第二章+核酸化学.pptx

第第二二章章 核核酸酸化化学学核酸的概念和重要性核酸的概念和重要性核酸的组成成分核酸的组成成分DNA的结构的结构DNA和基因组和基因组RNA的结构和功能的结构和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第一节核酸的概念和重要性第一节核酸的概念和重要性 18681868年，年，瑞士的内科医生瑞士的内科医生Friedrich MiescherFriedrich Miescher从外从外科医院包扎伤口的绷带上的脓细胞核中提取到一种富科医院包扎伤口的绷带上的脓细胞核中提取到一种富含磷元素的酸性化合物，将其称为含磷元素的酸性化合物，将其称为核素核素(nuclein)(nuclein)；后后来他又从鲑鱼精子中分离出类似的物质，并指出它是来他又从鲑鱼精子中分离出类似的物质，并指出它是由一种碱性蛋白质与一种酸性物质组成的，此酸性物由一种碱性蛋白质与一种酸性物质组成的，此酸性物质即是现在所知的质即是现在所知的核酸核酸(nucleic acid)(nucleic acid)。19441944年年,Oswald Avery,Colin MacleodOswald Avery,Colin Macleod和和Maclyn Maclyn McCartyMcCarty发现，一种发现，一种有夹膜、表面光滑、具致病性的有夹膜、表面光滑、具致病性的肺炎球菌肺炎球菌中提取的核酸中提取的核酸DNA(deoxyribonucleic acid,DNA(deoxyribonucleic acid,脱氧核糖核酸脱氧核糖核酸)，可使另一种，可使另一种无夹膜，表面粗糙、不无夹膜，表面粗糙、不具致病性的肺炎球菌具致病性的肺炎球菌的遗传性状发生改变，转变为的遗传性状发生改变，转变为有有夹膜，具有致病性的肺炎球菌夹膜，具有致病性的肺炎球菌，且转化率与，且转化率与DNADNA纯度纯度呈呈正相关正相关，若将，若将DNADNA预先用预先用DNADNA酶降解，转化就不发生。酶降解，转化就不发生。该项实验彻底纠正了蛋白质携带遗传信息这一错误认该项实验彻底纠正了蛋白质携带遗传信息这一错误认识，确立了核酸是遗传物质的重要地位；识，确立了核酸是遗传物质的重要地位；DNADNA遗传作用的进一步肯定遗传作用的进一步肯定来自来自Alfred HersheyAlfred Hershey和和Martha ChaseMartha Chase对一个感染大肠杆菌的病毒的研究。即对一个感染大肠杆菌的病毒的研究。即用放谢性同位素用放谢性同位素3232P P标记噬菌体标记噬菌体DNADNA，3535S S标记其蛋白质外标记其蛋白质外壳，再用标记的噬菌体去感染培养的大肠杆菌，结果壳，再用标记的噬菌体去感染培养的大肠杆菌，结果发现进入细菌体内，使细菌生长、繁殖发生变化的是发现进入细菌体内，使细菌生长、繁殖发生变化的是3232P P标记的标记的DNADNA，而不是，而不是3535S S标记的蛋白质，并且新繁殖标记的蛋白质，并且新繁殖生成的噬菌体不含生成的噬菌体不含3535S S，只含，只含3232P P。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（DNADNA）Deoxyribonucleic AcidDeoxyribonucleic Acid核糖核酸（核糖核酸（RNARNA）Ribonucleic AcidRibonucleic Acid核酸的分类核酸的分类脱脱氧氧核核糖糖核核酸酸（deoxyribonucleicacid,DNA）：遗遗传传信信息息的的贮贮存存和和携带者，生物的主要遗传物质。携带者，生物的主要遗传物质。在在真真核核细细胞胞中中，DNA主主要要集集中中在在细细胞胞核核内内，线线粒粒体体和和叶叶绿绿体体中中均均有有各各自自的的DNA。原原核核细细胞胞没没有有明明显显的的细细胞胞核核结结构构，DNA存存在在于于称称为为类类核核的的结结构构区区。每每个个原原核核细细胞胞只只有有一一个个染染色色体体，每每个个染染色色体体含含一一个个双双链链环状环状DNA。核核糖糖核核酸酸（ribonucleicacid,RNA）：主主要要参参与与遗遗传传信信息息的的传传递递和和表表达达过过程程，细细胞胞内内的的RNA主主要要存存在在于于细细胞胞质质中中，少少量量存存在在于于细细胞胞核核中中，病病毒毒中中RNA本本身身就就是是遗遗传传信信息息的的储储存存者者。另另外外在在植植物物中中还还发发现现了了一一类类比比病病毒毒还还小小得得多多的的侵侵染染性性致致病病因因子子称称为为类类病病毒毒，它它是是不不含含蛋蛋白白质质的的游游离的离的RNA分子，还发现有些分子，还发现有些RNA具生物催化作用（具生物催化作用（ribozyme）。）。分布分布含量含量DNADNA含量恒定，含量恒定，RNARNA含量与含量与细胞生长状态细胞生长状态有关。有关。第二节、核酸的组成成分第二节、核酸的组成成分核酸nucleicacid核苷酸nucleotide核苷nucleoside磷酸phosphate嘌呤碱purinebase或嘧啶碱pyrimidinebase（碱基base）核糖ribose或脱氧核糖脱氧核糖deoxyribose（戊糖amylsugar）（一）核糖和脱氧核糖（一）核糖和脱氧核糖OHOH2COHOHOH12OHOH2COHOH12-D-2-核糖-D-2-脱氧核糖O核糖+H+糠醛甲基间苯二酚FeCl3绿色产物绿色产物脱氧核糖+H+-羟基-酮戊醛二苯胺蓝色产物蓝色产物RNA和和DNA定性、定量测定定性、定量测定（二）嘌呤碱和嘧啶碱（二）嘌呤碱和嘧啶碱NNNNHHHHNNNNHHHH123 456789嘌呤NH2腺嘌呤adenine（A）NNNNHHHHOH2N鸟嘌呤guanine（G）NNHHHH嘧啶123456NNHHHHNH2OH胞嘧啶Cytosine（C）NNHHHHOOHH尿嘧啶uracil（U）NNHHHHOOHHCH3胸腺嘧啶thymine（T）NNOOHHH酮式HNNOOHHH酮式HHH烯醇式（三）核苷（三）核苷OHOH2COHOHOH12345核糖NNNNHHH9腺嘌呤腺苷NH2糖与碱基之间的糖与碱基之间的C-NC-N键，称为键，称为C-NC-N糖苷键糖苷键OHOH2COHOHOH12345核糖OHOH2COHOH12345核糖NNOOHHH尿嘧啶H1尿苷NCOONHHH51OH假尿苷（）（四）核苷酸（四）核苷酸OO（N=A、G、C、U、T）HH(O)H12NOHCH2HH543PO-OOO-核糖核糖磷酸磷酸碱基碱基核苷酸是核苷的磷酸酯。作为核苷酸是核苷的磷酸酯。作为DNADNA或或RNARNA结构单元的核结构单元的核苷酸分别是苷酸分别是5-5-磷酸磷酸-脱氧核糖核苷和脱氧核糖核苷和5-5-磷酸磷酸-核糖核糖核苷。核苷。OHOH2COHOHOH12345核糖NNNNHHHH9腺嘌呤胸苷PO-OO胸苷-5-磷酸AMPOPO-OOADPATPPO-OOATP(ATP(腺嘌呤核糖核苷三磷酸腺嘌呤核糖核苷三磷酸腺嘌呤核糖核苷三磷酸腺嘌呤核糖核苷三磷酸)ATPATP的性质的性质ATP ATP 分子的最显著特点是含有分子的最显著特点是含有两个高能磷酸键。两个高能磷酸键。ATPATP水解时水解时,可以释放出大量自由能。可以释放出大量自由能。ATP ATP 是生物体内最重要的能量是生物体内最重要的能量转换中间体。转换中间体。ATP ATP 水解释放出水解释放出来的能量用于推动生物体内各来的能量用于推动生物体内各种需能的生化反应。种需能的生化反应。ATP ATP 也也是是一一种种很很好好的的磷磷酰酰化化剂剂。磷磷酰酰化化反反应应的的底底物物可可以以是是普普通通的的有有机机分分子子，也也可可以以是是酶酶。磷磷酰酰化化的的底底物物分分子子具具有有较较高高的的能能量量（活活化化分分子子），是是许许多多生生物物化学反应的激活步骤。化学反应的激活步骤。各种核苷三磷酸和脱氧核苷三磷酸是体内各种核苷三磷酸和脱氧核苷三磷酸是体内合成合成RNARNA和和DNADNA合成的直接原料。合成的直接原料。在体内能量代谢中的作用在体内能量代谢中的作用：ATP能量能量“货币货币”UTP参加糖的互相转化与合成参加糖的互相转化与合成CTP参加磷脂的合成参加磷脂的合成GTP参加蛋白质和嘌呤的合成参加蛋白质和嘌呤的合成cAMP(3cAMP(3,5,5-环环腺腺嘌嘌呤呤核核 苷苷 一一 磷磷 酸酸)和和 cGMP(cGMP(3 3,5,5-环环鸟鸟嘌嘌呤呤核核苷苷一一磷磷酸酸)的的主主要要功功能能是是作作为为细细胞之间传递信息的信使。胞之间传递信息的信使。第二信使第二信使cAMPcAMP（五）核苷酸的连接方式（五）核苷酸的连接方式l核酸的一级结构核酸的一级结构l多聚核苷酸是由四种不同的核苷酸单元按特定的顺序多聚核苷酸是由四种不同的核苷酸单元按特定的顺序组合而成的线性结构聚合物，因此，它具有一定的核苷组合而成的线性结构聚合物，因此，它具有一定的核苷酸顺序，即碱基顺序。酸顺序，即碱基顺序。l核酸的碱基顺序是核酸的核酸的碱基顺序是核酸的一级结构一级结构。OHO-OOCH2TO=PO-35OHOHO-OOCH2GO=PO-35OHOOCH2OHOHAO=POO-35核核苷苷酸酸之之间间的的共共价价键键3-5 磷酸二酯键磷酸二酯键在在多多聚聚核核苷苷酸酸中中，两两个个核核苷苷酸酸之之间间形形成成的的磷磷酸酸二酯键通常称为二酯键通常称为5533磷酸二酯键。磷酸二酯键。多多聚聚核核苷苷酸酸链链一一端端的的C C5 5带带有有一一个个自自由由磷磷酸酸基基，称称为为5-5-磷磷酸酸端端（常常用用5 5-P-P表表示示）；另另一一端端C C3 3带带有有自自由由的的羟羟基基，称称为为3-3-羟羟基基端端（常常用用3 3-OH-OH表示）。表示）。多多聚聚核核苷苷酸酸链链具具有有方方向向性性，当当表表示示一一个个多多聚聚核核苷苷酸酸链链时时，必必须须注注明明它它的的方方向向是是5353或或是是3535。53结构式结构式53ppppOH3ACTG1线条式线条式5ACTGCATAGCTCGA3字母式字母式核酸一级结构的表示法核酸一级结构的表示法碱基（嘧啶、嘌呤）碱基（嘧啶、嘌呤）核糖核糖/脱氧核糖脱氧核糖核苷酸核苷酸3-5 3-5 磷酸二酯键磷酸二酯键核酸核酸糖苷键糖苷键核苷核苷 磷酸磷酸5 磷酯键磷酯键RNA：AMP、GMP、CMP、UMPDNA：dAMP、dGMP、dCMP、dTMP一、一、DNA一级结构一级结构二、二、DNA的的二级结构二级结构三、三、DNA的的三级结构三级结构第三节第三节DNA的结构的结构定定义义：DNA分分子子中中各各脱脱氧氧核核苷苷酸酸之之间间的的连连接接方方式式（3-5磷磷酸酸二二酯酯键键）和和排排列列顺顺序序叫叫做做DNA的的一一级级结结构构，简简称称为为碱基序列碱基序列。一一级级结结构构的的走走向向的的规规定定为为53。不不同同的的DNA分分子子具具有有不不同的核苷酸排列顺序，因此携带有不同的遗传信息。同的核苷酸排列顺序，因此携带有不同的遗传信息。一级结构的表示法：一级结构的表示法：结构式结构式，线条式线条式，字母式字母式一、一、DNA的一级结构的一级结构53结构式结构式53ppppOH3ACTG1线条式线条式5ACTGCATAGCTCGA3字母式字母式DNA一级结构的表示法一级结构的表示法1DNA的的双螺旋结构双螺旋结构(Watson-Crick模型模型)2双螺旋结构模型的主要依据双螺旋结构模型的主要依据3DNA双螺旋结构双螺旋结构特征特征及及意义意义4DNA双螺旋的多态性双螺旋的多态性二、二、DNA的二级结构的二级结构1DNA的的双螺旋结构双螺旋结构(Watson-Crick模型模型)2 2 双螺旋结构模型的主要依据双螺旋结构模型的主要依据（1 1）WilkinsWilkins和和FranklinFranklin发现不同来源的发现不同来源的DNADNA纤维具纤维具有相似的有相似的X X射线衍射图谱。射线衍射图谱。1950年年，Chargaff首先注意到首先注意到DNA碱基组成的某些碱基组成的某些规律性，在总结出规律性，在总结出DNA碱基组成的规律：碱基组成的规律：A、腺嘌呤和胸腺嘧啶的摩尔数相等，、腺嘌呤和胸腺嘧啶的摩尔数相等，即即A=T。B、鸟嘌呤和胞嘧啶的摩尔数也相等，、鸟嘌呤和胞嘧啶的摩尔数也相等，即即G=C。C、嘌呤的总数等于嘧啶的总数，、嘌呤的总数等于嘧啶的总数，即即A+G=C+T。2、DNA碱基组成的碱基组成的Chargaff规则规则（3 3）电位滴定行为）电位滴定行为证明嘌呤与嘧啶的可解离基团由氢键连接。证明嘌呤与嘧啶的可解离基团由氢键连接。Pauling Pauling 和和CoreyCorey发现发现A A与与T T生成生成2 2个氢键、个氢键、C C与与G G生成生成3 3个氢键个氢键3、DNA的双螺旋模型特点的双螺旋模型特点A、两条反向平行的多两条反向平行的多聚核苷酸链沿一个假设聚核苷酸链沿一个假设的中心轴右旋相互盘绕的中心轴右旋相互盘绕而形成而形成（右手螺旋）（右手螺旋），螺旋表面有一条大沟和螺旋表面有一条大沟和一条小沟。一条小沟。53B、磷磷酸酸和和脱脱氧氧核核糖糖单单位位作作为为不不变变的的骨骨架架组组成成位位于于外外侧侧，作作为为可可变变成成分分的的碱碱基基位位于于内内侧侧，链链间间碱碱基基按按AT（两两个个氢氢键键），G-C配配对对（三三个个氢氢键）。键）。C、螺旋直径、螺旋直径2nm，相邻，相邻碱基平面垂直距离碱基平面垂直距离0.34nm，螺旋结构每隔，螺旋结构每隔10个碱基个碱基对（对（basepair,bp）重复）重复一次，间隔为一次，间隔为3.4nm3.4341、氢键氢键2、碱基堆集力碱基堆集力3、磷磷酸酸基基上上负负电电荷荷被被胞胞内组蛋白或正离子中和内组蛋白或正离子中和4、碱基处于疏水环境中碱基处于疏水环境中稳定稳定DNA双螺旋结构的因素双螺旋结构的因素DNA双双螺螺旋旋结结构构模模型型揭揭示示了了DNA作作为为遗遗传传物物质质的的稳稳定定性性特特征征，确确认认了了碱碱基基配配对对原原则则，这这是是DNA复复制制、转转录录和和反反转转录录的的分分子子基基础础，亦亦是是遗遗传传信信息息传传递递和和表表达达的分子基础。的分子基础。该该模模型型的的提提出出，是是本本世世纪纪生生命命科科学学的的重重大大突突破破之之一一，它它奠奠定定了了生生物物化化学学和和分分子子生生物物学学乃乃至至整整个个生生命命科科学飞速发展的基石。学飞速发展的基石。3、DNA的双螺旋结构的意义的双螺旋结构的意义4,DNA双螺旋的不同构象双螺旋的不同构象ABZ外型外型粗短粗短适中适中细长细长螺旋方向螺旋方向右手右手右手右手左手左手螺旋直径螺旋直径2.55nm2.37nm1.84nm碱基直升碱基直升0.23nm0.34nm0.38nm每圈碱基数每圈碱基数111012碱基倾角碱基倾角1900090大沟大沟很窄很深很窄很深很宽较深很宽较深平坦平坦小沟小沟很宽、浅很宽、浅窄、深窄、深较窄很深较窄很深Z-DNAA-DNAB-DNA三种三种DNA双螺旋构象比较双螺旋构象比较三、三、DNA的三级结构的三级结构1、什么是、什么是DNA的三级结构？的三级结构？（定义）（定义）2、超螺旋超螺旋DNA（SupercoiledDNA）DNA的的三三级级结结构构，是是指指双双螺螺旋旋DNA分分子子通通过过扭扭曲曲和和折折叠叠所所形形成成的的特特定定构构象象，包包括括不不同同二二级级结结构构单单元元间间的的相相互互作作用用、单单链链和和二二级级结结构构单单元元间间的相互作用以及的相互作用以及DNA的拓扑特征。的拓扑特征。DNA三级结构的定义三级结构的定义Back超螺旋螺旋螺旋超螺旋超螺旋L=25,T=25,W=0松弛环形松弛环形1152010523L=23,T=23,W=0解链环形解链环形15101520231510152025L=23,T=25,W=2负超螺旋负超螺旋121482316131510152023右手旋转拧松两匝后的线形右手旋转拧松两匝后的线形DNADNA超螺旋的形成超螺旋的形成L为为连环数连环数（linkingnumber）：DNA双螺旋中一条链以右手双螺旋中一条链以右手螺旋与另一条链缠绕的次数。螺旋与另一条链缠绕的次数。T指指DNA分子中的分子中的螺旋数螺旋数（twistingnumber）W为为超螺旋数超螺旋数或或缠绕数缠绕数（writhingnumber）超螺旋的拓扑学公式：超螺旋的拓扑学公式：L=T+W超螺旋状态的定量描述超螺旋状态的定量描述DNA超螺旋结构形成的意义超螺旋结构形成的意义使使DNA形形成成高高度度致致密密状状态态从从而而得得以以装装入入核中；核中；推推动动DNA结结构构的的转转化化以以满满足足功功能能上上的的需需要要。如如负负超超螺螺旋旋分分子子所所受受张张力力会会引引起起互互补补链链分开导致局部变性，利于复制和转录。分开导致局部变性，利于复制和转录。Back染色体包装的结构模型多级螺旋模型多级螺旋模型压缩倍数76405（8400）DNA核小体螺线管超螺线管染色单体2nm10nm30(10)nm400nm210m一级包装二级包装三级包装四级包装四、四、DNA与基因组织与基因组织DNATranscriptionRNA（mRNA、tRNA、rRNA）TranslationProtein基因基因基因基因是DNA片段的核苷酸序列，DNA分子中最小的功能单位。结构基因调节基因基因组基因组（一）（一）DNA与基因与基因（二）原核生物基因组的特点（二）原核生物基因组的特点1.DNA大部分为结构基因，每个基因出现频率低。2.功能相关基因串联在一起，并转录在同一mRNA中（多顺反子）。3.有基因重叠现象。ABCDEFG（三）真核生物基因组的特点（三）真核生物基因组的特点1.重复序列单拷贝序列：在整个DNA中只出现一次或少数几次，主要为编码蛋白质的结构基因。中度重复序列：在DNA中可重复几十次到几千次。高度重复序列：可重复几百万次高度重复序列一般富含A-T或G-C，富含A-T的在密度梯度离心时在离心管中形成的区带比主体DNA更靠近管口；富含G-C的更靠近管底，称为卫星卫星DNA（satelliteDNA）富含A-T富含G-C主体DNA2.有断裂基因mRNA1872bp内含子（内含子（intron)：基因中不为多肽编码，不在：基因中不为多肽编码，不在mRNA中出现。中出现。ABCDEG7700bpF外显子（外显子（exons）：为多肽编码的基因片段。）：为多肽编码的基因片段。：由于基因中内含子的存在。例外例外：组蛋白基因(histongene)和干扰素基因(interferongene)没有内含子。transcription一、一、RNA一级结构一级结构和和类别类别二、二、tRNA的的分子结构分子结构三、三、rRNA的的分子结构分子结构四、四、mRNA的分子结构的分子结构第五节第五节RNA的分子结构的分子结构BackRNA分分子子中中各各核核苷苷之之间间的的连连接接方方式式（3-5磷磷酸酸二二酯酯键键）和和排排列列顺顺序叫做序叫做RNA的一级结构的一级结构OHOHOH53RNA与与DNA的差异的差异DNARNA糖糖脱氧核糖脱氧核糖核糖核糖碱基碱基AGCTAGCU不含稀有碱基不含稀有碱基含稀有碱基含稀有碱基RNA的一级结构的一级结构Back1、信信使使RNA（messengerRNA，mRNA）：在蛋白质合成中起模板作用；在蛋白质合成中起模板作用；2、核核糖糖体体RNA（ribosomalRNA，rRNA）：与与蛋蛋白白质质结结合合构构成成核核糖糖体体（ribosome）,核核糖糖体体是蛋白质合成的场所；是蛋白质合成的场所；3、转转移移RNA（transferRNA，tRNA）：在在蛋蛋白质合成时起着携带活化氨基酸的作用。白质合成时起着携带活化氨基酸的作用。RNA的类别的类别Back二级结构二级结构特征特征：单链单链三叶草叶形三叶草叶形四臂四环四臂四环一、一、tRNA的结构的结构三级结构三级结构特征：特征：在在二二级级结结构构基基础础上上进进一一步步折折叠叠扭扭曲曲形形成倒成倒L型型BackD环环IGC反密码子反密码子反密码环反密码环氨基酸臂氨基酸臂可变环可变环TC环环CCAAla35酵母酵母tRNAAla的二级结构的二级结构BacktRNA的三级结构的三级结构Back二、二、rRNArRNA占细胞RNA总量的80%，rRNA（60%）与蛋白质（40%）共同组成核糖体。原原核核生生物物真真核核生生物物核糖体rRNA核糖体rRNA70S（30S、50S）16S、5S、23S80S（40S、60S）18S、5S、5.8S、28S特征特征：单链，螺旋化程度较单链，螺旋化程度较tRNA低低与蛋白质组成核糖体后方能发挥其功能与蛋白质组成核糖体后方能发挥其功能5sRNA的二级结构的二级结构rRNA的分子结构的分子结构Back三、三、mRNAmRNA与与hnRNAhnRNAmRNAmRNA约占细胞约占细胞RNARNA总量的总量的3 35%5%，是蛋白质合成的模板。，是蛋白质合成的模板。真核生物真核生物mRNAmRNA的前体在核内合成，包括整个基因的前体在核内合成，包括整个基因的内含子和外显子的转录产物，形成分子大小极的内含子和外显子的转录产物，形成分子大小极不均匀的不均匀的hnRNAhnRNA。原核生物原核生物mRNA：先导区先导区-翻译区（多顺反子）翻译区（多顺反子）-末端序列末端序列真核生物真核生物mRNA：“帽子帽子”-单顺反子单顺反子-“尾巴尾巴”三、三、mRNA的分子结构的分子结构（m7G-5ppp5-N-3p）（PolyA）Back53顺反子顺反子顺反子顺反子顺反子顺反子插入顺序插入顺序插入顺序插入顺序先导区先导区末端顺序末端顺序原核细胞原核细胞mRNA的结构特点的结构特点BackAAAAAAA-OH5“帽子帽子”PolyA3顺反子顺反子m7G-5ppp-N-3p真核细胞真核细胞mRNA的结构特点的结构特点Back四、四、snRNA和和asRNAsnRNAsnRNA主要存于细胞核中，占细胞主要存于细胞核中，占细胞RNARNA总量的总量的0.10.11%1%，与蛋白质以，与蛋白质以RNPRNP（核糖核酸蛋白）的形式存在，（核糖核酸蛋白）的形式存在，在在hnRNAhnRNA和和rRNArRNA的加工、细胞分裂和分化、协助细的加工、细胞分裂和分化、协助细胞内物质运输、构成染色质等方面有重要作用。胞内物质运输、构成染色质等方面有重要作用。asRNAasRNA可通过互补序列与特定的可通过互补序列与特定的mRNAmRNA结合，抑制结合，抑制mRNAmRNA的翻译，还可抑制的翻译，还可抑制DNADNA的复制和转录。的复制和转录。五、五、RNA的其它功能的其它功能19811981年，年，CechCech发现发现RNARNA的催化活性，提出的催化活性，提出核酶核酶（ribozymeribozyme）。）。大部分核酶参加大部分核酶参加RNARNA的加工和成熟，也有催化的加工和成熟，也有催化C-NC-N键键的合成。的合成。23SrRNA23SrRNA具肽酰转移酶活性。具肽酰转移酶活性。RNARNA在在DNADNA复制、转录、翻译中均有一定的调控作用，复制、转录、翻译中均有一定的调控作用，与某些物质的运输与定位有关。与某些物质的运输与定位有关。六、核酸的性质六、核酸的性质（一）一般理化性质（一）一般理化性质1.1.为两性电解质，通常表现为酸性。为两性电解质，通常表现为酸性。2.DNA2.DNA为白色纤维状固体，为白色纤维状固体，RNARNA为白色粉末，不溶于有机为白色粉末，不溶于有机溶剂。溶剂。3.DNA3.DNA溶液的粘度极高，而溶液的粘度极高，而RNARNA溶液要小得多。溶液要小得多。4.4.RNARNA能在室温条件下被稀碱水解而能在室温条件下被稀碱水解而DNADNA对碱稳定。对碱稳定。5.5.利用核糖和脱氧核糖不同的显色反应鉴定利用核糖和脱氧核糖不同的显色反应鉴定DNADNA与与RNARNA。核酸的核酸的两性两性性质性质与蛋白质相似，核酸分子中既含有酸性基团与蛋白质相似，核酸分子中既含有酸性基团（磷酸基）也含有碱性基团（氨基），因而核（磷酸基）也含有碱性基团（氨基），因而核酸也具有两性性质。酸也具有两性性质。由于核酸分子中的磷酸是一个中等强度的酸，由于核酸分子中的磷酸是一个中等强度的酸，而碱性（氨基）是一个弱碱，所以核酸的等电而碱性（氨基）是一个弱碱，所以核酸的等电点比较低。如点比较低。如DNADNA的等电点为的等电点为4 44.54.5，RNARNA的等的等电点为电点为2 22.52.5。RNARNA的等电点比的等电点比DNADNA低的原因，是低的原因，是RNARNA分子中核分子中核糖基糖基2-OH2-OH通过氢键促进了磷酸基上质子的解通过氢键促进了磷酸基上质子的解离。离。DNADNA没有这种作用。没有这种作用。pK1=0.9第一磷酸基第一磷酸基pK3=6.2第二磷酸基第二磷酸基pK2=3.7含氮环含氮环腺嘌呤核苷酸腺嘌呤核苷酸pK1=0.7第一磷酸基第一磷酸基pK3=6.1第二磷酸基第二磷酸基pK2=3.7含氮环含氮环烯醇式羟基烯醇式羟基鸟嘌呤核苷酸鸟嘌呤核苷酸pK1=0.8第一磷酸基第一磷酸基pK3=6.3第二磷酸基第二磷酸基pK2=4.3含氮环含氮环胞嘧啶核苷酸胞嘧啶核苷酸pK1=1.0第一磷酸基第一磷酸基pK3=6.4第二磷酸基第二磷酸基烯醇式羟基烯醇式羟基尿嘧啶核苷酸尿嘧啶核苷酸pH离离子子化化程程度度小牛胸腺小牛胸腺DNA的滴定曲线的滴定曲线pH核核苷苷酸酸的的解解离离曲曲线线Back核酸的水解核酸的水解酸或碱水解酸或碱水解 核酸分子中的磷酸二酯键可在酸或碱性条件下水解切核酸分子中的磷酸二酯键可在酸或碱性条件下水解切断。断。DNADNA和和RNARNA对酸或碱的耐受程度有很大差别。例如，在对酸或碱的耐受程度有很大差别。例如，在0.1 mol/L NaOH0.1 mol/L NaOH溶液中，溶液中，RNARNA几乎可以完全水解，生成几乎可以完全水解，生成2-2-或或3-3-磷酸核苷；磷酸核苷；DNADNA在同样条件下则不受影响。在同样条件下则不受影响。这种水解性能上的差别，与这种水解性能上的差别，与RNARNA核糖基上核糖基上2-OH2-OH的邻基的邻基参与作用有很大的关系。在参与作用有很大的关系。在RNARNA水解时，水解时，2-OH2-OH首先进首先进攻磷酸基，在断开磷酯键的同时形成环状磷酸二酯，攻磷酸基，在断开磷酯键的同时形成环状磷酸二酯，再在碱的作用形成水解产物。再在碱的作用形成水解产物。Back核糖+H+糠醛甲基间苯二酚FeCl3绿色产物绿色产物脱氧核糖+H+-羟基-酮戊醛二苯胺蓝色产物蓝色产物RNA和和DNA定性、定量测定定性、定量测定（二）核酸的紫外吸收性质（二）核酸的紫外吸收性质核酸核酸的碱基具有共的碱基具有共扼双键，因而有紫扼双键，因而有紫外吸收性质，吸收外吸收性质，吸收峰在峰在260nm260nm（蛋白蛋白质质的紫外吸收峰在的紫外吸收峰在280nm280nm）。）。2202402602800.10.20.30.4波长（波长（nm）光光吸吸收收123123天然天然DNA变性变性DNA核苷酸总吸收值核苷酸总吸收值核酸的光吸收值比各核苷酸光吸收值的和少3040%，当核酸变性或降解时光吸收值显著增加（增增色色效效应应），但核酸复性后，光吸收值又回复到原有水平（减色效应减色效应）。变性变性DNA天然双链天然双链DNA-ATGCCGGAATTCCGATTGCA-TACGGCCTTAAGGCTAACGT-ATGCCGGAATTCCGATTGCA-TACGGCCTTAAGGCTAACGT-降解产物降解产物An，Tn，Gn，Cn增色效应和减色效应Back核酸的定量分析及纯度鉴定（粗略）核酸的定量分析及纯度鉴定（粗略）1、定量分析：、定量分析：1OD260nm2、纯度初步鉴定：、纯度初步鉴定：A260nmA280nm50mg/ml双链DNA20mg/ml单链寡核苷酸40mg/ml单链DNA或RNA=2.0=1.81.8RNA纯品DNA纯品？蛋白质或酚污染核酸紫外吸收性质的应用核酸紫外吸收性质的应用（三）核酸结构的稳定性（三）核酸结构的稳定性1.1.碱基对间的氢键；碱基对间的氢键；2.2.碱基堆积力；碱基堆积力；3.3.环境中的正离子。环境中的正离子。（四）核酸的的变性（四）核酸的的变性1 1、变性的概念、变性的概念双螺旋区双螺旋区氢键断裂氢键断裂，空间结构破坏，形成单链无，空间结构破坏，形成单链无规线团状，只涉及次级键的破坏。规线团状，只涉及次级键的破坏。增色效应增色效应粘度下降、浮力密度增高粘度下降、浮力密度增高生物学功能部分或全部丧失生物学功能部分或全部丧失核酸降解：核酸降解：磷酸二酯键断裂磷酸二酯键断裂DNADNA变性是个突变变性是个突变过程，类似结晶的过程，类似结晶的熔解。将紫外吸收熔解。将紫外吸收的增加量达到最大的增加量达到最大增量一半时的温度增量一半时的温度称称熔解温度（熔解温度（TmTm）TmTm2 2、热变性与、热变性与TmTm影响影响TmTm的因素：的因素：（1）G-C的相对含量的相对含量（G+C）%=（Tm69.3）2.44（2）介质离子强度低，）介质离子强度低，Tm低。低。（3）高）高pH下碱基广泛去质子而丧失形成氢键的能力。下碱基广泛去质子而丧失形成氢键的能力。（4）变性剂如甲酰胺、尿素、甲醛等破坏氢键，妨变性剂如甲酰胺、尿素、甲醛等破坏氢键，妨碍碱基堆积，使碍碱基堆积，使Tm下降。下降。变性变性（加热）（加热）复性复性（缓慢冷却）（缓慢冷却）复复性性：在在一一定定条条件件下下，变变性性DNA单单链链间间碱碱基基重重新新配配对对恢恢复复双双螺旋结构，伴有螺旋结构，伴有A260减小（减色效应减小（减色效应），DNA的功能恢复。的功能恢复。（五）核酸（五）核酸的复性的复性变性核酸的互补链在适当条件下重新缔合成双螺旋变性核酸的互补链在适当条件下重新缔合成双螺旋的过程。（的过程。（Annealing，退火）？，退火）？影响复性速度的因素：影响复性速度的因素：（1）单链片段浓度）单链片段浓度（2）单链片段的大小）单链片段的大小（3）片段内重复序列的多少）片段内重复序列的多少（4）溶液离子强度的大小）溶液离子强度的大小（5）溶液温度变化（）溶液温度变化（Tm25）热变性：上火热变性：上火影响核酸复性的因素影响核酸复性的因素5353聚合酶链式反应聚合酶链式反应（PCR）DNAPolymeraseChainReaction55335353变性、退火、延伸（变性、退火、延伸（30个循环）个循环）加热变性加热变性加入引物后降温退火加入引物后降温退火在在DNA聚合酶作用下延伸聚合酶作用下延伸扩增百万倍扩增百万倍不不同同来来源源的的DNA单单 链链 间间 或或 单单 链链DNA与与 RNA之之 间间只只要要有有碱碱基基配配对对的的区区域域，在在复复性性时时可可形形成成局局部部双双螺螺旋旋区区，称核酸分子杂交称核酸分子杂交（hybridization）（六）分子杂交（六）分子杂交制备总制备总RNA/DNA样品样品琼脂糖凝胶电泳琼脂糖凝胶电泳印迹转移至薄膜印迹转移至薄膜与同位素标记的特异性探针杂交与同位素标记的特异性探针杂交放射性自显影放射性自显影对照组对照组空白组空白组实验组实验组Northern/SouthernBlot基本流程图基本流程图限制性酶切割限制性酶切割转移至硝酸转移至硝酸纤维素膜上纤维素膜上与放射性标记与放射性标记DNA探针杂交探针杂交放射自显影放射自显影带有带有DNA片段的凝胶片段的凝胶吸附有吸附有DNA片段的膜片段的膜DNA分子分子SouthernBlot图解图解琼脂糖电泳琼脂糖电泳DNA片段片段X-光片光片NorthernDNA阵列阵列被固定物被固定物被标记物被标记物探针探针probemRNAmRNA?探针探针probeDNA微阵列微阵列（DNAMicroArray）cDNA七、核酸的序列测定七、核酸的序列测定目前多采用Sanger的酶法和Gilbert的化学法OHOH2CHHOH12345核糖NNNNHHHH9腺嘌呤ddATPPP PDNA序列分析原理序列分析原理CCGTACGTAA53DNA单链模板单链模板CTACTAGG5寡核苷酸引物寡核苷酸引物GT3试管试管1ddATP1/10用量用量DNA聚合酶聚合酶dATPdGTPdTTPdCTPdNTPs混合物混合物dA-GGCdA问题？问题？-GGCACTAdATGT-?续图续图3-CCGTGATACA-5模板模板测序引物测序引物5-GGddATP管管ddCTP管管ddGTP管管ddTTP管管GGCGGCAGGCACGGCACTGGCACTAGGCACTATGGCACTATGGGCACTATGT读取读取序列序列CACTATGTAGTGATAC模板模板序列序列5端端5端端3端端3端端3-CCGTGATACA-5模板模板DNA序列分析原理图（续）序列分析原理图（续）BackCCGGTAGCAATT35模板模板引物引物GG53GGCGGCCGGCCATCCddCTPGGCCAGGCCATCGTTGAddATPAGGCCATCGGGCCATCGTTGGddGTPGGCCATGGCCATCGTGGCCATCGTTTddTTPCCATCGTTGA53八、核酸的生物学功能和实践意义八、核酸的生物学功能和实践意义核酸是基本遗传物质，在蛋白质的生物合成上又占有重要位置，因而在个体的生长、生殖、遗传、变异和转化等一系列生命现象中起决定性作用。（一）核酸与遗传信息的传递（一）核酸与遗传信息的传递1.DNA是基本遗传物质有了一定结构的DNA，才能产生一定结构的蛋白质，由一定结构的蛋白质才有一定形态和生理特征，所以根据DNA的特定遗传密码产生的蛋白质就代表特定生物的遗传性。在遗传过程中DNA的具体作用的具体作用：（1）在细胞分裂时按照自己的结构精确复制传给后代；（2）作为模板将所贮遗传信息传给mRNA。2.RNA在传递遗传信息上的作用mRNA是蛋白质合成的模板；tRNA识别mRNA上的遗传密码，转运特定氨基酸到核糖体上合成肽链；rRNA是核糖体的主要成分，是翻译工作的场所。（二）核酸与蛋白质的生物合成（二）核酸与蛋白质的生物合成DNA转录为mRNA是有选择的，tRNA和rRNA也是DNA的转录产物。（三）核酸结构改变与生物变异（三）核酸结构改变与生物变异一切生物的变异和进化都可以说是由于DNA的结构改变而引起蛋白质改变的结果。生物遗传的变异起源于DNA碱基配对的改变，有的由于DNA碱基的颠倒（如TA被颠倒为AT）或被调换（如GC被换为TA）；有的由于在DNA复制过程中被遗漏了一对或多了一对核苷酸，或者在转译时发生了差误，如氨酰tRNA合成酶错将一个结构与正常氨基酸十分相似的物质交给tRNA。还有一些生物的遗传性状发生了突变。（四）（四）DNA与细菌转化与细菌转化一种细菌的遗传性状因吸收了另一种细菌的DNA而发生改变的现象，称为细菌的转化。（五）核酸与病变（五）核酸与病变遗传性疾病是由于遗传缺陷而产生的，也就是DNA结构改变的结果。镰刀型红细胞贫血镰刀型红细胞贫血和白化病白化病(albinism)。病毒对活细胞的侵染是寄主发生疾病，主要是由于核酸的作用。流感、肝炎、带状疱疹、脊髓灰质炎、白血病、烟草斑纹病。（六）遗传工程（六）遗传工程遗传工程是用人工方法改组DNA，从而培育新型生物品种的技术。实验室中将细菌作材料研究遗传工程过程可分为：（1）重组DNA分子（基因重组）；（2）将重组DNA引入受体细胞（转化或转导）。有利有利：（1）有可能培育出高产抗病、耐旱、耐寒、耐盐碱的优良性能的动植物新品种；（2）改良微生物品种使产生人工难以制得的生物活性物质如胰岛素、干扰素等；（3）解决某些疾病病因和控制这些疾病。不利：不利：引起某些疾病的广泛流行和使某些细菌失去对抗菌素的敏感性，或者使某些酶或激素失去应有的生物活性等。（七）克