04 第三章 核酸化学.ppt

第1页：第三章 核酸化学

第三章核酸化学

第2页：核酸是一类重要的生物大分子

核酸

是一类重要的生物大分子，担负着生命信息的储存与传递

• 核酸是现代生物化学、分子生物学的重要研究领域，是基因工程操作的核心分子
• 核酸概述

第3页：第一节 核酸是遗传物质的载体

第一节核酸

是遗传物质的载体

• 一、核酸的研究发现史
• 1868年，F. Miescher从细胞核中分离得到一种酸性物质，即现在被称为核酸的物质

第4页：1944年，Avery的转换转化实验or

1944年，Avery的转换转化实验orand可分离

第5页：1952年，Hexshey

• 1952年，Hexshey、Chase T2噬菌体（捣碎器实验）
• 1953年，Watson、Crick DNA双螺旋模型
• 核酶（Ribozyme）

第6页：二、核酸的种类和分布核酸分为两大类

• 98％核中（染色体中）真核线粒体（mDNA）核外叶绿体（ctDNA）DNA 拟核原核核外：质粒（plasmid）病毒：DNA病毒
• 二、核酸的种类和分布核酸分为两大类：脱氧核糖核酸Deoxyribonucleic Acid （DNA）核糖核酸Ribonucleic Acid（RNA）

第7页：三、分子生物学的中心法则

• RNA主要存在于细胞质中
• tRNA
• rRNA
• mRNA
• 其它
• RNA病毒：SARS
• 三、分子生物学的中心法则

第8页：第二节 核酸的基本化学组成核酸核

• 第二节核酸的基本化学组成核酸核苷酸核苷磷酸碱基戊糖元素组成：C H O N P 核酸完全水解产生嘌呤和嘧啶等碱性物质、戊糖（核糖或脱氧核糖）和磷酸的混合物
• 核酸部分水解则产生核苷和核苷酸
• 每个核苷分子含一分子碱基和一分子戊糖，一分子核苷酸部分水解后除产生核苷外，还有一分子磷酸
• 核酸的各种水解产物可用层析或电泳等方法分离鉴定

第9页：一、戊糖RiboseDeoxyr

• 组成核酸的戊糖有两种
• DNA所含的糖为β-D-2-脱氧核糖
• RNA所含的糖则为β-D-核糖
• 一、戊糖RiboseDeoxyribose

第10页：二、碱基

• 二、碱基
• 1.嘌呤（Purine）123456978
• 腺嘌呤AdenineA
• 鸟嘌呤guanineG

第11页：嘧啶（Pyrimidine）123456

2.嘧啶（Pyrimidine）123456尿嘧啶uracilU胞嘧啶cytosineC胸腺嘧啶thymineT

第12页：核酸中也存在一些不常见的稀有碱基

• 核酸中也存在一些不常见的稀有碱基
• 稀有碱基的种类很多，大部分是上述碱基的甲基化产物

第13页：三、核苷（nucleoside）

• 三、核苷（nucleoside）
• 核苷戊糖+碱基
• 糖与碱基之间的C-N键，称为C-N糖苷键1’2’3’4’5’(OH)1’2’3’4’5’(OH)

第14页：假尿苷（ψ）次黄苷

假尿苷（ψ）次黄苷（肌苷）I黄嘌呤核苷X二氢尿嘧啶核苷D取代核苷的表示方式7-甲基鸟苷m5G5OHAdenosine Guanosine Cytidine Uridine

第15页：四、核苷酸（nucleotide）

四、核苷酸（nucleotide）核苷酸核苷+磷酸戊糖+碱基+磷酸HHHHHHHHH

第16页：五、核苷酸衍生物

• 五、核苷酸衍生物
• 1. 继续磷酸化AMPADPATP

第17页：环化磷酸化

• 2.环化磷酸化
• cAMP
• cGMP

第18页：肌苷酸及鸟苷酸(强力味精)

• 3.肌苷酸及鸟苷酸(强力味精)
• 4. 辅酶NAD、NADP、FMNIMPGMP

第19页：六、多聚核苷酸（核酸）

• 六、多聚核苷酸（核酸）
• 多聚核苷酸是通过一个核苷酸的C3’-OH 与另一分子核苷酸的5’-磷酸基形成3’,5’-磷酸二酯键相连而成的链状聚合物
• 5’5’3’3’

第20页：

第21页：5′-磷酸端（常用5’-P表示）

• 5′-磷酸端（常用5’-P表示）
• 3′-羟基端（常用3’-OH表示）
• 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′
• 多聚核苷酸的表示方式DNA RNA5′PdAPdCPdGPdTOH3′ 5′PAPCPGPUOH′ 或5′ACGTGCGT 3′ 5′ACGUAUGU 3′ACGTGCGT ACGUAUGUT5’3’OHU5’3’OHOHOHOHOH

第22页：第三节 DNA的结构

• 第三节DNA的结构
• 一、DNA的一级结构
• 脱氧核糖核酸的排列顺序–可以用碱基排列顺序表示
• 连接键：3’，5’-磷酸二酯键–磷酸与戊糖顺序相连形成主链骨架–碱基形成侧链
• 多核苷酸链均有5’-末端和3’-末端DNA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DNA分子中四种核苷酸千变万化的不同排列组合之中

第23页：基因与基因组基因（gene）

• 2. 基因与基因组基因（gene）：一段有功能的DNA片段，生物细胞中DNA分子的最小功能单位（交换单位）
• 蛋白质（mRNA 蛋白质）产物tRNA RNA rRNA调节功能：调节基因无产物作用未知结构基因

第24页：基因组（genome）

• 基因组（genome）：某生物体（完整单倍体）所含全部遗传物质的总和
• 包括：核基因组（拟核/核DNA）及核外（质粒/质体DNA）bp（碱基对）103 104 105106 107108109 101010111012人两栖类鱼类藻类酵母细菌E.Coli病毒质粒各种细胞、病毒和细菌质粒中基因组的大小

第25页：原核生物基因组特点

• 3. 原核生物基因组特点
• 重复序列少，多位编码区
• 多为操纵子形式组织
• 有重叠基因存在
• 4.真核生物基因组特点
• 以染色体存在
• 重复序列多基因组计划人类基因组计划（Human Genome Project，HGP ）酵母基因组计划（YGP）大肠杆菌（E.Coli）

第26页：二、DNA的二级结构

• 二、DNA的二级结构DNA的双螺旋模型
• 1953年，J.Watson和F.Crick在前人研究工作的基础上，根据DNA结晶的X-衍射图谱和分子模型，提出了著名的DNA双螺旋结构模型，并对模型的生物学意义作出了科学的解释和预测
• 在DNA分子中，嘌呤碱基的总数与嘧啶碱基的总数相等

第27页：DNA双螺旋模型要点

• DNA双螺旋模型要点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
• Z型结构左手螺旋，只有小沟2.0 nm小沟大沟

第28页：

第29页：双螺旋DNA的结构

双螺旋DNA的结构参数类型旋转方向螺旋直径（nm）螺距（nm）每转碱基对数目碱基对间垂直距离（nm）碱基对与水平面倾角A－DNAB－DNAZ－DNA右右左2.02.31.82.83.44.51110120.2550.340.2720º0º7º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）离子键等则DNA变性剂（热、pH、脲/酰胺、有机溶剂）

第30页：DNA的存在形式

DNA的存在形式

第31页：二、DNA的三级结构

• 二、DNA的三级结构
• DNA双螺旋的进一步扭曲构成三级结构，负超螺旋原核双链环状DNA（dcDNA）病毒单链环状DNA（scDNA）单链线性DNA（ssDNA）

第32页：

第33页：真核双链线性DNA（ds

真核双链线性DNA（dsDNA）

第34页：

第35页：第四节 RNA的结构与功能

• 第四节RNA的结构与功能
• 一、结构特点
• 1.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
• 2.多为单链结构，少数局部形成螺旋
• 3.分子较小
• 4.分类
• mRNA（hnRNA 核不均一RNA）
• tRNA
• rRNA （snRNA/asRNA）
• 少数RNA病毒

第36页：二、tRNA

• 二、tRNA占RNA总量的15％一种氨基酸对应最少一种RNA
• 分子量25000左右，大约由70－90个核苷酸组成，沉降系数为4S左右
• 分子中含有较多的修饰成分
• 3'-末端都具有CpCpAOH的结构

第37页：tRNA的三级结构

tRNA的三级结构

第38页：

第39页：三、rRNA

三、rRNA占RNA总量的80％原核生物真核生物核糖体rRNA核糖体rRNA30s70s50s16s5s 、23s40s80s50s 18s5s、5.8s、28s

第40页：四、mRNA和hn

• 四、mRNA和hnRNA占细胞总RNA的3％～5％
• 真核细胞mRNA的3‘-末端有一段长达200个核苷酸左右的聚腺苷酸(polyA)，称为“尾结构”，5’-末端有一个甲基化的鸟苷酸，称为”帽结构“
• 五、snRNA （small nucleic RNA 核小RNA）scRNA （small cytoplasmic RNA）asRNA （antisense RNA）

第41页：第五节 核酸的性质

• 第五节核酸的性质
• 一、一般的理化性质
• 两性解离/ 一般呈酸性（在中性溶液中带负电荷），微溶于水，不溶于有机溶剂
• 线性大分子（粘度高
• 抗剪切力差）
• 可用电泳或离子交换（色谱）进行分离
• 室温条件下，DNA在碱中变性，但不水解，RNA水解
• 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

第42页：二、核酸的紫外吸收特性

• 二、核酸的紫外吸收特性
• 在核酸分子中，由于嘌呤碱和嘧啶碱具有共轭双键体系，因而具有独特的紫外线吸收光谱，一般在260nm左右有最大吸收峰，可以作为核酸及其组份定性和定量测定的依据
• 以A260/A280进行定性、定量
• DNA和RNA溶液中加入溴化乙锭（EB），在紫外下发出荧光

第43页：三、核酸的变性、复性与分子杂交

• 三、核酸的变性、复性与分子杂交
• 1. 变性
• 稳定核酸双螺旋次级键断裂，空间结构破坏，变成单链结构的过程
• 核酸的的一级结构(碱基顺序)保持不变
• 变性表征生物活性部分丧失、粘度下降、浮力密度升高、紫外吸收增加（增色效应）
• 变性因素pH（>11.3或<5.0）变性剂（脲、甲酰胺、甲醛）低离子强度加热

第44页：DNA的变性过程

DNA的变性过程

是突变性的，它在很窄的温度区间内完成

• 因此，通常将紫外吸收的增加量达最大量一半时的温度称熔解温度，用Tm表示
• 一般DNA的Tm值在70-85C之间
• DNA的Tm值与分子中的G和C的含量有关
• G和C的含量高，Tm值高
• 因而测定Tm值，可反映DNA分子中G, C含量，可通过经验公式计算：（G+C)%=(Tm-69.3)X2.442. 热变性和Tm

第45页：

第46页：核酸的复性变性

• 3. 核酸的复性
• 变性核酸的互补链在适当的条件下，重新缔合成为双螺旋结构的过程称为复性
• 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
• 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，因此又称为“退火”
• 退火温度＝Tm－25℃
• 复性影响因素片段浓度/片段大小/片段复杂性（重复序列数目）/ 溶液离子强度

第47页：

第48页：分子杂交DNA单链与在某些区域有互补序列

• 4.分子杂交
• DNA单链与在某些区域有互补序列的异源DNA单链或RNA链形成双螺旋结构的过程
• 这样形成的新分子称为杂交DNA分子
• 核酸的杂交在分子生物学和遗传学的研究中具有重要意义
• Southern 杂交（Southern bolting）
• Northern 杂交（Northern bolting）
• Western 杂交（Western bolting）

第49页：

第50页：

第51页：四、核酸的序列测定

• 四、核酸的序列测定
• 1.双脱氧链终止法（Sanger酶法）
• 2. Gilbert化学降解法

第52页：本章小结

• 本章小结
• 核酸是遗传物质载体的证明和研究历史
• 核酸的化学结构：戊糖、碱基（A、T、G、C、U），核苷、核苷酸及其衍生物的结构特点（原子编号）
• DNA的结构：一级结构（核酸序列及其表示、基因及基因组、序列测定）、二级结构（Watson－Crick双螺旋模型、Z－DNA）、结构维持的化学键
• RNA结构与功能：碱基组成特点、RNA的种类结构及功能
• 核酸的性质：酸碱性、变性与复性、分子杂交