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1、第二章 核酸,核 酸(nucleic acid),是由核苷酸组成的生物大分子，携带和传递遗传信息。,第一节 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，科学家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。,核酸的分类及分布,主要在细胞核,存在于胞核、胞液中。,脱氧核糖核酸(DNA),核糖核酸(RNA),生物遗传的物质基础,核酸的分类及分布,存在于细胞核和线粒体内。,存在于胞核、胞液和线粒体。,携带遗传信息，决定细胞和个体的遗传型(g
2、enotype)。,参与遗传信息的复制与表达。某些病毒RNA也可作为遗传信息的载体。,RNA的分类和功能,信使RNA（mRNA）携带DNA遗传信息转运RNA（tRNA）通过反密码子识别mRNA的 密码子，使氨基酸对号入座核蛋白体(rRNA)与核糖体蛋白形成核糖体，是蛋白质合成的场所,98核中（染色体中）真核 线粒体（mDNA）核外 叶绿体（ctDNA）DNA 拟核 原核 核外：质粒（plasmid）病毒：DNA病毒,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）,第二节核酸的分子组成,
3、核酸,核苷酸,核苷,磷酸,碱基,戊糖,元素组成：C H O N P,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。,核酸的基本组成单位是核苷酸,碱基,戊糖,磷酸,核苷酸,核苷,核酸,DNA的基本组成单位是脱氧核糖核苷酸。RNA的基本组成单位是核糖核苷酸。,嘌呤,嘧啶,碱基,腺嘌呤（A）,鸟嘌呤（G）,胞嘧啶（C）,胸腺嘧啶（T）,尿嘧啶（U）,DNA、RNA均有,DNA有,RNA有,核苷酸的结构,
4、每种核酸都含有四种碱基。,戊 糖,（构成RNA）,核糖,（构成DNA）,脱氧核糖,嘌呤,腺嘌呤(adenine,A),鸟嘌呤(guanine,G),碱 基,嘧啶,胞嘧啶(cytosine,C),尿嘧啶(uracil,U),胸腺嘧啶(thymine,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。,核苷（或脱氧核苷）：碱基和核糖（或脱氧核糖）通过糖苷键连接形成。,糖苷键,核苷酸：AMP,GMP,UMP,CMP脱氧核苷酸：dAMP,dGMP,dTMP,dCMP,核苷酸（脱氧核苷酸）：核苷（脱氧核苷）和磷酸以酯键连接形成。,多磷酸核苷酸：NMP，NDP，NT
5、P,环化核苷酸:cAMP，cGMP,肌苷酸及鸟苷酸(强力味精),辅酶 NAD、NADP、FMN,IMP GMP,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-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53或是35。,多聚核苷酸的表示方式,DNA RNA,5PdAPdCPdGPdTOH 3 5PAPCPGPUOH 或5ACGTGCGT 3 5ACGUAUGU 3 ACGTGCGT ACGUAUGU,DNA的合成原料：dATP
6、,dGTP,dCTP,dTTP.RNA的合成原料：ATP,GTP,CTP,TTP.,第二节 核酸的分子结构,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）。,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/
7、核DNA）及核外（质粒/质体DNA）,各种细胞、病毒和细菌质粒中基因组的大小,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,真核生物基因组特点 以染色体存在 重复序列多,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）,二、DNA的二级结构 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
8、碱基的总数相等。,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（AT，GC）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20，螺旋变粗变短，螺距23nm。Z型结构 左手螺旋，只有小沟,双螺旋DNA的结构参数,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 双链环状DNA（dcDNA）病毒 单链环状DNA（scDNA）单链线性DNA（ssDNA）,真核 双链线性DNA（
9、dsDNA）,第四节 RNA的结构与功能,一、结构特点碱基组成 A、G、C、U（AU/GC）稀有碱基较多，稳定性较差，易水解多为单链结构，少数局部形成螺旋分子较小分类mRNA（hnRNA 核不均一RNA）tRNA rRNA（snRNA/asRNA）少数RNA病毒,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7090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80,四、mRNA和hnRNA,占细胞总RNA的35,真核细胞mRNA的3-末端有一段长达2
10、00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）,第四节 核酸的分子结构,一，DNA的分子结构（一）DNA的一级结构：定义核酸中核苷酸的排列顺序。由于核苷酸间的差异主要是碱基不同，所以也称为碱基序列。,核苷酸之间以3,5-磷酸二酯键连接形成多核苷酸链，即核酸。,书写方法,DNA 与RNA的区别,（二）DNA的二级结构 双螺旋结构,DNA双螺旋结构模型要点,1.两条链反向，平行，碱
11、基互补A=T G C。2.围绕同一中心轴构成右手双螺旋。螺旋直径2nm，表面有大沟和小沟（蛋白质结合部位）。3.碱基在内侧。每圈螺旋含10个碱基对(bp)，螺距为3.4nm。,4.维持双螺旋稳定的因素：横向为氢键，纵向为碱基间的堆积力。,碱基互补配对,T,A,G,C,（一）原核生物DNA的高级结构,（三）DNA的三级结构,（二）真核生物DNA的高级结构,真核生物染色体由DNA和蛋白质构成，其基本单位是 核小体。,核小体的组成DNA：约200bp 组蛋白：H1H2A，H2BH3H4,八聚体,DNA的功能：基因是DNA分子中的某一段核苷酸排列顺序，编码特定的蛋白质。,二、RNA的种类和分子结构,R
12、NA的一级结构：多核糖核苷酸链中核苷酸的排列顺序RNA为一条多核苷酸链，有的碱基配对，有的不配对，可以螺旋，也可以不螺旋。RNA通常以单链形式存在，局部可有二、三级结构,动物细胞内主要RNA的种类及功能,核蛋白体,RNA,信使,RNA,转运,RNA,功,能,核蛋白体组分,蛋白质合成模板,转运氨基酸,核蛋白体,RNA,信使,RNA,转运,RNA,细胞核和胞液,功,能,rRNA,mRNA,tRNA,核蛋白体组分,二、RNA的种类和分子结构,核蛋白体,RNA,（一）信使RNA,内含子(intron),*mRNA成熟过程,外显子(exon),mRNA的功能：作为蛋白质合成的模板。,*mRNA结构特点,
13、1.大多数真核mRNA的5末端形成帽子结构：m7GpppNm-。,2.大多数真核mRNA的3末端有多聚A尾。,*tRNA的一级结构特点 含稀有碱基较多 3末端为 CCA-OH 5末端大多数为G 由7090个核苷酸组成,（二）转运RNA,*tRNA的功能选择性搬运氨基酸到核糖体，参与蛋白质的翻译。,*tRNA的二级结构三叶草形,氨基酸臂,额外环,*tRNA的三级结构 倒L形,*rRNA的结构,（三）核蛋白体RNA,*rRNA的功能参与组成核蛋白体（rRNA+pr），作为蛋白质生物合成的场所。核蛋白体包括大亚基和小亚基,核酸的理化性质,第 三 节,一、紫外吸收,在260nm波长有最大吸收峰，是由碱
14、基的共轭双键决定的。这一特性常用作核酸的定性、定量分析。,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,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、
15、甲醛）低离子强度 加热,二、DNA的变性,定义：在某些理化因素作用下，DNA双链解开成两条单链的过程。,变性因素：过量酸，碱，加热等。,DNA变性的本质是双链间氢键的断裂,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)X2.44,2.热变性和Tm,例：变性引起紫外吸收值的改变,DNA的紫外吸收光谱,增色效应：DNA
16、变性时其溶液OD260增高的现象。,Tm：DNA 解链50%时的温度称为DNA的解链温度，又称融解温度(Tm)。其大小与G+C含量成正比。,三、DNA的复性,DNA复性的定义在适当条件下，变性DNA的两条互补链可恢复天然的双螺旋构象，这一现象称为复性。,减色效应DNA复性时，其溶液OD260降低。,热变性的DNA经缓慢冷却后即可复性，这一过程称为退火。,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
17、时可复性，因此又称为“退火”。退火温度Tm25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,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）,四、核酸的序列测定,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、ZDNA）、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,
