生物大分子—核酸

1、第十一章第十一章 生物大分子（生物大分子（4 4）核酸核酸核酸概述核酸概述 第一節(jié)核酸基本化學(xué)組成核酸基本化學(xué)組成第二節(jié)DNADNA的結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)第三節(jié)RNARNA的結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)第四節(jié)核酸的性質(zhì)核酸的性質(zhì)第五節(jié)1.1.掌握掌握DNADNA與與RNARNA的結(jié)構(gòu)特點；的結(jié)構(gòu)特點；2.2.熟悉核酸種類、組成及其理化性質(zhì)。熟悉核酸種類、組成及其理化性質(zhì)。學(xué)習(xí)目標(biāo)學(xué)習(xí)目標(biāo) 核酸是一類重要的生物大分子，擔(dān)負(fù)著生核酸是一類重要的生物大分子，擔(dān)負(fù)著生命信息的儲存與傳遞。命信息的儲存與傳遞。 核酸是現(xiàn)代生物化學(xué)、分子生物學(xué)的重要核酸是現(xiàn)代生物化學(xué)、分子生物學(xué)的重要研究領(lǐng)域，是基因工程操作的核心分子。研究領(lǐng)域，是基

2、因工程操作的核心分子。第一節(jié)第一節(jié) 核酸概述核酸概述 1868 1868年，年，F(xiàn). MiescherF. Miescher從細(xì)胞核中分離得到一種從細(xì)胞核中分離得到一種酸性物質(zhì)，即現(xiàn)在被稱為核酸的物質(zhì)。酸性物質(zhì)，即現(xiàn)在被稱為核酸的物質(zhì)。19441944年，年，AveryAvery的轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)化實驗的轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)化實驗一、核酸的研究發(fā)現(xiàn)史一、核酸的研究發(fā)現(xiàn)史19531953年，年，WatsonWatson、Crick DNACrick DNA雙螺旋模型雙螺旋模型19821982年，核酶年，核酶orand可分離可分離 98 98核中（染色體中）核中（染色體中） 真核真核 線粒體（線粒體（mDNAmDNA）

3、核外核外 葉綠體（葉綠體（ctDNActDNA）DNA DNA 擬核擬核 原核原核 核外：質(zhì)粒（核外：質(zhì)粒（plasmidplasmid） 病毒：病毒：DNADNA病毒病毒核酸的種類和分布核酸的種類和分布 核酸分為兩大類：核酸分為兩大類： 脫氧核糖核酸脫氧核糖核酸 Deoxyribonucleic Acid Deoxyribonucleic Acid （DNADNA） 核糖核酸核糖核酸 Ribonucleic AcidRibonucleic Acid（RNARNA）RNARNA主要存在于細(xì)胞質(zhì)中主要存在于細(xì)胞質(zhì)中l(wèi) tRNA tRNAl rRNA rRNAl mRNA mRNAl 其它其它l

4、RNARNA病毒：病毒：SARSSARS第二節(jié)第二節(jié) 核酸的基本化學(xué)組成核酸的基本化學(xué)組成核酸核酸核苷酸核苷酸核苷核苷磷酸磷酸堿基堿基戊糖戊糖分子組成分子組成元素組成：元素組成： C H O N P C H O N P 組成核酸的戊糖有兩種。組成核酸的戊糖有兩種。DNADNA所含的糖為所含的糖為 -D-2-D-2-脫氧核糖；脫氧核糖；RNARNA所含的糖則為所含的糖則為-D-D-核糖。核糖。一、戊糖一、戊糖OHHOHHOHOHHHOCH2HOCH2OHHOHHHOHHD-核糖D-2-脫氧核糖NNNHNNH2l腺嘌呤腺嘌呤ANHNNHNONH2l鳥嘌呤鳥嘌呤G尿嘧啶尿嘧啶UNHNHOONNHNH

5、2O胞嘧啶胞嘧啶CNHNHOO胸腺嘧啶胸腺嘧啶T核酸中也存在一些不常見的稀有堿基。稀有堿基的核酸中也存在一些不常見的稀有堿基。稀有堿基的種類很多，大部分是上述堿基的甲基化產(chǎn)物。種類很多，大部分是上述堿基的甲基化產(chǎn)物。核苷核苷 戊糖戊糖+ +堿基堿基 糖與堿基之間的糖與堿基之間的C-NC-N鍵，稱為鍵，稱為C-NC-N糖苷鍵糖苷鍵(OH)(OH)胞嘧啶核苷尿嘧啶核苷鳥嘌呤核苷腺嘌呤核苷NNOHHONNNH2HONNOHH2NNNNNNNNH2OHHOHHOHHHOCH2HOCH2OHHOHHOHHOHHOHHOHHHOCH2OHHOHHOHHHOCH2 核苷酸核苷酸 核苷核苷+ +磷酸磷酸 戊糖

6、戊糖+ +堿基堿基+ +磷酸磷酸HHHHHHH H H四、核苷酸四、核苷酸五、核苷酸衍生物五、核苷酸衍生物 1. 1. 繼續(xù)磷酸化繼續(xù)磷酸化O-POO-NNNNNH2OHHOHHOHHOCH2O-POO-O-POO-三磷酸腺苷 (ATP)AMPADPATP2.2.環(huán)化磷酸化環(huán)化磷酸化l cAMPl cGMP3. 3. 肌苷酸及鳥苷酸肌苷酸及鳥苷酸( (強力味精強力味精) )4. 4. 輔酶輔酶 NADNAD、NADPNADP、FMNFMNIMP GMP六、多聚核苷酸（核酸）六、多聚核苷酸（核酸） 多聚核苷酸是通過一個核苷酸的多聚核苷酸是通過一個核苷酸的C C3 3-OH -OH 與另一分子核苷

7、與另一分子核苷酸的酸的5 5- -磷酸基形成磷酸基形成3 3,5,5- -磷酸二酯鍵相連而成的鏈狀聚合磷酸二酯鍵相連而成的鏈狀聚合物。物。5533l 5-5-磷酸端（常用磷酸端（常用5 5-P-P表示）；表示）；3-3-羥基端（常用羥基端（常用3 3-OH-OH表示）表示）l 方向性，當(dāng)表示一個多聚核苷酸鏈時，必須注明它的方向是方向性，當(dāng)表示一個多聚核苷酸鏈時，必須注明它的方向是5353或是或是3535。多聚核苷酸的表示方式多聚核苷酸的表示方式DNA RNA5PdAPdCPdGPdTOH 3 5PAPCPGPUOH 或5ACGTGCGT 3 5ACGUAUGU 3 ACGTGCGT ACGUA

8、UGUT53OH U53OH OH OH OH OH 第三節(jié)第三節(jié) DNADNA的結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)一級結(jié)構(gòu)一級結(jié)構(gòu)基因（基因（genegene）：）：一段有功能的一段有功能的DNADNA片段，生物片段，生物細(xì)胞中細(xì)胞中DNADNA分子的最小功能單位（交換單位）。分子的最小功能單位（交換單位）。 蛋白質(zhì)（蛋白質(zhì)（mRNA mRNA 蛋白質(zhì)）蛋白質(zhì)）產(chǎn)物產(chǎn)物 tRNA tRNA RNA RNA rRNA rRNA 調(diào)節(jié)功能：調(diào)節(jié)基因調(diào)節(jié)功能：調(diào)節(jié)基因無產(chǎn)物無產(chǎn)物 作用未知作用未知結(jié)構(gòu)基因結(jié)構(gòu)基因基因組（基因組（genomegenome）：）：某生物體（完整單倍體）所某生物體（完整單倍體）所含全部遺傳物質(zhì)

9、的總和。含全部遺傳物質(zhì)的總和。 包括：核基因組（擬包括：核基因組（擬核核/ /核核DNADNA）及核外（質(zhì)粒）及核外（質(zhì)粒/ /質(zhì)體質(zhì)體DNADNA） bpbp（堿基對（堿基對） 103 104 105 106 107 108 109 1010 1011 1012人人兩棲兩棲類類魚類魚類藻類藻類酵母酵母細(xì)菌細(xì)菌E.ColE.Coli i病毒病毒質(zhì)粒質(zhì)粒各種細(xì)胞、病毒和細(xì)菌質(zhì)粒中基因組的大小各種細(xì)胞、病毒和細(xì)菌質(zhì)粒中基因組的大小 DNADNA的雙螺旋模型的雙螺旋模型 19531953年，年，J. WatsonJ. Watson和和F. F. Crick Crick ，根據(jù)，根據(jù)DNADNA結(jié)晶的

10、結(jié)晶的X-X-衍射圖譜和分子模型，衍射圖譜和分子模型，提出了著名的提出了著名的DNADNA雙螺旋雙螺旋結(jié)構(gòu)模型，并對模型的結(jié)構(gòu)模型，并對模型的生物學(xué)意義作出了科學(xué)生物學(xué)意義作出了科學(xué)的解釋和預(yù)測。的解釋和預(yù)測。 在在DNADNA分子中，嘌呤堿基分子中，嘌呤堿基的總數(shù)與嘧啶堿基的總的總數(shù)與嘧啶堿基的總數(shù)相等。數(shù)相等。二、二、DNADNA的二級結(jié)構(gòu)的二級結(jié)構(gòu)DNADNA雙螺旋模型要點雙螺旋模型要點B型結(jié)構(gòu)型結(jié)構(gòu) 兩條鏈反向平行，右手螺旋兩條鏈反向平行，右手螺旋 堿基在內(nèi)（堿基在內(nèi)（AT，GC）堿）堿基平面垂直于螺旋軸基平面垂直于螺旋軸 戊糖在外，雙螺旋每轉(zhuǎn)一周戊糖在外，雙螺旋每轉(zhuǎn)一周 為為10堿基

11、對（堿基對（bp）A型結(jié)構(gòu)型結(jié)構(gòu) 堿基平面傾斜堿基平面傾斜20，螺旋變粗，螺旋變粗變短，螺距變短，螺距23nm。Z型結(jié)構(gòu)型結(jié)構(gòu) 左手螺旋，只有小溝左手螺旋，只有小溝2.0 nm小小溝溝大大溝溝雙螺旋雙螺旋DNADNA的結(jié)構(gòu)參數(shù)的結(jié)構(gòu)參數(shù)類型類型旋轉(zhuǎn)方向旋轉(zhuǎn)方向螺旋直徑螺旋直徑（nm）螺距螺距（nm）每轉(zhuǎn)堿基每轉(zhuǎn)堿基對數(shù)目對數(shù)目堿基對間垂直堿基對間垂直距離（距離（nm）堿基對與水堿基對與水平面傾角平面傾角ADNABDNAZDNA右右右右左左2.02.31.82.83.44.51110120.2550.340.272007雙螺旋穩(wěn)定的力雙螺旋穩(wěn)定的力 氫鍵氫鍵 堿基堆積力（疏水相互作用及范德華力）

12、堿基堆積力（疏水相互作用及范德華力） 離子鍵等離子鍵等 則則DNA變性劑（熱、變性劑（熱、pH、脲、脲/酰胺、有機溶劑）酰胺、有機溶劑）DNADNA的存在形式的存在形式三、三、DNADNA的三級結(jié)構(gòu)的三級結(jié)構(gòu) DNADNA雙螺旋的進(jìn)一步扭曲構(gòu)成三級結(jié)構(gòu)，雙螺旋的進(jìn)一步扭曲構(gòu)成三級結(jié)構(gòu)，負(fù)超負(fù)超螺旋螺旋 原核原核 雙鏈環(huán)狀雙鏈環(huán)狀DNADNA（dcDNAdcDNA） 病毒病毒 單鏈環(huán)狀單鏈環(huán)狀DNADNA（scDNAscDNA） 單鏈線性單鏈線性DNADNA（ssDNAssDNA） 真核真核 雙鏈線性雙鏈線性DNADNA（dsDNAdsDNA）第四節(jié)第四節(jié) RNARNA的結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)一、結(jié)構(gòu)特點一

13、、結(jié)構(gòu)特點1. 堿基組成堿基組成 A、G、C、U （AU/GC） 稀有堿基較多，穩(wěn)定性較差，易水解稀有堿基較多，穩(wěn)定性較差，易水解2. 多為單鏈結(jié)構(gòu)，少數(shù)局部形成螺旋多為單鏈結(jié)構(gòu)，少數(shù)局部形成螺旋3. 分子較小分子較小4. 分類分類l mRNA（hnRNA 核不均一核不均一RNA）l tRNA l rRNA （snRNA/asRNA）l 少數(shù)少數(shù)RNA病毒病毒二、二、tRNAtRNA占占RNA總量的總量的15一種氨基酸對應(yīng)最少一種一種氨基酸對應(yīng)最少一種RNAl分子量分子量25000左右，大約由左右，大約由7090個核苷酸組成，沉降系數(shù)個核苷酸組成，沉降系數(shù)為為4S左右。左右。l分子中含有較多的

14、修飾成分。分子中含有較多的修飾成分。l3-末端都具有末端都具有CpCpAOH的結(jié)的結(jié)構(gòu)。構(gòu)。tRNAtRNA的三級結(jié)構(gòu)的三級結(jié)構(gòu)三、三、rRNArRNA占占RNARNA總量的總量的8080原核生物原核生物真核生物真核生物核糖體核糖體rRNArRNA核糖體核糖體rRNArRNA 30s 30s70s70s 50s 50s16s16s5s 5s 、23s23s 40s 40s80s80s 50s 50s 18s18s5s5s、5.8s5.8s、28s28s四、四、mRNAmRNA和和hnRNAhnRNA占細(xì)胞總占細(xì)胞總RNA的的35 真核細(xì)胞真核細(xì)胞mRNAmRNA的的3 3- -末端有一段長達(dá)末

15、端有一段長達(dá)200200個核個核苷酸左右的聚腺苷酸苷酸左右的聚腺苷酸( (polyA)polyA)，稱為稱為 “尾結(jié)尾結(jié)構(gòu)構(gòu)” ，5 5 - -末端有一個甲基化的鳥苷酸，稱末端有一個甲基化的鳥苷酸，稱為為” 帽結(jié)構(gòu)帽結(jié)構(gòu)“ 。第五節(jié)第五節(jié) 核酸的性質(zhì)核酸的性質(zhì)一、一般的理化性質(zhì)一、一般的理化性質(zhì)l 兩性解離兩性解離 / 一般呈酸性（在中性溶液中帶負(fù)電荷），微一般呈酸性（在中性溶液中帶負(fù)電荷），微 溶于水，不溶于有機溶劑溶于水，不溶于有機溶劑l線性大分子（粘度高。抗剪切力差）線性大分子（粘度高。抗剪切力差）l可用電泳或離子交換（色譜）進(jìn)行分離可用電泳或離子交換（色譜）進(jìn)行分離l室溫條件下，室溫條

16、件下，DNA在堿中變性，但不水解，在堿中變性，但不水解，RNA水解水解l加熱條件下，加熱條件下，D核糖濃鹽酸苔黑酚核糖濃鹽酸苔黑酚 綠色綠色 D2脫氧核糖酸二苯胺脫氧核糖酸二苯胺 藍(lán)紫色藍(lán)紫色二、核酸的紫外吸收特性二、核酸的紫外吸收特性 在核酸分子中，由于嘌呤堿在核酸分子中，由于嘌呤堿和嘧啶堿具有共軛雙鍵體系，和嘧啶堿具有共軛雙鍵體系，因而具有獨特的紫外線吸收因而具有獨特的紫外線吸收光譜，一般在光譜，一般在260nm260nm左右有左右有最大吸收峰，可以作為核酸最大吸收峰，可以作為核酸及其組份定性和定量測定的及其組份定性和定量測定的依據(jù)。依據(jù)。 以以A A260260/A/A280280進(jìn)行定

17、性、定量進(jìn)行定性、定量 DNADNA和和RNARNA溶液中加入溴化乙溶液中加入溴化乙錠（錠（EBEB），在紫外下發(fā)出熒），在紫外下發(fā)出熒光光三、核酸的變性、復(fù)性與分子雜交三、核酸的變性、復(fù)性與分子雜交1. 1. 變性變性概念概念 穩(wěn)定核酸雙螺旋次級鍵斷裂，空間結(jié)構(gòu)破壞，變成單鏈穩(wěn)定核酸雙螺旋次級鍵斷裂，空間結(jié)構(gòu)破壞，變成單鏈結(jié)構(gòu)的過程。核酸的的一級結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)的過程。核酸的的一級結(jié)構(gòu)( (堿基順序堿基順序) )保持不變。保持不變。變性表征變性表征 生物活性部分喪失、粘度下降、浮力密度升高、紫外吸生物活性部分喪失、粘度下降、浮力密度升高、紫外吸收增加（增色效應(yīng)）收增加（增色效應(yīng)）變性因素變性因素 p

18、HpH（11.311.3或或5.05.0） 變性劑（脲、甲酰胺、甲醛）變性劑（脲、甲酰胺、甲醛） 低離子強度低離子強度 加熱加熱 DNADNA的變性過程的變性過程是突變性的，它在很窄的溫度區(qū)間內(nèi)完成。因是突變性的，它在很窄的溫度區(qū)間內(nèi)完成。因此，通常將紫外吸收的增加量達(dá)最大量一半時的溫度稱熔解此，通常將紫外吸收的增加量達(dá)最大量一半時的溫度稱熔解溫度，用溫度，用T Tm m表示。表示。 一般一般DNADNA的的T Tm m值在值在70-8570-85 C C之間。之間。DNADNA的的T Tm m值與分子中的值與分子中的G G和和C C的的含量有關(guān)。含量有關(guān)。 G G和和C C的含量高，的含量高

19、，T Tm m值高。因而測定值高。因而測定TmTm值，可反映值，可反映DNADNA分子中分子中G, G, C C含量，可通過經(jīng)驗公式計算：（含量，可通過經(jīng)驗公式計算：（G+C)%=(Tm-69.3)X2.44G+C)%=(Tm-69.3)X2.442. 熱變性和熱變性和Tm3. 核酸的復(fù)性核酸的復(fù)性 變性核酸的互補鏈在適當(dāng)?shù)臈l件下，重新締合成為雙變性核酸的互補鏈在適當(dāng)?shù)臈l件下，重新締合成為雙螺旋結(jié)構(gòu)的過程稱為螺旋結(jié)構(gòu)的過程稱為復(fù)性復(fù)性。 DNADNA復(fù)性后，一系列性質(zhì)將得到恢復(fù)，但是生物活性一復(fù)性后，一系列性質(zhì)將得到恢復(fù)，但是生物活性一般只能得到部分的恢復(fù)，具有減色效應(yīng)。般只能得到部分的恢復(fù)，

20、具有減色效應(yīng)。 將熱變性的將熱變性的DNADNA驟然冷卻至低溫時，驟然冷卻至低溫時，DNADNA不可能復(fù)性。不可能復(fù)性。變性的變性的DNADNA緩慢冷卻時可復(fù)性，因此又稱為緩慢冷卻時可復(fù)性，因此又稱為“退火退火”。 退火溫度退火溫度T Tm m2525 復(fù)性影響因素復(fù)性影響因素 片段濃度片段濃度/ /片段大小片段大小/ /片段復(fù)雜性（重復(fù)序列數(shù)目）片段復(fù)雜性（重復(fù)序列數(shù)目）/ / 溶液離子強度溶液離子強度 4.4.分子雜交分子雜交 DNADNA單鏈與在某些區(qū)域有互補序列的異源單鏈與在某些區(qū)域有互補序列的異源DNADNA單鏈單鏈或或RNARNA鏈形成雙螺旋結(jié)構(gòu)的過程。這樣形成的新鏈形成雙螺旋結(jié)構(gòu)

21、的過程。這樣形成的新分子稱為分子稱為雜交雜交DNADNA分子分子。 核酸的雜交在分子生物學(xué)和遺傳學(xué)的研究中具有核酸的雜交在分子生物學(xué)和遺傳學(xué)的研究中具有重要意義。重要意義。 Southern Southern 雜交（雜交（Southern boltingSouthern bolting） Northern Northern 雜交（雜交（Northern boltingNorthern bolting） Western Western 雜交雜交 （Western boltingWestern bolting）一、選擇題一、選擇題1自然界游離核苷酸中，磷酸最常見是位于：自然界游離核苷酸中，磷酸最常

22、見是位于：A戊糖的戊糖的C-5上上 B戊糖的戊糖的C-2上上 C戊糖的戊糖的C-3上上D戊糖的戊糖的C-2和和C-5上上 E戊糖的戊糖的C-2和和C-3上上2可用于測量生物樣品中核酸含量的元素是：可用于測量生物樣品中核酸含量的元素是：A碳碳 B氫氫 C氧氧 D磷磷 E氮氮3下列哪種堿基只存在于下列哪種堿基只存在于RNA而不存在于而不存在于DNA：A尿嘧啶尿嘧啶 B腺嘌呤腺嘌呤 C胞嘧啶胞嘧啶 D鳥嘌呤鳥嘌呤 E胸腺嘧啶胸腺嘧啶4核酸中核苷酸之間的連接方式是：核酸中核苷酸之間的連接方式是：A2，3磷酸二酯鍵磷酸二酯鍵 B糖苷鍵糖苷鍵 C2，5磷酸二酯鍵磷酸二酯鍵D肽鍵肽鍵 E3，5磷酸二酯鍵磷酸

23、二酯鍵5核酸對紫外線的最大吸收峰在哪一波長附近？核酸對紫外線的最大吸收峰在哪一波長附近？A280nm B260nm C200nm D340nm E220nm練習(xí)題練習(xí)題6有關(guān)有關(guān)RNA的描寫哪項是錯誤的：的描寫哪項是錯誤的：AmRNA分子中含有遺傳密碼分子中含有遺傳密碼 BtRNA是分子量最小的一是分子量最小的一種種RNA C胞漿中只有胞漿中只有mRNA DRNA可分為可分為mRNA、tRNA、rRNA E組成核糖體的主要是組成核糖體的主要是rRNA7大部分真核細(xì)胞大部分真核細(xì)胞mRNA的的3-末端都具有：末端都具有：A多聚多聚A B多聚多聚U C多聚多聚T D多聚多聚C E多聚多聚G8DNA變性是指：變性是指：A分子中磷酸二酯鍵斷裂分子中磷酸二酯鍵斷裂 B多核苷酸鏈解聚多核苷酸鏈解