第二章 核酸化学课件.ppt

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1、本章主要内容本章主要内容4 核酸的化学组成核酸的化学组成4 核酸的核酸的分子分子结构结构4 核酸的理化性质核酸的理化性质 核酸核酸（Nucleic acids） 19世纪世纪60年代，由年代，由Miescher发现。发现。18891889年年Altmann将其纯化，证明核酸是含磷的酸性生物大分子。将其纯化，证明核酸是含磷的酸性生物大分子。2020世世纪纪4040年代，年代，Avery确定核酸是确定核酸是遗传信息的载体，普遍存在于生命有机遗传信息的载体，普遍存在于生命有机体中。体中。 脱氧核糖核酸，脱氧核糖核酸，DNA （Deoxyribonucleic Acid），），在原核细胞是在原核细胞是

2、核质的成分，在真核细胞核质的成分，在真核细胞DNADNA与蛋白质结合形成染色体，少量存在于与蛋白质结合形成染色体，少量存在于线粒体。一个生命有机体的每个体细胞（除生殖细胞外）都含有相同线粒体。一个生命有机体的每个体细胞（除生殖细胞外）都含有相同质和量的质和量的DNADNA，包含了它的全部遗传信息。，包含了它的全部遗传信息。 核糖核酸，核糖核酸，RNA （Ribonucleic Acid）主要存在于胞液内，真核细主要存在于胞液内，真核细胞的核仁和线粒体也含有少量胞的核仁和线粒体也含有少量RNARNA。RNA的量是变动的的量是变动的。主要有信使主要有信使RNA（mRNA），转运，转运RNA（tRN

3、A）和核糖体和核糖体RNA（rRNA）。 病毒或者是病毒或者是DNA病毒或者是病毒或者是RNA病毒。病毒。第一节第一节 核酸的化学组成核酸的化学组成 一、概念一、概念 核酸（核酸（DNADNA或或RNARNA）是核蛋白的组分之一，是许多核苷酸单位按一）是核蛋白的组分之一，是许多核苷酸单位按一定顺序连接组成的多聚核苷酸，呈酸性。定顺序连接组成的多聚核苷酸，呈酸性。 二、分类与分布二、分类与分布 根据组成不同，核酸可分为核糖核酸（根据组成不同，核酸可分为核糖核酸（RNARNA）和脱氧核糖核酸）和脱氧核糖核酸（DNADNA）。）。98%98%的的DNADNA存在于细胞核中，存在于细胞核中，2%2%存

4、在于线粒体，存在于线粒体，90%90%的的RNARNA分布分布在胞液，在胞液，10%10%存在于细胞核。存在于细胞核。 三、核酸的化学组成三、核酸的化学组成 核酸有核酸有C C、H H、O O、N N、P P等元素组成。其中磷的含量为等元素组成。其中磷的含量为9%9%10%10%。核。核酸分子中磷的含量比较稳定，故可通过测定磷的含量来估算核酸的含酸分子中磷的含量比较稳定，故可通过测定磷的含量来估算核酸的含量。量。核酸，核酸，DNA或或RNA，经核酸酶水解生成单核苷酸。，经核酸酶水解生成单核苷酸。单核苷酸是组成核酸的基本单位。单核苷酸是组成核酸的基本单位。核苷酸进一步分解生成碱基、核糖（或脱氧核

5、糖）和磷酸。核苷酸进一步分解生成碱基、核糖（或脱氧核糖）和磷酸。核酸核酸低聚核苷酸低聚核苷酸单核苷酸单核苷酸磷酸磷酸核苷核苷碱基碱基核糖核糖核酸的水解过程核酸的水解过程（一）（一） 核酸的核酸的结构结构组成组成单位单位DNARNA嘌呤碱嘌呤碱腺嘌呤腺嘌呤腺嘌呤腺嘌呤鸟嘌呤鸟嘌呤鸟嘌呤鸟嘌呤嘧啶碱嘧啶碱胞嘧啶胞嘧啶胞嘧啶胞嘧啶胸腺嘧啶胸腺嘧啶尿嘧啶尿嘧啶戊糖戊糖D-2-脱氧核糖脱氧核糖D-核糖核糖酸酸磷酸磷酸磷酸磷酸DNA分子和分子和RNA分子中化学组成的差别总结分子中化学组成的差别总结（二）（二） 两类两类核酸的组成核酸的组成成分成分1 .碱基碱基(base)尿嘧啶（Uracil，U） 胸腺嘧

6、啶（Thymine，T） 胞嘧啶（Cytosine，C）HN3C2NH1CH6CH5C4OOHN3C2NH1CH6C5C4OOCH3N3C2NH1CH6CH5C4NH2ON1HC2N3C4C5C6NH9CH8N7NH2HN12N3456NH9CH8N7OH2N腺嘌呤（Adenine, A） 鸟嘌呤（Guanine, G）核酸中的嘧啶碱基核酸中的嘧啶碱基核酸中的嘌呤碱基核酸中的嘌呤碱基HNHCNCCCNHCHNOHNCNHCCCNHCHNOOHNCNHCCCNHCHNOOO次黄嘌呤黄嘌呤尿酸其他的稀有碱基其他的稀有碱基（三）（三） 结构结构2 .核糖核糖(ribose)123O4HOHHHHCH

7、2OH5HOH123O4OHOHHHHCH2OH5HOH核糖（D-ribose） 脱氧核糖（2-deoxy-D-ribose）DNA含脱氧核糖含脱氧核糖RNA含核糖含核糖3 .核苷核苷(nucleoside)NNN9NNH21OHOHHHHCH2HHOHNNNOH2NN91OHOHHHHCH2HHOOHOHHHHCH2HHO1N1NNH2OOHOHHHHCH2HHO1N1HNOO腺嘌呤脱氧核苷 鸟嘌呤脱氧核苷 胞嘧啶脱氧核苷 胸腺嘧啶脱氧核苷NNN9NNH21OOHOHHHHCH2HHOHNNNOH2NN91OOHOHHHHCH2HHOOOHOHHHHCH2HHO1N1NNH2OOOHOHHH

8、HCH2HHO1N1HNOO腺嘌呤核苷 鸟嘌呤核苷 胞嘧啶核苷 尿嘧啶核苷CH3核苷（上）与脱氧核苷（下）核苷（上）与脱氧核苷（下）4 .核苷酸核苷酸(nucleotide)核糖核苷酸（上）与脱氧核糖核苷酸（下）核糖核苷酸（上）与脱氧核糖核苷酸（下）NNN9NNH21OOHOHHHHCH2HOHNNNOH2NN91OOHOHHHHCH2HOOOHOHHHHCH2HO1N1NNH2OOOHOHHHHCH2HO1N1HNOO5腺嘌呤核苷酸 5鸟嘌呤核苷酸 5胞嘧啶核苷酸 5尿嘧啶核苷酸POOOPOOOPOOOPOOONNN9NNH21OHOHHHHCH2HOHNNNOH2NN91OHOHHHHCH

9、2HOOHOHHHHCH2HO1N1NNH2OOHOHHHHCH2HO1N1HNOO5腺嘌呤脱氧核苷酸 5鸟嘌呤脱氧核苷酸 5胞嘧啶脱氧核苷酸 5胸腺嘧啶脱氧核苷酸POOOPOOOPOOOPOOOCH3碱基碱基RNARNADNADNA腺嘌呤（腺嘌呤（A A）鸟嘌呤（鸟嘌呤（G G）胞嘧啶（胞嘧啶（C C）尿嘧啶（尿嘧啶（U U）胸腺嘧啶（胸腺嘧啶（T T）腺苷酸（腺苷酸（AMPAMP）鸟苷酸（鸟苷酸（GMPGMP）胞苷酸（胞苷酸（CMPCMP）尿苷酸（尿苷酸（UMPUMP）脱氧腺苷酸（脱氧腺苷酸（dAMPdAMP）脱氧鸟苷酸（脱氧鸟苷酸（dGMPdGMP）脱氧胞苷酸（脱氧胞苷酸（dCMPdCM

10、P）脱氧胸苷酸（脱氧胸苷酸（dTMPdTMP）DNA 和和RNA核苷酸组成及其缩写符号核苷酸组成及其缩写符号NHCNNCHNNH2OOHOHHHHCH25HOPOO-OPOO-OP-OO-O腺嘌呤核苷三磷酸（腺嘌呤核苷三磷酸（ATP） （四）（四） 多磷酸核苷酸多磷酸核苷酸 5-5-核苷酸的磷酸基都可核苷酸的磷酸基都可进一步磷酸化形成相应的核苷进一步磷酸化形成相应的核苷二磷酸和核苷三磷酸。二磷酸二磷酸和核苷三磷酸。二磷酸核苷和三磷酸核苷广泛存在于核苷和三磷酸核苷广泛存在于细胞内，参与许多重要的代谢细胞内，参与许多重要的代谢过程。过程。 NHCNNCHNNH2OOHOHHHCH2HOPO-O 3

11、，5- 环状腺苷酸（环状腺苷酸（cAMP） （五）（五） 环状核苷酸环状核苷酸第二节第二节 核酸的核酸的分子分子结构结构 DNA片段片段 RNA片段片段 注意注意核苷酸之间的连接方式核苷酸之间的连接方式是是33，5-5-磷酸二酯磷酸二酯键键一、一、DNADNA的一级结构的一级结构DNA分子的大小分子的大小 天然存在的天然存在的DNA分子最显著的特点是很长，分子质量很大，一般在分子最显著的特点是很长，分子质量很大，一般在106-1010 。DNA的碱基组成有如下特点：的碱基组成有如下特点：F 具有种的特异性。具有种的特异性。F 没有器官和组织的特异性。没有器官和组织的特异性。F 在同一种在同一种

12、DNA中，中，A=T 、G = C，即，即A+G = T+C，即嘌呤碱基的即嘌呤碱基的总摩尔数与嘧啶碱基的总摩尔数相等总摩尔数与嘧啶碱基的总摩尔数相等碱基当量定律又称碱基当量定律又称Chargaff原则。原则。F 年龄、营养状况、环境的改变不影响年龄、营养状况、环境的改变不影响DNA的碱基组成。的碱基组成。 二、二、 DNA的的空间空间结构结构Watson and Crick双螺旋结构模型双螺旋结构模型1.DNA的二级结构的二级结构 DNA分子由两条多聚脱氧核糖核苷分子由两条多聚脱氧核糖核苷酸链酸链(简称简称DNA单链单链)组成。组成。 两条链沿着同一根轴平行盘绕，形两条链沿着同一根轴平行盘绕

13、，形成右手双螺旋结构。两条链方向相反。成右手双螺旋结构。两条链方向相反。 碱基位于螺旋的内侧，磷酸和脱氧碱基位于螺旋的内侧，磷酸和脱氧核糖基位于螺旋外侧。核糖基位于螺旋外侧。螺旋的直径约为螺旋的直径约为2nm，一圈螺旋包，一圈螺旋包含含10对碱基，其高度为对碱基，其高度为3.4nm。碱基平。碱基平面之间的垂直距离面之间的垂直距离0.34nm。在在DNA分子中，根据分子中，根据Chargaff原则，原则，碱基之间具有严格的互补配对规律，碱基之间具有严格的互补配对规律，A和和T之间形成两对氢键，之间形成两对氢键，G与与C之间形成之间形成三对氢键三对氢键A与与T之间之间2对氢键对氢键G与与C之间之间

14、3对氢键对氢键Watson和和Crick所提出的所提出的模型称为模型称为B-DNA。 不同构型的不同构型的DNAB型是最稳定的构型型是最稳定的构型1957年发现在基因的调控区或染色质的年发现在基因的调控区或染色质的 重组部位有重组部位有DNA的三螺旋结构的三螺旋结构2 DNA 2 DNA 的三级结构的三级结构 指指DNADNA双螺旋通过弯曲和扭转所形成的特定构象双螺旋通过弯曲和扭转所形成的特定构象, ,即即 DNA DNA的三级结的三级结构构B是松弛型的闭合环是松弛型的闭合环C是由于缠绕不足是由于缠绕不足 形成的负超螺旋形成的负超螺旋A 是线性的是线性的DNA分子分子真核生物内，真核生物内，D

15、NA以致密形式存在于细以致密形式存在于细胞核的染色体中。胞核的染色体中。染色体的基本单位是核小体染色体的基本单位是核小体(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。核心组蛋白：核心组蛋白：4种组蛋白种组蛋白(H2A , H2B , H3 ,H4)形成的形成的8聚体聚体DNA：以负超螺旋缠绕在核心组蛋白上：以负超螺旋缠绕在核心组蛋白上H1在核小体之间起连接作用在核小体之间起连接作用染色体的基本单位是核小体染色体的基本单位是核小体(nucleosome)核小体的串珠状结构核小体的串珠状结构 三、三、 RNA RNA的结构与功能的结构与功能mRNA：占细胞中

16、占细胞中RNA总量的总量的3%-5%，分子量大小不一，不稳定，分子量大小不一，不稳定，代谢活跃，更新迅速，是合成蛋白质的模板。代谢活跃，更新迅速，是合成蛋白质的模板。rRNA：细胞中含量最多的细胞中含量最多的RNA，核糖体的组成成分。，核糖体的组成成分。tRNA：约占细胞中约占细胞中RNA总量的总量的15%。约由。约由75-90个核苷酸组成。蛋个核苷酸组成。蛋白质合成中携带活化的氨基酸白质合成中携带活化的氨基酸 RNA的碱基组成：的碱基组成： A、G、C、U, 含少量的稀有碱基含少量的稀有碱基RNA分子的类型：分子的类型：mRNA、rRNA、tRNA （一）（一） RNA RNA的分类的分类（

17、二）（二） RNA RNA的分子结构的分子结构1.mRNA的结构特点的结构特点 mRNAmRNA的的3-3-末端有一段多聚腺苷酸的末端有一段多聚腺苷酸的“尾尾”结构，结构，5-5-末端有一末端有一个个7-7-甲基鸟嘌呤核苷的甲基鸟嘌呤核苷的“帽帽”结构结构。mRNA 5-mRNA 5-末端的帽结构末端的帽结构2.tRNA的结构特点的结构特点 在在RNARNA的二级结构中，对的二级结构中，对tRNAtRNA的二级结构研究得比较清楚。的二级结构研究得比较清楚。tRNAtRNA的二级结构都呈三叶草形结的二级结构都呈三叶草形结构。三叶草形结构由氨基酸臂、构。三叶草形结构由氨基酸臂、二氢尿嘧啶环、反密码

18、环、附加二氢尿嘧啶环、反密码环、附加叉和叉和TCTC环等五部分组成环等五部分组成。 tRNAtRNA在二级结构的基础上进在二级结构的基础上进一步折叠形成倒一步折叠形成倒“L”“L”型的三级型的三级结构结构。3.rRNA的结构特点的结构特点 由两个大小不同的亚基组成，是蛋白质生物合成的场所。由两个大小不同的亚基组成，是蛋白质生物合成的场所。 大肠杆菌大肠杆菌5SrRNA5SrRNA的二级结构的二级结构（一）（一）溶解性溶解性 溶于偏碱的溶剂中，可以为乙醇沉淀，容易受机械作用力而断溶于偏碱的溶剂中，可以为乙醇沉淀，容易受机械作用力而断裂。裂。（二）（二） 黏性黏性 DNA溶液有高度的黏性溶液有高度

19、的黏性。第三节第三节 核酸的核酸的理化理化性质性质一、基本性质一、基本性质（三）（三） 沉降特性沉降特性 核酸分子在引力场中能下沉的特性。可用超离心法纯化核酸、核酸分子在引力场中能下沉的特性。可用超离心法纯化核酸、测分子量、分级分离等。测分子量、分级分离等。（四）（四）紫外吸收紫外吸收 嘌呤和嘧啶在嘌呤和嘧啶在260 nm有特异的吸收峰有特异的吸收峰,这这个性质用于核酸的分个性质用于核酸的分析析1.变性变性DNADNA双螺旋的有序结构受各种理化因子，如热、酸碱、变性剂、有机双螺旋的有序结构受各种理化因子，如热、酸碱、变性剂、有机溶剂以及稀释的作用，转变为无规则的线团结构。溶剂以及稀释的作用，转

20、变为无规则的线团结构。变性的特征变性的特征 增色效应增色效应, 黏度和比旋下降，沉黏度和比旋下降，沉降系数增加，生物学活性丧失降系数增加，生物学活性丧失二、二、核酸的核酸的变性、复性与分子杂交变性、复性与分子杂交DNA解链曲线解链曲线增色效应增色效应 核核酸分子加热变性时，其在酸分子加热变性时，其在260nm260nm处的处的紫外吸收急剧增加的现象。紫外吸收急剧增加的现象。Tm值值 ：当紫外吸收变化达到最大变当紫外吸收变化达到最大变化的半数值时，此时所对应的温度称化的半数值时，此时所对应的温度称为熔解温度（为熔解温度（Tm ）、变性温度或中）、变性温度或中点解链温度。点解链温度。影响影响Tm值

21、的因素值的因素1.溶液的性质溶液的性质 2.DNA中碱基组成的影响中碱基组成的影响大肠杆菌大肠杆菌DNA在不同浓度在不同浓度KCl溶液下的熔融温度曲线溶液下的熔融温度曲线2.复性复性复性：变性复性：变性DNA分开的两股链在分开的两股链在适当条件下重新生成双链结适当条件下重新生成双链结构的过程构的过程退火（退火（annealing）:热变性的热变性的DNA经缓慢冷却复性的过程。经缓慢冷却复性的过程。3.分子杂交分子杂交当两条不同来源的当两条不同来源的DNA（或（或RNA）链或）链或DNA链链与与RNA链之间存在互补的碱基序列时，在一定条件链之间存在互补的碱基序列时，在一定条件下可以通过互相配对形

22、成双螺旋分子，这种分子称下可以通过互相配对形成双螺旋分子，这种分子称为为杂交分子杂交分子。形成杂交分子的过程称为。形成杂交分子的过程称为分子杂交分子杂交（molecular hybridization） 。 核酸探针（核酸探针（nucleic acid probe）:某一具有某一具有特定序列并且用同位素或其他化学方法标记特定序列并且用同位素或其他化学方法标记的的DNA或或RNA片段。通常是人工合成的。片段。通常是人工合成的。分子杂交图分子杂交图F通过同源性比较通过同源性比较, ,研究不同物种或个体研究不同物种或个体DNADNA之间的亲缘关系；之间的亲缘关系；F通过杂交的严紧性通过杂交的严紧性, ,发现基因的缺失或突变；发现基因的缺失或突变；F通过标记信号的强度通过标记信号的强度, ,测定某种遗传信息量的多少；测定某种遗传信息量的多少；F证明某种疾病证明某种疾病( (如肿瘤如肿瘤) )是否与某种基因是否与某种基因( (如病毒基因如病毒基因) )有关。有关。利用核酸探针，可以：利用核酸探针，可以：