核酸和核苷酸

核酸和核苷酸第一頁，共七十九頁，2022年，8月28日認識核酸在生命科學(xué)上的重要性弄清堿基、核苷、核苷酸和核酸分子結(jié)構(gòu)上的關(guān)系了解核酸的化學(xué)本質(zhì)及DNA和RNA在組分、結(jié)構(gòu)和功能上的差異認識核酸的結(jié)構(gòu)與其性質(zhì)與功能之間的關(guān)系。學(xué)習(xí)要求上頁

下頁

章首第二頁，共七十九頁，2022年，8月28日1868年F.Miescher首先從傷員繃帶的膿細胞中分離得到稱為“核素”的核酸1944年通過轉(zhuǎn)化實驗證實DNA是主要的遺傳物質(zhì)1953年J.D.Watson和提出DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型1958Crick提出遺傳信息傳遞的中心法則1970s建立DNA重組技術(shù)1980s后分子生物學(xué)、分子遺傳學(xué)等學(xué)科突飛猛進發(fā)展，提出并完成HGP核酸化學(xué)的發(fā)展過程上頁

下頁

章首第三頁，共七十九頁，2022年，8月28日一.核酸的概念和重要性二.核酸的化學(xué)組成及其基本結(jié)構(gòu)單位核苷酸三.核酸的一級結(jié)構(gòu)及其測定四.DNA的高級結(jié)構(gòu)五.RNA的高級結(jié)構(gòu)六.核酸和核苷酸的理化性質(zhì)七.核酸的分離提取和純化本章目錄上頁

下頁

章首第四頁，共七十九頁，2022年，8月28日一.核酸的概念和重要性核酸的概念核酸的重要性上頁下頁

章首第五頁，共七十九頁，2022年，8月28日核酸的概念核酸是酸性的大分子物質(zhì)，在活細胞中與堿性蛋白結(jié)合，以核蛋白形式存在。核酸分為脫氧核糖核酸(DNA)以及核糖核酸(RNA)兩類，DNA所含核苷酸分子數(shù)比RNA大得多。

RNA分為三個類型，即核蛋白體RNA(rRNA)、信使RNA(mRNA)和轉(zhuǎn)移RNA(tRNA)，它們都參與蛋白質(zhì)合成上頁

下頁

章首

節(jié)首第六頁，共七十九頁，2022年，8月28日脫氧核糖核酸和核糖核酸異同的對比RNADNA組成戊糖

核糖

脫氧核糖堿基A,G,CA,G,CUT磷酸Pi(磷酸二酯鍵)Pi(磷酸二酯鍵)結(jié)構(gòu)單鏈，部分堿基互補，局部雙螺旋，三葉草形等雙鏈，堿基互補，雙螺旋形分布細胞核(核仁)，細胞質(zhì)(線粒體、核蛋白體、胞液)細胞核(染色質(zhì))細胞質(zhì)(線粒體)生物功能遺傳信息表達，反轉(zhuǎn)錄，直接參與蛋白質(zhì)的生物合成遺傳的物質(zhì)基礎(chǔ)，負責(zé)遺傳信息貯存，發(fā)布，轉(zhuǎn)錄上頁

下頁

章首

節(jié)首第七頁，共七十九頁，2022年，8月28日DNA和RNA返回第八頁，共七十九頁，2022年，8月28日DNA是遺傳的物質(zhì)基礎(chǔ)，負責(zé)遺傳信息的貯存和發(fā)布，遺傳基因就是DNA鏈上的若干核苷酸所組成的片段。RNA負責(zé)遺傳信息的表達，直接參與蛋白質(zhì)生物合成，轉(zhuǎn)錄DNA所發(fā)布的遺傳信息，并將之翻譯給蛋白質(zhì)，使生命機體的生長、發(fā)育、繁殖和遺傳得以繼續(xù)進行。核酸的重要性上頁

下頁

章首

節(jié)首第九頁，共七十九頁，2022年，8月28日核酸類物質(zhì)RNA的重要功能RNA種類功能mRNA將信息從基因傳遞到蛋白質(zhì)tRNA攜帶活化氨基酸參與蛋白質(zhì)生物合成rRNA構(gòu)成核蛋白體（蛋白質(zhì)合成場所）SnRNA參與mRNA前體剪接加工M1RNARNaseP的催化單體端粒酶RNA端粒合成的模板引物RNA起始DNA復(fù)制TsRNA蛋白質(zhì)分泌復(fù)合物中的一部分返回第十頁，共七十九頁，2022年，8月28日二.核酸的化學(xué)組成

及其基本結(jié)構(gòu)單位核苷酸核酸的化學(xué)組成核酸的基本結(jié)構(gòu)單位核苷酸上頁

下頁

章首第十一頁，共七十九頁，2022年，8月28日核酸的化學(xué)組成元素組成：C、H、O、N、PP元素的含量較多并且恒定，約占9～11%。核酸在酸、堿或酶作用下會水解成核苷酸，進一步水解可得堿基(嘌呤或嘧啶)，戊糖(核糖或脫氧核糖)和磷酸上頁

下頁

章首

節(jié)首第十二頁，共七十九頁，2022年，8月28日

組成核酸的戊糖有兩種。DNA所含的糖為β-D-2-脫氧核糖；RNA所含的糖則為β-D-核糖。(一)戊糖RiboseDeoxyribose上頁

下頁

章首

節(jié)首第十三頁，共七十九頁，2022年，8月28日(二)堿基(嘌呤和嘧啶）上頁

下頁

章首

節(jié)首第十四頁，共七十九頁，2022年，8月28日常見的嘌呤和嘧啶上頁

下頁

章首

節(jié)首第十五頁，共七十九頁，2022年，8月28日(三)核苷（nucleoside）核苷戊糖+堿基糖與堿基之間的C-N鍵，稱為C-N糖苷鍵1’2’3’4’5’(OH)1’2’3’4’5’(OH)上頁

下頁

章首

節(jié)首嘧啶核苷嘌呤核苷第十六頁，共七十九頁，2022年，8月28日幾種稀有核苷上頁

下頁

章首

節(jié)首第十七頁，共七十九頁，2022年，8月28日幾種稀有核苷上頁

下頁

章首

節(jié)首第十八頁，共七十九頁，2022年，8月28日（四）核苷酸（nucleotide）

核苷酸核苷+磷酸

戊糖+堿基+磷酸

HHHHHHHHH上頁

下頁

章首

節(jié)首腺苷酸脫氧腺苷酸第十九頁，共七十九頁，2022年，8月28日（四）核苷酸（nucleotide）

脫氧核苷酸

上頁

下頁

章首

節(jié)首第二十頁，共七十九頁，2022年，8月28日（四）核苷酸（nucleotide）

核苷酸

上頁

下頁

章首

節(jié)首第二十一頁，共七十九頁，2022年，8月28日（五）核苷酸衍生物

上頁

下頁

章首

節(jié)首1.繼續(xù)磷酸化AMPADPATP第二十二頁，共七十九頁，2022年，8月28日（五）核苷酸衍生物

上頁

下頁

章首

節(jié)首2.環(huán)化磷酸化cAMPcGMP第二十三頁，共七十九頁，2022年，8月28日3.肌苷酸及鳥苷酸(特鮮味精)4.輔酶

NAD、NADP、FMNIMPGMP上頁

下頁

章首

節(jié)首第二十四頁，共七十九頁，2022年，8月28日三.核酸的一級結(jié)構(gòu)及其測定核酸的一級結(jié)構(gòu)核苷酸序列分析上頁下頁

章首第二十五頁，共七十九頁，2022年，8月28日核酸的一級結(jié)構(gòu)核酸的一級結(jié)構(gòu)是核酸中各核苷酸化學(xué)鍵連接方式即核苷酸排列順序。核苷酸通過3’，5’-磷酸二酯鍵連接起來，以磷酸-糖-磷酸-糖…形成核酸骨架上頁

下頁

章首

節(jié)首5’5’3’3’第二十六頁，共七十九頁，2022年，8月28日RNA，DNA一級結(jié)構(gòu)示意圖上頁

下頁

章首

節(jié)首第二十七頁，共七十九頁，2022年，8月28日核酸的表示方式DNARNA5′PdAPdCPdGPdTOH3′5′PAPCPGPUOH′

或5′ACGTGCGT3′5′ACGUAUGU3′

ACGTGCGTACGUAUGUT5’3’OHU5’3’OHOHOHOHOH若不特別注明，一般規(guī)定從5′端書寫至3′端上頁

下頁

章首

節(jié)首第二十八頁，共七十九頁，2022年，8月28日

核酸分子的核苷酸序列分析是以純品核酸為材料，經(jīng)水解，測定核苷酸組成及比例。先以外切酶確定5’-或3’-末端核苷酸，再以內(nèi)切酶將核酸鏈分為若干寡核苷酸段，分段測定核苷酸組成、比例和序列。最后將核苷酸序列的各寡核苷酸重疊，確定整個核酸分子的核苷酸序列。核酸序列分析上頁下頁

章首

節(jié)首第二十九頁，共七十九頁，2022年，8月28日酶底物作用部位作用產(chǎn)物外切酶磷酸二酯酶DNA，

RNA5’端，5’連接處3’核苷酸3’端，3’連接處5’核苷酸內(nèi)切酶脫氧核糖核酸酶IDNA3’連接處3’-羥核苷酸為3’末端寡核苷酸及剩余部分脫氧核糖核酸酶II5’連接處3’-核苷酸為3’末端寡核苷酸及剩余部分核糖核酸酶T1RNA5’連接處堿基是G3’-鳥苷酸為3’末端寡核苷酸及剩余部分核糖核酸酶I5’連接處堿基是

Pyr3’-嘧啶類核苷酸為3’末端寡核苷酸及剩余部分核苷酸序列分析中斷裂磷酸二酯鍵用酶返回第三十頁，共七十九頁，2022年，8月28日DNA酶法測序1977年sanger發(fā)明末端終止法測定DNA序列根據(jù)sanger測序法，現(xiàn)在已經(jīng)有各種DNA自動測序儀，DNA測序速度大大加快HGP得以提前完成上頁

下頁

章首

節(jié)首第三十一頁，共七十九頁，2022年，8月28日DNA酶法測序上頁下頁

章首

節(jié)首第三十二頁，共七十九頁，2022年，8月28日DNA酶法測序上頁下頁章首

節(jié)首平行進行四組反應(yīng)，每組反應(yīng)均使用相同的模板，相同的引物以及四種脫氧核苷酸；并在四組反應(yīng)中各加入適量的四種之一的雙脫氧核苷酸，使其隨機地接入DNA鏈中，使鏈合成終止，產(chǎn)生相應(yīng)的四組具有特定長度的、不同長短的DNA鏈。這四組DNA鏈再經(jīng)過聚丙烯酸胺凝膠電泳按鏈的長短分離開，經(jīng)過放射自顯影顯示區(qū)帶，就可以直接讀出被測DNA的核苷酸序列,如下圖所示：第三十三頁，共七十九頁，2022年，8月28日DNA酶法測序上頁

下頁

章首

節(jié)首第三十四頁，共七十九頁，2022年，8月28日DNA酶法測序上頁

下頁章首

節(jié)首第三十五頁，共七十九頁，2022年，8月28日四.DNA的高級結(jié)構(gòu)DNA的二級結(jié)構(gòu)DNA的三級結(jié)構(gòu)上頁

下頁

章首第三十六頁，共七十九頁，2022年，8月28日DNA的二級結(jié)構(gòu)DNA的二級結(jié)構(gòu)是雙螺旋結(jié)構(gòu)，即兩條多聚核苷酸鏈圍繞一個共同軸，相互盤繞在一起構(gòu)成直徑2nm的雙螺旋，互補的堿基(A和T互補，G和C互補)通過氫鍵連接在螺旋內(nèi)部，堿基平面垂直于右旋的螺旋軸。螺旋結(jié)構(gòu)中兩條鏈走向相反上頁下頁章首

節(jié)首2.0nm小溝大溝第三十七頁，共七十九頁，2022年，8月28日DNA的二級結(jié)構(gòu)類型上頁

下頁

章首

節(jié)首B型結(jié)構(gòu)兩條鏈反向平行，右手螺旋堿基在內(nèi)（A＝T，G≡C）堿基平面垂直于螺旋軸戊糖在外，雙螺旋每轉(zhuǎn)一周為10堿基對（bp）A型結(jié)構(gòu)堿基平面傾斜20o，螺旋變粗變短，螺距2～3nm。Z型結(jié)構(gòu)左手螺旋，只有小溝第三十八頁，共七十九頁，2022年，8月28日返回第三十九頁，共七十九頁，2022年，8月28日返回第四十頁，共七十九頁，2022年，8月28日穩(wěn)定DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的三種力量氫鍵：使四種堿基形成特異配對關(guān)系，G-C間可形成3對氫鍵，A-T之間有兩對氫鍵。疏水相互作用：軸向平行相鄰的堿基平面自發(fā)地相互靠近，從而使堿基締合、層層堆積，形成了堿基堆積力，它是使DNA結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的主要力量。離子鍵：磷酸殘基上的負電荷與介質(zhì)中的正離子，如Na+，K+，Ｍg＋等之間形成的離子鍵。上頁

下頁

章首

節(jié)首第四十一頁，共七十九頁，2022年，8月28日核酸的三級結(jié)構(gòu)指鏈狀核酸分子的空間構(gòu)型，即其三維空間排列或組合方式。DNA的三級結(jié)構(gòu)上頁下頁

章首

節(jié)首第四十二頁，共七十九頁，2022年，8月28日DNA的三級結(jié)構(gòu)主要有以下三種：松弛環(huán)形超螺環(huán)形開鏈環(huán)形DNA的三級結(jié)構(gòu)上頁下頁章首

節(jié)首第四十三頁，共七十九頁，2022年，8月28日回文結(jié)構(gòu)與鏡像結(jié)構(gòu)特殊DNA的結(jié)構(gòu)上頁

下頁章首

節(jié)首第四十四頁，共七十九頁，2022年，8月28日回文結(jié)構(gòu)中的單鏈可形成發(fā)夾結(jié)構(gòu)特殊DNA的結(jié)構(gòu)上頁

下頁

章首

節(jié)首第四十五頁，共七十九頁，2022年，8月28日雙鏈回文結(jié)構(gòu)可形成十字架結(jié)構(gòu)特殊DNA的結(jié)構(gòu)上頁

下頁

章首

節(jié)首第四十六頁，共七十九頁，2022年，8月28日DNA和基因組DNA通過自我復(fù)制合成出完全相同的分子，從而將遺傳信息由親代傳到子代。轉(zhuǎn)錄，以DNA為模板合成RNA的過程，堿基配對。mRNA用于指導(dǎo)蛋白質(zhì)的合成，mRNA的核苷酸的序列決定了蛋白質(zhì)的氨基酸序列；第四十七頁，共七十九頁，2022年，8月28日中心法則第四十八頁，共七十九頁，2022年，8月28日幾個基本概念遺傳學(xué)將DNA分子中最小的功能單位稱作基因基因:能夠表達和產(chǎn)生基因產(chǎn)物（蛋白質(zhì)或RNA）的DNA序列。為RNA或蛋白質(zhì)編碼的基因稱結(jié)構(gòu)基因DNA中還有一些只有調(diào)節(jié)功能，而并不轉(zhuǎn)錄生成RNA的片斷稱調(diào)節(jié)基因。某生物體所含有的全部基因稱該生物體的基因組。第四十九頁，共七十九頁，2022年，8月28日原核生物基因組特點大多為結(jié)構(gòu)基因串聯(lián)基因基因重疊第五十頁，共七十九頁，2022年，8月28日真核生物基因組特點重復(fù)序列斷裂基因第五十一頁，共七十九頁，2022年，8月28日五.RNA的高級結(jié)構(gòu)RNA的二級結(jié)構(gòu)RNA的三級結(jié)構(gòu)上頁

下頁

章首第五十二頁，共七十九頁，2022年，8月28日RNA的二級結(jié)構(gòu)RNA的二級結(jié)構(gòu)基本上是單股分子，其二級結(jié)構(gòu)比DNA簡單的多，但也存在少數(shù)堿基配對區(qū)域即雙螺環(huán)結(jié)構(gòu)。

上頁

下頁

章首

節(jié)首第五十三頁，共七十九頁，2022年，8月28日（1）占總RNA的15％（2）一種氨基酸對應(yīng)最少一種RNA（3）分子中含有較多修飾成分（4）3‘-末端都具有CCAOH結(jié)構(gòu)（5）半數(shù)堿基可經(jīng)過自身回折，形成局部雙螺旋“莖”結(jié)構(gòu)，其間是單鏈形成的“環(huán)”。絕大多數(shù)tRNA經(jīng)過這樣的折疊形成4個莖和4個環(huán)組成的特征性三葉草形二級結(jié)構(gòu)。上頁

下頁

章首

節(jié)首1、tRNA第五十四頁，共七十九頁，2022年，8月28日占總RNA的80％上頁

下頁

章首

節(jié)首2、rRNA原核生物真核生物核糖體rRNA核糖體rRNA30s70s50s16s5s、23s40s80s50s18s5s、5.8s、28s5sRNA的二級結(jié)構(gòu)第五十五頁，共七十九頁，2022年，8月28日占總RNA的3％～5％上頁

下頁

章首

節(jié)首3、mRNA和hnRNA真核細胞mRNA的3‘-末端有一段長達200個核苷酸左右的聚腺苷酸(polyA)，稱為“尾結(jié)構(gòu)”，5’-末端有一個甲基化的鳥苷酸，稱為”帽結(jié)構(gòu)“。第五十六頁，共七十九頁，2022年，8月28日占總RNA的3％～5％上頁

下頁章首

節(jié)首3、mRNA和hnRNA原核生物mRNA特征：

先導(dǎo)區(qū)+翻譯區(qū)（多順反子）+末端序列真核生物mRNA特征：

“帽子”（m7G-5′ppp5′-N-3′p）+單順反子+“尾巴”（PolyA）第五十七頁，共七十九頁，2022年，8月28日原核細胞mRNA的結(jié)構(gòu)特點5′3′順反子順反子順反子插入順序插入順序先導(dǎo)區(qū)末端順序第五十八頁，共七十九頁，2022年，8月28日真核細胞mRNA的結(jié)構(gòu)特點AAAAAAA-OH5′

“帽子”PolyA

3′

順反子m7G-5′ppp-N-3′p第五十九頁，共七十九頁，2022年，8月28日在tRNA二級結(jié)構(gòu)中未配對的某些并不互補的堿基參與了三級結(jié)構(gòu)中特殊的氫鍵作用，tRNA鏈中的核糖-磷酸骨架與某些堿基甚至其他的骨架之間也能產(chǎn)生作用。

RNA的三級結(jié)構(gòu)上頁

下頁

章首

節(jié)首第六十頁，共七十九頁，2022年，8月28日六.核酸和核苷酸的理化性質(zhì)核苷是無色的晶體或粉末，熔點較高。在水中的溶解度嘧啶核苷比嘌呤核苷大，在有機溶劑中一般不溶解。由于戊糖有不對稱的C原子，使其具有旋光性。

天然DNA分子長度可達幾厘米，而分子直徑只有20埃米。這種細絲狀的雙螺旋結(jié)構(gòu)賦于DNA一系列顯著的物理化學(xué)特性。由于RNA分子比DNA短`而且小的多,只有部分雙螺旋結(jié)構(gòu)區(qū)，呈不定形，沒有像DNA那樣明顯的物理、化學(xué)特性。上頁

下頁

章首第六十一頁，共七十九頁，2022年，8月28日沉降特性高分子量高粘度紫外吸收酸堿性質(zhì)變性復(fù)性核酸和核苷酸的理化性質(zhì)上頁

下頁

章首

節(jié)首第六十二頁，共七十九頁，2022年，8月28日溶液中的核酸在引力場中可以下沉，在超速離心機造成的極大的引力場下，核酸分子下沉的速率大大加快。應(yīng)用超速離心技術(shù)，可以測定核酸的沉降常數(shù)、分子量和構(gòu)象。測定DNA分子量時，由于它的粘度大，應(yīng)采用其稀溶液。沉降特性上頁

下頁

章首

節(jié)首第六十三頁，共七十九頁，2022年，8月28日目前核酸的分子量用電子顯微鏡照相，放射自顯影凝膠電泳等技術(shù)來測定。部分核酸分子量和核苷酸數(shù)：類別mRNAtRNArRNA果蠅巨染色體E.Coli染色體人第13對染色體分子量2.5*104~10623000~30000~1.1*1068*10102.2*1096.4*1010核苷酸數(shù)75~30073~93~31002.4*1086*1061.9*108高分子量上頁

下頁

章首

節(jié)首第六十四頁，共七十九頁，2022年，8月28日DNA的粘度比RNA的大得多。當核酸溶液因受熱或在其他因素作用下發(fā)生螺旋向線性過渡時，粘度會降低。高粘度上頁

下頁章首

節(jié)首第六十五頁，共七十九頁，2022年，8月28日由于核酸組分嘌呤和嘧啶具有強烈的紫外吸收性能，所以核酸也有強烈的紫外吸收，最大吸收值在260nm處。這可作為核酸及其組份定性和定量測定的依據(jù)。紫外吸收上頁

下頁

章首

節(jié)首第六十六頁，共七十九頁，2022年，8月28日酸堿性質(zhì)上頁

下頁

章首

節(jié)首

核酸的磷酸基具有酸性，堿基具有堿性，因此，核酸具有兩性電離的性質(zhì)。但核酸中磷酸基的酸性大于堿基的堿性，其等電點偏酸性。DNA的pI約為4～5，RNA的pI約為2.0～2.5，在pH7～8電泳時泳向正極。第六十七頁，共七十九頁，2022年，8月28日在一定物化因素(熱、酸、堿作用下)，DNA分子內(nèi)的氫鍵斷裂，雙螺旋結(jié)構(gòu)解開，發(fā)生變性。RNA僅局部呈雙螺旋結(jié)構(gòu)，其螺旋形結(jié)構(gòu)向線團形結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化不如DNA明顯。核酸降解、變性時，其對紫外吸收增加，這種現(xiàn)象稱為增色效應(yīng)變性DNA在適當條件下(如緩慢冷卻)可使兩條分開的鏈重新締合成雙螺旋結(jié)構(gòu)，這過程叫復(fù)性。復(fù)性過程產(chǎn)生減色效應(yīng)

變性與復(fù)性上頁

下頁

章首

節(jié)首第六十八頁，共七十九頁，2022年，8月28日返回第六十九頁，共七十九頁，2022年，8月28日返回DNA的變性過程是突變性的，它在很窄的溫度區(qū)間內(nèi)完成。因此，通常將紫外吸收的增加量達最大量一半時的溫度稱熔解溫度，用Tm表示。一般DNA的Tm值在70-85C之間。DNA的Tm值與分子中的G和C的含量有關(guān)，G和C的含量高，Tm值高?？赏ㄟ^經(jīng)驗公式計算：（G+C)%=(Tm-69.3)X2.44第七十頁，共七十九頁，2022年，8月28日七.核酸的分離提取和純化DNA的分離RNA的分離核酸含量測定：定磷法紫外線吸收法定糖法核酸的純化及其要求上頁下頁

章首第七十一頁，共七十九頁，2022年，8月28日

核蛋白的提?。赫婧思毎蠨NA常和組蛋白結(jié)合以核蛋白形式存在，把真核細胞搗碎后加入0.9%NaCl和0.01M檸檬酸鈉溶液，使DNA蛋白質(zhì)沉淀，而檸檬酸鈉是起抑制DNA的降解作用。核酸與蛋白質(zhì)的分離：利用核蛋白溶于1mol/LNaCl的性質(zhì)，將其從細胞勻漿中分離出來，用飽和苯酚等溶劑與上述核蛋白共振，冰凍離心。DNA溶于上層水相中，變性蛋白留在酚層內(nèi)。在水相加入2.5倍體積無水乙醇，將其沉淀出來，再以核酸酶水解以除去RNA。最后借助密度梯度平衡超速離心法或?qū)游鲋?，分離DNA。DNA的分離上頁

下頁

章首

節(jié)首第七十二頁，共七十九頁，2022年，8月28日DNA的精制：制得的DNA中還含少量蛋白質(zhì)等雜質(zhì)，將它溶解在蒸餾水中，加入陰離子去污劑硫酸十二酯鈉進一步作用于DNA和蛋白，使蛋白質(zhì)與核酸分離而沉淀，通過高速離心去掉蛋白質(zhì)，在上層DNA溶液加入95%乙醇沉淀DNA，經(jīng)過乙醇重復(fù)洗幾次，可得DNA精制品。上頁下頁

章首

節(jié)首第七十三