第二章第二章 核酸化学核酸化学1第一节第一节 概述概述核酸核酸(nucleic acid)(nucleic acid) 定义：是以核苷酸为基本组成单位的定义：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。生物大分子，携带和传递遗传信息。 DNADNA：生命遗传信息的携带者生命遗传信息的携带者 RNARNA：生命遗传信息的传递者生命遗传信息的传递者2“格里菲斯之谜格里菲斯之谜”Frederic Griffith1879194119281928年，英国科学家格里年，英国科学家格里菲思在肺炎球菌实验中首菲思在肺炎球菌实验中首次发现了基因是一类特殊次发现了基因是一类特殊生物分子的证据。生物分子的证据。 3R R型菌型菌S S型菌型菌R型细菌无毒型细菌无毒,S型细菌有毒型细菌有毒肺炎双球菌转化实验无荚膜型无荚膜型荚膜型荚膜型4S型细菌被杀死型细菌被杀死肺炎双球菌转化实验加热杀死加热杀死S S型菌型菌5肺炎双球菌转化实验R R型菌型菌+ +加热杀死加热杀死S S型型+ +怎么来的呢？怎么来的呢？619441944年，加拿大生物化学家艾年，加拿大生物化学家艾弗里弗里在实验中发现：死去的在实验中发现：死去的S S型型菌并未复活，而是菌并未复活，而是S S型菌的型菌的DNADNA进入了进入了R R型菌，使其转化为新的型菌，使其转化为新的S S型致病肺炎双球菌。在世界上型致病肺炎双球菌。在世界上第一次证明基因就在第一次证明基因就在DNADNA上。上。 Oswald Theodore Avery （ 18771955 ）7分离分离S S型死菌的提取液型死菌的提取液分别检测各分别检测各分离组分（蛋白质、类脂、多糖、分离组分（蛋白质、类脂、多糖、RNARNA和和DNADNA）的转化活性的转化活性只有只有DNADNA具具有转化因子活性有转化因子活性8核酸的分类核酸的分类核酸分为两大类：核酸分为两大类：脱氧核糖核酸（脱氧核糖核酸（Deoxyribonucleic AcidDeoxyribonucleic Acid，DNADNA） 细胞核：染色质，与组蛋白结合（细胞核：染色质，与组蛋白结合（98%98%） 细胞质：线粒体细胞质：线粒体 核糖核酸（核糖核酸（Ribonucleic AcidRibonucleic Acid，RNARNA） 细胞核（细胞核（1010） 细胞质细胞质（9090）9元素组成元素组成核酸的基本结构单位核酸的基本结构单位核苷酸核苷酸第二节第二节 核酸的基本结构单位核苷酸核酸的基本结构单位核苷酸10核酸的分子组成核酸的分子组成元素组成元素组成 C C、H H、O O、N N、P P等等平均磷含量平均磷含量 P P含量约为含量约为9 910%10%。各种核酸中。各种核酸中P P接近和接近和恒定。恒定。 故在测定组织中的核酸含量时常通过测定故在测定组织中的核酸含量时常通过测定P P的含量计算生物组织中核酸的含量。的含量计算生物组织中核酸的含量。11核酸的基本结构单位核酸的基本结构单位核苷酸核苷酸核酸核酸（DNADNA和和RNARNA）：）：是由数十个到数十是由数十个到数十万个核苷酸连接而成的高分子化合物。万个核苷酸连接而成的高分子化合物。所以也叫多聚核苷酸。所以也叫多聚核苷酸。12核酸核酸 水解水解水解水解水解水解单核苷酸单核苷酸 （B-R-PB-R-P）磷酸（磷酸（P P）戊糖（戊糖（R R） 碱碱基基（B B）核苷核苷（B-RB-R）13核苷酸核苷酸磷酸磷酸核苷核苷HO戊糖戊糖碱基碱基14一一 碱基碱基嘌呤：嘌呤： 腺嘌呤腺嘌呤（A A） 鸟嘌呤鸟嘌呤（G G）嘧啶：嘧啶： 胸腺嘧啶胸腺嘧啶（T T） 胞嘧啶胞嘧啶（C C） 尿嘧啶（尿嘧啶（U)U)稀有碱基：稀有碱基：在某些在某些RNARNA分子中，特别是分子中，特别是tRNAtRNA还还 含有微量的其他碱基称或微量碱含有微量的其他碱基称或微量碱 基。如黄嘌呤、二氢尿嘧啶等基。如黄嘌呤、二氢尿嘧啶等 DNA和和 RNADNARNA15嘌呤嘌呤( (purinepurine) ) 腺嘌呤腺嘌呤(adenine, A)鸟嘌呤鸟嘌呤(guanine, G)16嘧啶嘧啶( (pyrimidinepyrimidine) )胞嘧啶胞嘧啶(cytosine, C)尿嘧啶尿嘧啶(uracil, U)胸腺嘧啶胸腺嘧啶(thymine, T)17二、二、 戊戊 糖糖（构成（构成RNA）12345核糖核糖(ribose)（构成（构成DNA）脱氧核糖脱氧核糖(deoxyribose)H18三三 、核苷、核苷碱基和核糖（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）。1121OHOCHOHOHHH19核苷酸核苷酸：AMP, GMP, UMP, CMPAMP, GMP, UMP, CMP脱氧核苷酸：脱氧核苷酸：dAMPdAMP, , dGMPdGMP, , dTMPdTMP, , dCMPdCMP 四四 核苷酸核苷酸核苷（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）。 5PO OOHOHPO OOHOHPO OOHOH20DNADNA与与RNARNA结构相似，但在组成成份上略有不同：结构相似，但在组成成份上略有不同：DNADNARNARNA磷酸磷酸磷酸磷酸磷酸磷酸碱基碱基腺嘌呤（腺嘌呤（A A）腺嘌呤（腺嘌呤（A A）鸟嘌呤（鸟嘌呤（G G）鸟嘌呤（鸟嘌呤（G G）胞嘧啶（胞嘧啶（C C）胞嘧啶（胞嘧啶（C C）胸腺嘧啶（胸腺嘧啶（T T）尿嘧啶（尿嘧啶（U U）戊糖戊糖D-2D-2脱氧核糖脱氧核糖（dRdR）D-D-核糖核糖21五五 多核苷酸的连接及表示方式多核苷酸的连接及表示方式核酸中核苷酸间的连接：核酸中核苷酸间的连接：核苷酸戊糖核苷酸戊糖3 3位碳上的位碳上的OHOH基与另基与另一个核苷酸戊糖一个核苷酸戊糖5 5位上的磷酸缩位上的磷酸缩合合l核苷酸间的连接方式：核苷酸间的连接方式：3 3,5,5磷酸二酯键磷酸二酯键2255磷酸端：在多核苷磷酸端：在多核苷酸链中，一端核苷酸酸链中，一端核苷酸的的55磷酸未形成磷磷酸未形成磷酸二酯键，称，或酸二酯键，称，或55末端。末端。33羟基端：另一端羟基端：另一端核苷酸核苷酸33羟基未被羟基未被酯化，称为，或酯化，称为，或33末端。末端。5 5 端端3 3 端端核苷酸链的方向性核苷酸链的方向性2324核酸结构的表示方式：核酸结构的表示方式：53结构式结构式25互补链互补链3 T G A C G A 526第三节第三节 DNADNA分子的结构与功能分子的结构与功能一一 DNADNA一级结构一级结构DNADNA分子中核苷酸排列顺序、连接方式称为分子中核苷酸排列顺序、连接方式称为DNADNA的一级结构。的一级结构。连接方式：磷酸二酯键连接方式：磷酸二酯键由于核苷酸间的差异主要是碱基不同，所以也称由于核苷酸间的差异主要是碱基不同，所以也称为为碱基序列碱基序列5 ACTGCATAGCTCGA 3 4n生物界物种的多样性即寓于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。分子中四种核苷酸千变万化的不同排列组合之中。27二二 DNADNA的二级结构的二级结构双螺旋结构双螺旋结构1953年，年，Watson和和Crick ，28（一）（一）DNA双螺旋结构的研究背景双螺旋结构的研究背景 碱基组成分析碱基组成分析Chargaff 规则：规则：A = TG C 碱基的理化数据分析碱基的理化数据分析A-T、G-C以以氢键氢键配对较合理配对较合理 DNA纤维的纤维的X-线衍射图谱分析线衍射图谱分析 29（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分分子子由由两两条条相相互互平平行行但但走走向向相相反反的的脱脱氧氧多多核核苷苷酸酸链链组组成成，两两链链以以- -脱脱氧氧核核糖糖- -磷磷酸酸- -为为骨骨架架，以以右右手手螺螺旋旋方方式式绕绕同同一一公公共共轴轴盘盘。螺螺旋旋直直径径为为2 2nm，形形成成大大沟沟(major groove)及及小小沟沟(minor groove)相间。相间。30（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碱碱基基垂垂直直螺螺旋旋轴轴居居双双螺螺旋旋内内側側，与与对对側側碱碱基基形形成成氢氢键键配配对对（互互补补配配对对形形式式：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。31（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氢氢键键维维持持双双链链横横向向稳稳定定性性，碱碱基基堆堆积积力力维维持持双双链链纵向稳定性纵向稳定性。32WatsonWatson和和CrickCrick所提出所提出的模型称为的模型称为B-DNAB-DNA。 不同构型的不同构型的DNADNAB B型是最稳定的构型，型是最稳定的构型，是细胞内是细胞内DNADNA存在的存在的主要形式主要形式（二）（二） 其它类型的其它类型的DNADNA二级结构二级结构 33碱基互补配对碱基互补配对 5 ACTGCATAGCTCGA 3DNADNA双链的反向互补配对双链的反向互补配对3 TGACGTATCGAGCT 534三三 DNADNA三级结构三级结构指指DNADNA双螺旋通过弯曲和扭转所形成的特定双螺旋通过弯曲和扭转所形成的特定构象即构象即 DNADNA的三级结构的三级结构原核生物原核生物/真真核线粒体核线粒体正超螺旋正超螺旋 盘绕方向与盘绕方向与DNA双螺旋方同相同双螺旋方同相同 负超螺旋负超螺旋盘绕方向与盘绕方向与DNA双螺旋方向相反双螺旋方向相反 35染色体的基本单位是染色体的基本单位是核小体核小体(nucleosome)核小体：由核小体：由DNA和组蛋白共同构成。和组蛋白共同构成。染色体的基本单位是核小体染色体的基本单位是核小体( (nucleosomenucleosome) )真核生物，线性真核生物，线性DNA盘绕在组蛋白上。盘绕在组蛋白上。36第四节第四节 RNARNA的结构与功能的结构与功能DNADNA与与RNARNA结构相似，但在组成成份上略有不同：结构相似，但在组成成份上略有不同：DNADNARNARNA磷酸磷酸磷酸磷酸磷酸磷酸碱基碱基腺嘌呤（腺嘌呤（A A）腺嘌呤（腺嘌呤（A A）鸟嘌呤（鸟嘌呤（G G）鸟嘌呤（鸟嘌呤（G G）胞嘧啶（胞嘧啶（C C）胞嘧啶（胞嘧啶（C C）胸腺嘧啶（胸腺嘧啶（T T）尿嘧啶（尿嘧啶（U U）戊糖戊糖D-2D-2脱氧核糖脱氧核糖（dRdR）D-D-核糖核糖37RNARNA的结构特点的结构特点lRNARNA是单链分子是单链分子。RNARNA分子中，并不遵守碱基种类的数分子中，并不遵守碱基种类的数量比例关系，即分子中的嘌呤碱基总数不一定等于嘧啶量比例关系，即分子中的嘌呤碱基总数不一定等于嘧啶碱基的总数。碱基的总数。lRNARNA分子中，分子中，单链部分区域自身回折，如果碱基互补也单链部分区域自身回折，如果碱基互补也能形成双螺旋结构，不能形成双螺旋的部分，则形成突能形成双螺旋结构，不能形成双螺旋的部分，则形成突环。这种结构可以形象地称为环。这种结构可以形象地称为“发夹型发夹型”结构结构。l在在RNARNA的双螺旋结构中，碱基的配对情况不象的双螺旋结构中，碱基的配对情况不象DNADNA中严中严格。格。G G 除了可以和除了可以和C C 配对外，也可以和配对外，也可以和U U 配对。不同类配对。不同类型的型的RNA, RNA, 其二级结构有明显的差异。其二级结构有明显的差异。38RNARNA局部形成局部形成“发卡发卡”结结构构39 RNARNA一级结构一级结构RNARNA的一级结构是指碱基的的一级结构是指碱基的排列顺排列顺序序、数量。、数量。RNA RNA 信使信使RNA(mRNARNA(mRNA） 核糖体核糖体RNA(rRNARNA(rRNA ) ) 转运转运RNARNA（tRNAtRNA) )40一一 信使信使RNARNA* mRNA的功能的功能 蛋白质合成的模板蛋白质合成的模板。DNAmRNA蛋白蛋白转录转录翻译翻译41* * mRNAmRNA结构特点结构特点2. 2. 大多数真核大多数真核mRNAmRNA的的3 3末端末端有一个多聚腺苷酸有一个多聚腺苷酸( (polyApolyA) )结构，称为结构，称为多聚多聚A A尾尾。1. 1. 大大多多数数真真核核mRNAmRNA的的5 5末末端端均均在在转转录录后后加加上上一一个个7-7-甲甲基基鸟鸟苷苷，同同时时第第一一个个核核苷苷酸酸的的C C 2 2也也是是甲基化，形成甲基化，形成帽子结构帽子结构：m m7 7GpppNGpppNm m- -。42433 3 编码区：编码区：mRNAmRNA有有编码区和非编码区编码区和非编码区，编码区是，编码区是所有所有mRNAmRNA分子的主要结构部分，决定蛋白质分分子的主要结构部分，决定蛋白质分子的子的 一级结构。非编码区与蛋白质生物合成一级结构。非编码区与蛋白质生物合成调控有关。调控有关。44二二 转运转运RNARNA* * t tRNARNA的功能的功能活活化化、搬搬运运氨氨基基酸酸到到核核糖糖体体，参参与与蛋蛋白白质的翻译。质的翻译。1 单链分子单链分子2 含含 1020% 稀有碱基稀有碱基，如，如 DHU3 3末端为末端为 CCA-OH4 5末端大多数为末端大多数为G，而且是磷酸化的而且是磷酸化的45* * tRNAtRNA的二级结构的二级结构三叶草形三叶草形 氨基酸臂氨基酸臂 DHUDHU环环 反密码环反密码环 额外环额外环 TCTC环环氨基酸臂氨基酸臂DHU环环反密码子环反密码子环TCTC环环额外环额外环46在三叶草型二级结在三叶草型二级结构的基础上，突环构的基础上，突环上未配对的碱基由上未配对的碱基由于整个分子的扭曲于整个分子的扭曲而配成对，目前已而配成对，目前已知的知的tRNAtRNA的三级结的三级结构均为构均为倒倒L L型型tRNAtRNA的三级结构的三级结构氨基酸臂氨基酸臂反密码子环反密码子环47三三 核糖体核糖体RNARNA1 1 细胞内含量最丰富的细胞内含量最丰富的RNA.RNA.2 2 与与核糖体蛋白组成核糖体核糖体蛋白组成核糖体3 3 蛋白合成的场所蛋白合成的场所真核生物（真核生物（80S)5S rRNA28S rRNA5.8S rRNA18S Rrna(小亚基）小亚基）原核生物原核生物(70S)5S rRNA23S rRNA16S rRNA（小亚基）小亚基）48核糖体核糖体49RNARNA分类及特点分类及特点种类种类含量含量特点特点功能功能mRNAmRNA（信使（信使RNARNA）2-3%2-3%链长和分子量差链长和分子量差异很大。异很大。含有含有DNADNA遗传信息，是蛋遗传信息，是蛋白质合成的模板白质合成的模板tRNAtRNA( (转移转移RNA)RNA)10-10-25%25%分子量最小的核分子量最小的核酸酸携带运输活化了的氨基携带运输活化了的氨基酸，参与蛋白质的生物酸，参与蛋白质的生物合成合成rRNArRNA ( (核糖体核糖体RNA)RNA)75-75-80%80%不单独存在，与不单独存在，与蛋白质构成核蛋蛋白质构成核蛋白体白体蛋白质生物合成场所蛋白质生物合成场所或装配机或装配机5750第五节、核酸理化性质第五节、核酸理化性质一一 酸性：酸性：由于核酸分子中的由于核酸分子中的磷酸磷酸是一个中是一个中等强度的酸，而碱性（氨基）是一个弱碱，等强度的酸，而碱性（氨基）是一个弱碱，通常表现为酸性。通常表现为酸性。由于在中性或偏碱性溶液中，常带负电荷，由于在中性或偏碱性溶液中，常带负电荷，故可电泳分离。故可电泳分离。51 在核酸分子中，由于嘌呤碱和嘧啶碱在核酸分子中，由于嘌呤碱和嘧啶碱具有共轭双键体系，一般在具有共轭双键体系，一般在260nm260nm左右有最左右有最大吸收峰，作为核酸及其组份定性和定量大吸收峰，作为核酸及其组份定性和定量测定的依据。测定的依据。二二 核酸的紫外吸收核酸的紫外吸收52三三 核酸的变性、复性与杂交核酸的变性、复性与杂交（1 1）核酸的变性）核酸的变性 在理化因素作用下，核酸分子中的氢键断在理化因素作用下，核酸分子中的氢键断裂，双螺旋结构松散分开，形成无规则单裂，双螺旋结构松散分开，形成无规则单链结构的过程。链结构的过程。变性核酸将失去其部分或变性核酸将失去其部分或全部的生物活性。全部的生物活性。 核酸的变性并不涉及核酸的变性并不涉及磷酸二酯键磷酸二酯键的断裂，的断裂，其其一级结构一级结构( (碱基顺序碱基顺序) )保持不变保持不变。核核酸酸变变性性的的因因素素：加加热热、酸酸碱碱度度改改变变、甲甲醛和尿素等的存在均可引起核酸的变性。醛和尿素等的存在均可引起核酸的变性。53增色效应：天然状态的增色效应：天然状态的DNADNA在完全变性后，在完全变性后，紫外吸收紫外吸收(260 nm)(260 nm)值升高值升高, , 即。即。粘度降低粘度降低沉降速度增加沉降速度增加DNADNA变性后，性质也随之发生变化变性后，性质也随之发生变化 54Tm Tm ：随：随DNADNA变性增加，变性增加，260nm260nm处的紫外光吸收值处的紫外光吸收值逐渐增加，该值达到最大值逐渐增加，该值达到最大值5050时的温度称为时的温度称为核酸的解链温度或变性温度，用核酸的解链温度或变性温度，用“Tm” Tm” 表示表示融解温度。融解温度。55T Tm m值影响因素：值影响因素：1 1 与分子中的与分子中的G G和和C C的含量有关。的含量有关。G G和和C C的含量高，的含量高，T Tm m高高（因（因G- CG- C之间有三个之间有三个氢键，氢键，A-TA-T有两个氢键，故有两个氢键，故G-CG-C较较A-TA-T稳固）。稳固）。2 2 与核酸分子长度有关，与核酸分子长度有关，核酸分子越核酸分子越长长，解链时所需能量越高，解链时所需能量越高，TmTm值越大。值越大。56复性：变性复性：变性DNADNA在适当的条件下，两条彼此在适当的条件下，两条彼此分开的单链可以重新缔合成为双螺旋结构，分开的单链可以重新缔合成为双螺旋结构，这一过程称为。这一过程称为。（2 2）核酸的复性）核酸的复性57n不同来源的不同来源的DNADNA、DNADNA与与RNARNA、RNARNA和和RNARNA之间都可以发生杂交。之间都可以发生杂交。58n核酸的杂交的应用：核酸的杂交的应用： 在分子生物学和遗传学的研究中具有重要在分子生物学和遗传学的研究中具有重要意义。意义。临床诊断：临床诊断： 基因诊断：如地中海贫血、分子病等基因诊断：如地中海贫血、分子病等 遗传病的产前诊断：胎儿羊水中收取遗传病的产前诊断：胎儿羊水中收取DNADNA基础研究领域：基础研究领域： PCRPCR技术、技术、SouthernSouthern杂交、杂交、NorthernNorthern杂交杂交59思考题核酸变性；核酸复性；分子杂交；核酸变性；核酸复性；分子杂交；TmTm值。值。试比较试比较RNARNA和和DNADNA在分子组成及结构上的在分子组成及结构上的异同点异同点。简述简述tRNAtRNA二级结构的基本特点。二级结构的基本特点。试述试述RNARNA的种类及其生物学作用。的种类及其生物学作用。什么是解链温度？影响什么是解链温度？影响TmTm值值大小的因素有哪些？大小的因素有哪些？为什么？为什么？60谢谢 谢谢61