03 第二章 核酸化学.ppt

第1页：第二章核酸的化学封面

第二章核酸的化学

第2页：核酸的化学内容概要

• 本章内容
• 概述
• DNA
• RNA
• 核酸的性质

第3页：第一节核酸的发展历史及研究现状

第一节核酸的发展历史及研究现状

第4页：核酸化学研究史

核酸化学研究史（1）1869年Miescher, 博士论文工作中测定淋巴细胞蛋白质组成时, 发现了不溶于稀酸和盐溶液的沉淀物, 并在所有细胞的核里都找到了此物质, 故命名"核质(Nuclein)"1879年Kossel经过10年的努力, 搞清楚核质中有四种不同的组成部分: A,T, C 和G；核酸研究史1

第5页：核酸化学研究史

核酸化学研究史（2）1889年Altman建议将“核质”改名为“核酸”, 因为已经认识到“核质”乃“核酸”与蛋白质的复合体。1909年Levene 发现酵母的核酸含有核糖1930年Levene 发现动物细胞的核酸含有一种特殊的核糖－－脱氧核糖, 得出了一个错误概念: 植物核酸含核糖,动物核酸含脱氧核糖。这个错误概念一直延续到1938年，这时方清楚RNA和DNA的区别。Levene还提出了核酸的“磷酸－核糖(碱基)－磷酸"的骨架结构, 解决了DNA分子的线性问题, 还在1935年提出"四核苷酸", 认为这四种碱基的含量是一样的。核酸研究史2

第6页：核酸化学研究史

核酸化学研究史（3）1950年Chargaff,E和Hotchkiss,R.D.采用纸层析法仔细分析了DNA的组成成分, 得知[A]=[T], [G]=[C], [A+G]=[C+T]1953年Watson, Crick根据DNA的X射线图谱的研究结果, 提出了DNA的双螺旋模型(Double helix)。几星期后提出了半保留式复制模型。1957年Meselsnhe & Stahl用密度梯度超离心法, 证实半保留复制假说。核酸研究史3

第7页：核酸化学研究史

第8页：第二节概述

• 第二节概述
• 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。二、种类及分布DNA （脱氧核糖核酸）RNA（核糖核酸）一、概念

第9页：核酸的分布

• 分布：
• DNA：主要在细胞核中，是染色体的主要成分。此外在线粒体、叶绿体、质粒及细胞膜上.
• RNA：细胞核——核仁；细胞质——核糖体及上清液中。

第10页：核酸的组成

三、核酸的组成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)。戊糖碱基磷酸核苷核苷酸核酸

第11页：核苷酸的基本结构

核苷酸的基本结构

第12页：腺苷酸

腺苷酸

第13页：核酸中的戊糖

• （一）核酸中的戊糖
• D-核糖（D-ribose）
• D-脱氧核糖（D-deoxyribose）
• 核酸据此分类：脱氧核糖——DNA；核糖——RNA；
• 核酸中的戊糖均为β-D-型一、核苷酸

第14页：碱基尿嘧啶胸腺嘧啶胞嘧啶

• （二）碱基尿嘧啶胸腺嘧啶胞嘧啶
• 核酸中的碱基分两类：1、嘧啶碱(pyrimidine)：是嘧啶的衍生物。

第15页：核苷酸

一、核苷酸2、嘌呤碱(purine)：由嘌呤衍生而来。

第16页：腺嘌呤鸟嘌呤尿嘧啶胞嘧啶胸腺嘧啶

腺嘌呤鸟嘌呤尿嘧啶胞嘧啶胸腺嘧啶

第17页：在生理pH下

在生理pH下在生物体内，碱基多以亚氨基、酮式存在。

第18页：稀有碱基

3、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

第19页：核苷与糖苷键

（三）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

第20页：核苷的表示

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。

第21页：核苷酸

（四）核苷酸(nucleotide，nt)1、种类：1）按酯化位点：可在核糖的2’-, 3’-, 5’-；2）按核糖类型：核苷酸、脱氧核苷酸一、核苷酸核苷中戊糖的羟基被磷酸酯化，即为核苷酸。

第22页：核苷酸结构

2、结构：

第23页：核苷酸的表示方式

• 3、表示：
• 与一个磷酸结合——MP：(d)AMP、(d)GMP、(d)CMP、(d)TMP、UMP
• 与二个磷酸结合——DP：如：ADP
• 与三个磷酸结合——TP：如：ATP一、核苷酸

第24页：特殊核苷酸

4、特殊核苷酸：1）环核苷酸：核糖3’-, 5’-成环。cAMP、cGMP功能：第二信使，激素、一些药物、神经递质通过其发挥生理作用

第25页：核苷多磷酸和寡核苷多磷酸

2）核苷多磷酸和寡核苷多磷酸：如：pppAppp（枯草杆菌）A5’ppppA 5’ （哺乳动物）对代谢起调控作用。

第26页：核苷酸的连接方式

一、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。一、核苷酸第三节核酸的结构

第27页：磷酸二酯键

3’-, 5’磷酸二酯键

第28页：核酸的一级结构

二、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~。

第29页：一级结构表示方法如下

1）一级结构表示方法如下：A、磷酸（P）的位置在左：表示与5’-OH结合；在右：与3’-OH结合如：pApCpTpGB、箭头表示核酸酶的水解部位：pApCpTpG ，即C的3’-OH游离。C、一般将碱基缩写用连字符连起表示，如：A-C-G-U一、核苷酸

第30页：核酸的一级结构

2）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。如：5’A-T-G-C-C-T-G-A 3’3’T-A-C-G-G-A-C-T 5’一、核苷酸

第31页：由数量庞大的4种脱氧核苷酸通过3’

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。

第32页：DNA的双螺旋二级结构

三、DNA的双螺旋二级结构1、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。3）电位滴定证明

第33页：的DNA双螺旋

Watson-Crick的DNA双螺旋2.0 nm结构特征

第34页：

第35页：DNA的双螺旋二级结构DNA

DNA中的四种碱基及它们间的氢键胞嘧啶胸腺嘧啶鸟嘌啉腺嘌啉TCAG

第36页：双螺旋中的碱基对

双螺旋中的碱基对（base pair,bp)

第37页：双螺旋结构的特点

2,双螺旋结构的特点:(Watson-Crick模型）1）形成：两条链反向平行；右手螺旋

第38页：DNA的双螺旋二级结构结构

2）结构：A、核糖-磷酸以3’-, 5’磷酸二酯键连接成骨架；碱基在内；B、大沟、小沟

第39页：DNA双螺旋的尺寸参数

3）尺寸：二、DNAA、直径：2nm ；B、碱基距离：0.34nm；C、螺距：3.4nm；D、一周10个核苷酸。

第40页：双螺旋的稳定性

4）双螺旋的稳定性：A、依靠碱基堆积力B、氢键C、离子键D、范德华力

第41页：二级结构的构象类型

3、二级结构的构象类型：二、DNAB-DNAA-DNAZ-DNA

第42页：DNA二级结构多态性

DNA二级结构多态性A-DNA B-DNA Z-DNA类型螺旋方向螺旋直径螺距(nm)每转碱基碱基对间碱基对与(nm)对数目直距离(nｍ）水平面倾角Ａ右２．３２．８１１０．２５５２０°Ｂ右２．０３．４１００．３４０°Ｚ左１．８４．５１２０．３７７°

第43页：DNA的双螺旋二级结构

B-DNA与A-DNA

第44页：几种DNA钠盐的特点

几种DNA钠盐的特点B-DNA：生理状态下多为此种；92%相对湿度A-DNA：右手螺旋；75%相对湿度；生理状态下多见dsRNA、DNA-RNAZ-DNA：人工合成、左手螺旋；嘧啶、嘌呤交替；有m5dC；与基因表达调控有关；此外，还发现有C、D、E等型。

第45页：三条链局部螺旋

H-DNA:三条链局部螺旋

第46页：DNA的三级结构

四、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、细菌二、DNA

第47页：超螺旋结构特点

• 1、超螺旋结构特点：
• 可将长链压缩在一较小体内；
• 密度大；
• 凝胶电泳中移动速度快

第48页：

第49页：正螺旋和负螺旋DNA双螺旋为右旋螺旋

正螺旋和负螺旋DNA双螺旋为右旋螺旋。细胞中的环状DNA一般呈负超螺旋，即右旋螺旋不足导致部分碱基不形成配对，分子通过整体拓扑学上的右旋来补足右旋螺旋的不足，在数学上呈1：1，即分子整体右旋一圈来补双螺旋上的一圈不足。正超螺旋为双螺旋旋转过度，通过分子整体的左旋来解去过度的螺旋。正超螺旋左旋负超螺旋右旋

第50页：核小体中的扭曲方式

• 2、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

第51页：DNA的功能

五、DNA的功能1、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。若干bp 多个基因pr+DNA 染色体二、DNA

第52页：原核生物基因组

• 1）原核生物基因组：
• 基因在同一染色体上。A、除调节序列和信号序列外，多为结构基因；B、功能相关的基因常连在一起，并转录在同一mRNA中

第53页：基因有重叠

C、基因有重叠；同一核苷酸顺序中包含多种生物信息。

第54页：真核生物基因组

2）真核生物基因组：一般基因分布在若干染色体上。A、有重复序列；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

第55页：启动子外显子内含子转录终止子真核生物

启动子外显子内含子转录终止子真核生物的基因结构

第56页：内含子与外显子

内含子与外显子

第57页：DNA是遗传信息

2、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

第58页：DNA是变异的物质基础变异是生物进化

3、DNA是变异的物质基础变异是生物进化的基础。变异的发生：1）DNA复制时出错；2）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

第59页：RNA

六、RNA（一）RNA的结构组成：4种核苷酸，有稀有碱基；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。

第60页：RNA的类型三种

（二）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)三、RNA

第61页：真核细胞中的其他RNA

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。反义RNA（asRNA）：可与mRNA部分或全部序列互补；抑制DNA复制、转录；抑制mRNA翻译。

第62页：tRNA约占全部RNA的

1、tRNA约占全部RNA的15%；由70-90个核苷酸组成许多种类；沉降系数4S

第63页：RNA结构

1）tRNA结构：一级结构多已清楚，含较多稀有碱基；二级结构为三叶草有：aa臂、二氢嘧啶环、反密码环、可变环、TΨ C环三、RNA

第64页：tRNA三级结构为倒L型

tRNA三级结构为倒L型

第65页：在pr合成中转运aa

A、在pr合成中转运aa；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。2）tRNA功能：

第66页：mRNA

2、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三、RNA

第67页：RNA转录自DNA

RNA转录自DNA

第68页：合成mRNA

合成mRNA

第69页：切除内含子

切除内含子

第70页：

第71页：RNA功能

3) 功能：是蛋白质合成的模板mRNAtRNA核糖体

第72页：占RNA总量的

3、rRNA1)占RNA总量的80%，是构成核糖体的骨架。2)核糖体功能：pr合成的部位.3）结构：分大、小亚基一、二级结构多已确定，但功能不清

第73页：原核细胞

• 原核细胞：70S核糖体；
• 真核细胞：80S核糖体；

第74页：RNA的功能

4、RNA的功能1）在DNA复制、转录、翻译中起重要调控作用；a. 遗传密码的中间担体(mRNA)b. mRNA剪接等加工的活性成份(snRNA)c. 核糖体的骨架结构及与mRNA的识别(rRNA)d. 活化氨基酸的担体(tRNA)2）有催化作用；3）可作为遗传物质（如逆转录病毒）

第75页：

第76页：第四节核酸的性质

第四节、核酸的性质一、一般理化性质1、两性电解质：2、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。3、粘度高：一般DNA比RNA粘度高。4、水解性：可被酸、碱或酶水解，DNA比RNA对稀碱稳定。

第77页：颜色反应

5、颜色反应：1）核糖与浓盐酸和苔酚蓝共热呈绿色，在670nm处可测RNA；2）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

第78页：紫外吸收性质

• 二、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。
• 应用：1、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。1 OD相当于：50μg/ml DNA40μg/ml RNA20μg/ml Nt(核苷酸）四、核酸的性质

第79页：确定所提取的核酸是否纯品

2、确定所提取的核酸是否纯品。1）DNA：≈1.8 纯品OD260/OD290＞1.8 RNA 污染＜1.8 pro 污染2）RNA：OD260/OD290 ≈2.0 纯品四、核酸的性质

第80页：紫外可使相邻T

3、紫外可使相邻T T间形成共价结合的胸腺嘧啶二聚体，引起基因突变。A = TC = GT = AT = A紫外A = TC = GT AT A

第81页：核酸结构的稳定性

三、核酸结构的稳定性1、碱基堆积力：双螺旋内部碱基形成的疏水区；2、碱基间的氢键：3、磷酸基与介质中阳离子形成的离子键4、范德华力

第82页：核酸的变性

四、核酸的变性1、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

第83页：DNA变性的结果

2）结果：A、增色效应：260nm紫外吸收增加；B、粘度下降、浮力密度上升；C、生物学性能部分或全部丧失。3）引起变性的因素：温度、pH、尿素、甲醛等。

第84页：热变性与TmTm

2、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

第85页：影响Tm的因素

3、影响Tm的因素：1）DNA的均一性；2）G-C含量：Tm与G-C含量成正比。3）介质中的离子强度：离子强度低，Tm低，熔解温度范围窄。

第86页：DNA分子

DNA分子的Tm与GC含量的关系

第87页：盐浓度对DNA变性的影响

盐浓度对DNA变性的影响

第88页：核酸的复性概念

五、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

第89页：DNA变性与复性

DNA变性与复性

第90页：第五节分子生物学技术

第五节、分子生物学技术一、分子杂交与探针技术1、概念：1）分子杂交（hybrization):利用核酸变性、复性性质，根据碱基配对原则，将二条不同来源的nt链形成杂合双链的过程。DNA-DNA：DNA-RNA:

第91页：探针及其制备

• 2)探针（probe)
• 一小段（十几至数百）多聚核苷酸单链用32P、35S或生物素标记其末端或全链。
• 制备：用确诊病人细胞中提取的DNA；用病毒DNA ；用肿瘤组织提取的DNA。

第92页：分子生物学技术

上：探针标记右：放射自显影

第93页：

第94页：限制性内切酶

二、限制性内切酶：1、核酸的工具酶有：水解酶类；聚合酶类；连接酶；碱性磷酸酯酶；反转录酶；

第95页：水解酶

2、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。

第96页：限制性内切酶

• 3、限制性内切酶
• 在核苷酸链内特定序列切开DNA双链的酶。因切法不同，产生三种产物：交错切——产生粘性末端：平切——产生平头末端：

第97页：粘性末端

粘性末端

第98页：应用于克隆

应用于克隆、测序、检测DNA等

第99页：DNA凝胶电泳

DNA凝胶电泳

第100页：限制性内切酶

三、Southern印迹法五、分子生物学技术用于检测DNA方法：如图

第101页：用于检测

Northern blot：用于检测RNAWestern blot：用于检测蛋白质

第102页：聚合酶链式反应

四、聚合酶链式反应（polymeerase chainreaction, PCR)

第103页：碱基配对原理

• 原理：
• 碱基配对；
• 聚合酶可催化在试管内合成与模板互补的DNA新链；
• 双脱氧核苷酸无3’-OH，合成到此终止；
• 可电泳分离随机得到的大小不等的片段。五、核酸序列测定

第104页：核酸序列测定

核酸序列测定