生物化学核酸

多聚核苷酸的表示方式
T
OH OH OH
U
OH OH
OH 5’
3’
5’ RNA
3’
DNA
5′PdAPdCPdGPdTOH 3′ 或5′ACGTGCGT 3′ ACGTGCGT
5′PAPCPGPUOH ′ 5′ACGUAUGU 3′ ACGUAUGU
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。
一、戊糖
组成核酸的戊糖有两种。DNA所含的糖为 βD-2-脱氧核糖；RNA所含的糖则为β-D-核糖。
HOCH2 H H OH O H H OH H OH H OH HOCH2 H O H H OH
D- 核 糖
D-2- 脱 氧 核 糖
Ribose
Deoxyribose
二、碱基
8
7 9
5 4
6 1 2 3
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。
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 产物 tRNA RNA rRNA 调节功能：调节基因 无产物 蛋白质） 结构基因
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）
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
二、DNA的二级结构
50s
50s
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）
cGMP
3. 肌苷酸及鸟苷酸(强力味精)
IMP
GMP
4. 辅酶
NAD、NADP、FMN
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’Leabharlann Baidu
3’ 5’
3’
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′。



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）
真核 98％核中（染色体中） 线粒体（mDNA） 核外 叶绿体（ctDNA） 拟核
DNA 原核
核外：质粒（plasmid） 病毒：DNA病毒
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
第二节 核酸的基本化学组成
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。 碱基 核苷 核酸 核苷酸 磷酸 元素组成： C H O N P 戊糖
DNA的存在形式
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 病毒 双链环状DNA（dcDNA） 单链环状DNA（scDNA） 单链线性DNA（ssDNA）
真核 双链线性DNA（dsDNA）
第四节
一、结构特点
RNA的结构与功能
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
第五节
一、一般的理化性质

核酸的性质
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 蓝紫色
D－2－脱氧核糖＋酸＋二苯胺
2. 热变性和Tm


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)X2.44
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
or and
可分离
1952年，
Hexshey、Chase 体（捣碎器实验）
T2噬菌
1953年，Watson、Crick
DNA双螺
旋模型
核酶（Ribozyme）
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）

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
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
作用未知
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）
人 两栖类
鱼类
藻类 酵母 细菌
E.Coli
病毒 质粒
103
104
105
106
107
108 109 1010 1011 1012 bp（碱基对）
各种细胞、病毒和细菌质粒中基因组的大小
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
5’ 4’ 3’ 2’ 1’ 4’
5’ 1’ 3’ 2’
(OH)
(OH)
NH2 N N HOCH2 H H OH O H H OH 腺嘌呤核苷 N N N
OH N HO HOCH2 H H OH O H N
核酸概述

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。

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。
1944年，Avery的转换转化实验
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。
tRNA的三级结构
三、rRNA
占RNA总量的80％
原核生物 核糖体 30s 70s rRNA 16s 5s 、23s 80s 核糖体 40s 真核生物 rRNA 18s 5s、5.8s、28s
类型 旋转方向 螺旋直径 （nm）
2.0 2.3 1.8
螺距 每转碱基 （nm） 对数目
2.8 3.4 4.5 11 10 12
碱基对间垂直 距离（nm）
0.255 0.34 0.27
碱基对与水 平面倾角
20º 0º 7º
A－DNA 右 B－DNA 右 Z－DNA 左
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）

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
小 沟 2.0 nm
大 沟
双螺旋DNA的结构参数
NH2 N N HO HOCH2 H H OH 胞嘧啶核苷 H OH O H
OH
H2N N N HOCH2 O H H H OH H OH
N
H OH 尿嘧啶核苷
鸟嘌呤核苷
Adenosine
Guanosine
Cytidine
Uridine
假尿苷（ψ ）
5
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 m5G
1. 嘌呤（Purine）
腺嘌呤Adenine
NH2 N
鸟嘌呤guanine
O
N
N NH
N H
N
N H
N
NH2
A
G
2. 嘧啶（Pyrimidine）
5
6
4
3
2
1
尿嘧啶 uracil
O
胞嘧啶 cytosine
NH2
胸腺嘧啶 thymine
O
NH
N
NH
N H
O
N H
O
N H
O
U
C
T
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。
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
OH
四、核苷酸（nucleotide）
核苷酸 核苷+磷酸 戊糖+碱基+磷酸
H H
五、核苷酸衍生物

1. 继续磷酸化
NH2 N O O P O
-
N N N H H
O O P O
-
O O P O
-
OCH2 H H
O
OH OH AMP 三磷酸腺苷 (AT P) ADP
ATP
2.环化磷酸化

cAMP

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