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1、第 二 章 核 酸 Nucleic acid (5个学时）,概 述,一、核酸 1869年，瑞士的一位年青科学家F.Miescher（1844-1895）从外科绷带上脓细胞的细胞核中分离出一种有机物，称为核素，由于它有很强的酸性，就改称为核酸。,1889年，Altmann从酵母和动物组织中提取出不含蛋白质的核酸；1902年，E.Fischer因研究糖和嘌呤获诺贝尔化学奖；其中的嘌呤和嘧啶主要由Kossel等人鉴定；1909年，Levene和Jacobes鉴定D-核糖；1910年，Kossel因核酸化学的成就而获诺贝尔生理学奖；1912年， Levene提出“四核苷酸假说”；1944年，Avery
2、的肺炎双球菌转化试验；1952年，Chargaff定则的提出；1953年，Watson和Crick提出DNA双螺旋结构；1958年，Crick提出“中心法则”；1970年，Smith和Wilcox发现限制性内切酶；1973年，Cohen获得第一个DNA体外重组体；1975年，Sanger发明酶法DNA快速测序；1985年，Mullis发明PCR技术；,1928年，英国 Griffith S型肺炎球菌：有荚膜，菌落表面光滑R型肺炎球菌：没有荚膜，菌落表面粗糙,著名的肺炎球菌实验,结果说明：加热杀死的S型肺炎球菌中一定有某种特殊的生物分子或遗传物质，可以使无害的R型肺炎球菌转化为有害的S型肺炎球菌
3、。这种生物分子或遗传物质是什么呢？,著名的肺炎球菌实验,纽约洛克非勒研究所 Avery 从加热杀死的S型肺炎球菌将蛋白质、核酸、多糖、脂类分离出来，分别加入到无害的R型肺炎球菌中，结果发现，惟独只有核酸可以使无害的R型肺炎球菌转化为有害的S型肺炎球菌。1944年 结论：DNA是生命的遗传物质,第一节 核酸的概念与组成成分,核酸分为两大类脱氧核糖核酸（DNA） Deoxyribonucleic Acid核糖核酸（RNA） Ribonucleic Acid,1、脱氧核糖核酸（DNA）Deoxyribonucleic Acid,遗传信息的载体,98核中（染色体中） 真核 线粒体（mDNA） 核外 叶
4、绿体（ctDNA）DNA 拟核 原核 核外：质粒（plasmid） 病毒：DNA病毒,2、核糖核酸（RNA） Ribonucleic Acid RNA主要是负责DNA遗传信息的翻译和表达，分子量要比DNA小得多。RNA为单链分子。 根据RNA的功能，可以分为mRNA、tRNA和rRNA三种。,rRNA（ribosomal RNA) 核糖体RNA,RNA总量的80% 是核糖体的骨架，蛋白质的合成场所。,tRNA：（transfer RNA)转移、转运、受体RNA,RNA总量的15% 氨基酸的受体（识别） 携带活化的氨基酸（转运） 种类很多, 转移丙氨酸的tRNA叫做丙氨酸tRNA（或tRNAAl
5、a）,mRNA：(messengerRNA) 信使RNA,转录DNA上的遗传信息 并指导蛋白质的生物合成,是蛋白质的模板。 mRNA种类很多，而且大小不一。,已经发现的RNA种类,RNA在蛋白质合成中的作用,3.mRNA信使RNA,1.rRNA 核糖体RNA,2.tRNA 转运RNA,核酸的化学组成,核酸（DNA和RNA）是一种线性多聚核苷酸，它的基本结构单元是核苷酸。核苷酸本身由核苷和磷酸组成, 而核苷则由戊糖和碱基形成DNA与RNA结构相似，但在组成成份上略有不同。,核酸,核苷酸,水解,核 酸,代表戊糖，对DNA而言为脱氧核糖，对RNA而言为核糖；,代表碱基,代表磷酸基,核苷酸,1、戊糖,
6、D核糖(in RNA),-D-2-脱氧核糖(in DNA),2、碱基,RNA,DNA,嘧啶环,嘌呤环,尿嘧啶 U,胸腺嘧啶 T,胞嘧啶 C,鸟嘌呤 G,腺嘌呤 A,稀有碱基（微量碱基、修饰碱基）,嘌呤次黄嘌呤、1-甲基次黄嘌呤、N2、N2-二甲基鸟嘌呤。嘧啶5-甲基胞嘧啶、5-羟甲基胞嘧啶、二氢尿嘧啶、4-硫尿嘧啶都是基本碱基的化学修饰型。tRNA中含有较多的稀有碱基,3、核苷与核苷酸,戊糖,H2O,H2O,碱 基,磷酸,戊糖,糖苷键（ NC）,脂键,核苷,核苷酸,核苷酸,碱基连接（糖苷键）,脂 键,（对DNA为H）,1,2,3,4,5,八种核苷酸如下表所示,M 单 (D 二、T 三 ） ；P
7、磷酸RNA的名称为某（二、三）苷酸，DNA在某（二、三）前加脱氧两字。如AMP称腺苷磷酸(或腺苷酸），dAMP称为脱氧腺苷磷酸（脱氧腺苷酸）。稀有核苷酸与上类似,4、生物体内某些重要的核苷酸衍生物,(1) 核苷多磷酸化合物：NDP、NTP dNDP、dNTP,(2) 环核苷酸：cAMP、cGMP,第二信使,cAMP,cGMP,(3) 肌苷酸及鸟苷酸(强力味精),(4) 辅酶 ： NAD、NADP、FMN,IMP GMP,5、核苷酸的生物学作用,参与核酸、蛋白质、糖与磷脂的合成；在能量转化中起重要作用；是构成多种辅酶的成分；参与细胞中的代谢与调节,第二节 DNA的结构,一、核酸的一级结构定义：指
8、核酸上的核苷酸排列顺序。 (核苷酸相当于氨基酸、单糖的角色）连接键：3，5-磷酸二酯键骨架：多核苷酸的主链是戊糖和磷酸构成的走向：5 3,脱H2O脂键相连,3，5-磷酸二酯键,首,尾,T,T,T,核 苷 酸 的 一 级 结 构,核酸一级结构的简写形式,线条式缩写,A,核苷酸,首端,末端,pApCpGpTpAOH pA-C-G-T-AOH pACGTAOH pACGTAOH,二、DNA分子的结构,1、DNA的碱基组成,Chargaff定则 ： A=T，GC，即A+G=T+C 碱基组成有种的特异性 不具有组织特异性。,2、DNA的二级结构 Watson和Crick的双螺旋结构模型,实验依据：,电位
9、滴定行为,碱基组成规律,-光衍射数据,双螺旋模型特征结构,大部分DNA所具有的双螺旋结构，亦称为B 型,1.反向、平行、右手螺旋,2.链间碱基配对相连3.每10个碱基对螺旋上升一周4.螺距为3.4nm,相邻碱基对平面距离0.34nm5.一条链为主动链，另一条为被动链；,碱基间的氢键,碱基成对规律当一条链的碱基顺序确定，则另一条必有相对应的碱基顺序，但两条链的碱基组成和排列顺序并不相同。5，ATTGCTA3，3，TAACGAT5，,双螺旋结构的稳定因素：,问题：起稳定作用的有哪些力呢？,疏水作用力（主要） （碱基堆积力） 氢键 离子键,在真核及原核细胞皆有证 据显示短的Z 型DNA在。,其他类型
10、的DNA双螺旋,Z 型 DNA左旋、细长,问题：DNA双螺旋模型的提出有什么意义？,（1）第一次阐述了遗传信息的储存方式及DNA复制的机理，以准确的语言回答了DNA是如何成为遗传物质的。大大推动了分子生物学和分子遗传学的发展，被誉为20世纪最伟大的发现之一。,（2）最主要的成就是碱基互补（配对）。根据碱基互补，Watson和Crick提出DNA的半保留复制机制。半保留复制保证了亲代与子代性状的相似性，解释了遗传性状的稳定性。,DNA双螺旋分子通过扭曲和折叠所形成的特定构象。原核生物DNA、真核生物细胞器DNA的三级结构是超螺旋真核生物染色体DNA的三级结构是核小体。,3、 DNA的三级结构,真
11、核细胞染色体的DNA念珠状三级结构,染色体的基本单位是核小体；核小体由DNA和组蛋白构成。组蛋白H2A，H2B，H3和H4各两分子构成组蛋白八聚体，DNA双螺旋分子缠绕其上1.75圈（146bp）-核小体的核心颗粒。核小体的核心颗粒之间由DNA和组蛋白H1连接,第三节 RNA分子的结构,一级结构中的戊糖是核糖，碱基中有尿嘧啶， 而没有胸腺嘧啶。 大多数RNA分子是一条单链。 局部的碱基互补配对（A-U、C-G），构成双螺旋 双螺旋部分稳定因素：碱基堆积力,Bulge-凸起；hairpin-发夹,1、tRNA的结构,tRNA的二级结构三叶草型（四臂四环）,四环 ：二氢尿嘧啶环（D环）、反密码环
12、、C环、可变环 四臂 ：二氢尿嘧啶臂（D臂）、反密码臂、 C臂、氨基酸臂,tRNA的三叶草型二级结构,1,2,3,叶子,反密码子环,反密码子,载运氨基酸,臂,4,包含有3-末端和5-末端3-末端是CCA携带氨基酸,与氨基酸接受区相对 环：7个核苷酸残基 臂：5bp 环正中的3个核苷酸残基 称为反密码子。,氨基酸接受区：,反密码区：,环：8-12个核苷酸臂：3-4bp,二氢尿嘧啶区,TC区,可变区,tRNA在此环中含有TC 环：7个核苷酸 臂：5bp,变化较大，3-18个核苷酸,tRNA的三级结构倒L型,在二级结构的基础上，突环上未配对的碱基由于整个分子的扭曲而配成对目前已知的tRNA的三级结构
13、均为倒L形。,2、mRNA的结构,不均一核RNA （heterogeneou nuclear RNA，hnRNA） 在细胞核内合成的mRNA的初级产物，经过剪接成为成熟的mRNA并移到细胞质。,3、rRNA的结构,占RNA总量的80,动物细胞核糖体rRNA有四类：5SrRNA,5.8SrRNA，18SrRNA，28SRNA 许多rRNA形成发夹形结构,第四节 核酸的性质,一、一般性质：,1、两性电解质：通常偏酸2、性状：DNA白色纤维状固体，RNA为白色粉末。 3、溶解度：微溶于水，不溶于一般的有机溶剂。 4、分子性状：DNA大多为线性分子，不对称。 5、粘度：DNA溶液粘度极大，RNA溶液粘
14、度要小的得多。 6、含磷量恒定 ：RNA为9.4%、DNA为9.9 %,7、颜色反应,1) D核糖 + 浓HCl + 苔黑酚（甲基间苯二酚）共热产生绿色，测定RNA。2) D-2-脱氧核糖+酸+二苯胺共热产生蓝紫色，测定DNA。,二、核酸的紫外吸收,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260 nm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。,天然核酸紫外吸收值小于各成分核苷酸光吸收之和（为什么？）是有规律的双螺旋结构中碱基紧密地堆积在一起造成的。,三、核酸的水解,1、酸碱水解酸解：嘌呤糖苷键嘧啶糖苷键 磷酸酯键； （从易 难）碱
15、解：RNA稀碱条件下降解，而DNA则不被降解；DNA比RNA耐碱。,2、核酸的酶解,核酸水解酶：催化水解多聚核苷酸链中的磷酸二酯键。,根据底物分：DNase和RNase根据作用方式分：核酸外切酶和核酸内切酶。核酸外切酶：从多聚核苷酸链的3-端或5-端开始，逐个水解切除核苷酸；核酸内切酶：从多聚核苷酸链中间某个位点开始切断磷酸二酯键。其中限制性核酸内切酶特异性地水解核酸中某些特定碱基顺序部位。,四、核酸的变性、复性及杂交,1、变性（denaturation）：高温、酸、碱及某些变性剂（如尿素）能破坏核酸中的氢键，使有规律的螺旋型结构变成单链的、无规律的“线团”，此作用称为核酸的变性。,蛋白质：高
16、级结构 松散肽链变性 （变性不涉及肽键）,核酸：螺旋结构 无规则线团变性 （变性不涉及磷酸二脂键的断裂 ）,DNA的变性过程,加热,部分双螺旋解开 无规则线团 链内碱基配对,2、变性重要特征判断变性的标志,紫外吸收值急剧增加增色效应 粘度下降，比旋下降 生物活性丧失 结构松散，容易被酶解,核酸变性的因素: 温度升高、酸碱度改变、甲醛和尿素等的存在均可引起核酸的变性。,3、DNA的热变性,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，通常将引起DNA变性的温度称为“熔点”或“解链温度”，用Tm表示，在此温度可得到紫外吸收最大变化值的一半。（双螺旋结构失去一半时）。Tm值是DNA的一
17、个特征常数,1,3,2,影响Tm值的因素 :,DNA的Tm值与分子中的G和C的含量有关。 （G+C)%=(Tm-69.3)*2.44 介质的离子强度:DNA的应保存在含盐的缓冲液中， 离子强度较低的介质Tm较低 溶液的pH值：高pH下广泛去质子而丧失形成氢键的能 力，pH大于11.3时，DNA完全变性。 变性剂：尿素、甲醛等破坏氢键，妨碍碱基堆积，使 Tm下降。,4、复性,DNA热变性在一定条件下是可逆的，DNA水溶液加热变性时，双螺旋的两条链分开，如果将溶液缓慢冷却，则两条链可能发生特异的重组而恢复成双螺旋，这种现象称“退火”（annealing），这种双螺旋的重组过程称复性。,核酸的复性,紫外吸收值A260降低（减色效应）复性的特征 比旋上升，粘度上升。 生物活性部分恢复。,温度要逐步降低， 变性DNA浓度高，影响复性因素 DNA片断大则复性就慢， 具有很多重复序列的DNA复性也快,5、核酸的分子杂交(hybridization),定义：不同核酸单链通过碱基配对形成杂交分子的过程。,分子杂交不仅可以在不同来源的DNA片段中形成，甚至可以在DNA和RNA之间也可以形成DNARNA杂交分子。,
