Chapter 核酸化學(xué)的學(xué)習(xí)資料

Chapter核酸化學(xué)的學(xué)習(xí)資料第1頁/共58頁第三章

核酸化學(xué)NucleicAcidchemistry第2頁/共58頁核酸是一類重要的生物大分子，擔(dān)負(fù)著生命信息的儲(chǔ)存與傳遞。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。核酸概述第3頁/共58頁第一節(jié)核酸是遺傳物質(zhì)的載體一、核酸的研究發(fā)現(xiàn)史1868年，F(xiàn).Miescher從細(xì)胞核中分離得到一種含磷量很高酸性物質(zhì)，即現(xiàn)在被稱為核酸的物質(zhì)。第4頁/共58頁1928年，F(xiàn).Griffith的轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)

orand可分離第5頁/共58頁1952年，Hershey、ChaseT2噬菌體：32P和35S分別標(biāo)記核酸和蛋白1953年，Watson、CrickDNA雙螺旋模型1981年，Cech核酶（Ribozyme）第6頁/共58頁98％核中（染色體中）真核線粒體（mDNA）核外葉綠體（ctDNA）DNA擬核原核核外：質(zhì)粒（plasmid）病毒：DNA病毒二、核酸的種類和分布

核酸分為兩大類：脫氧核糖核酸deoxyribonucleicacid（DNA）核糖核酸ribonucleicacid（RNA）第7頁/共58頁RNA主要存在于細(xì)胞質(zhì)中

tRNA(transferRNA)rRNA

(ribosomalRNA)（真核與原核的區(qū)別）

mRNA

(messegerRNA)（真核與原核的區(qū)別）其它

RNA病毒：SARS、TSV三、分子生物學(xué)的中心法則第8頁/共58頁第二節(jié)核酸的基本化學(xué)組成核酸核苷酸核苷磷酸堿基戊糖元素組成：CHONP

核酸完全水解產(chǎn)生嘌呤和嘧啶等堿性物質(zhì)、戊糖（核糖或脫氧核糖）和磷酸的混合物。核酸部分水解則產(chǎn)生核苷和核苷酸。每個(gè)核苷分子含一分子堿基和一分子戊糖，一分子核苷酸部分水解后除產(chǎn)生核苷外，還有一分子磷酸。核酸的各種水解產(chǎn)物可用層析或電泳等方法分離鑒定。第9頁/共58頁

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第10頁/共58頁二、堿基1.嘌呤堿（Purine

bases）123456978腺嘌呤AdenineA鳥嘌呤guanineG第11頁/共58頁2.嘧啶堿（Pyrimidine

bases）123456尿嘧啶uracilU胞嘧啶cytosineC胸腺嘧啶thymineTCH3第12頁/共58頁

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。第13頁/共58頁三、核苷（nucleoside）核苷戊糖+堿基

(糖苷P19)

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)第14頁/共58頁假尿苷（ψ）次黃苷（肌苷）I黃嘌呤核苷X二氫尿嘧啶核苷DHU取代核苷的表示方式7-甲基鳥苷m7G5OHAdenosineGuanosineCytidineUridine第15頁/共58頁四、核苷酸（nucleotide）

核苷酸核苷+磷酸

戊糖+堿基+磷酸

HHHHHHHHH第16頁/共58頁五、核苷酸衍生物1.繼續(xù)磷酸化AMPADPATP第17頁/共58頁2.環(huán)化磷酸化cAMP

cGMP3.輔酶

NAD、NADP、FAD第18頁/共58頁六、多聚核苷酸（核酸）多聚核苷酸是通過一個(gè)核苷酸的C3’-OH與另一分子核苷酸的5’-磷酸基形成3’,5’-磷酸二酯鍵相連而成的鏈狀聚合物。5’5’3’3’第19頁/共58頁第20頁/共58頁5′-磷酸端（常用5’-P表示）；3′-羥基端（常用3’-OH表示）多聚核苷酸鏈具有方向性，當(dāng)表示一個(gè)多聚核苷酸鏈時(shí)，必須注明它的方向是5′→3′或是3′→5′。

注意：核苷酸鏈的方向與二酯鍵的方向相反多聚核苷酸的表示方式：

1.豎線式：P482

2.文字式：DNARNA5′PdAPdCPdGPdTOH3′5′PAPCPGPUOH′

或5′ACGTGCGT3′5′ACGUAUGU3′

ACGTGCGTACGUAUGU第21頁/共58頁第三節(jié)DNA的結(jié)構(gòu)一、DNA的一級(jí)結(jié)構(gòu)脫氧核糖核酸的排列順序可以用堿基排列順序表示連接鍵：3’，5’-磷酸二酯鍵磷酸與戊糖依次相連形成主鏈骨架堿基形成側(cè)鏈多核苷酸鏈均有5’-末端和3’-末端

DNA的堿基順序本身就是遺傳信息存儲(chǔ)的分子形式。生物界物種的多樣性即寓于DNA分子中四種核苷酸千變?nèi)f化的不同排列組合之中。第22頁/共58頁2.基因與基因組基因（gene）：一段有功能的DNA片段，生物細(xì)胞中DNA分子的最小功能單位（交換單位）。

蛋白質(zhì)（mRNA蛋白質(zhì)）產(chǎn)物tRNARNArRNA

調(diào)節(jié)功能：調(diào)節(jié)基因無產(chǎn)物

作用未知結(jié)構(gòu)基因第23頁/共58頁基因組（genome）：某生物體（完整單倍體）所含全部遺傳物質(zhì)的總和。包括：核基因組（擬核/核DNA）及核外（質(zhì)粒DNA）bp（堿基對(duì)）

103104105106107108109101010111012人兩棲類魚類藻類酵母細(xì)菌E.Coli病毒質(zhì)粒各種細(xì)胞、病毒和細(xì)菌質(zhì)粒中基因組的大小第24頁/共58頁3.原核生物基因組特點(diǎn)重復(fù)序列少，多位編碼區(qū)多為操縱子形式組織有重疊基因存在

真核生物基因組特點(diǎn)以染色體存在重復(fù)序列多基因組計(jì)劃人類基因組計(jì)劃（HumanGenomeProject，HGP）：

1990－2002酵母基因組計(jì)劃（YGP）：1989-1996大腸桿菌（E.Coli）：1997第25頁/共58頁negativecontrol第26頁/共58頁二、DNA的二級(jí)結(jié)構(gòu)（一）Chargaff規(guī)律1950年（1）所有生物的DNA中，A=T，G=C，A+C=G+T，且A+G=C+T。（2）DNA的堿基組成具有種的特異性。（3）DNA堿基組成沒有組織和器官的特異性。（4）年齡、營養(yǎng)狀況、環(huán)境等因素不影響DNA的堿基組成。第27頁/共58頁(二)DNA的雙螺旋模型1953年，J.Watson和F.Crick在前人研究工作的基礎(chǔ)上，根據(jù)DNA結(jié)晶的X-衍射圖譜和分子模型，提出了著名的DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型，并對(duì)模型的生物學(xué)意義作出了科學(xué)的解釋和預(yù)測(cè)。在DNA分子中，嘌呤堿基的總數(shù)與嘧啶堿基的總數(shù)相等。第28頁/共58頁DNA雙螺旋模型要點(diǎn)B型結(jié)構(gòu)

a.兩條鏈反向平行，右手螺旋;b.堿基在內(nèi)（A＝T，G≡C），堿基平面垂直于螺旋軸,戊糖環(huán)在外，平行于螺軸；

c.雙螺旋每轉(zhuǎn)一周為10堿基對(duì)（bp），上升3.4nm;d.氫鍵維系兩鏈的結(jié)合；

e.堿基自由排列。2.0nm小溝大溝第29頁/共58頁（1）B-DNA：典型的Watson-Crick雙螺旋DNA右手雙螺旋每圈螺旋10.4個(gè)堿基對(duì)螺距：3.22nm（2）

A-DNA右手雙螺旋，外形粗短。RNA-RNA、RNA-DNA雜交分子具有這種結(jié)構(gòu)。（3）Z-DNA左手螺旋，外形細(xì)長。天然B-DNA的局部區(qū)域可以形成Z-DNA。第30頁/共58頁雙螺旋DNA的結(jié)構(gòu)參數(shù)類型旋轉(zhuǎn)方向螺旋直徑（nm）螺距（nm）每轉(zhuǎn)堿基對(duì)數(shù)目堿基對(duì)間垂直距離（nm）堿基對(duì)與水平面傾角A－DNAB－DNAZ－DNA右右左2.552.371.842.533.544.561110120.2550.340.2719o0o9o穩(wěn)定雙螺旋的力

氫鍵堿基堆積力（疏水相互作用及范德華力）離子鍵等則：DNA變性劑（熱、pH、脲/酰胺、有機(jī)溶劑）第31頁/共58頁

三股螺旋DNAK.Hoogsteen1963通常是一條同型寡核苷酸與寡嘧啶核苷酸-寡嘌呤核苷酸雙螺旋的大溝結(jié)合：oligo(Py):oligo(Pu)—oligo(Py/Pu)第一股是寡嘧啶，中間是寡嘌呤，第三股可以是寡嘧啶或寡嘌呤第32頁/共58頁第三股與寡嘌呤之間同向平行，并按Hoogsteen配對(duì)。T=A:A,C≡G：C+T=A:TC≡G：G第33頁/共58頁DNA的存在形式第34頁/共58頁二、DNA的三級(jí)結(jié)構(gòu)DNA三級(jí)結(jié)構(gòu)：指DNA雙螺旋的進(jìn)一步扭曲與折疊形成的特定構(gòu)象，包括三方面內(nèi)容（P490）

原核雙鏈環(huán)狀DNA（dcDNA）病毒單鏈環(huán)狀DNA（scDNA）單鏈線性DNA（ssDNA）負(fù)超螺旋幾個(gè)參數(shù)：連環(huán)數(shù)：指雙鏈的互繞數(shù)，L（linkingnumber）扭轉(zhuǎn)數(shù)：指螺旋圈數(shù)，T（twistingnumber）超螺旋數(shù)：即纏繞數(shù)，W（writhingnumber）

L=T+W拓?fù)洚悩?gòu)酶：I（L0＋1）、II（L0-2）第35頁/共58頁第36頁/共58頁真核雙鏈線性DNA（dsDNA）：P495核小體

纖絲

突環(huán)

玫瑰花環(huán)

螺旋圈

染色體第37頁/共58頁第38頁/共58頁第四節(jié)RNA的結(jié)構(gòu)與功能一、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)堿基組成A、G、C、U（A＝U/G≡C）稀有堿基較多，穩(wěn)定性較差，易水解多為單鏈結(jié)構(gòu)，少數(shù)局部形成螺旋分子較小分類mRNA（hnRNA核不均一RNA）tRNArRNA（snRNA/asRNA）少數(shù)RNA病毒第39頁/共58頁二、tRNA占RNA總量的15％一種氨基酸對(duì)應(yīng)最少一種tRNA分子量25000左右，大約由70－90個(gè)核苷酸組成。分子中含有較多的修飾成分。3‘-末端都具有CpCpAOH的結(jié)構(gòu)。三葉草形（二級(jí)結(jié)構(gòu)）：1個(gè)臂、4個(gè)環(huán)第40頁/共58頁tRNA的三級(jí)結(jié)構(gòu)第41頁/共58頁第42頁/共58頁三、rRNA占RNA總量的80％原核生物真核生物核糖體rRNA核糖體rRNA30s70s50s16s5s、23s40s80s60s18s(17S)5s、5.8s、28s(26S)第43頁/共58頁四、mRNA和hnRNA占細(xì)胞總RNA的3％～5％真核細(xì)胞mRNA的3‘-末端有一段長達(dá)200個(gè)核苷酸左右的聚腺苷酸(polyA)，稱為“尾結(jié)構(gòu)”，5’-末端有一個(gè)甲基化的鳥苷酸，稱為“帽結(jié)構(gòu)”。P484五、snRNA（smallnucleicRNA核小RNA）

scRNA（smallcytoplasmicRNA）

asRNA（antisenseRNA）第44頁/共58頁第五節(jié)核酸的性質(zhì)一、一般的理化性質(zhì)兩性解離/一般呈酸性（在中性溶液中帶負(fù)電荷），可溶于水，不溶于有機(jī)溶劑線性大分子（粘度高、抗剪切力差）可用電泳或離子交換（色譜）進(jìn)行分離室溫條件下，DNA在堿液中變性，但不水解，RNA水解加熱條件下，D－核糖＋濃鹽酸＋苔黑酚綠色

D－2－脫氧核糖＋酸＋二苯胺藍(lán)紫色第45頁/共58頁二、核酸的紫外吸收特性在核酸分子中，由于嘌呤堿和嘧啶堿具有共軛雙鍵體系，因而具有獨(dú)特的紫外線吸收光譜，一般在260nm左右有最大吸收峰，可以作為核酸及其組份定性和定量測(cè)定的依據(jù)。以A260/A280進(jìn)行定性、定量DNA和RNA溶液中加入溴化乙錠（EB），在紫外下發(fā)出熒光第46頁/共58頁三、核酸的變性、復(fù)性與分子雜交1.變性穩(wěn)定核酸雙螺旋次級(jí)鍵斷裂，空間結(jié)構(gòu)破壞，變成單鏈結(jié)構(gòu)的過程。核酸的一級(jí)結(jié)構(gòu)(堿基順序)保持不變。變性表征生物活性部分喪失、粘度下降、浮力密度升高、紫外吸收增加（增色效應(yīng)）變性因素

pH（>11.3或<5.0）變性劑（脲、甲酰胺、甲醛）低離子強(qiáng)度加熱第47頁/共58頁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，通常將加熱變性使DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)失去一半時(shí)的溫度稱熔解溫度或熔點(diǎn)，用Tm表示。一般DNA的Tm值在82-95C之間。DNA的Tm值與分子中的G和C的含量有關(guān)，也與DNA的均一性和介質(zhì)中離子強(qiáng)度有關(guān)。G和C的含量高，Tm值高。因而測(cè)定Tm值，可反映DNA分子中G,C含量，可通過經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算：（G+C)%=(Tm-69.3)X2.442.熱變性和Tm第48頁/共58頁3.核酸的復(fù)性變性核酸的互補(bǔ)鏈在適當(dāng)?shù)臈l件下，重新締合成為雙螺旋結(jié)構(gòu)的過程稱為復(fù)性。DNA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)。將熱變性的DNA驟然冷卻至低溫時(shí)，DNA不可能復(fù)性。變性的DNA緩慢冷卻時(shí)可復(fù)性，因此又稱為“退火”。退火溫度＝Tm－25℃復(fù)性影響因素