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1、第二章 核 酸 化 学,学习要求：1、掌握两类核酸在分子组成、结构上的异同点2、掌握DNA的双螺旋结构特点3、掌握核酸的理化性质及应用,一、名词解释1回文序列 2DNA的一级结构 3碱基互补规则 4核酸变性 5Tm 值 6增色效应 7核酸分子杂交二、简答计算1、简述tRNA二级结构的特点及每一部分的功能。2、真核生物与原核生物mRNA一级结构特点？3、DNA碱基组成的Chargaff规则4、DNA双螺旋结构模型的要点及双螺旋结构的稳定因素？5、引起DNA变性的主要因素有哪些？变性后的理化性质有何改变？,核酸的研究历史,1869 Miescher从脓细胞的细胞核中分离出了一 种含磷酸的有机物，当
2、时称为核素（nuclein）,后称为核酸（nucleic acid）1944 Avery 等通过肺炎球菌转化试验证明DNA是遗传物质1953 Watson和Crick提出DNA结构的双螺旋模型1958 Crick提出遗传信息传递的中心法则70年代 建立DNA重组技术80年代以后 分子生物学、分子遗传学等学科突飞猛进发展，实施人类基因组计划（HGP）,肺炎球菌转化实验图解,光滑型细胞（有毒）,粗糙型细胞（无毒）,破碎细胞,DNAase降解后的DNA,粗糙型细胞接受光滑型DNA,只有粗糙型,大多数仍为粗糙型,少数光滑型细胞被转化,S,S,R,R,R,+,DNA,第一节 核苷酸的种类、分布与功能,第
3、二节 核酸的分子结构（重点）,第三节 核酸的性质与应用（重点）,第二章 核 酸 化 学,核酸,DNA,RNA,分布：在真核细胞中，DNA主要集中在细胞核内，线粒体和叶绿体中均有各自的DNA。原核细胞DNA存在于称为类核的结构区,（脱氧核糖核酸）,（核糖核酸）,储存、复制、传递遗传信息,参与遗传信息的传递和表达过程，在蛋白质的合成中起重要作用,分布：RNA主要存在于细胞质中，少量存在于细胞核中,第一节 核苷酸的种类、分布与功能,核苷酸是核酸的基本结构单元,一、核酸的化学组成,DNA与RNA组成上的区别,核苷酸的基本结构,（N=A、G、C、U、T）,H,H,(O)H,1,2,N,OH,CH2,H,
4、H,5,4,3,P,O-,O,O,O-,碱基、核苷、核苷酸的概念和关系,碱基,戊糖,磷酸,嘧啶的N1和嘌呤的N9可与戊糖的C1形成糖苷键,1、碱基 两类五种：嘌呤碱两种（A和G），嘧啶碱三种（C、U、T）2、戊糖 两种：D-核糖和D-2-脱氧核糖3、磷酸 参与形成3，5磷酸二酯键4、核苷 碱基与戊糖相连而成5、核苷酸 核苷与磷酸形成的磷酸脂,第一节 核苷酸的种类、分布与功能,基本碱基结构和命名,嘌呤,嘧啶,Adenine(A),Guanine(G),Cytosine(C),Uracil(U),Thymine(T),胸前一滩尿：u+一碳基团(甲基)=T。尿里两泡泡：嘧啶中有两个0=U。上面一个是
5、氨气包：U靠上面的一个0换成一NH，就是C。鸟儿张嘴吸氨气：张嘴即0，嘌呤有O又有一NH，=G。线儿将乌嘴来系，注意换气：系嘴即去掉O，G去掉O再把一NH，换个位置=A。,两种戊糖,核糖(in RNA),脱氧核糖(in DNA),OH,核苷：碱基与戊糖相连而成,腺苷、鸟苷、尿苷、胞苷,脱氧腺苷、脱氧鸟苷、脱氧胞苷、脱氧胸苷,核苷酸的基本结构,（N=A、G、C、U、T）,H,H,(O)H,1,2,N,OH,CH2,H,H,5,4,3,P,O-,O,O,O-,核苷酸：核苷与磷酸形成的磷酸酯,核苷酸的结构和命名,腺嘌呤核苷酸（AMP）Adenosine monophosphate,脱氧腺嘌呤核苷酸（
6、dAMP）Deoxyadenosine monophosphate,OH,H,常见（脱氧）核苷酸的结构和命名,鸟嘌呤核苷酸（GMP）,尿嘧啶核苷酸（UMP）,胞嘧啶核苷酸（CMP）,腺嘌呤核苷酸（AMP）,脱氧腺嘌呤核苷酸（dAMP）,脱氧鸟嘌呤核苷酸（dGMP）,脱氧胞嘧啶核苷酸（dCMP）,脱氧胸腺嘧啶核苷酸（dTMP）,1、多磷酸核苷酸：ADP、ATP在能量代谢中起重要作用。GDP、dCDP、dTDP等在能量传递及物质合成中起重要作用。2、环核苷酸：cAMP、cGMP在代谢调节中有重要作用3、辅酶类核苷酸：NAD(P)、FAD等在酶促反应中都起重要作用,第二章 核 酸 化 学,二、细胞内
7、游离核苷酸及其衍生物,细胞内游离核苷酸及其衍生物,多磷酸核苷酸 环核苷酸 辅酶类核苷酸。,腺苷酸及其多磷酸化合物,AMP,ADP,ATP,cAMP(cGMP)的结构,第二信使,NAD：烟酰胺腺嘌呤二核苷酸NADP：烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸FAD：黄素腺嘌呤二核苷酸,1、定义：DNA中各种脱氧核苷酸之间的连接方式和排序顺序。2、连接方式：以35-磷酸二酯键相连,第二节 核酸的分子结构（重点）,一、DNA的分子结构：,DNA的结构分为一、二、三级,（一）、DNA的一级结构：,维持一级结构的作用力：3,5磷酸二酯键,第二节 核酸的分子结构（重点）,主链骨架是脱氧核糖和磷酸，侧链是碱基表示方法：结构式
8、、线条式、字母式,读向：53，但双链DNA的两条链为反平行，必须注明各条链的走向。5-Pi（左侧）3-OH（右侧）3、没有分支4、排列顺序：只有通过测序确定,第二节 核酸的分子结构（重点）,1、定义：DNA的双螺旋结构2、提出：Watson和Crick，其依据是：,第二节 核酸的分子结构（重点）,（二）、DNA的二级结构,Watson和Crick的著名论文全文,(1)Chargaff定律：DNA的碱基组成a、碱基当量定律：A=T、G=C，即A+G=T+C，A+G/T+C=1b、不对称比率：（A+T）/（G+C）比值随亲缘关系的远近而变化，亲缘越近，不对称比率相近似，与个体内部因素无关。（表2-
9、2）。以上说明：不同生物DNA分子有各自的核苷酸序列，但它们有相同的二级结构,DNA的二级结构研究基础,写出下列DNA片段的互补链:,5ACTCG 33 TGAGC 5,5TGAGC 3,5CGAGT 3,已知有一DNA双链,A占20%,求G占多少?,30%,DNA双螺旋结构的要点,第二节 核酸的分子结构（重点）,3、DNA的双螺旋结构特征（B-DNA）：,(1)、天然DNA分子由两条反平行多聚脱氧核苷酸双链右手螺旋，一条走向53，另一条35，螺旋形成大沟和小沟,(2)、主链骨架位于外侧，碱基位于内侧。碱基按A=T和GC配对形成碱基平面,第二节 核酸的分子结构（重点）,3、DNA的双螺旋结构特
10、征（B-DNA）：,外侧脱氧核糖和磷酸内侧碱基碱基平面与双螺旋的长轴相垂直,碱基互补配对A=T形成两个氢键G=C形成三个氢键,碱基配对,(3)、螺旋直径2nm，相邻碱基平面的垂直距离为0.34nm，螺旋结构每隔10个碱基重复一次，间距为3.4nm。(4)稳定双螺旋的主要作用力：碱基堆积力：形成的疏水环境有利DNA分子的稳定氢键：GC含量越多，DNA分子越稳定除以上两个主要作用力外还有离子键,第二节 核酸的分子结构（重点）,第二节 核酸的分子结构（重点）,DNA的双螺旋结构特征,反平行多聚脱氧核苷酸双链右手螺旋，一条走向53，另一条35，螺旋形成大沟和小沟。主链骨架位于外侧，碱基位于内侧。碱基按
11、A=T和GC配对形成碱基平面螺旋直径2nm，相邻碱基平面的垂直距离为0.34nm，螺旋结构每隔10个碱基重复一次，间距为3.4nm稳定双螺旋的主要作用力：碱基堆积力、氢键、离子键,以上的B-DNA是在相对湿度为92%时，析出的DNA-钠盐纤维所呈现的构象。相对湿度改变可得到不同的DNA纤维构象，称为A-DNA 和 C-DNA，是右手双螺旋。一些人工合成的DNA片段呈左手双螺旋结构，称为Z-DNA。见表2-3,第二节 核酸的分子结构（重点）,4、DNA的双螺旋结构的多态性（简介）,第二章 核 酸 化 学,双螺旋DNA的类型类 型 螺距(nm)每匝碱基数 碱基倾角A-DNA，（DNA-Na盐，75
12、%相对湿度）2.8 11 20B-DNA，（DNA-Na盐，92%的相对湿度）3.4 10 0C-DNA，（DNA-Li盐，66%的相对湿度）3.1 9.3 6Z-DNA，（左手双螺旋）4.5 12 9,图2-9 几种类型的 DNA 双螺旋,5、其它DNA螺旋：茎环十字结构，发夹结构，DNA的三螺旋（自学P28）,1、定义：在双螺旋的基础上进一步扭曲形成的结构。2、类型：超螺旋（麻花状）是最常见的形式，有正超螺旋和负超螺旋3、作用：结构上进行压缩和包装,（三）、DNA的三级结构,（三）、DNA的三级结构,环状DNA形成的超螺旋,线状DNA形成的超螺旋,第二章 核 酸 化 学,二、RNA的分子结
13、构：RNA有三种：t-RNA、m-RNA和 r-RNA,转运,信使,核糖体,t-RNA:转运氨基酸 m-RNA:编码氨基酸,蛋白质合成的直接模版 r-RNA:构成合成蛋白质的场所,第二章 核 酸 化 学,3、二级结构的区别：DNA是双链螺旋，RNA 则为单链，但局部区域单链回折形成双螺旋区（A与U，G与C配对），不回折的单链形成突环（发夹结构），这是RNA二级结构特征。,（一）RNA 与DNA结构的比较1、组成：RNA是核糖，碱基 U 代 T，RNA核苷酸少（几十几千）.2、一级结构的连接键（35-磷酸二酯键）相同，表示方法相同。,不遵从碱基当量规律,第二章 核 酸 化 学,（二）RNA的二、
14、三级结构1、tRNA的分子结构特征：（1）分子中含有较多稀有核苷，如二氢尿嘧啶核苷(DHU)、5-甲基胞嘧啶核苷(m5C)、假尿嘧啶核苷()和其它甲基化的核苷（图P30,2-15）,第二章 核 酸 化 学,（2）二级结构呈三叶草型，有四臂四环a、氨基酸臂，接受氨基酸,末端CCA序列；b、二氢尿嘧啶环和二氢尿嘧啶臂（D-臂）；c、反密码环和反密码臂（AC臂），环上的反密码子可识别mRNA上的密码子；d、额外环；e、TC环和TC臂（P30,图2-16）,氨基酸臂,二氢尿嘧啶环,反密码环,额外环,TC环,第二章 核 酸 化 学,图2-17tRNA的三级结构,（3）三级结构呈倒L型（手枪型）它是tRN
15、A发挥功能的结构（P31,图2-17）,第二章 核 酸 化 学,2、rRNA的分子结构：二级结构类似tRNA（P32图2-18），三级结构了解不多,图2-18 大肠杆菌5S rRNA的二级结构模型,第二章 核 酸 化 学,3、mRNA的分子结构：（1）真核生物与原核生物的mRNA有所不同：a、原核生物的mRNA一般是多顺反子，而真核生物的mRNA是单顺反子；顺反子是顺反试验所规定的遗传单位，相当于一种多肽链的编码基因，从功能上讲，一个基因就是一个顺反子（cistron）,MS2病毒多顺反子mRNA的结构模式 P70 图2-20,第二章 核 酸 化 学,b、真核生物的5末端有一个称为“帽子”的特
16、殊结构，而3端有一段多聚腺苷酸（polyA）的尾巴，原核生物没有。（2）结构特点：主要是单链结构，但在mRNA非翻译区含有互补碱基，它们可通过自身回折形成简单的发夹结构。,P34图2-20 真核生物mRNA结构示意图,核酸与蛋白质的复合体：,1.病毒,2.真核染色体：,第二章 核 酸 化 学,一、核酸的一般性质：两种核酸粘度不同，DNA为纤维状，RNA为粉末状。都微溶于水，不溶于一般有机溶剂，在70%乙醇中形成沉淀。二、两性解离：分子中既含碱性基团，又含酸性基团，在一定pH条件下可解离带电荷，其PI 2-2.5，当pH大于PI时带负电，可用于电泳分离鉴定核酸,第三节 核酸的性质与应用,第二章
17、核 酸 化 学,三、紫外吸收：260nm有最大吸收，可用来测定核酸含量和鉴定纯度,减色效应：双螺旋结构和3-5-磷酸二酯键的形成都会由于碱基的相互遮挡而减弱碱基对紫外线的吸收，这种效应称为减色效应。P37,鉴定纯度：A260/A280 DNA=1.8 RNA=2,第二章 核 酸 化 学,四、变性、复性和分子杂交：1、变性：核酸分子中的氢键断裂，双螺旋解开，变成无规则卷曲的过程。P382、变性的本质 氢键、堆积力遭到破坏，但不涉及到其一级结构的改变。,增色效应：核酸变性后，对紫外光的 吸收增加，这种效应称为增色效应.P38,第二章 核 酸 化 学,3、Tm值：又称熔解温度，指消光值A260达到最
18、大值一半（即最大增色效应的50%）时的温度。P38GC含量高，Tm值大。,图2-17 DNA的解链曲线,Tm 和 GC 含量的关系,核酸变性后：1.生物活性丧失，2.粘度下降，3.对260nm紫外吸收增强,第二章 核 酸 化 学,4、复性：变性DNA两条单链的碱基重新配对，恢复双螺旋结构的过程。复性时氢键重新形成，恢复双螺旋后，减弱了碱基对紫外光的吸收，即产生减色效应,DNA 的变性和复性,DNA变性,第二章 核 酸 化 学,核酸的分子杂交,6、分子杂交：把不同的DNA链放在同一溶液中作变性处理，或把单链DNA与RNA链放在一起，只要有某些区域（即链的一部分）有碱基配对的可能，它们之间就可形成
19、局部双链，这一过程称为分子杂交。P39,分子杂交,第二章 核 酸 化 学,五、沉降特性：溶液中的核酸分子在引力场中可以下沉，可用离心沉降法对不同构象的核酸进行分离和分析。沉降速度：RNA 环状DNA 开环、线状DNA,密度梯度超离心后，质粒DNA及各种杂质的分布,第二章 核 酸 化 学,思考题：,本章的重要概念核酸的组成、种类、作用DNA与RNA的结构特点核酸的重要理化性质,第二章 核 酸 化 学,二、判断题1、核酸变性后其分子量也发生改变。2、RNA主要分布于细胞核中。3、稀有核苷酸主要存在于tRNA中。4、DNA的三级结构呈倒 L 型。5、原核生物的mRNA是单顺反子。6、分子杂交只发生于
20、不同分子的DNA之间。7、B-DNA是反平行双链右手螺旋。8、DNA链一级结构的读向是3 59、人的脑组织与心脏组织的A+T/G+C比值是不同的。10、RNA不遵守碱基当量规律。11、DNA双螺旋结构的主链是由磷酸和戊糖组成,第二章 核 酸 化 学,课堂练习题：一、填空题1、tRNA的二级结构呈（）型。2、DNA变性后，紫外吸收（）。3、核苷由（）和（）组成。4、维持DNA双螺旋稳定的作用力是（）、（）、（）。5、碱基当量定律：A=（）、G=（）。6、DNA的一级结构是指DNA中各种脱氧核苷酸之间的（）和（）。,第二章 核 酸 化 学,三、写出小列符号的中文名称：dGMP,UDP,ATP,Tm,
