长和分子量的差异很大，其功用为将量的差异很大，其功用为将DNA的遗传信息传递到蛋白质的合成基地（核的遗传信息传递到蛋白质的合成基地（核糖核蛋白体糖核蛋白体)。新合成的肽链的氨基酸顺序即根据。新合成的肽链的氨基酸顺序即根据mRNA所传递的信息来决所传递的信息来决定的。定的。mRNA在代谢上不稳定，在蛋白质合成后不久就分解。在代谢上不稳定，在蛋白质合成后不久就分解。第一节第一节核酸的化学组成及其一级结构核酸的化学组成及其一级结构The Chemical Component and Primary Structure of Nucleic Acid核酸的化学组成核酸的化学组成 1.元素组成元素组成C

13、、H、O、N、P（910%）核酸的元素组成有两个特点：核酸的元素组成有两个特点：1.一般不含一般不含S 2.P含量较多，并且恒定（含量较多，并且恒定（9%-10%）。）。因此，实验室中用因此，实验室中用定磷法定磷法进行核酸的定量分析。（进行核酸的定量分析。（DNA9.9%、RNA9.5%）2.分子组成分子组成 碱基碱基(base)：嘌呤碱，嘧啶碱：嘌呤碱，嘧啶碱 戊糖戊糖(ribose)：核糖，脱氧核糖：核糖，脱氧核糖 磷酸磷酸(phosphate)核酸核酸核苷酸核苷酸磷酸磷酸核苷核苷戊糖戊糖碱基碱基水水解解核酸的分子组成嘌呤嘌呤(purine)NNNHN123456789NNNHNNH2腺嘌

14、呤腺嘌呤(adenine,A)NNHNHNNH2O鸟嘌呤鸟嘌呤(guanine,G)碱碱 基基NNH132456嘧啶嘧啶(pyrimidine)胞嘧啶胞嘧啶(cytosine,C)NNHNH2O尿嘧啶尿嘧啶(uracil,U)NHNHOO胸腺嘧啶胸腺嘧啶(thymine,T)NHNHOOCH3戊戊 糖糖（构成（构成RNA）1 2 3 4 5 OHOCH2OHOHOH核糖核糖(ribose)（构成（构成DNA）OHOCH2OHOH脱氧核糖脱氧核糖(deoxyribose)磷酸 核酸是含磷的生物大分子。任何核酸中都含有磷酸，所以核酸呈酸性。核酸中的磷酸参与形成3，5-磷酸二酯键，使核苷酸连接成多核

15、苷酸链。核苷：核苷：AR,GR,UR,CR脱氧核苷：脱氧核苷：dAR,dGR,dTR,dCR一、核苷酸的结构一、核苷酸的结构1.核苷核苷(ribonucleoside)的形成的形成碱基和核糖（脱氧核糖）通过碱基和核糖（脱氧核糖）通过糖糖苷键苷键连接形成核苷（脱氧核苷）。连接形成核苷（脱氧核苷）。OHOCH2OHOHNNNH2O1 1NONO尿苷尿苷11OHOCH2H HHHOH OH23451脱氧腺苷脱氧腺苷9NNNNNH2OH HOHOCH2H HHH2345戊糖与嘧啶或嘌呤碱以C-NC-N糖苷键糖苷键连接而形成的糖苷就称为核苷，通常是戊糖的C1与嘧啶碱的N1或嘌呤碱的N9相连接。POOOH

16、OHOCH2OHOHNNNH2O核苷酸：核苷酸：AMP,GMP,UMP,CMP脱氧核苷酸：脱氧核苷酸：dAMP,dGMP,dTMP,dCMP 2.核苷酸核苷酸(ribonucleotide)的结构与命名的结构与命名核苷（脱氧核苷）和磷酸以核苷（脱氧核苷）和磷酸以磷酸酯键磷酸酯键连接形成核苷酸（脱氧核苷酸）。连接形成核苷酸（脱氧核苷酸）。在核酸内，碱基与戊糖形成核苷，核苷再与磷酸形成核苷酸，许多核苷酸通过3，5-磷酸二酯键连接成多核苷酸链 核苷酸都是核酸的基本结构单位，它们都是5-核苷酸。（一）核酸内的核苷酸DNA主要由dAMP、dGMP、dCMP、dTMP四种 脱氧核糖核苷酸组成RNA主要由A

17、MP、GMP、CMP、UMP四种核糖核 苷酸组成核苷酸磷酸碱基戊糖OOHOHOHHOCH2NNNNNHHNHNHOOPOHOOO酯酯 键键（对（对DNA为为H）碱基连接（糖苷键）碱基连接（糖苷键）八种核苷酸如下表所示八种核苷酸如下表所示 nRNARNA的名称为的名称为某（一、二、三）苷酸某（一、二、三）苷酸，DNADNA在在某（一、某（一、二、三）前加脱氧二、三）前加脱氧两字。两字。n如如AMPAMP称腺苷一磷酸称腺苷一磷酸(或腺苷酸）或腺苷酸）dAMP dAMP称为脱氧腺苷一磷酸（脱氧腺苷酸）。称为脱氧腺苷一磷酸（脱氧腺苷酸）。（二）（脱氧）核苷二磷酸、（脱氧）核苷三磷酸、双脱氧核苷酸的结构

18、ADP、ATP是生物体中重要的能是生物体中重要的能量转换体。量转换体。O-POO-NNNNNH2OHHOHHOHHOCH2O-POO-O-POO-三磷酸腺苷(ATP)ADPATPAMPn磷酸与磷酸之间的连结键水解裂开时能产生较大能量，叫做高能磷酸键，习惯以代表它。含的化合物叫高能化合物。ATP含有两个。物质代谢所产生的能量使ADP和磷酸合成ATP，这是生物体内贮能的一种方式。ATP分解又释放能量。n高能磷酸键水解裂开时，每生成l mol磷酸就放出能量约30.5kJ（一般磷酸酯水解释能8.412.5kJmol）。放出的能量可以支持生理活动（如肌肉的收缩），也可用以促进生物化学反应（如蛋白质的合成

19、）。n所以 ATP是体内蕴藏可利用能的主要仓库，也是体内所需能量的主要来源。n其他单核苷酸可以和腺苷酸一样磷酸化，产生相应的高能磷酸化合物。n各种核苷三磷酸化合物（可简写为ATP，CTP，GTP，UTP）实际是体内RNA合成的直接原料。n各种脱氧核苷三磷酸化合物（可简写为dATP，dCTP，dGTP和dTTP）是DNA合成的直接原料。n它们在连接起来构成核酸大分子的过程中脱去“多余”的二分子磷酸。n此外，在生物体内还有一些参与代谢作用的重要核苷酸衍生物，如尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸（辅酶，NAD）、尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸（辅酶，NADP）、黄素单核苷酸（FMN）、黄素腺嘌呤二核苷酸（FAD）等

20、与生物氧化作用的关系很密切，是重要的辅酶。5 端端3 端端3.3.核苷酸的连接核苷酸的连接 核苷酸之间以核苷酸之间以磷酸二酯键磷酸二酯键连接形连接形成多核苷酸链，即成多核苷酸链，即核酸。核酸。CGA2、环化核苷酸cAMP、cGMP：被称为第二信使，有放大激素的作用。它们在代谢调节中起重要作用。ncAMP为若干激素作用的媒介物。因为某些酶激素对靶细胞的作用可改变cAMP的合成速率，cAMP浓度的变化又影响细胞的通透性和酶的活性，从而使细胞因某一种激素而产生特异反应。因此，cAMP对某些代谢作用（糖、脂代谢）起一定的调节作用。另外，cAMP与肿瘤有一定的关系，正常细胞和肿瘤细胞中的cAMP含量是有

21、差异的，在肿瘤细胞内cAMP一般低于正常细胞水平。ncGMP广泛分布于各种组织中，但浓度很低。其功用尚不清楚。目前一般认为cGMP也和激素的作用有关，对调节代谢、细胞发育和DNA合成都有关系。n另外，还发现了cIMP、cCMP等，说明体内使核苷酸环化的酶肯定不止一种。n目前开发的许多选择性PDE同工酶抑制剂有可能成为平喘药、强心药、血管扩张药、抗血栓药与抗抑郁药3.3.肌苷酸及鸟苷酸肌苷酸及鸟苷酸(强力味精强力味精)IMP GMP应用分析一，调味是食品增鲜剂，其二钠盐与谷氨酸钠(味精)混合使用，其呈味作用比单用味精高数倍，有“强力味精”之称。二、医疗适用于各种原因引起的白细胞减少症、血小板减少

22、症、各种心脏疾患、急性及慢性肝炎、肝硬化等，此外尚可治疗中心视网膜炎、视神经萎缩等。4.4.辅酶辅酶 NADNAD、NADPNADP、FMNFMN稀有碱基稀有碱基n嘌呤嘌呤次黄嘌呤、次黄嘌呤、1-1-甲基次黄嘌呤。甲基次黄嘌呤。n嘧啶嘧啶5-5-甲基胞嘧啶、甲基胞嘧啶、5-5-羟甲基胞嘧啶、二氢尿羟甲基胞嘧啶、二氢尿嘧啶、嘧啶、4-4-巯尿嘧啶巯尿嘧啶n这些碱基是核酸大分子合成后经某些修饰后产生的，这些碱基是核酸大分子合成后经某些修饰后产生的，大多数是甲基化碱基，也有大多数是甲基化碱基，也有硫代、甲硫代、乙酰化硫代、甲硫代、乙酰化及各种侧链及各种侧链的碱基。的碱基。n都是基本碱基的都是基本碱基

23、的化学修饰型化学修饰型。又称修饰碱基，这些碱基在核酸分子中含量比较少，但他们是天然存在不是人工合成的，是核酸转录之后经甲基化、乙酰化、氢化、氟化以及硫化而成。多半是主要碱基的甲基衍生物。NNNNONH2H鸟嘌呤鸟嘌呤NNNNOH次黄嘌呤次黄嘌呤CH31-甲基次黄嘌呤甲基次黄嘌呤 胞嘧啶（胞嘧啶（C）CH35-甲基胞嘧啶甲基胞嘧啶（四）核苷酸的生物学作用（1）参与DNA、RNA的合成、蛋白质的合成、糖与磷脂的合成。（2）在能量转化中起重要作用，ATP是生物体内能量的通用货币。（3）是构成多种辅酶的成分：NAD、NADP、FAD、FMN和CoA。（4）参与细胞中的代谢与调节（cAMP、cGMP）。

24、二、核酸的一级结构二、核酸的一级结构1.1.定义定义核酸中核苷酸的排列顺序。由于核苷核酸中核苷酸的排列顺序。由于核苷酸间的差异主要是碱基不同，所以也酸间的差异主要是碱基不同，所以也称为称为碱基序列碱基序列。2.2.DNADNA的书写顺序是的书写顺序是5353。3.3.DNADNA中有中有4 4种类型的核苷酸，有种类型的核苷酸，有n n个个核苷酸组成的核苷酸组成的DNADNA链中可能有的不同链中可能有的不同序列总数为序列总数为4 4n n。DNADNA的碱基顺序本身就是遗传信息存储的分子的碱基顺序本身就是遗传信息存储的分子形式。生物界物种的多样性即寓于形式。生物界物种的多样性即寓于DNADNA分

25、子中分子中四种核苷酸千变万化的不同排列组合之中。四种核苷酸千变万化的不同排列组合之中。55端端3端端CGAA G P5 P T PG PC PT P OH 3 书写方法书写方法5 pApCpTpGpCpT-OH 3 5 A C T G C T 3 线条式（碱基用单字母表示 磷酸基团用P表示）戊糖P53首端首端末端末端第二节第二节DNA的空间结构与功能的空间结构与功能Dimensional Structure and Function of DNADNADNA的二级结构的二级结构（双螺旋）（双螺旋）定义：定义：DNA的二级结构指DNA的双螺旋结构。（一）（一）DNA双螺旋结构的研究背景双螺旋结构

26、的研究背景w（1）所有所有DNA中腺嘌呤与胸腺嘧啶的摩尔含量相等，（中腺嘌呤与胸腺嘧啶的摩尔含量相等，（即即A=T）;鸟嘌呤与胞嘧啶的摩尔含量相等，（鸟嘌呤与胞嘧啶的摩尔含量相等，（即即G=C）。）。碱基碱基当量定律：当量定律：嘌呤碱总量嘌呤碱总量=嘧啶碱总量。（即嘧啶碱总量。（即A+G=T+C）w（2）不同生物不同生物DNA的碱基组成有很大差异，可用的碱基组成有很大差异，可用不对称比不对称比率率：A+T/G+C表示。亲缘相近的生物，其表示。亲缘相近的生物，其DNA的碱基组成相的碱基组成相近，即不对称比率相近。近，即不对称比率相近。w（3）同一种生物所有体细胞同一种生物所有体细胞DNA的碱基组

27、成相同，可作为的碱基组成相同，可作为该物种的特征。该物种的特征。（二）（二）DNA双螺旋结构模型要点双螺旋结构模型要点（Watson,Crick,1953）uDNADNA分子由两条分子由两条相互平行但走向相相互平行但走向相反反的脱氧多核苷酸链组成，的脱氧多核苷酸链组成，一条链一条链的走向为的走向为5353，另一条为，另一条为3355。u两链以两链以-脱氧核糖脱氧核糖-磷酸磷酸-为骨架，以为骨架，以右手螺旋右手螺旋方式绕同一公共轴盘。螺方式绕同一公共轴盘。螺旋直径为旋直径为2 2nm，形成大沟，形成大沟(major groove)及小沟及小沟(minor groove)相间。相间。（二）（二）D

28、NA双螺旋结构模型要点双螺旋结构模型要点 （Watson,Crick,1953）u在双链结构中糖在双链结构中糖-磷酸骨架居磷酸骨架居外侧，而外侧，而碱基垂直螺旋轴居碱基垂直螺旋轴居双螺旋内側，与对側碱基形双螺旋内側，与对側碱基形成成氢键配对氢键配对（互补配对形式：（互补配对形式：A=T;G C）。u相邻碱基平面距离相邻碱基平面距离0.34nm，螺旋一圈螺距螺旋一圈螺距3.4nm，一圈，一圈10对碱基。对碱基。碱基互补配对碱基互补配对 n碱基成对有一定规律，腺嘌呤一定与胸腺嘧啶成对，碱基成对有一定规律，腺嘌呤一定与胸腺嘧啶成对，鸟嘌呤一定与胞嘧啶成对。鸟嘌呤一定与胞嘧啶成对。n因此有四种可能的碱

29、基对，即因此有四种可能的碱基对，即AT，TA，GC和和CG。A和和T间构成二个氢键，间构成二个氢键，G和和C间构成三个氢间构成三个氢键。键。（二）（二）DNA双螺旋结构模型要点双螺旋结构模型要点 （Watson,Crick,1953）u双螺旋稳定的因素：双螺旋稳定的因素：u 氢键氢键维持双链维持双链横向稳定性横向稳定性；u 碱基堆积力碱基堆积力维持双链维持双链纵向稳定性纵向稳定性；u 磷酸基上的负电荷与介质中阳离子磷酸基上的负电荷与介质中阳离子之间形成的之间形成的离子键离子键，可以有效地屏，可以有效地屏蔽磷酸基之间的静电斥力。在体内蔽磷酸基之间的静电斥力。在体内天然的状态下，带正电荷的氨基酸天

30、然的状态下，带正电荷的氨基酸可以中和电荷。可以中和电荷。(1)B-DNA(1)B-DNA螺旋螺旋：DNADNA在在92%92%相对湿度的钠盐中的构相对湿度的钠盐中的构型。标准的型。标准的 右手双螺旋，细胞正常状态下右手双螺旋，细胞正常状态下DNADNA存在存在的构型。的构型。(2)A-DNA(2)A-DNA螺旋螺旋：DNADNA在在75%75%相对湿度的钠盐中的构型。相对湿度的钠盐中的构型。(3)Z-DNA(3)Z-DNA螺旋螺旋：左手的左手的DNADNA螺旋螺旋，这种螺旋可能在，这种螺旋可能在基因表达的调控中起作用。基因表达的调控中起作用。(4)(4)H-DNAH-DNA螺旋螺旋：三螺旋结构

31、，又称三链：三螺旋结构，又称三链DNA(tsDNA)DNA(tsDNA)（三）（三）DNA双螺旋结构的多样性双螺旋结构的多样性DNA的三级结构的三级结构定义：是指双螺旋进一步扭曲形成的更高层次的空间结构，也就是比双螺旋更为复杂的构象。线状DNA形成的纽结、超螺旋和多重螺旋环状DNA形成的结、超螺旋和连环类型DNA的三级结构主要是指双螺旋进一步扭曲形成的超螺旋。超螺旋即DNA双螺旋的螺旋。DNA形成三级结构的意义是为了压缩分子空间1.真核细胞染色体的DNA念珠状（线形）三级结构超螺旋超螺旋松弛环形正超螺旋解链环形2.原核生物以及真核生物细胞器环状DNA的超螺旋三级结构松弛环形负超螺旋盘绕方向与D

32、NA双螺旋方向相同为正超螺旋；方向与DNA双螺旋方向相反则为负超螺旋。自然界的闭合双链DNA主要是以负超螺旋形式存在。三、三、DNA的功能的功能DNA的基本功能是以的基本功能是以基因基因的形式荷载遗的形式荷载遗传信息，并作为基因复制和转录的模板。它传信息，并作为基因复制和转录的模板。它是生命遗传的物质基础，也是个体生命活动是生命遗传的物质基础，也是个体生命活动的信息基础。的信息基础。基因从结构上定义，基因从结构上定义，是指是指DNA分子中的分子中的特定区段，其中的核苷酸排列顺序决定了基特定区段，其中的核苷酸排列顺序决定了基因的功能。因的功能。第三节第三节 RNA的结构与功能的结构与功能Stru

33、cture and Function of RNA一、结构特点一、结构特点碱基组成碱基组成 A、G、C、U（AU/GC）稀有碱稀有碱基较多，稳定性较差，易水解基较多，稳定性较差，易水解多为单链结构，少数局部形成螺旋多为单链结构，少数局部形成螺旋分子较小分子较小分类分类l mRNA（hnRNA 核不均一核不均一RNA）l tRNA l rRNA（snRNA/asRNA）1.少数少数RNA病毒病毒 RNA的一级结构是由数量极其庞大的四种核糖核酸（AMP、GMP、CMP、UMP）按一定顺序，通过3,5磷酸二酯键连成的线形分子，其表示方法与DNA相同。RNA的二级结构是短的，不完全螺旋的多核苷酸链。（

34、天然RNA并不像DNA一样都是双螺旋结构，而是单链线形分子。只有局部区域为双螺旋结构。双螺旋区约占RNA分子的50%）在RNA的双螺旋结构中，碱基的配对情况不像DNA严格。G除了可以和C配对外，也可以和U配对。RNA的三级结构是在茎环结构基础上进一步扭曲折叠而成的复杂结构。RNA的结构的结构 这种由单链自身折叠形成的结构称为茎环结构(发夹结构)。茎环结构是各种RNA的共同的二级结构特征。二、二、tRNA占占RNA总量的总量的15一种氨基酸对应最少一种一种氨基酸对应最少一种RNAl分子量分子量25000左右，大约由左右，大约由7090个核苷酸组成，沉降系数个核苷酸组成，沉降系数为为4S左右。左右

35、。l分子中含有较多的修饰成分。分子中含有较多的修饰成分。l3-末端都具有末端都具有CpCpAOH的的结构。结构。ltRNA的二级结构为三叶草型；的二级结构为三叶草型；三级结构则为倒三级结构则为倒“L”型。型。tRNA的三级结构的三级结构三、三、rRNArRNA占占RNARNA总量的总量的8080四、四、mRNA占细胞总占细胞总RNA的的35n真核细胞真核细胞mRNAmRNA的的3-3-末端有一段长达末端有一段长达200200个核苷酸左右的聚腺个核苷酸左右的聚腺苷酸苷酸(polyA)(polyA)，称为，称为“尾结构尾结构”，5-5-末端有一个甲基化的末端有一个甲基化的鸟苷酸，称为鸟苷酸，称为”

36、帽结构帽结构“。核核 酸酸 的的 理理 化化 性性 质质The Physical and Chemical Characters of Nucleic Acid第第 四四 节节（一）一般理化性质1.为两性电解质，通常表现为酸性（与蛋白质相似，酸分子中既含有酸性基团（磷酸基）也含有弱碱性基团碱基，因而核酸也具有两性性质。）。2.DNA为白色纤维状固体，RNA为白色粉末，均微溶于水，不溶于有机溶剂。3.DNA溶液的粘度极高，而RNA溶液要小得多。4.RNA能在室温条件下被稀碱水解而DNA对碱稳定。5.加热条件下，D核糖浓盐酸苔黑酚 绿色 D2脱氧核糖酸二苯胺 蓝紫色（二）核酸的紫外吸收性质 核酸的

37、碱基具有共扼双键，因而有紫外吸收性质，吸收峰在260nm（蛋白质的紫外吸收峰在280nm）。核酸的光吸收值比各核苷酸光吸收值的和少3040%，当核酸变性或降解时,它在260nm处的吸收值显著增加（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）。（三）核酸的变性、复性和分子杂交一、核酸的变性 高温、酸、碱以及某些变性剂（如尿素）能破坏核酸中的氢键氢键，使之断裂，核酸中的双螺旋区变成单链，并不涉及共价键的断裂，这一过程称为核酸的变性。监测指标为A260的变化。常用的变性方法为加热。热力强碱强酸有机溶剂变性剂射线机械力n溶液粘度降低n溶液旋光性发生改变n增色效应或高色效应3.变性温度

38、 变性温度的特点某些某些DNADNA的的Tm值值DNA的Tm值大小与下列因素有关：（）DNA的均一性 均一性愈高的样品，熔解过程愈是发生在一个很小的温度范围内。（）GC之含量 GC含量越高，Tm值越高，成正比关系，这是GC对比A-T对更为稳定的缘故。所以测定Tm值可推算出GC对的含量。其经验公式为：GC（）（Tm69.3）2.44（）介质中的离子强度 一般说来，在离子强度较低的介质中，DNA的熔解温度较低，熔解温度的范围也较窄。而在较高的离子强度的介质中，情况则相反。所以DNA制品应保存在较高浓度的缓冲液中或溶液中，故常在1 molL的NaCl中保存。RNA分子中有局部的双螺旋区，所以RNA也

39、可发生变性，但Tm值较低，变性曲线也不那么陡。1、DNA复性的概念 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，这一过程称为复性。热变性DNA经缓慢冷却后即可复性，也称为退火 DNA复性速度受温度的影响。复性时温度缓慢下降才可使其重新配对复性。如加热后将其迅速冷却至4 以下，则不可能发生复性。比Tm低25为DNA复性的最佳条件。二、核酸的复性三、分子杂交 定义：在退火条件下，不同来源的DNA互补区形成氢键，或DNA单链和RNA链的互补区形成DNA-RNA杂合双链的过程。在在DNA变性后的复性过程中，如果将不变性后的复性过程中，如果将不同种类的同种类的DNA单链分子或单

40、链分子或RNA分子放在同一分子放在同一溶液中，只要两种单链分子之间存在着一定溶液中，只要两种单链分子之间存在着一定程度的碱基配对关系，在适宜的条件（温度程度的碱基配对关系，在适宜的条件（温度及离子强度）下，就可以在不同的分子间形及离子强度）下，就可以在不同的分子间形成成杂化双链杂化双链(heteroduplex)。这种杂化双链可以在不同的这种杂化双链可以在不同的DNA与与DNA之间形成，也可以在之间形成，也可以在DNA和和RNA分子间或者分子间或者RNA与与RNA分子间形成。分子间形成。核酸分子杂交核酸分子杂交(hybridization)核酸的分子杂交第五节 核酸的分离n 1 RNA的分离n

41、 RNA的分离方法因材料及所要分离的RNA种类而异。目前最普遍使用的是酚提取法。将组织匀浆用苯酚处理并离心，RNA即溶解于上层被苯酚饱和的水层中，而DNA和已被凝固的蛋白质分布在下层为水饱和的苯酚中。将上清液吸出，加入乙醇，RNA即呈白色絮状沉淀析出。n 2DNA的分离n DNA的提取法也有多种。目前一般是根据DNA核蛋白能溶于水及高浓度(12 molL)NaCl溶液，而难溶于0.14 molL的 NaCl，RNA核蛋白则易溶于0.14 molL的NaCl溶液这一原理进行分离。可先用0.14 molL的NaCl溶液除去组织中的RNA核蛋白，然后用十二烷基硫酸钠（sodium dodecyl s

42、ulfate，SDS）处理，使DNA与蛋白质分离，并用浓（1 molL）NaCl溶液溶解DNA，再用氯仿异戊醇将蛋白质沉淀除去，最后向DNA溶液中加入乙醇，DNA即呈丝状物沉淀析出。第第 六六 节节 核核 酸酸 酶酶 Nucleasen核酸酶核酸酶是指所有可以水解核酸的酶是指所有可以水解核酸的酶依据底物不同分类依据底物不同分类nDNA酶酶(deoxyribonuclease,DNase)：专一降解专一降解DNA。nRNA酶酶(ribonuclease,RNase)：专一降解专一降解RNA。依据切割部位不同依据切割部位不同n核酸内切酶核酸内切酶n核酸外切酶核酸外切酶第七节 病毒和核蛋白 有机体内

43、核酸常与蛋白质结合成复合体称为核蛋白体。病毒染色体核糖体一、病毒 病毒是由具有侵染性的核酸和蛋白质组成的。病毒是介于生物和非生物之间。病毒能使动物和植物发生多种疾病；病毒还能侵染细菌，侵染细菌的病毒称为噬菌体。病毒的核酸可以是DNA或是RNA，但是在目前已知的病毒中未发现同时含DNA和RNA的。在病毒中核酸位于病毒粒子的中心，外面包围着蛋白质，形成 衣壳（casid）病毒的侵染性是由核酸引起的，衣壳无侵染性。烟草花叶病毒噬菌体噬菌体 核小体的结构二、染色体二、染色体 染色质（chromatin）特指真核细胞核内发现的DNA和蛋白质的复合体。核小体是组成染色质的基本结构单位，由组蛋白核心和它外侧

44、盘绕的DNA组成。n核糖体是在各类细胞中普遍存在的颗粒状结构，是一种非常重要的细胞器。核糖体是无膜的细胞器，主要成分是蛋白质与RNA。核糖体的RNA称为rRNA，约占60%，蛋白质约占40%，蛋白质分子主要分布在核糖体的表面，而rRNA则位于内部，二者靠非共价键结合在一起。（三）核糖体本章练习题n一、名词解释n碱基堆积力；DNA的溶解温度（Tm）；Chargaff规则；稀有碱基；核酸的变性与复性；增色效应与减色效应n二、填空题n核酸可分为DNA和RNA两大类，前者主要存在于真核细胞的细胞核细胞核和原核细胞类核类核部位，后者主要存在于细胞的细胞质细胞质部位。n构成核酸的基本单位是核苷酸核苷酸，由

45、碱基、核糖碱基、核糖和磷酸基磷酸基连接而成。n细胞内所有的DNA的核苷酸顺序都是由它们的碱基顺序碱基顺序决定的。nRNA中常见的碱基是腺嘌呤、鸟嘌呤、尿嘧啶和胞嘧啶腺嘌呤、鸟嘌呤、尿嘧啶和胞嘧啶；DNA中常见的碱基是腺嘌呤、腺嘌呤、鸟嘌呤、胸腺嘧啶和胞嘧啶鸟嘌呤、胸腺嘧啶和胞嘧啶。nDNA双螺旋，每个螺旋有10对核苷酸，螺距为3.4nm，直径为2nm。n组成DNA的两条多核苷酸链是反向平行反向平行的，两链的碱基序列，其中A与T配对，形成2个氢键；G与C配对，形成3个氢键。n某DNA片段的碱基顺序是GCTACTAAGC，它的互补链顺序应为CGATGATTCG。n维持DNA双螺旋结构稳定的因素主要

46、是氢键氢键和碱基堆积力碱基堆积力。nDNA在溶液中的主要构象为B-DNA，此外还有A-DNA与Z-DNA，其中Z-DNA为左手螺旋。n病毒和噬菌体只含有一种核酸，有的只含有DNA，另一些只含有RNA。n染色质的基本结构单位是核小体核小体，由组蛋白组蛋白核心和它外侧盘绕的DNA组成。n三、问答题n由核酸分枝杆菌提纯的DNA样品中含有腺嘌呤的摩尔分数x腺嘌呤为15.1%。计算其他碱基的摩尔分数(百分含量)。（XT=XA=15.1%，XG=XC=34.9%）n一个双螺旋DNA分子中有一条链中xA=xT，xG=xC，xG=0.24。(1)说明这一条肽链上的T和C的摩尔分数（xC=xG=0.24；xA=

47、xT=0.26）；(2)互补链上的A，G，T，C的摩尔分数（xC=xG=0.24；xA=xT=0.26）。n试指出下列哪一个DNA分子对加热较稳定？（b）(a)A A A A T G A A A A A A T T T T A C T T T T T T (b)A A G G G G A A A A A A T T C C C C T T T T T T 因为G，C之间可形成3个氢键，而A，T之间可形成2个氢键，所以G，C之间的配对比A，T之间的配对更稳定，所以（b）对加热更稳定。n碱基堆积力碱基堆积力:在DNA双螺旋中，上下碱基对的间距只有0.34nm，因此双螺旋内部的碱基对在垂直方向堆积起

48、来形成碱基堆积力。碱基对疏水的芳香环堆积所产生的疏水作用力，以及堆积的碱基对间的范德华力，即所谓的碱基堆积力。C.G对间的堆积力大于A.T对。nDNA的溶解温度（的溶解温度（Tm）:通常把DNA的双螺旋结构失去一半时的温度称为DNA的熔点或熔解温度。用Tm表示。DNA的Tm值一般在7085度之间。nChargaff规则规则:所有DNA中腺嘌呤与胸腺嘧啶的摩尔含量相等，（即A=T）;鸟嘌呤与胞嘌呤的摩尔含量相等，（即G=C）。碱基当量定律：嘌呤碱总量=嘧啶碱总量。（即A+G=T+C）n稀有碱基稀有碱基:嘌呤次黄嘌呤、1-甲基次黄嘌呤等。n嘧啶5-甲基胞嘧啶、5-羟甲基胞嘧啶等。n核酸的变性与复性核酸的变性与复性:高温、酸、碱以及某些变性剂（如尿素）能破坏核酸中的氢键，使之断裂，核酸中的双螺旋区变成单链，并不涉及共价键的断裂，这一过程称为核酸的变性。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，这一过程称为复性。n增色效应与减色效应增色效应与减色效应:核酸的光吸收值比各核苷酸光吸收值的和少30-40%，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）。作业n1、试写出cCMP、GTP、UTP和UDPG的结构式。n2、嘌呤和嘧啶的编号顺序如何标记的？n3、简述DNA双螺旋结构模型。