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本课件围绕核酸的化学展开，先以核酸化学发展史为线索引入，再系统讲解核苷酸的碱基、戊糖与磷酸组成及其连接方式，DNA的一级结构与双螺旋模型、RNA的类型与结构特点，最后介绍核酸的酸碱性质、紫外吸收、变性复性与杂交等理化性质及其测定方法。
第五章 核酸的化学
本章主要内容核苷酸DNARNA核酸的性质
（本页内容以图示为主，文字要点较少）
1868年F.Miescher
1980s后分子生物学、分子遗传学等学科突飞猛进发展，提出并完成HGP核酸化学的发展过程上页下页
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概述概念核酸的概念
概述概念核酸(nucleic acid)是由碱基（嘌呤和嘧啶）、戊糖和磷酸组成的高分子物质，是生物体的基本组成。
“四核苷酸假说”：核酸由四种核苷酸组成
的单体构成的，缺乏结构方面的多样性,不大可能有重要的生理功能。
1928年，英国
结果说明：加热杀死的S
型肺炎球菌中一定有某种特殊的生物分子或遗传物质，可以使无害的R型肺炎球菌转化为有害的S型肺炎球菌
结果发现，惟独只有核酸可以使无害的R型肺炎球菌转化为有害的S型肺炎球菌。
核酸的分布
分布：DNA：主要在细胞核中，是染色体的主要成分。
核酸的组成成分核酸
是一种线形多聚核苷酸(polynucleotide), 其基本结构单位是核苷酸(nucleotide)。
核苷酸的基本结构
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组成核酸的戊糖有两种
RNA所含的糖则为β-D-核糖。
从两类核酸的水解产物
碱基尿嘧啶胸腺嘧啶胞嘧啶
嘧啶碱(pyrimidine)：是嘧啶的衍生物。
NNHH嘧啶
NNHHHH嘧啶123456NNHHHHNH2OH胞嘧啶Cytosine（C）NNHHHHOOHH尿嘧啶uracil（U）NNHHHHOOHHCH3胸腺嘧啶thymine（T）
嘌呤碱：由嘌呤衍生而来
嘌呤碱(purine)：由嘌呤衍生而来。
NNHH
NNHHNNNNHHHH123456789嘌呤NH2腺嘌呤adenine（A）NNNNHHHHOH2N鸟嘌呤guanine（G）
稀有碱基：一些修饰碱基，因含量甚少而
称之。
大多为甲基化碱基，多在tRNA中。
核苷：戊糖与碱基缩合而成
核苷：(nucleoside)核苷：戊糖与碱基缩合而成，并以糖苷键相连接。
糖苷键：二者的连接是C-N键，称N-糖苷键。
OH2C
OH2C
OHOHOHOH1′2′3′4′5′核糖OHOH2COHOH1′2′3′4′5′核糖NNOOHHH尿嘧啶H1尿苷NCOONHHH51OH假尿苷（ψ）
核苷的表示
核苷：A、G、C 、U脱氧核苷：dA,dG,dC,dT修饰核苷：如5-甲基胞嘧啶：m5dC。
核苷酸
按核糖类型：核苷酸、脱氧核苷酸核苷中戊糖的羟基被磷酸酯化，即为核苷酸。
核酸的结构
与一个磷酸
AMPADPATP
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特殊核苷酸：环核苷酸：核糖3’-
, 5’-成环。
cAMP、cGMP功能：第二信使第二信使：通常把激素称为第一信使，激素与靶位受体结合后，生成某些物质，这些物质是联系激素引起生物学效应的重要物质，称为第二信使。
例如：cAMP、cGMP等。
肌苷酸及鸟苷酸酶的辅助因子的结构
3’-, 5’磷酸
核苷酸的连接方式1、3’-, 5’磷酸二酯键将核苷酸连接成核酸大分子。
OHO-OO—CH2TO=P
—O-3′5′OHOHO-OO—CH2GO=P—O-3′5′OHOO—CH2OHOHAO=P—OO-3′5′3′5′1′PPPOHATGpGpTpAOHpG-T-ApGTA
核酸的一级结构：多核苷酸链中各核苷酸残基
的排列顺序称~。
OHO-OO—CH2TO=P
—O-3′5′OHOHO-OO—CH2GO=P—O-3′5′OHOO—CH2OHOHAO=P—OO-3′5′3′5′1′PPPOHATGpGpTpAOHpG-T-ApGTA1）一级结构表示方法如上
读向：碱基序列从左到右表示
5’ ——3’，由3’-, 5’磷酸二酯键连接。
若两链反向平行，则需注明每条链的走向。
DNA
DNA 的一级结构：由数量庞大的4种脱氧核苷酸通过3’-, 5’磷酸二酯键连接成的直线形或环形多聚体。
DNA的双螺旋二级结构
双螺旋结构模型建立的依据：1）根据DNA碱基组成的定量分析提出chargaff碱基配对原则：A=T，G=C2）根据对DNA纤维和晶体的x-衍射分析。
电位滴定证明。
双螺旋中的碱基
2,双螺旋结构
右手螺旋。
核酸的结构
B、大沟、小沟。
螺距：3.4nm
D、螺距：3.4nm 。
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双螺旋的稳定性：A、依靠碱基堆积力
DNA的二级结构
类型上页下页B型结构两条链反向平行，右手螺旋碱基在内（A＝T，G≡C）碱基平面垂直于螺旋轴戊糖在外，双螺旋每转一周为10碱基对（bp）A型结构碱基平面倾斜20º，螺旋变粗变短，螺距2～3nm。
几种DNA螺旋主要构象参数
螺旋类型每圈螺旋中的碱基对数每个碱基旋转的角(度)每个碱基对的垂直高度(nm)螺距(nm)螺旋直径(nm)A11+ 32.70.2560.82.3B10+ 36.00.3383.42.0Z12-30.00.3714.51.8
B-DNA与
几种DNA钠盐的特点
此外，还发现有C、D、E等型。
DNA分子间三股螺旋结构模型
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DNA的三级结构DNA双螺旋
进一步扭曲即成三级结构。
天然DNA有双链DNA（dsDNA），有的病毒为单链DNA（ssDNA）在dsDNA中：线形分子（大多数）环状分子（dcDNA）：质粒、线粒体、叶绿体、病毒、细菌DNA
超螺旋结构特点
凝胶电泳中移动速度快。
核小体中的扭曲方式
在真核细胞染色质中，DNA双螺旋分子盘绕在组蛋白上形成核小体。
许多核小体由DNA连成念珠状结构，再盘绕压缩成高层次的结构———染色体。
真核生物：DNA和蛋白
质组装成染色体，染色体的基本单位是核小体。
核小体由DNA和组蛋白构成。
组蛋白有H1，H2A，H2B，H3和H4。
H2A，H2B，H3和H4各两分子构成核小体的核心，称为组蛋白八聚体。
DNA双螺旋分子缠绕在八聚体上构成核小体的核心颗粒。
核小体的核心颗粒之间再由DNA和组蛋白H1构成的连接区连接起来形成串珠状结构。
核小体进一步旋转折叠形成棒状染色体，将近1 m长的DNA分子容纳于直径只有数微米的细胞核中。
DNA的功能
DNA一级结构的特点基因：是含特定遗传信息的核苷酸序列（DNA或RNA）是遗传物质的最小功能单位。
染色质是核中由DNA和蛋白质组成并可被苏木精等染料染色的物质，染色质DNA含有大量基因片段，是生命的遗传物质。
弄清几个概念基因：基因是DNA
弄清几个概念基因:基因是DNA片段的核苷酸序列，DNA分子中最小的功能单位。
转录：DNA分子中的遗传信息转移到RNA分子中过程。
翻译:把以mRNA为模板合成蛋白质的过程。
结构基因:为RNA或蛋白质编码的基因.调节基因:只有调节作用,并不能转录生成RNA的片段.基因组:某生物体所含的全部基因称该生物体的。
原核生物基因组
基因在同一染色体上。
同一核苷酸顺序中包含多种生物信息
同一核苷酸顺序中包含多种生物信息。
真核生物基因组：一般基因分布
在若干染色体上。
B、有断裂基因：即有内含子。
内含子（intron)：DNA分子中不编码的序列。
外显子(exons)：DNA分子中可表达的序列。
内含子与外显子
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DNA的概念
DNA是遗传信息的载体半保留复制保证了亲代性状传到子代，保证了亲代与子代的相似性。
DNA的概念
DNA是变异的物质基础变异是生物进化的基础。
理化因素等引起碱基变化或缺失，使DNA碱基序列改变，从而发生性状变异。
RNA
连接：同DNA形成：一般以DNA为模板合成，有例外。
结构：单链线形分子，局部区域有双螺旋。
RNA的类型三种：信使RNA核糖
RNA的类型三种：信使RNA（messenger RNA,mRNA)核糖体RNA(ribosomel RNA,rRNA)转运RNA(transfer RNA,tRNA)RNA
不均一RNA：mRNA的前体
此外，在真核细胞中还有少量：核内小RNA（snRNA）:参与核糖体的组成。
不均一RNA（hnRNA）：mRNA的前体。
抑制mRNA翻译。
沉降系数4S
沉降系数4S。
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tRNA结构：一级结构多已清楚
氨基酸臂3′端有CCAOH的共有结构
含有修饰碱基和不变核苷酸。
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tRNA三级结构为倒L型
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在pr合成
B、在pr合成的起始、DNA反转录合成及其它代谢调节中起作用。
mRNA和hnRNA1）合成
：以DNA为模板(核内)合成hnRNA（含内含子和外显子）加工成熟的mRNA 入细胞质蛋白质合成RNA
合成mRNA
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切除内含子
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mRNA结构特点
：3‘末端有polyA结构：与mRNA从核入质有关。
5‘末端有帽子结构：G被甲基化，此可能与pro合成的起始有关。
核酸的功能
rRNA1)占RNA总量的80%
，是构成核糖体的骨架。
二级结构多已确定，但功能不清。
原核细胞：70S核糖体
核糖体RNA自我剪切1983
RNA的功能
可作为遗传物质（如逆转录病毒）。
核酸的性质
溶解性：微溶于水，不溶于一般有机试剂（乙醇沉淀核酸），钠盐易溶于水。
14摩尔法:分离DNA蛋白和RNA蛋白的方法DNA蛋白:在0.14mol/L的NaCl溶液中溶解度最低.RNA蛋白:在0.14mol/L的NaCl溶液中溶解度较大.3、粘度高：一般DNA比RNA粘度高。
水解性：可被酸、碱或酶水解，DNA比RNA对稀碱稳定。
颜色反应：1）核糖
2-脱氧核糖与酸和二苯胺共热呈蓝紫色，在595nm处可测DNA。
二种反应可作定性试验，定量试验灵敏度低、准确性差，但快、简便。
紫外吸收性质
碱基具共轭双键强烈吸收260-290nm波段紫外光，最大吸收峰在260nm附近。
不同核苷酸有不同吸收特性，可用紫外分光光度计进行定性、定量测定。
确定所提取的核酸是否纯品
DNA：OD260/OD280 ≈1.8 纯品2）RNA：OD260/OD280 ≈2.0 纯品在纯化DNA时,通常用A260/A280=1.8-2.0 作为纯度标准,若大于此值,表示有RNA 污染;若小于此值,则有pro 或酚污染.核酸的性质
核酸结构的稳定性
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核酸的变性：变性的概念
变性的概念1）现象：双螺旋DNA和具双螺旋区的RNA氢键断裂，空间结构被破坏，形成单链无规则线团状的过程。
结果：A、增色效应
C、生物学性能部分或全部丧失。
引起变性的因素：温度、pH、尿素、甲醛等。
热变性与Tm：在热变性中
热变性与TmTm：在热变性中，紫外吸收增加的中点值所对应的温度，称该DNA的熔解温度（melting temperature,Tm);又称热解链温度。
影响Tm的因素：1）G-C含量
：Tm与G-C含量成正比。
介质中的离子强度：离子强度低，Tm低，在纯水中, DNA在室温下即可变性。
核酸的复性概念：变性DNA在适当条件下
（缓慢降温），可使两条彼此分开的链重新缔合成双螺旋结构的过程。
复性后，许多物化性质可得到恢复，生物学活性部分恢复。
影响因素：温度、DNA片段大小、DNA浓度、碱基重复序列多少、离子浓度。
DNA变性与复性
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分子生物学技术
概念：1）分子杂交（hybrization):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。
探针用放射性同位素或荧光标记的DNA或
肿瘤组织提取的DNA。
限制性内切酶
水解酶：水解磷酸二酯键1）按专一
性分：DNA水解酶、RNA水解酶2）按作用方式分：外切酶：从核酸链3’或5’一个个水解。
内切酶：作用于核酸链内部。
限制性内切酶
在核苷酸链内特定序列切开DNA双链的酶。
粘性末端分子生物学技术
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分子生物学技术
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Southern
Northern 印迹法：用于检测
聚合酶链式反应
聚合酶链式反应
广泛用于克隆、测序、产生特异
聚合酶可催化在试管内合成
可电泳分离随机得到的大小不等的片段。
核酸序列测定
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