生物化学核酸

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1、第三章 核酸核酸本章内容 核酸的化学组成核酸的化学组成 DNA的结构的结构 RNA的结构与功能的结构与功能 核酸的性质核酸的性质 核酸的序列测定（核酸的序列测定（自学自学）核酸核酸(nucleic acid)是以核苷酸为基本组成单位的是以核苷酸为基本组成单位的生物大分子，携带和传递遗传生物大分子，携带和传递遗传信息。信息。核酸的发现和重要的相关研究核酸的发现和重要的相关研究 1868年年Fridrich Miescher从脓细胞核中提取从脓细胞核中提取“核素核素”1944年年Avery等人证实等人证实DNA是遗传物质是遗传物质 1953年年Watson和和Crick发现发现DNA的双螺旋结构的

2、双螺旋结构 1968年年Nirenberg破译了遗传密码破译了遗传密码 1975年年Temin和和Baltimore发现逆转录酶发现逆转录酶 1981年年Gilbert和和Sanger建立建立DNA 测序方法测序方法 1985年年Mullis发明发明PCR 技术技术 1990年美国启动人类基因组计划年美国启动人类基因组计划(HGP)1994年中国人类基因组计划启动年中国人类基因组计划启动 2001年美、英等国完成人类基因组计划基本框架年美、英等国完成人类基因组计划基本框架 2002年年中国率先绘就水稻（籼稻）基因组的工作框架图中国率先绘就水稻（籼稻）基因组的工作框架图,并完成水稻第四号染色体精

3、确测序。并完成水稻第四号染色体精确测序。一、核酸的组成成分核酸的组成成分 核糖和脱氧核糖核糖和脱氧核糖 嘌呤碱和嘧啶碱嘌呤碱和嘧啶碱 核苷核苷 嘌呤碱嘌呤碱N9或嘧啶碱或嘧啶碱N1与核糖或脱氧核糖与核糖或脱氧核糖C1通过通过N-糖苷键相连形成核苷或脱氧核苷。糖苷键相连形成核苷或脱氧核苷。核苷酸核苷酸核苷酸是核苷的磷酸脂。核苷酸可分为核糖核苷酸与核苷酸是核苷的磷酸脂。核苷酸可分为核糖核苷酸与脱氧核糖核苷酸两大类脱氧核糖核苷酸两大类：核糖核苷酸核糖核苷酸 AMP，GMP，UMP，CMP脱氧核糖核苷酸脱氧核糖核苷酸 dAMP，dGMP，dTMP，dCMP 核苷酸的连接核苷酸的连接核苷酸之间以核苷酸之

4、间以3,5-磷酸二酯键连接形成多核苷酸链，即核酸。磷酸二酯键连接形成多核苷酸链，即核酸。二、二、DNA的结构的结构(一一)DNA)DNA的一级结构的一级结构DNA分子的脱氧核苷酸组成与排列（分子的脱氧核苷酸组成与排列（sequence）(二二)DNA)DNA的二级结构的二级结构-双螺旋结构双螺旋结构1 DNA1 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：(1)A=T(1)A=T，G=CG=C；(2)(2)不同生物种属的不同生物种属的DNADNA碱基碱基 组成不同；组成不同；(3)(3)同一个体的不同器官或同一个体的不同器官或 组织的组

5、织的DNADNA碱基组成相同。碱基组成相同。(4)(4)一种生物一种生物DNADNA碱基组成不随碱基组成不随 生物体的年龄、营养状态或生物体的年龄、营养状态或 环境变化而改变。环境变化而改变。碱基的理化数据分析碱基的理化数据分析 A-TA-T、G-CG-C以氢键配对较合理以氢键配对较合理 DNADNA纤维的纤维的X-X-线衍射图谱分析线衍射图谱分析 用来阐明用来阐明DNA结构的关键的结构的关键的X射线衍射照片。它证明了射线衍射照片。它证明了DNA是螺旋形结构。照片中心的十是螺旋形结构。照片中心的十字形的字形的X射线反射图形表明了螺射线反射图形表明了螺旋的形式；位于顶端和底部的旋的形式；位于顶端

6、和底部的很深的黑色区域表明相距很深的黑色区域表明相距0.34nm的嘌呤和嘧啶碱基是规的嘌呤和嘧啶碱基是规则的相邻叠加的，并垂直于螺则的相邻叠加的，并垂直于螺旋轴。旋轴。1953年，年，Watson 和和Crick提出了提出了B型型DNA双螺旋结构模型。双螺旋结构模型。2 DNA2 DNA双螺旋结构模型的要点双螺旋结构模型的要点(1)(1)主链主链。两条。两条反向平行的反向平行的脱氧多核苷酸链围绕同一中心轴相互缠绕，两脱氧多核苷酸链围绕同一中心轴相互缠绕，两条链均为右手螺旋，其中一条为条链均为右手螺旋，其中一条为5 3,另一条为另一条为3 5,3 5者为正向链者为正向链。脱氧核糖基脱氧核糖基-磷

7、酸基骨架位于螺旋磷酸基骨架位于螺旋外侧外侧，彼此通过彼此通过3,5-磷酸二酯键连接。磷酸二酯键连接。碱基位于碱基位于内侧内侧，碱基平面与螺旋的长轴垂直，糖环的平面则与纵轴平，碱基平面与螺旋的长轴垂直，糖环的平面则与纵轴平行。行。（2 2）碱基配对碱基配对。两条链通过碱基间的氢键相连，两条链通过碱基间的氢键相连，A A对对T T有两个氢键，有两个氢键，C C对对G G有三个氢键，这种有三个氢键，这种A-TA-T、C-GC-G配对的规律，称为配对的规律，称为碱基互补规则碱基互补规则。(3)(3)螺旋参数螺旋参数。DNADNA双链是右手螺旋结构螺旋直径双链是右手螺旋结构螺旋直径2nm2nm，每圈，每

8、圈螺旋含螺旋含1010个碱基对个碱基对(bp)(bp)，螺距为，螺距为3.4nm3.4nm。（4 4）螺旋表面螺旋表面。配对碱基并不充满双螺旋的全部空间，而。配对碱基并不充满双螺旋的全部空间，而且碱基对占据的空间不对称，因此在双螺旋的表面形成两且碱基对占据的空间不对称，因此在双螺旋的表面形成两条螺形凹沟，一条较深称为大沟条螺形凹沟，一条较深称为大沟(majorgroove)(majorgroove)，一条较，一条较浅称为小沟浅称为小沟(minor groove)(minor groove)。(5)(5)维持双螺旋稳定的因素维持双螺旋稳定的因素：横向为互补碱基间的氢键，纵：横向为互补碱基间的氢键

9、，纵向为碱基平面间的疏水性堆积力。向为碱基平面间的疏水性堆积力。磷酸基团上的负电荷与磷酸基团上的负电荷与带正电荷的组蛋白或介质中的阳离子之间形成离子键带正电荷的组蛋白或介质中的阳离子之间形成离子键;范范德华力。（德华力。（参见参见P92P92)见见P92 3 3 DNA双螺旋结构的多样性化（双螺旋结构的多样性化（自学自学）B型型DNA双螺旋是核酸二级结构的重要形双螺旋是核酸二级结构的重要形式。当改变了溶液的离子强度和相对湿度式。当改变了溶液的离子强度和相对湿度时，时，DNA螺旋结构可以改变，除螺旋结构可以改变，除B型外，型外，还有还有Z型及型及A型。型。在体内，不同构象的在体内，不同构象的DN

10、A可能与基因表达可能与基因表达的调控有关。的调控有关。见见P76(三三)DNA)DNA的三级结构的三级结构 DNA双螺旋链再盘绕双螺旋链再盘绕,形成一种比双螺旋更高层次形成一种比双螺旋更高层次的空间构象。的空间构象。包括线形包括线形DNA形成的纽结、超螺旋和多重螺旋、形成的纽结、超螺旋和多重螺旋、环状环状DNA形成的结、超螺旋和连环等结构形成的结、超螺旋和连环等结构 正超螺旋正超螺旋(positive supercoil)指左手方向的超螺旋指左手方向的超螺旋,增加螺旋圈数。增加螺旋圈数。负超螺旋负超螺旋(negative supercoil)指右手方向的超螺旋指右手方向的超螺旋,减少增加螺旋圈

11、数。减少增加螺旋圈数。生物体内多数超螺旋以生物体内多数超螺旋以负超螺旋负超螺旋的形式存在。的形式存在。意义意义 DNA超螺旋结构整体或局部的拓扑学变化及其调控对于超螺旋结构整体或局部的拓扑学变化及其调控对于DNA复复制和制和RNA转录过程具有关键作用。转录过程具有关键作用。真核生物染色体由真核生物染色体由DNA和蛋白质构成和蛋白质构成（自学自学）其基本单位是其基本单位是核小体核小体(nucleosome)。核小体的组成核小体的组成 DNA：约：约200bp 组蛋白：组蛋白：H1、H2A，H2B、H3、H4见见P80-81DNA的功能的功能 DNA的基本功能是的基本功能是以基因的形式荷载遗传以基

12、因的形式荷载遗传信息，并作为基因复制和转录的模板信息，并作为基因复制和转录的模板。它是生命遗传的物质基础，也是个体生命它是生命遗传的物质基础，也是个体生命活动的信息基础。活动的信息基础。基因基因是指是指DNA分子中的特定区段，其中的分子中的特定区段，其中的核苷酸排列顺序决定了基因的功能。核苷酸排列顺序决定了基因的功能。三、三、RNA的结构与功能的结构与功能RNA：通常以单链形式存在，但也有复杂的局部通常以单链形式存在，但也有复杂的局部二级结构或三级结构。二级结构或三级结构。种类较多种类较多 功能多样功能多样 分子大小不一分子大小不一 结构各具特点结构各具特点(一一)信使信使RNARNA的结构与

13、功能的结构与功能 mRNA含量最少含量最少(约占总约占总RNA的的15%)种类最多种类最多 半衰期最短半衰期最短(几分钟到数小时几分钟到数小时)初级转录产物被称为初级转录产物被称为不均一核不均一核RNA (heterogeneous nuclear RNA,hnRNA)经过加工修饰成为成熟的经过加工修饰成为成熟的mRNA。见见P88见见P84-85*真核生物真核生物mRNAmRNA结构特点结构特点1.5末端的帽结构末端的帽结构:以以7-甲基鸟嘌呤三磷酸鸟苷为起始结构这种甲基鸟嘌呤三磷酸鸟苷为起始结构这种m7GpppN结结构被称为构被称为帽结构帽结构(capsequence)2.3末端多聚末端多

14、聚A尾结构：尾结构：大多数大多数mRNA的的3末端有一段由几十个到百余个腺苷酸聚末端有一段由几十个到百余个腺苷酸聚合而成的多聚腺苷酸结构，称为合而成的多聚腺苷酸结构，称为多聚腺苷酸尾多聚腺苷酸尾(poly A tail)与与poly A结合蛋白结合蛋白(poly(A)-binding protein,PABP)相相结合而存在。结合而存在。见见P380-385 5帽结构的作用：帽结构的作用：mRNA的帽结构可与的帽结构可与帽结合蛋白帽结合蛋白(cap binding protein,CBPs)结合。结合。参与翻译的起始参与翻译的起始 保护保护mRNA免受免受RNase的水解的水解 与与mRNA从

15、细胞核向细胞质转运有关。从细胞核向细胞质转运有关。3末端多聚末端多聚A尾结构的作用：尾结构的作用：与与mRNA 由核内向胞质的转位有关由核内向胞质的转位有关 增加增加mRNA的稳定性的稳定性 参与翻译起始的调控参与翻译起始的调控*mRNA的功能的功能 把把DNA所携带的遗传信息，按碱基互补配对原所携带的遗传信息，按碱基互补配对原则，抄录并传送至核糖体，用以决定其合成蛋白则，抄录并传送至核糖体，用以决定其合成蛋白质的氨基酸排列顺序。质的氨基酸排列顺序。(二二)转运转运RNARNA的结构与功能的结构与功能 蛋白质生物合成中的结合体蛋白质生物合成中的结合体 氨基酸的载体氨基酸的载体 一种氨基酸可有一

16、种以上的一种氨基酸可有一种以上的tRNA，细胞内，细胞内一般有一般有4050多种多种tRNA 分子量最小的一类核酸分子量最小的一类核酸(7495个核苷酸个核苷酸)约占细胞总约占细胞总RNA的的15%左右左右见见P85*tRNA的一级结构特点的一级结构特点 含含1020%稀有碱基，如稀有碱基，如DHU 3末端为末端为CCA-OH 5末端大多数为末端大多数为G 具有具有TC见见P66假尿嘧啶核苷假尿嘧啶核苷次黄苷次黄苷或肌苷或肌苷二氢尿嘧二氢尿嘧啶核苷啶核苷7-甲基鸟苷甲基鸟苷*tRNA的二级结构的二级结构 三叶草形三叶草形 DHU环环 反密码环反密码环 TC环环 额外环额外环 氨基酸臂氨基酸臂(

17、三三)核蛋白体核蛋白体RNARNA的结构与功能的结构与功能 细胞内含量最多的细胞内含量最多的RNA(80%以上以上)蛋白质合成场所即核蛋白体的组成成分蛋白质合成场所即核蛋白体的组成成分 大亚基大亚基 rRNA+核蛋白体蛋白核蛋白体蛋白核蛋白体核蛋白体 (ribosome)小亚基小亚基见见P87 rRNA的功能的功能：参与构成核蛋白体参与构成核蛋白体 核蛋白体是蛋白质合成的场所核蛋白体是蛋白质合成的场所 为肽链合成所需要的为肽链合成所需要的mRNA、tRNA以及多以及多种蛋白因子提供了相互结合的位点和相互种蛋白因子提供了相互结合的位点和相互作用的空间环境。作用的空间环境。见见P397 四、核酸的

18、性质四、核酸的性质（一）一般理化性质（一）一般理化性质 较强的酸性较强的酸性 DNA粘度极大，粘度极大，RNA粘度比粘度比DNA小得多。小得多。在碱性条件下，在碱性条件下，DNA稳定，稳定，RNA不稳定。不稳定。在在260nm波长有最大紫外吸收峰，是由碱基的共轭双键决波长有最大紫外吸收峰，是由碱基的共轭双键决定的。定的。在在260nm的紫外吸收光密度值称的紫外吸收光密度值称OD值值ODOD260260的应用的应用1.DNA或或RNA的定量的定量 OD260=1.0相当于相当于50g/ml双链双链DNA 40g/ml单链单链DNA（或（或RNA）20g/ml寡核苷酸寡核苷酸2.判断核酸样品的纯度

19、判断核酸样品的纯度 DNA纯品纯品:OD260/OD280=1.8 RNA纯品纯品:OD260/OD280=2.0（二）（二）DNA的变性的变性(denaturation)定义：在某些理化因素作用下，定义：在某些理化因素作用下，DNA双链双链互补碱基之间氢键断裂，双螺旋结构松散，互补碱基之间氢键断裂，双螺旋结构松散，解开成两条单链的过程。解开成两条单链的过程。DNA变性只改变其二级结构，而不改变其变性只改变其二级结构，而不改变其核苷酸序列。核苷酸序列。方法：过量酸、碱，加热，方法：过量酸、碱，加热，变性试剂如尿素、酰胺；变性试剂如尿素、酰胺；某些有机溶剂如乙醇、丙酮等。某些有机溶剂如乙醇、丙酮

20、等。变性后其它理化性质变化：变性后其它理化性质变化：OD260增高增高 粘度下降粘度下降 比旋度下降比旋度下降 浮力密度升高浮力密度升高 酸碱滴定曲线改变酸碱滴定曲线改变 生物活性丧失生物活性丧失见见P93 Tm：变性是在一个相当窄的温度范围内完成，：变性是在一个相当窄的温度范围内完成，在这一范围内，紫外光吸收值达到最大值的在这一范围内，紫外光吸收值达到最大值的50%50%时的温度称为时的温度称为DNADNA的的解链温度解链温度，又称熔解，又称熔解温度温度(melting temperature,Tm)。见见P93 Tm就是就是DNA的热变性过程中，的热变性过程中，50%的的DNA双链打开时的

21、温度。双链打开时的温度。Tm值的高低与以下因素有关：值的高低与以下因素有关：所含碱基中的所含碱基中的G和和C所占比例所占比例 GC含量越高含量越高,Tm值越高值越高 DNA分子大小分子大小 DNA越长越长,Tm值越高值越高 溶液的离子强度溶液的离子强度 增高增高,Tm值增高值增高 DNA的均一性的均一性 DNA越纯越纯,相变范围越小相变范围越小 溶液的溶液的pH 见图见图3-33DNA的的Tm与其与其G+C含量的关系含量的关系（三）（三）DNADNA的复性与分子杂交的复性与分子杂交 DNA复性复性(renaturation)的定义的定义 在适当条件下，变性在适当条件下，变性DNA的两条互补链可

22、恢复天的两条互补链可恢复天然的双螺旋构象，这一现象称为然的双螺旋构象，这一现象称为复性复性。热变性的热变性的DNA经缓慢冷却后即可复性，这一过程经缓慢冷却后即可复性，这一过程称为称为退火退火(annealing)。比比Tm值低值低25 的温度是的温度是DNA复性的最佳条件。复性的最佳条件。减色效应减色效应 DNA复性时，其溶液复性时，其溶液OD260降低。降低。核酸分子杂交核酸分子杂交(hybridization)(hybridization)（自学自学）在在DNA变性后的复性过程中，如果将不同种类的变性后的复性过程中，如果将不同种类的DNA单链分子或单链分子或RNA分子放在同一溶液中，只要分

23、子放在同一溶液中，只要两种单链分子之间存在着一定程度的碱基配对关系，两种单链分子之间存在着一定程度的碱基配对关系，在适宜的条件（温度及离子强度）下，就可以在不在适宜的条件（温度及离子强度）下，就可以在不同的分子间形成杂化双链同的分子间形成杂化双链(heteroduplex)。这种杂化双链可以在不同的这种杂化双链可以在不同的DNA与与DNA之间形成，之间形成，也可以在也可以在DNA和和RNA分子间或者分子间或者RNA与与RNA分子分子间形成。这种现象称为核酸分子杂交。间形成。这种现象称为核酸分子杂交。见见P85 核酸分子杂交的应用核酸分子杂交的应用 研究研究DNA分子中某一种基因的位置分子中某一

24、种基因的位置 鉴定两种核酸分子间的序列相似性鉴定两种核酸分子间的序列相似性 检测某些专一序列在待检样品中存在与否检测某些专一序列在待检样品中存在与否 是基因芯片技术的基础是基因芯片技术的基础本章总结本章总结1 1 重要名词重要名词:DNA DNA的变性的变性;DNADNA复性复性;退火退火;熔解温度（熔解温度（Tm）;增色效应增色效应2 2 结构层次结构层次 组成组成:DNA:DNA与与RNARNA的组分的异同的组分的异同;核苷酸的类型与功能核苷酸的类型与功能 一级结构一级结构:3:3,5-,5-磷酸二酯键；磷酸二酯键；55端端 3 3端；端；RNARNA的类型与结构和功能特点的类型与结构和功能特点 二级结构：二级结构：DNADNA双螺旋；双螺旋；tRNAtRNA的的“三叶草形三叶草形”三级结构：三级结构：DNADNA超螺旋结构；超螺旋结构；tRNAtRNA的的“倒倒L”L”结构结构3 3 重要性质：重要性质：紫外吸收；变性；复性紫外吸收；变性；复性课外作业课外作业 P101思考题思考题：4、9、12、13、14