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本课件讲核苷酸与核酸的化学组成，说明DNA双螺旋结构与RNA的种类及分子结构特点，分析核酸的酸碱性质、变性与复性等理化性质，并介绍核酸的分离提取与含量测定方法。
第十章 核酸
主要内容：介绍核酸的分类和化学组成，重点讨论DNA和RNA的结构特征，初步认识核酸的结构特征与其功能的相关性；介绍核酸的主要理化性质和核酸研究的一般方法。
核酸的结构与功能
核酸的基本结构单位—核苷酸，包含以下内容：
5'-磷酸核苷酸的基本结构（N = A、G、C、U、T）：
核苷酸由含氮碱基、戊糖和磷酸三部分组成，磷酸连接在戊糖的5'-碳原子上。
核苷酸的组成层次：
DNA中的戊糖为脱氧核糖（deoxyribose），RNA中的戊糖为核糖（ribose）。
嘌呤：腺嘌呤（Adenine, A）、鸟嘌呤（Guanine, G）
嘧啶：胞嘧啶（Cytosine, C）、尿嘧啶（Uracil, U）、胸腺嘧啶（Thymine, T）
常见核苷酸及其命名：
常见（脱氧）核苷酸的结构：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）。
稀有核苷酸是含有修饰碱基的核苷酸，常见于tRNA中，包括：
Cyclic adenylic (Guanine) acid
cAMP（环腺苷酸）和cGMP（环鸟苷酸）是细胞内重要的第二信使，由ATP或GTP经腺苷酸环化酶催化形成，磷酸与核糖的3'和5'位羟基形成环状磷酸二酯键。
核糖与脱氧核糖的结构差异在于C2'位：核糖C2'连有羟基（—OH），脱氧核糖C2'连有氢（—H）。
腺苷酸及其多磷酸化合物：
RNA中对应：5'-NMP、5'-NDP、5'-NTP（N=A、G、C、U）；DNA中对应：5'-dNMP、5'-dNDP、5'-dNTP（N=A、G、C、T）。
第三节 DNA的分子结构
一级结构：DNA分子中各脱氧核苷酸之间的连接方式（3'-5'磷酸二酯键）和排列顺序叫做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。
DNA一级结构和RNA一级结构均由核苷酸通过3'-5'磷酸二酯键连接而成，链的方向为5'→3'。
DNA一级结构的三种表示法：
DNA酶法序列分析的原理（Sanger双脱氧法）：
以单链DNA为模板，在DNA聚合酶作用下进行引物延伸反应。反应体系中同时含有dNTP和少量ddNTP（双脱氧核苷酸），ddNTP随机掺入正在延伸的DNA链，因缺少3'-OH而无法继续延伸，产生一系列不同长度的终止片段。
四组反应分别使用ddATP、ddTTP、ddGTP、ddCTP，经高分辨电泳分离后，从放射自显影图谱自下而上读出的序列即为模板的互补序列。
DNA的二级结构：
DNA双螺旋由两条反向平行的多核苷酸链沿中心轴右旋相互盘绕形成，链间碱基按A—T、G—C配对。
该模型揭示了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，这是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。该模型的提出是本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。
DNA分子在不同序列和环境条件下可形成多种二级结构变体，包括富于AT区域形成的十字形结构、Holliday结构等。
DNA双螺旋存在多种构象类型，主要包括A-DNA、B-DNA和Z-DNA三种。
| 参数 | A-DNA | B-DNA | Z-DNA |
|---|---|---|---|
| 外形 | 粗短 | 适中 | 细长 |
| 螺旋方向 | 右手 | 右手 | 左手 |
| 螺旋直径 | 2.55nm | 2.37nm | 1.84nm |
| 碱基直升 | 0.23nm | 0.34nm | 0.38nm |
| 碱基夹角 | 32.70° | 34.60° | 60.00° |
| 每圈碱基数 | 11 | 10.4 | 12 |
| 轴心与碱基对关系 | 2.46nm | 3.32nm | 4.56nm |
| 碱基倾角 | 19° | 1° | 9° |
| 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 |
A-DNA、B-DNA、Z-DNA三种构象的空间结构模型对比。
DNA回文序列（palindrome）是正向读与反向读序列相同的DNA片段，可形成：
DNA三链结构包括：
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。
实例：超螺旋染色体（chromosome）、病毒（virus）。
DNA超螺旋（supercoiling）是双螺旋DNA进一步扭曲盘绕形成的三级结构，分为正超螺旋和负超螺旋。超螺旋密度与DNA的拓扑状态密切相关。
核小体（nucleosome）是染色质的基本结构单位，由约200bp DNA缠绕组蛋白八聚体（H2A、H2B、H3、H4各两个）约1.75圈形成。
组蛋白（histone）是一类富含碱性氨基酸的小分子蛋白质，与DNA带负电荷的磷酸骨架通过静电作用紧密结合，帮助DNA在细胞核内高度压缩。
| 结构层次 | 直径 | 组成特征 |
|---|---|---|
| DNA | 2nm | 双螺旋 |
| 核小体链 | 11nm | 每个核小体200bp |
| 纤丝 | 30nm | 每圈6个核小体 |
| 突环 | 150nm | 每个突环约75000bp |
| 玫瑰花结 | 300nm | 6个突环 |
| 螺旋圈 | 700nm | 每圈30个玫瑰花结 |
| 染色体 | 1400nm | 每个染色体含10个玫瑰花结（200bp） |
噬菌体T2的结构组成：头部（含DNA）、颈圈、尾部、基板、尾丝、尖钉。T2噬菌体是一种感染大肠杆菌的病毒，属于肌尾噬菌体科。
动物病毒的结构层次：
病毒粒的核心为DNA或RNA。
DNA的念珠状结构即核小体串珠模型，DNA缠绕在组蛋白八聚体上形成周期性排列的核小体颗粒，形似念珠。
第四节 RNA的分子结构
RNA的一级结构：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。
| 比较项 | DNA | RNA |
|---|---|---|
| 糖 | 脱氧核糖 | 核糖 |
| 碱基 | AGCT | AGCU |
| 稀有碱基 | 不含稀有碱基 | 含稀有碱基 |
二级结构特征：单链三叶草叶形，四臂四环（氨基酸臂、DHU环、反密码子环、TψC环、额外环）。
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。
酵母丙氨酸tRNA（tRNAAla）的二级结构为典型的三叶草形：
tRNA的三级结构是在二级结构基础上通过额外的碱基配对和疏水堆积进一步折叠形成的倒L型空间构象，两个末端分别为氨基酸臂的3'端和反密码子环。
rRNA分子结构特征：
下图展示5sRNA的二级结构。
原核生物mRNA为多顺反子结构，一条mRNA链上含有多个编码区（顺反子），各顺反子之间由非翻译的插入顺序隔开，5'端为先导区，3'端为末端顺序。
真核生物mRNA结构特征：
第五节 核酸的某些理化性质及核酸研究常用技术
核酸在260nm波长处有最大紫外吸收（λmax=260nm），这是由于嘌呤和嘧啶碱基的共轭双键系统所致。
变性DNA的紫外吸收值高于天然DNA（增色效应），游离核苷酸的吸收值最高。
DNA变性过程：加热使部分双螺旋解开，碱基对间的氢键断裂，双链逐步分离，最终形成无规则线团。
分子杂交（hybridization）原理：不同来源的DNA单链间或单链DNA与RNA之间，只要有碱基配对的区域，在复性时可形成局部双螺旋区。
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。实例：Southern印迹法。
Southern印迹法的操作流程：
该技术由Edwin Southern于1975年创立，用于DNA片段的检测与定位。
Tm（熔解温度, melting temperature）：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A260达到最大值一半时的温度称为该DNA的熔解温度，用Tm表示。
Tm的大小与DNA分子中（G+C）的百分含量成正相关，测定Tm值可推算核酸碱基组成及判断DNA纯度。
图中展示了Poly d(A-T)、DNA、Poly d(G-C)三条变性曲线的对比。
沉降系数（S）：生物大分子在单位离心力场作用下的沉降速度。
即沉降系数是微颗粒在离心力场的作用下，从静止状态到达极限速度所需要的时间。其单位用Svedberg（s）表示，s=1×10-13秒。
Svedberg方程：M = RTs / [D(1-vρ)]
其中M为分子量，R为气体常数，T为绝对温度，s为沉降系数，D为扩散系数，v为偏微比容，ρ为溶剂密度。
第六节 DNA研究进展
人类基因组计划（Human Genome Project, HGP）：
该计划是美国科学家在1985年率先提出，1990年正式启动。美、英、德、法、日先后参加了此项工作，1999年我国成为HGP的第六个成员国。
HGP旨在阐明人类基因组DNA所具有的3×109核苷酸的序列，发现所有的人类基因并阐明其在染色体上的位置，破译人类的全部遗传信息，使得人类第一次在分子水平上全面地认识自我。到目前为止，已完成了人类基因组的框架图，测序的工作已基本完成。
HGP的实施，揭开了生命科学新的一页，它可以造福于人类，但也面临伦理的挑战。
DNA芯片（DNA chip）技术是采用寡核苷酸原位合成或显微打印手段，将数以万计的DNA探针片段有序地固化于支持物表面上，产生二维DNA探针阵列，然后与标记的样品进行杂交，通过检测杂交信号来实现对生物样品的快速、并行、高效地检测或诊断。
由于常用硅芯片作为固相支持物，且在制备过程中运用了计算机芯片的制备技术，所以称为DNA芯片技术。
谁掌握了人类基因图谱，就等于谁破译了人类的生命密码，获得了操纵生命的工具。与互联网相比，网络只是对人类的信息沟通带来了巨大的革命，而基因领域的革命则能够从根本上改变人类的命运，基因工程所带来的商业机会将会大大超过网络。
肺炎球菌转化实验（Griffith, 1928）：
结论：S型细菌的DNA是使R型细菌发生转化的转化因子，即DNA是遗传物质。
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